一種基于轉(zhuǎn)盤電機(jī)設(shè)有光電編碼器的角度精確定位的檢測系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種基于轉(zhuǎn)盤電機(jī)設(shè)有光電編碼器的角度精確定位的檢測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在常規(guī)鉆井作業(yè)過程中，直井段和穩(wěn)斜段通常采用頂驅(qū)或轉(zhuǎn)盤方式旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，導(dǎo)向鉆井段若采用井下彎角式造斜動力鉆具，則通常使用滑動鉆井方式，在泵排量調(diào)整、地層巖性變化、動力鉆具磨損等條件下，容易產(chǎn)生鉆具工具面漂移，導(dǎo)致井眼軌跡控制失敗等問題。面對這一情況，通常的做法是在井下工具面漂移后，采用停鉆、上提鉆具的方法重新設(shè)定工具面，而這將影響作業(yè)時效。同時，在常規(guī)導(dǎo)向鉆具滑動鉆進(jìn)過程中，因鉆具不能旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致施加鉆壓滯后、井眼凈化困難，易引起作業(yè)效率低、工序復(fù)雜等問題。因此，急需一種可以實現(xiàn)井下定向動力鉆具工具面的動態(tài)控制方法。
【實用新型內(nèi)容】
[0003]本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種節(jié)約定向鉆井造斜成本，提高鉆井效率，縮短鉆井周期的基于轉(zhuǎn)盤電機(jī)設(shè)有光電編碼器的角度精確定位的檢測系統(tǒng)。
[0004]本實用新型的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:一種基于轉(zhuǎn)盤電機(jī)設(shè)有光電編碼器的角度精確定位的檢測系統(tǒng)，它包括轉(zhuǎn)盤驅(qū)動系統(tǒng)、檢測裝置和鉆具組合；
[0005]所述的檢測裝置包括MWD系統(tǒng)壓力信號傳感器、工具面解碼器、動態(tài)工具面控制器、伺服和制動系統(tǒng)、光電編碼器和角度信號處理器，MWD系統(tǒng)壓力信號傳感器的輸出與工具面解碼器相連，工具面解碼器的輸出與動態(tài)工具面控制器的一路輸入連接，動態(tài)工具面控制器的另一路輸入與角度信號處理器相連，動態(tài)工具面控制器的輸出與伺服和制動系統(tǒng)相連，伺服和制動系統(tǒng)與轉(zhuǎn)盤電機(jī)連接，角度信號處理器的輸入與光電編碼器相連；
[0006]所述的轉(zhuǎn)盤驅(qū)動系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)盤和轉(zhuǎn)盤電機(jī)，轉(zhuǎn)盤與轉(zhuǎn)盤電機(jī)相連，轉(zhuǎn)盤電機(jī)與伺服和制動系統(tǒng)連接，轉(zhuǎn)盤上安裝有光電編碼器，所述的光電編碼器包括光柵盤和光電檢測裝置；
[0007]所述的鉆具組合包括鉆頭、彎曲式造斜動力鉆具、隨鉆測量系統(tǒng)、鉆桿、防噴器、鉆臺、方鉆桿、水龍頭和立管，鉆頭連接彎角式造斜動力鉆具，彎角式造斜動力鉆具與隨鉆測量系統(tǒng)相連，隨鉆測量系統(tǒng)連接鉆桿，鉆桿上方連接方鉆桿，方鉆桿穿過安裝在轉(zhuǎn)臺中部的轉(zhuǎn)盤，上端與水龍頭連接，水龍頭上端連接立管，立管上安裝有MWD系統(tǒng)壓力信號傳感器。
[0008]所述的防噴器安裝在鉆臺下底面上方，鉆桿套裝于防噴器中部。
[0009]本實用新型的優(yōu)點在于:
[0010]1.節(jié)約定向鉆井造斜成本，提高鉆井效率，縮短鉆井周期；
[0011]2.能有效減少井下事故的發(fā)生；
[0012]3.在大部分定向鉆井領(lǐng)域能作為價格昂貴的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的替代技術(shù)；
[0013]4.有助于打破西方石油公司在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向領(lǐng)域的技術(shù)壟斷，建立有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的鉆井導(dǎo)向控制技術(shù)和設(shè)備。
【附圖說明】
[0014]圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖2為光電編碼器的安裝示意圖；
[0016]圖中，1-鉆頭，2-彎曲式造斜動力鉆具，3-隨鉆測量系統(tǒng)，4-鉆桿，5-防噴器，6-鉆臺，7-轉(zhuǎn)盤，8-轉(zhuǎn)盤電機(jī)，9-光電編碼器，10-工具面解碼器，11-伺服和制動系統(tǒng)，12-角度信號處理器，13-動態(tài)工具面控制器，14-立管，15-MWD系統(tǒng)壓力信號傳感器，16-方鉆桿，17-水龍頭。
【具體實施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本實用新型的技術(shù)方案，但本實用新型的保護(hù)內(nèi)容不局限于以下所述:
[0018]如圖1和圖2所示，一種基于轉(zhuǎn)盤電機(jī)設(shè)有光電編碼器的角度精確定位的檢測系統(tǒng)，它包括轉(zhuǎn)盤驅(qū)動系統(tǒng)、檢測裝置和鉆具組合；
[0019]所述的檢測裝置包括MWD系統(tǒng)壓力信號傳感器15、工具面解碼器10、動態(tài)工具面控制器13、伺服和制動系統(tǒng)11、光電編碼器9和角度信號處理器12，MWD系統(tǒng)壓力信號傳感器15的輸出與工具面解碼器10相連，工具面解碼器10的輸出與動態(tài)工具面控制器13的一路輸入連接，動態(tài)工具面控制器13的另一路輸入與角度信號處理器12相連，動態(tài)工具面控制器13的輸出與伺服和制動系統(tǒng)11相連，伺服和制動系統(tǒng)11與轉(zhuǎn)盤7電機(jī)連接，角度信號處理器12的輸入與光電編碼器9相連；所述的轉(zhuǎn)盤驅(qū)動系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)盤7和轉(zhuǎn)盤電機(jī)8，轉(zhuǎn)盤7與轉(zhuǎn)盤電機(jī)8相連，轉(zhuǎn)盤電機(jī)8與伺服和制動系統(tǒng)11連接，轉(zhuǎn)盤7上安裝有光電編碼器9，所述的光電編碼器9包括光柵盤和光電檢測裝置；所述的鉆具組合包括鉆頭1、彎曲式造斜動力鉆具2、隨鉆測量系統(tǒng)3、鉆桿4、防噴器5、鉆臺6、方鉆桿16、水龍頭17和立管14，在本實施例中，所述的防噴器5安裝在鉆臺6下底面上方，鉆桿4套裝于防噴器5中部，鉆頭I連接彎角式造斜動力鉆具2，彎角式造斜動力鉆具2與隨鉆測量系統(tǒng)3相連，隨鉆測量系統(tǒng)3連接鉆桿4，鉆桿4上方連接方鉆桿16，方鉆桿16穿過安裝在轉(zhuǎn)臺6中部的轉(zhuǎn)盤7，上端與水龍頭17連接，水龍頭17上端連接立管14，立管14上安裝有MWD系統(tǒng)壓力信號傳感器15。
[0020]針對轉(zhuǎn)盤7轉(zhuǎn)動角度和彎角式造斜動力鉆具2轉(zhuǎn)動角度并非線性關(guān)系，控制難度較大的系統(tǒng)特點，本實用新型采用模糊PID結(jié)合純滯后系統(tǒng)PID的策略進(jìn)行控制。自適應(yīng)模糊PID控制器的設(shè)計可分為兩個部分，以模糊控制為粗調(diào)、PID為細(xì)調(diào)，即分為自適應(yīng)模糊控制器部分和PID控制部分。兩部分一起組成自適應(yīng)模糊PID控制器，實現(xiàn)在模糊控制的基礎(chǔ)上由PID控制系統(tǒng)向零點移動，實現(xiàn)無差控制。當(dāng)工具面偏差比較大時，頂驅(qū)7以步進(jìn)的模式一次旋轉(zhuǎn)一定角度，然后等待井下MWD的信號，檢測造斜器轉(zhuǎn)動角度，重復(fù)此過程，直至工具面偏差到達(dá)需要PID調(diào)節(jié)的階段，進(jìn)行精確的PID調(diào)節(jié)。自適應(yīng)模糊PID控制器的設(shè)計分為兩部分，它在偏差|E|較大時范圍內(nèi)采用模糊推理控制，以偏差e(k)和偏差變化率ec (k)作為輸入，經(jīng)過模糊推理，得到不同時刻PID的3個參數(shù)，在偏差I(lǐng)E較小時范圍采用PID精確輸出。復(fù)合控制策略是在大偏差范圍內(nèi)采用模糊控制，在小偏差內(nèi)轉(zhuǎn)換成PID控制，二者的轉(zhuǎn)換由程序根據(jù)事先給定的偏差范圍自動實現(xiàn)，自適應(yīng)模糊PID控制具有較小的超調(diào)量和較短的調(diào)節(jié)時間，良好的動、靜態(tài)特性，更好的適應(yīng)性和魯棒性，優(yōu)于常規(guī)的PID控制。
[0021]本實用新型的工作原理為:
[0022](I)鉆井系統(tǒng)中的MWD系統(tǒng)壓力信號傳感器15采集井下MWD信號，并將采集到的井下MWD信號傳送到工具面解碼器10，工具面解碼器10根據(jù)接收到的井下MWD信號，求解出井下工具面信息，并將井下工具面信息傳遞給動態(tài)工具面控制器13 ；
[0023](2)動態(tài)工具面控制器13將接收到的井下工具面信息進(jìn)行解碼，并進(jìn)行邏輯判斷，判斷是否超出動態(tài)工具面控制器13中設(shè)定的閾值；如果不超出設(shè)定閾值，則不采取調(diào)整措施，繼續(xù)鉆井；如果超出設(shè)定閾值，則啟動伺服與制動系統(tǒng)11中的伺服系統(tǒng)；
[0024](3)伺服與制動系統(tǒng)11中的伺服系統(tǒng)調(diào)整轉(zhuǎn)盤7的角度，此時，光電編碼器9將角度值反饋給角度信號處理器12，角度信號處理器12將反饋信號進(jìn)行信號處理，并傳送給動態(tài)工具面控制器13 ;
[0025](4)動態(tài)工具面控制器13判斷當(dāng)前的角度值是否達(dá)到設(shè)定的角度值，如果沒有達(dá)到設(shè)定的角度值，則返回步驟(3)，伺服與制動系統(tǒng)11繼續(xù)調(diào)整角度；如果達(dá)到設(shè)定的角度值，則啟動伺服與制動系統(tǒng)11中的制動系統(tǒng)；
[0026](5)伺服與制動系統(tǒng)11中的制動系統(tǒng)制動轉(zhuǎn)盤電機(jī)8，實現(xiàn)剎車，鎖定工具面并繼續(xù)鉆井；
[0027](6)返回步驟(1)，工具面解碼器10持續(xù)接收井下MWD信號，實時跟蹤井下工具面情況，如果工具面漂移到動態(tài)工具面控制器13設(shè)定的閾值以上時，將再次啟動本會用新型動態(tài)工具面控制器13，進(jìn)行新一輪的工具面自動調(diào)整作業(yè)。
[0028]本實用新型通過光電編碼器9檢測采集數(shù)據(jù)，精確定位電機(jī)的轉(zhuǎn)動角度，并采用數(shù)控PID技術(shù)，實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)角度的精確定位，滿足井下定向動力鉆具工具面動態(tài)調(diào)整的需求，可以代替步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)的控制效果，實現(xiàn)角度的精確定位。
[0029]光電編碼器9是一個中心有軸的光電碼盤傳感器，由光柵盤和光電檢測裝置組成，其上有環(huán)形通、暗的刻線，由光電發(fā)射和接受器件讀取并獲得信號，具有分辨能力強(qiáng)、測量精度高和工作可靠的特點，將其安裝在變頻電機(jī)軸上，實時檢測工具面角反饋的角度信息，并傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，實現(xiàn)角度的精確定位。
【主權(quán)項】
1.一種基于轉(zhuǎn)盤電機(jī)設(shè)有光電編碼器的角度精確定位的檢測系統(tǒng)，其特征在于:它包括轉(zhuǎn)盤驅(qū)動系統(tǒng)、檢測裝置和鉆具組合； 所述的檢測裝置包括MWD系統(tǒng)壓力信號傳感器(15)、工具面解碼器(10)、動態(tài)工具面控制器(13)、伺服和制動系統(tǒng)(11)、光電編碼器(9)和角度信號處理器(12)，MWD系統(tǒng)壓力信號傳感器(15)的輸出與工具面解碼器(10)相連，工具面解碼器(10)的輸出與動態(tài)工具面控制器(13)的一路輸入連接，動態(tài)工具面控制器(13)的另一路輸入與角度信號處理器(12)相連，動態(tài)工具面控制器(13)的輸出與伺服和制動系統(tǒng)(11)相連，伺服和制動系統(tǒng)(11)與轉(zhuǎn)盤(7 )電機(jī)連接，角度信號處理器(12 )的輸入與光電編碼器(9 )相連； 所述的轉(zhuǎn)盤驅(qū)動系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)盤(7 )和轉(zhuǎn)盤電機(jī)(8 )，轉(zhuǎn)盤(7 )與轉(zhuǎn)盤電機(jī)(8 )相連，轉(zhuǎn)盤電機(jī)(8)與伺服和制動系統(tǒng)(11)連接，轉(zhuǎn)盤(7)上安裝有光電編碼器(9)，所述的光電編碼器(9)包括光柵盤和光電檢測裝置； 所述的鉆具組合包括鉆頭(1)、彎曲式造斜動力鉆具(2)、隨鉆測量系統(tǒng)(3)、鉆桿(4)、防噴器(5)、鉆臺(6)、方鉆桿(16)、水龍頭(17)和立管(14)，鉆頭(I)連接彎角式造斜動力鉆具(2)，彎角式造斜動力鉆具(2)與隨鉆測量系統(tǒng)(3)相連，隨鉆測量系統(tǒng)(3)連接鉆桿(4 )，鉆桿(4 )上方連接方鉆桿(16 )，方鉆桿(16 )穿過安裝在轉(zhuǎn)臺(6 )中部的轉(zhuǎn)盤(7 )，上端與水龍頭(17)連接，水龍頭(17)上端連接立管(14)，立管(14)上安裝有MWD系統(tǒng)壓力信號傳感器(15)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于轉(zhuǎn)盤電機(jī)設(shè)有光電編碼器的角度精確定位的檢測系統(tǒng)，其特征在于:所述的防噴器(5)安裝在鉆臺(6)下底面上方，鉆桿(4)套裝于防噴器(5)中部。
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于轉(zhuǎn)盤電機(jī)設(shè)有光電編碼器的角度精確定位的檢測系統(tǒng)，包括驅(qū)動系統(tǒng)、檢測裝置和鉆具組合；檢測裝置包括MWD系統(tǒng)壓力信號傳感器（15）、工具面解碼器（10）、動態(tài)工具面控制器（13）、伺服和制動系統(tǒng)（11）、光電編碼器（9）和角度信號處理器（12），鉆具組合包括鉆桿（1）、彎曲式造斜動力鉆具（2）、隨鉆測量系統(tǒng)（3）、鉆桿（4）、鉆臺（6）和立管（14）。本實用新型通過光電編碼器（9）檢測采集數(shù)據(jù)，精確定位轉(zhuǎn)盤（7）的轉(zhuǎn)動角度，并采用數(shù)控PID技術(shù)，實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)角度的精確定位，滿足井下定向動力鉆具工具面動態(tài)調(diào)整的需求，能提高鉆井效率，縮短鉆井周期。
【IPC分類】E21B44-04, E21B7-06
【公開號】CN204357418
【申請?zhí)枴緾N201420840203
【發(fā)明人】王江陽, 李漢興, 武廣璦
【申請人】四川宏華電氣有限責(zé)任公司
【公開日】2015年5月27日
【申請日】2014年12月26日