本發(fā)明涉及油氣鉆井電機控制的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)偏心軸電機轉(zhuǎn)速控制方法。

背景技術(shù)：

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)是邁向自動化、智能化鉆井的重要標志，是以井下閉環(huán)控制系統(tǒng)為核心的三維井眼軌跡控制鉆井技術(shù)，代表了當今油氣鉆井工程的領(lǐng)先水平。近幾年，國外在水平井、大位移井、三維多目標井鉆井，尤其針對北美頁巖氣井，廣泛推廣應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)，既提高了鉆井速度，減少了事故，也降低了鉆井成本，達到了降本增效的目的。

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)按導(dǎo)向方式可分為推靠式和指向式。推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)主要利用導(dǎo)向塊推靠井壁，從而對鉆頭產(chǎn)生側(cè)向力，推動鉆頭離開該方向，以達到改變井斜和方位的目的。指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)通過外套與旋轉(zhuǎn)主軸之間的偏置機構(gòu)使主軸偏置，從而為鉆頭提供一個與井眼軸線不一致的傾角，產(chǎn)生導(dǎo)向作用。由于指向式較于推靠式，工作時不推靠井壁，因此指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)鉆出的井眼軌跡更為平滑，井眼質(zhì)量更好，成為目前旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展方向。

偏心軸電機是指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的關(guān)鍵導(dǎo)向部件之一。偏心軸電機輸出扭矩，通過齒輪減速箱驅(qū)動偏心軸轉(zhuǎn)動，偏心軸又通過偏心安裝的軸承與鉆頭驅(qū)動軸相連接，帶動鉆頭轉(zhuǎn)動。偏心軸轉(zhuǎn)動方向與鉆鋌相反，當二者轉(zhuǎn)速一致時，偏心軸相對于大地為不旋轉(zhuǎn)體，此時工具面角不變。因此，為改變工具面，偏心軸電機需提高或降低轉(zhuǎn)速，與鉆鋌轉(zhuǎn)速產(chǎn)生一定的偏差，當達到預(yù)期工具面后，偏心軸電機再次保持與鉆鋌相同的轉(zhuǎn)速，使新工具面穩(wěn)定。與常規(guī)電機轉(zhuǎn)速單速度閉環(huán)控制不同，指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)要求在只控制偏心軸轉(zhuǎn)速的情況下，控制偏心軸轉(zhuǎn)速在能達到鉆鋌轉(zhuǎn)速的同時，工具面也能達到希望控制的位置，即同時實現(xiàn)轉(zhuǎn)速速度環(huán)與工具面角位置環(huán)的雙閉環(huán)控制。

為此，本發(fā)明的設(shè)計者有鑒于上述缺陷，通過潛心研究和設(shè)計，綜合長期多年從事相關(guān)產(chǎn)業(yè)的經(jīng)驗和成果，研究設(shè)計出一種指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)偏心軸電機轉(zhuǎn)速控制方法，以克服上述缺陷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)偏心軸電機轉(zhuǎn)速控制方法，只控制偏心軸轉(zhuǎn)速的情況下，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速速度環(huán)與工具面角位置環(huán)的雙閉環(huán)控制，實現(xiàn)快速、穩(wěn)定、精確的導(dǎo)向功能。

為解決上述問題，本發(fā)明公開了1.一種所述指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)偏心軸電機轉(zhuǎn)速控制方法，其特征在于包括如下步驟：

步驟一：設(shè)定工具面角平面的坐標系，所述坐標系按照圓周分為-180°～+180°；

步驟二：通過工具面角平面確定初始工具面角α和目標工具面角β，計算目標工具面角β和初始工具面角α的差值，并根據(jù)差值確定控制調(diào)節(jié)，所述控制調(diào)節(jié)包含滯后調(diào)節(jié)或超前調(diào)節(jié)；

步驟三：進行控制調(diào)節(jié)，在工具面角達到目標工具面角后，偏心軸電機轉(zhuǎn)速與鉆鋌轉(zhuǎn)速保持一致。

其中：步驟三中的控制調(diào)節(jié)中偏心軸電機在某一時刻轉(zhuǎn)速為：

n(i)＝n(i-1)+δn(i)(1)

n(i)為當前時刻偏心軸電機轉(zhuǎn)速，n(i-1)為前一時刻偏心軸電機轉(zhuǎn)速，δn(i)為變化增量。

其中：所述滯后調(diào)節(jié)的方案包含如下步驟：

(1)勻減速段：偏心軸電機轉(zhuǎn)速按下式(2)變化

n(i)＝n(i-1)-a(2)

在此階段δn(i)＝-a(a＞0)始終為常數(shù)，偏心軸電機作勻減速運動；

勻減速段是從開始階段至|目標工具面角-初始工具面角|*30％的時間段；

(2)勻速段：偏心軸電機轉(zhuǎn)速按下式(3)變化

n(i)＝n(i-1)(3)

在此階段偏心軸電機轉(zhuǎn)速始終不變，偏心軸電機作勻速運動；

勻速區(qū)是從勻減速段結(jié)束至|目標工具面角-初始工具面角|*80％的時間段；

(3)變加速段：偏心軸電機轉(zhuǎn)速按下式(4)變化

n(i)＝n(i-1)+kn*(n鉆鋌-n(i-1))+kt*(tf目標-tf當前)(4)

在此階段偏心軸電機轉(zhuǎn)速的每一時刻的增量隨著在對目標參數(shù)的逼近，在不斷改變，偏心軸電機作變加速運動，開始階段加速度較大，變化較快，當逼近目標參數(shù)時，加速度減小，當偏心軸電機轉(zhuǎn)速達到鉆鋌轉(zhuǎn)速，并且工具面角達到目標工具面角時，偏心軸電機轉(zhuǎn)速開始與鉆鋌轉(zhuǎn)速保持一致。

其中：超前調(diào)節(jié)的方案包含：

將偏心軸電機轉(zhuǎn)速變化分為三個階段進行控制：

(1)勻加速段：偏心軸電機轉(zhuǎn)速按下式(5)變化

n(i)＝n(i-1)+a(5)

在此階段δn(i)＝a(a＞0)始終為常數(shù)，偏心軸電機作勻加速運動；

勻加速段是從開始階段至|目標工具面角-初始工具面角|*30％的時間段；

(2)勻速段：偏心軸電機轉(zhuǎn)速按下式(6)變化

n(i)＝n(i-1)(6)

在此階段偏心軸電機轉(zhuǎn)速始終不變，偏心軸電機作勻速運動；

勻速區(qū)是從勻加速段結(jié)束至|目標工具面角-初始工具面角|*80％的時間段；

(3)變減速段：偏心軸電機轉(zhuǎn)速按下式(7)變化

n(i)＝n(i-1)+kn*(n鉆鋌-n(i-1))+kt*(tf目標-tf當前)(7)

在此階段偏心軸電機轉(zhuǎn)速的每一時刻的增量隨著在對目標參數(shù)的逼近，在不斷改變，偏心軸電機作變加速運動；開始階段加速度較大，變化較快，當逼近目標參數(shù)時，加速度減小，當偏心軸電機轉(zhuǎn)速達到鉆鋌轉(zhuǎn)速，并且工具面角達到目標工具面角時，偏心軸電機轉(zhuǎn)速開始與鉆鋌轉(zhuǎn)速保持一致。

其中：在步驟二中，若|差值|≤180°，當差值＞0°時，執(zhí)行滯后調(diào)節(jié)，即令偏心軸電機進行先減速后加速的調(diào)節(jié)，工具面角會沿順時針變化；當差值≤0°時，執(zhí)行超前調(diào)節(jié)，即令偏心軸電機進行先加速后減速的調(diào)節(jié)，工具面角會沿逆時針變化；

若|差值|>180°，當差值＞0°時，執(zhí)行超前調(diào)節(jié)，即令偏心軸電機進行先加速后減速的調(diào)節(jié)，工具面角會沿逆時針變化；當差值≤0°時，執(zhí)行滯后調(diào)節(jié)，即令偏心軸電機進行先減速后加速的調(diào)節(jié)，工具面角會沿順時針變化。

通過上述結(jié)構(gòu)可知，本發(fā)明的指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)偏心軸電機轉(zhuǎn)速控制方法實現(xiàn)偏心軸轉(zhuǎn)速速度環(huán)與工具面角位置環(huán)的雙閉環(huán)控制，保證指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)實現(xiàn)快速、穩(wěn)定、精確的導(dǎo)向功能。

本發(fā)明的詳細內(nèi)容可通過后述的說明及所附圖而得到。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例提供的工具面角的平面示意圖；

圖2為本發(fā)明的偏心軸電機超前或滯后調(diào)節(jié)流程圖；

圖3為本發(fā)明的偏心軸電機超前或滯后調(diào)速的控制流程圖。

圖4為本發(fā)明的偏心軸電機滯后調(diào)節(jié)的工具面角和偏心軸轉(zhuǎn)速變化示意圖。

具體實施方式

參見圖1至圖3，顯示了本發(fā)明的指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)偏心軸電機轉(zhuǎn)速控制方法。

所述指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)偏心軸電機轉(zhuǎn)速控制方法包括如下步驟：

步驟一：設(shè)定工具面角平面的坐標系，所述坐標系按照圓周如圖1所示分為-180°～+180°；

步驟二：通過工具面角平面確定初始工具面角α和目標工具面角β，計算目標工具面角β和初始工具面角α的差值，并根據(jù)差值確定控制調(diào)節(jié)，所述控制調(diào)節(jié)包含滯后調(diào)節(jié)或超前調(diào)節(jié)；

為了實現(xiàn)本發(fā)明的指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)偏心軸電機轉(zhuǎn)速控制，需要將上述的初始工具面角α和能在一個圓周內(nèi)沿最短路徑變換到目標工具面角β，由此，本申請的技術(shù)方案根據(jù)實際情況，設(shè)計了不同的超前或滯后調(diào)節(jié)，能使工具面角順時針或逆時針變化。即在初始時刻偏心軸轉(zhuǎn)速和鉆鋌轉(zhuǎn)速相等的情況下，快速有效的改變工具面角。

參見圖2，確定調(diào)節(jié)方案進一步包含如下方法：

若|差值|≤180°，當差值＞0°時，執(zhí)行滯后調(diào)節(jié)，即令偏心軸電機進行先減速后加速的調(diào)節(jié)，工具面角會沿順時針變化；當差值≤0°時，執(zhí)行超前調(diào)節(jié)，即令偏心軸電機進行先加速后減速的調(diào)節(jié)，工具面角會沿逆時針變化；

若|差值|>180°，當差值＞0°時，執(zhí)行超前調(diào)節(jié)，即令偏心軸電機進行先加速后減速的調(diào)節(jié)，工具面角會沿逆時針變化；當差值≤0°時，執(zhí)行滯后調(diào)節(jié)，即令偏心軸電機進行先減速后加速的調(diào)節(jié)，工具面角會沿順時針變化。

步驟三：進行控制調(diào)節(jié)，所述控制調(diào)節(jié)包含如下方法：

偏心軸電機在某一時刻轉(zhuǎn)速為：

n(i)＝n(i-1)+δn(i)(1)

n(i)為當前時刻偏心軸電機轉(zhuǎn)速，n(i-1)為前一時刻偏心軸電機轉(zhuǎn)速，δn(i)為變化增量。

圖4示為偏心軸電機滯后調(diào)節(jié)的工具面角和偏心軸轉(zhuǎn)速變化示意圖。

滯后調(diào)節(jié)的方案a包含：

將偏心軸電機轉(zhuǎn)速變化分為三個階段進行控制：

(1)勻減速段(初始段)：偏心軸電機轉(zhuǎn)速按下式(2)變化

n(i)＝n(i-1)-a(2)

在此階段δn(i)＝-a(a＞0)始終為常數(shù)，偏心軸電機作勻減速運動。

勻減速段是從開始階段至|目標工具面角-初始工具面角|*30％的時間段。

(2)勻速段(也可稱為緩沖段)：偏心軸電機轉(zhuǎn)速按下式(3)變化

n(i)＝n(i-1)(3)

在此階段偏心軸電機轉(zhuǎn)速始終不變，偏心軸電機作勻速運動。

勻速區(qū)是從勻減速段結(jié)束至|目標工具面角-初始工具面角|*80％的時間段。

(3)變加速段(最終段(核心階段))：偏心軸電機轉(zhuǎn)速按下式(4)變化

n(i)＝n(i-1)+kn*(n鉆鋌-n(i-1))+kt*(tf目標-tf當前)(4)

在此階段偏心軸電機轉(zhuǎn)速的每一時刻的增量隨著在對目標參數(shù)的逼近，在不斷改變，偏心軸電機作變加速運動。開始階段加速度較大，變化較快，當逼近目標參數(shù)時，加速度減小，當偏心軸電機轉(zhuǎn)速達到鉆鋌轉(zhuǎn)速，并且工具面角達到目標工具面角時，偏心軸電機轉(zhuǎn)速開始與鉆鋌轉(zhuǎn)速保持一致。

式(4)中，kn和kt為兩個控制系數(shù)，需根據(jù)具體情況進行調(diào)節(jié)，可采用控制變量法進行調(diào)節(jié)，設(shè)定kn為常數(shù)，若令kn＝1，則kt＝k*|tf目標-tf當前|^-0.5，其中k為常數(shù)，根據(jù)不同電機的特性不同，需對k值進行調(diào)節(jié)；n鉆鋌為鉆鋌轉(zhuǎn)速，tf目標為目標工具面角，tf當前為當前時刻工具面角。

超前調(diào)節(jié)的方案b包含：

將偏心軸電機轉(zhuǎn)速變化分為三個階段進行控制：

(1)勻加速段(初始段)：偏心軸電機轉(zhuǎn)速按下式(5)變化

n(i)＝n(i-1)+a(5)

在此階段δn(i)＝a(a＞0)始終為常數(shù)，偏心軸電機作勻加速運動。

勻加速段是從開始階段至|目標工具面角-初始工具面角|*30％的時間段。

(2)勻速段(也可稱為緩沖段)：偏心軸電機轉(zhuǎn)速按下式(6)變化

n(i)＝n(i-1)(6)

在此階段偏心軸電機轉(zhuǎn)速始終不變，偏心軸電機作勻速運動。

勻速區(qū)是從勻加速段結(jié)束至|目標工具面角-初始工具面角|*80％的時間段。

(3)變減速段(最終段(核心階段))：偏心軸電機轉(zhuǎn)速按下式(7)變化

n(i)＝n(i-1)+kn*(n鉆鋌-n(i-1))+kt*(tf目標-tf當前)(7)

在此階段偏心軸電機轉(zhuǎn)速的每一時刻的增量隨著在對目標參數(shù)的逼近，在不斷改變，偏心軸電機作變加速運動。開始階段加速度較大，變化較快，當逼近目標參數(shù)時，加速度減小，當偏心軸電機轉(zhuǎn)速達到鉆鋌轉(zhuǎn)速，并且工具面角達到目標工具面角時，偏心軸電機轉(zhuǎn)速開始與鉆鋌轉(zhuǎn)速保持一致。

式(7)中，kn和kt為兩個控制系數(shù)，需根據(jù)具體情況進行調(diào)節(jié)，可采用控制變量法進行調(diào)節(jié)，設(shè)定kn為常數(shù)，若令kn＝1，則kt＝k*|tf目標-tf當前|^-0.5，其中k為常數(shù)，根據(jù)不同電機的特性不同，需對k值進行調(diào)節(jié)；n鉆鋌為鉆鋌轉(zhuǎn)速，tf目標為目標工具面角，tf當前為當前時刻工具面角。

首先，對偏心軸電機進行先加速后減速或先減速后加速的調(diào)節(jié)進行決策，保證在一個圓周內(nèi)，工具面角沿最短路徑調(diào)整到目標工具面，縮短所需的調(diào)節(jié)角度，從而縮短調(diào)節(jié)時間；其次，將調(diào)節(jié)過程分為勻加(減)速、勻速、變加(減)速三個階段，前兩個階段勻加(減)速、勻速段使偏心軸與鉆鋌之間產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差，改變工具面角，最后階段工具面隨著對目標值的逼近，偏心軸電機作變加速運動，開始時加速度較大，變化較快，當逼近目標參數(shù)時，加速度減小，直到偏心軸電機轉(zhuǎn)速達到鉆鋌轉(zhuǎn)速，并且工具面角達到目標工具面角。

由此，本發(fā)明的方法具有如下優(yōu)點：

1、控制方法有效，實現(xiàn)偏心軸轉(zhuǎn)速速度環(huán)與工具面角位置環(huán)的雙閉環(huán)控制，保證指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)實現(xiàn)快速、穩(wěn)定、精確的導(dǎo)向功能；

2、當外鉆鋌轉(zhuǎn)速波動范圍≤±10rpm時，設(shè)定目標工具面角后，實際工具面角跟蹤效果較好，穩(wěn)態(tài)誤差≤±4°，動態(tài)誤差≤±10°，滿足工程需要。

顯而易見的是，以上的描述和記載僅僅是舉例而不是為了限制本發(fā)明的公開內(nèi)容、應(yīng)用或使用。雖然已經(jīng)在實施例中描述過并且在附圖中描述了實施例，但本發(fā)明不限制由附圖示例和在實施例中描述的作為目前認為的最佳模式以實施本發(fā)明的教導(dǎo)的特定例子，本發(fā)明的范圍將包括落入前面的說明書和所附的權(quán)利要求的任何實施例。