專利名稱：一種用于旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)的測控裝置及其測控方法
技術領域：
本發(fā)明屬于鉆井測控技術領域，涉及一種鉆井測控裝置及其測控方法，具體地講是關于一種用于旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)的測控裝置及其測控方法。
背景技術：
旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術已經(jīng)在石油鉆井領域得到廣泛的應用。在定向井、大位移井、三維軌跡井、復雜油氣井作業(yè)中，使用旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術，能夠顯著地降低作業(yè)風險，提高鉆井效率，降低開發(fā)成本。目前所采用的旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具，根據(jù)工作方式，可以分為以下3種類型靜態(tài)偏置推靠式、動態(tài)偏置推靠式和靜態(tài)偏置指向式。其中測控裝置是旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具的核心。 對于靜態(tài)偏置指向式旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具，其測控裝置主要完成以下任務(1)采集井下的工況參數(shù)；(2)將接收到的壓力脈沖信號解碼為控制指令；(3)控制翼肋的伸縮，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具空間姿態(tài)的調(diào)整。經(jīng)對現(xiàn)有技術的公開文獻檢索發(fā)現(xiàn)，雖然指出了旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具測控裝置的工作原理，并提出針對靜態(tài)偏置指向式旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具的測控方法，但是，僅限于是一種設想，并沒有考慮實際應用的可實施性；同時，也沒有考慮實際應用中，為保證測控裝置功能模塊的正常工作，需要進行處理器的冗余設計。

發(fā)明內(nèi)容
為了使鉆井工具偏心位移量測量的更準確，同時對翼肋的伸縮量控制的更精確， 本發(fā)明著重提出一種用于旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)的測控裝置及測控方法。該裝置能夠在旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)進行鉆井作業(yè)時，根據(jù)在井下所接收到的壓力脈沖命令，控制旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)的工作狀態(tài)，同時將旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)的工作參數(shù)實時上傳。本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采取以下技術方案一種用于旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)的測控裝置，其特征在于包括微處理器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、驅(qū)動模塊、數(shù)據(jù)通訊模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和電源管理模塊；數(shù)據(jù)采集模塊一端與鉆井系統(tǒng)的壓力傳感器、溫度傳感器、位移傳感器、加速度計連接，另一端與微處理器模塊連接，將采集到的壓力、溫度、位移和加速度分量信號調(diào)理后傳輸?shù)轿⑻幚砥髂K；驅(qū)動模塊一端與微處理器模塊連接，另一端與執(zhí)行機構連接，接收微處理器模塊的信息，控制執(zhí)行機構的運動；數(shù)據(jù)通訊模塊一端與微處理器模塊連接，另一端與隨鉆測量工具連接；數(shù)據(jù)存儲模塊與微處理器模塊連接，存儲工作參數(shù)數(shù)據(jù)；電源管理模塊負責先將井下交流電進行整流穩(wěn)壓處理成為直流電，再進行電壓轉(zhuǎn)換將直流電壓分壓，為測控裝置提供所需電力。所述微處理器模塊設置了主CPU和冗余CPU，當系統(tǒng)檢測到主CPU無法正常工作時，自動切換到冗余CPU進行工作。所述數(shù)據(jù)通訊模塊與微處理器模塊之間采用RS485協(xié)議通訊，與隨鉆測量工具之間采用1553b協(xié)議通訊。
所述數(shù)據(jù)存儲模塊采用NorFlash作為存儲介質(zhì)。一種利用所述測控裝置進行旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)測控的方法，其特征在于包括如下操作1)在地面對控制指令進行壓力脈沖編碼，該編碼通過開關泥漿泵所形成的壓力脈沖傳送到井下；2)同時對測控裝置進行系統(tǒng)初始化并自檢，系統(tǒng)檢測測控裝置的主CPU是否能夠正常工作，如不能正常將自動切換到冗余CPU進行工作；3)微處理器模塊對壓力脈沖實時進行解碼，得到壓力脈沖所下傳的指令數(shù)據(jù)；4)解碼同時，系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，通過空間姿態(tài)解算，求得當前旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具所處位置的井斜角和高邊工具面角；5)利用測得的執(zhí)行機構的位移數(shù)據(jù)，通過位移矢量合成算法，求得當前旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具的偏心位移量；6)根據(jù)已得數(shù)據(jù)，計算執(zhí)行機構的位移伸出量；7)系統(tǒng)根據(jù)解碼脈沖指令，在脈沖指令下，對計算得到的執(zhí)行機構位移伸出量執(zhí)行PID控制，調(diào)整執(zhí)行機構的位移伸出量，從而得到旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具的目標偏心位移量；8)系統(tǒng)實時進行數(shù)據(jù)存儲及上傳。在步驟1)中，采用泥漿脈寬調(diào)制編碼方法，定義一個最小脈沖寬度，其他脈沖寬度均是最小脈沖寬度的整數(shù)倍，編碼格式采用如下形式同步碼A+信息碼+同步碼B。在步驟4)中，解算井斜角和高邊工具面角的方法如下①取三個重力加速度計測得X、Y、Z三個軸的重力加速度值(}x、Gy和Gz ；②通過Gx、Gy和Gz計算重力加速度合成值識=px+Gy+Gz ；③通過Gx、Gy 和 Gz 計算井斜角=arctanC^2 +G2y /Gz)；
Gv④通過Gx、Gy和Gz計算高邊工具面角你=arctan(--f)。
ijZ在步驟幻中，解算偏心位移量的方法如下執(zhí)行機構即三個翼肋在旋轉(zhuǎn)導向工具的不旋轉(zhuǎn)外套上處于同一徑向截面上，因此以旋轉(zhuǎn)導向工具翼肋所在截面處的井眼中心作為坐標原點建立坐標系，從井口向井底看， 井眼高邊徑向所指方向為X軸正方向，沿X軸正方向順時針旋轉(zhuǎn)90°為y軸正方向，設三個翼肋同時伸出與井壁接觸，工具中心與井眼中心相重合時翼肋長度為原始長度，分別為OA、 OB、0C，即為井眼半徑R ；實際工作時由于三個翼肋相對于工具的伸出量不同，使工具中心相對于井眼中心形成了一個偏心位移e，此時定義三個翼肋長度分別為0' A'、0' B'、0' C'，設三個翼肋的獨立伸縮使工具中心形成的位移矢量分別為 、ζ、ζ，與Χ軸夾角分別為α ρ α 2、 α3，則有
權利要求
1.一種用于旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)的測控裝置，其特征在于包括微處理器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、驅(qū)動模塊、數(shù)據(jù)通訊模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和電源管理模塊；數(shù)據(jù)采集模塊一端與鉆井系統(tǒng)的壓力傳感器、溫度傳感器、位移傳感器、加速度計連接，另一端與微處理器模塊連接，將采集到的壓力、溫度、位移和加速度分量信號調(diào)理后傳輸?shù)轿⑻幚砥髂K；驅(qū)動模塊一端與微處理器模塊連接，另一端與執(zhí)行機構連接，接收微處理器模塊的信息，控制執(zhí)行機構的運動；數(shù)據(jù)通訊模塊一端與微處理器模塊連接，另一端與隨鉆測量工具連接；數(shù)據(jù)存儲模塊與微處理器模塊連接，存儲工作參數(shù)數(shù)據(jù)；電源管理模塊負責先將井下交流電進行整流穩(wěn)壓處理成為直流電，再進行電壓轉(zhuǎn)換將直流電壓分壓，為測控裝置提供所需電力。
2.如權利要求1所述的一種用于旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)的測控裝置，其特征在于所述微處理器模塊設置了主CPU和冗余CPU，當系統(tǒng)檢測到主CPU無法正常工作時，自動切換到冗余CPU進行工作。
3.如權利要求1所述的一種用于旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)的測控裝置，其特征在于所述數(shù)據(jù)通訊模塊與微處理器模塊之間采用RS485協(xié)議通訊，與隨鉆測量工具之間采用155 協(xié)議通訊。
4.如權利要求1所述的一種用于旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)的測控裝置，其特征在于所述數(shù)據(jù)存儲模塊采用NorFlash作為存儲介質(zhì)。
5.一種利用權利要求1 4之一所述測控裝置進行旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)測控的方法，其特征在于包括如下操作1)在地面對控制指令進行壓力脈沖編碼，該編碼通過開關泥漿泵所形成的壓力脈沖傳送到井下；2)同時對測控裝置進行系統(tǒng)初始化并自檢，系統(tǒng)檢測測控裝置的主CPU是否能夠正常工作，如不能正常將自動切換到冗余CPU進行工作；3)微處理器模塊對壓力脈沖實時進行解碼，得到壓力脈沖所下傳的指令數(shù)據(jù)；4)解碼同時，系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，通過空間姿態(tài)解算，求得當前旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具所處位置的井斜角和高邊工具面角；5)利用測得的執(zhí)行機構的位移數(shù)據(jù)，通過位移矢量合成算法，求得當前旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具的偏心位移量；6)根據(jù)已得數(shù)據(jù)，計算執(zhí)行機構的位移伸出量；7)系統(tǒng)根據(jù)解碼脈沖指令，在脈沖指令下，對計算得到的執(zhí)行機構位移伸出量執(zhí)行 PID控制，調(diào)整執(zhí)行機構的位移伸出量，從而得到旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具的目標偏心位移量；8)系統(tǒng)實時進行數(shù)據(jù)存儲及上傳。
6.如權利要求5所述的旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)的測控方法，其特征在于在步驟1)中，采用泥漿脈寬調(diào)制編碼方法，定義一個最小脈沖寬度，其他脈沖寬度均是最小脈沖寬度的整數(shù)倍，編碼格式采用如下形式同步碼A+信息碼+同步碼B。
7.如權利要求5所述的旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)的測控方法，其特征在于在步驟4)中，解算井斜角和高邊工具面角的方法如下①取三個重力加速度計測得X、Y、Z三個軸的重力加速度值(}x、Gy和Gz；②通過(ix、Gy和Gz計算重力加速度合成值《=^jGx+Gy+Gz；③通過Gx、Gy和Gz計算井斜角=arctan^G,2+G2y IG2)；④通過(ix、Gy和Gz計算高邊工具面角―=arctan(-·^)。
8.如權利要求5所述的旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)的測控方法，其特征在于在步驟5)中，解算偏心位移量的方法如下執(zhí)行機構即三個翼肋在旋轉(zhuǎn)導向工具的不旋轉(zhuǎn)外套上處于同一徑向截面上，因此以旋轉(zhuǎn)導向工具翼肋所在截面處的井眼中心作為坐標原點建立坐標系，從井口向井底看，井眼高邊徑向所指方向為χ軸正方向，沿χ軸正方向順時針旋轉(zhuǎn)90°為y軸正方向，設三個翼肋同時伸出與井壁接觸，工具中心與井眼中心相重合時翼肋長度為原始長度，分別為OA、0B、 0C，即為井眼半徑R;實際工作時由于三個翼肋相對于工具的伸出量不同，使工具中心相對于井眼中心形成了一個偏心位移e，此時定義三個翼肋長度分別為0' A'、0' B'、0' C'，設三個翼肋的獨立伸縮使工具中心形成的位移矢量分別為 、ζ、ζ，與Χ軸夾角分別為αι、α2、α3， 則有
9.如權利要求5所述的旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)的測控方法，其特征在于在步驟6)中，計算執(zhí)行機構的位移伸出量方法為建立坐標系，原點O' 坐標為(e' -cosa ,e' .sina),直線O' ,k' i斜率為Ii1 =tan θ，則直線O' ,k' 方程為y = k^+e' (sin α-Ic1COS α )借助圓的方程 x2+y2 = R2將直線方程帶入圓方程并整理得
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)的測控裝置及測控方法，包括微處理器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、驅(qū)動模塊、數(shù)據(jù)通訊模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和電源管理模塊。1)在地面對控制指令進行壓力脈沖編碼，傳到井下微處理器模塊；2)系統(tǒng)初始化并自檢，檢測主CPU是否正常工作，如不能正常切換到冗余CPU；3)微處理器模塊對壓力脈沖進行解碼，得到壓力脈沖下傳的指令；4)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，求得當前旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具所處位置的井斜角、高邊工具面角和偏心位移量、執(zhí)行機構的位移伸出量；5)解碼脈沖指令，對計算得到的執(zhí)行機構位移伸出量執(zhí)行PID控制，調(diào)整出執(zhí)行機構的位移伸出量。本發(fā)明用于靜態(tài)偏置指向式旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具，可以準確測量工具偏心位移量，同時對翼肋的伸縮量控制也更精確。
文檔編號E21B47/26GK102383777SQ201110301928
公開日2012年3月21日 申請日期2011年9月30日 優(yōu)先權日2011年9月30日
發(fā)明者傅鑫生, 周建良, 周靜, 張新強, 李漢興, 牛海峰, 童征, 蔣世全, 賈中千, 賴慶強, 陳紅新 申請人:中國海洋石油總公司, 中海石油研究中心, 北京遠航科峰技術有限公司