[发明专利]一种用于自动垂直钻井系统的纠斜控制方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及地质勘探技术领域，特别是一种用于自动垂直钻井系统的纠斜控制方法及装置。

背景技术

钻深井或超深井时，其直井段井眼的垂直度对于钻井作业的成败至关重要，故普遍要求防斜打快和安全低成本，但由于受到地层倾角大、高陡构造带、山前逆掩推覆体区域等复杂地质条件的影响，常规的防斜钻井技术很难满足垂直钻井要求。目前，自动垂直钻井则是解决防斜打快最为有效的一种技术，其中的纠斜推力控制系统是重要组成部分。纠斜推力的作用是克服地层造斜力对井眼垂直度的影响，若井斜一旦超过容许范围，系统必须施加准确的推力及时地进行纠斜，否则系统将以相等推力支撑井壁保持其垂直钻进状态。因此，纠斜推力的精确控制是自动垂直钻井技术的关键。

受到井下空间狭小、高温、高压以及强振动与冲击等恶劣条件的影响，因此垂直钻井中纠斜推力通常由液压系统提供。但采用电磁比例阀和溢流阀作为控制纠斜推力大小的元件，却使得纠斜推力的控制精度较低、调节范围较小（参见CN2592840、CN101358520、US2006243487）。通过调节电机的转速，控制油泵输出流量的方法，能够对纠斜推力大小进行任意调节，但是由于整个推力控制系统储能元件较多，导致系统惯性较大，使得纠斜推力难以实现稳定、快速、精确地调节。

发明内容

为克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于自动垂直钻井系统的纠斜控制方法及装置，通过由转速内环和推力外环组成的双闭环控制系统，实现了井下高温、高压和强震动环境下，高精度，无超调，大范围调节及高可靠性的纠斜推力控制。

为达到上述目的，本发明一方面提供了一种用于自动垂直钻井系统的纠斜控制方法，包括：

实时监测井斜角的值；

若井斜角的值超过预设阈值，则根据所述井斜角的值计算出三个推力给定值，并将该三个推力给定值发送到控制系统；

所述控制系统根据该三个推力给定值计算得到三个电机转速给定值；

根据该三个电机转速给定值，三个电机通过磁力连轴器带动油泵运转；

通过该油泵的运转，液压系统驱动活塞控制三只肋板以相应的推力支撑井壁，纠正主轴回到垂直位置；

其中，将该三个推力给定值发送到控制系统，具体为：将该三个推力给定值通过I²C总线的主从模式下发给控制系统；

其中，控制系统根据该三个推力给定值计算得到三个电机转速给定值具体为：

将所述三个推力给定值与推力反馈值进行比较，得到推力偏差值；

将所述推力偏差值发送到PI调节器进行调节，得到三个电机转速给定值。

其中，根据该三个电机转速给定值，三个电机通过磁力连轴器带动油泵运转，具体为：

所述三个电机通过对三个电机转速给定值对应的三路霍尔脉冲信号倍频，得到三路三倍的霍尔信号，并将该三路三倍的霍尔信号换算成三个电机转速值；

所述三个电机根据该三个电机转速值通过磁力连轴器带动油泵运转。

其中，对三个电机转速给定值对应的三路霍尔脉冲信号倍频具体为：

将所述三路霍尔脉冲信号两两相与后，再进行或运算，得到三倍的霍尔脉冲信号。

其中，液压系统驱动活塞控制三只肋板以相应的推力支撑井壁，具体为：

所述液压系统通过逐步逼近结合积分分离的PI控制算法驱动活塞控制三只肋板。

该方法通过实时监测井斜角的值，当井斜角超过预设阈值时，将三个推力给定值立刻通过I²C总线的主从模式下发给控制系统，控制系统的转速内环通过将霍尔信号倍频，解决了低速下因转速采样频率较低而导致电机堵转的问题，倍频后，控制油泵运转，进而控制液压系统驱动推力外环，推力外环采用逐步逼近结合积分分离的数字PI控制算法驱动活塞控制三只肋板，使井眼回到垂直位置，实现了纠斜推力调节无超调、稳态精度较高，提高了纠斜系统的工作可靠性。

本发明另一方面提供了一种用于自动垂直钻井系统的纠斜控制装置，包括：

测斜单元，用于实时监测井斜角的值；

推力传送控制单元，用于当井斜角的值超过预设阈值时，根据所述井斜角的值计算出三个推力给定值，并将该三个推力给定值发送到PI调节器；

PI调节器，用于根据该三个推力给定值计算得到三个电机转速给定值；

转速调节器，用于根据该三个电机转速给定值调节三个电机的转速，并通过磁力连轴器带动油泵运转；

液压系统，用于通过该油泵的运转，驱动活塞控制三只肋板以相应的推力支撑井壁，纠正主轴回到垂直位置。