[发明专利]一种高造斜率井眼轨迹控制方法

摘要

本发明涉及一种高造斜率井眼轨迹控制方法，属井眼轨迹控制方法技术领域。包括偏置机构的控制方法，所述偏置机构为采用偏心环组合运动的方式来设计，动力来源于钻杆，由联轴器将钻杆的旋转运动通过电磁离合器传递给减速装置，经过减速装置减速后分别驱动内外偏心环旋转，从而使主轴发生不同程度的弯曲，为钻头提供了一个与井眼轴线不一致的倾角，实现钻头倾角的无级控制，达到井眼轨迹控制的目的。本发明不是靠偏置钻头进行导向，而是靠控制钻柱弯曲特征来实现钻头轴线的有效导控，造斜率由工具本身确定，不受钻进地层岩性的影响。能够应用于直井、定向井、超深井、大位移井、超薄油层水平井、长距离水平井、多分枝井等各种井眼的轨迹控制。

主权项

1.一种高造斜率井眼轨迹控制方法，它包括一个旋转导向工具以及对该旋转导向工具的控制方法，其特征在于：所述旋转导向工具包括偏心机构（9）以及与偏心机构（9）相连接的减速装置（8）、电磁离合器（7）、传感器（11）和控制器（13），所述的偏心机构（9）由偏心环内环（1）和偏心环外环（2）组成，偏心环内环（1）嵌套在偏心环外环（2）内孔里面，主轴（4）嵌套在偏心环内环（1）的内孔里面，通过偏心环内环（1）和偏心环外环（2）的相对旋转使旋转导向工具实现在空间范围内任意方向的造斜；所述的对旋转导向工具的控制方法包括以下步骤：（1）、工具面角与偏心环位置角度控制零点位置：工具在装配时外环（2）较厚边向上，内环（1）较厚边向下，合成的合位移为零，主轴处于未偏心状态，偏心环内环（1）和偏心环外环（2）在初始状态时，偏心环外环（2）为0°，偏心环内环（1）为180°；将偏心环内环（1）和偏心环外环（2）的位置角度关系算法编入软件，即可对偏心机构（9）位置角度进行实时监测与控制；（2）、偏心位移的计算1）偏心运动的导向合成以偏心环所在截面处的井眼中心作为坐标原点，井眼高边径向所指方向为x轴正方向，沿x轴正方向顺时针旋转90°为y轴正方向，建立坐标系；在钻进过程中，传感器不断检测内外偏心环的旋转角度，经过偏心环内环（1）和偏心环外环（2）位移矢量合成后与设定值相比较，若出现偏差则需要调整；当内外环单独转动时，可以得出主轴在Y和Z向的偏心位移曲线，当内外环同时转动时，以内外环相位相差为180°为例，可以得出主轴分别由内外环转动而形成的Y和Z向的位移曲线，将两条曲线合成即为主轴偏心位移合矢量；2）偏心运动合位移的分解在钻井过程中，根据所需的造斜率确定偏心位移矢量，然后将其分解为偏心环内环（1）和偏心环外环（2）的位移量，最后分解为偏心环内环（1）和偏心环外环（2）的旋转角度，当偏心环内环（1）和偏心环外环（2）形成的位移矢量保持不变时，则工具按照一定的造斜率向前钻进；3）运动轨迹优化以外套中心A为原点，建立直角坐标系X-Y，得出外环内孔中心运动轨迹方程为：；设定主轴（4）中心需要转到C点，连接A、C两点，做直线AC的垂直平分线，交偏心环外环（2）内孔中心轨迹圆于B和D两点，则当偏心环外环（2）内孔中心转至B和D两点时，再通过转动偏心环内环（1），都能使主轴（4）中心达到C点；（3）、高造斜率井眼轨迹控制工具的测控方案地面监控系统由数据采集传输单元、地面计算分析模拟中心、指令下传单元组成；井下测控单元由传感器、控制短节、工具面检测短节、信息传输短节、MWD控制器及高温锂电池组组成；偏心环转角测量是指偏心环内环（1）和偏心环外环（2）旋转角度的测量，根据地面监测系统设定的工具面角和位移模值，分解计算出偏心环内环（1）和偏心环外环（2）的相对旋转角度；由控制短节将地面监控系统下传的预期偏心环转角的值存入控制单元，通过控制电磁离合器（7）的吸合，实现偏心环的相对转动使主轴（4）弯曲进行造斜，当检测到的角度与预定值存在偏差时，将偏差作为控制参数，控制电磁离合器（7）实现控制偏心环转角；工具面检测短节由三轴加速计模块组成，由工具面检测短节检测工具的空间姿态，通过工具面检测短节测出实际方向与目标方向的角度，便于补偿修正，减小误差；由地面监控系统将工具面指令和弯曲角指令经下行通讯装置传送到井下控制器中，同时将测得的偏心环内环（1）和偏心环外环（2）位置传感器信号传输到控制器中进行运算，将运算结果通过通讯终端与MWD测量的井斜和方位信息一起传输到地面监控器中监测。