CN113482590B - 基于井下机器人的弯螺杆造斜参数控制方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于井下机器人的弯螺杆造斜参数控制方法及***，其中工具面角控制方法为：S1：由地面发送目标方位角Φ_a，计算电路(6)根据当前井眼方位角Φ计算出所需调整的工具面角偏差Δω；S2：计算电路(6)根据所需调整的工具面角偏差Δω计算出所需的调整钻压ΔP_B大小；S3：经由变频器(5)及放大电路(4)处理后，钻压控制信号使钻压控制机器人(2)改变钻压P_B，定量控制工具面角ω。同时，可通过控制工具面角产生一定幅度和频率波动进而有效控制造斜率变化。利用发明的基于井下机器人的弯螺杆造斜参数控制方法和***可稳定控制弯螺杆造斜参数，提升造斜作业的精度及稳定性。

Description

基于井下机器人的弯螺杆造斜参数控制方法及***

技术领域

本发明涉及螺杆钻具造斜领域，尤其涉及基于井下机器人的弯螺杆造斜参数控制方法及***。

背景技术

螺杆钻具(PDM drill)，是一种以钻井液为动力，把液体压力能转为机械能的容积式井下动力钻具，其液压马达总成主要分为转子及定子壳体，转子为螺杆，下端与钻头相连接，为钻头提供扭矩，从而破岩钻进，作业过程中定子壳体相对井壁不动，但由于液压冲击的反作用力，螺杆会对定子壳体产生一个反扭矩，该扭矩与定子壳体和井壁间的摩擦力矩平衡，会产生一定的反扭角。

目前水平井导向钻井以旋转导向和弯螺杆滑动导向两种方式为主，由于旋转导向工具以进口为主，费用高、卡钻风险大等原因，弯螺杆滑动导向依然是水平井定向钻井的主体技术。据统计，2020年弯螺杆滑动导向井段川渝页岩气占比超过50％，致密油气等由于成本限制占比甚至超过90％。

当使用螺杆钻具需要用于定量造斜时，常使用一段弯螺杆安装在钻具最后，与钻头直接相连，弯螺杆具有一定角度的弯角，于井下开始工作时，保持定子无转速即可完成定向、定量的井段造斜，但由于上述反扭角的存在，工作时的导向角并不等于下入钻具时的预定角度，一般需要通过精确计算，预留一定装置角，以抵消反扭角，才能满足导向角指向预定的造斜方向。弯螺杆滑动导向由于钻柱不旋转，摩阻大极易“托压”，导致钻压不能有效传递，机械钻速通常为旋转钻井的20～50％，同时“托压”导致工具面不易调整和控制，钻井时效降低超过20％。

在钻井作业的过程中，伴随钻压的波动，工具面角会相对预定角度发生偏移，如若未能及时发现并作出调整，则有可能导致其偏差越来越大，最终偏离造斜方向，而通过地面人员对钻杆装置角进行调整，又由于切削阻力、摩擦阻力的变化，调整值难以准确计算。同时，在弯螺杆造斜作业中，常需要调整造斜率，从而进行水平井段的过渡或满足预定轨迹，而一般调整方法为更换弯螺杆，该过程较为繁琐，且轨迹可能出现不连续的情况，针对以上问题，可以使用一种基于井下机器人的弯螺杆造斜参数控制方法，从而对造斜参数进行定量的修正，以稳定精确的完成造斜作业。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供基于井下机器人的弯螺杆造斜参数控制方法及***。

基于井下机器人的弯螺杆造斜参数控制***，它包括行程轮(1)、钻压控制机器人(2)、减压阀(3)、电路放大器(4)、变频器(5)、计算电路(6)。

所述：钻压控制机器人(2)左端连接上部钻杆(7)，右端连接螺杆钻具(8)及钻头(9)。

所述：减压阀(3)连接在钻压控制机器人(2)液压回路中。

所述：电路放大器(4)、变频器(5)串联在计算电路(6)与减压阀(3)间。

基于井下机器人的弯螺杆造斜参数控制方法，包括以下步骤：

S1：由地面发送目标方位角Φ_a，计算电路(6)根据当前井眼方位角Φ计算出所需调整的工具面角偏差Δω；

S2：计算电路(6)根据所需调整的工具面角偏差Δω计算出所需的调整钻压ΔP_B大小；

S3：经由变频器(5)及电路放大器(4)处理后，钻压控制信号使钻压控制机器人(2)改变钻压P_B，定量控制工具面角ω。

所述：造斜率控制包括以下步骤：

S11：计算电路(6)根据当前钻具的行程s、方位角Φ及井斜角α计算出最近1-10分钟的平均造斜率β；

S12：若实际造斜率β大于目标造斜率β_a，计算电路(6)根据当前造斜率偏差Δβ计算出一个工具面角ω波动区间，向钻压控制机器人(2)发送钻压波动指令，使钻压P_B上下波动，钻压波动则促使钻具扭矩M产生波动，扭矩波动促使工具面角ω产生波动，由此降低造斜率β；

S13：若实际井眼曲率β小于目标井眼曲率β_a，计算电路(6)根据当前钻压波动状态，减小波动幅值或频率，以减小扭矩波动幅值和频率，进而减小工具面波动幅值θ和频率f，以提高造斜率β。

所述：通过钻压调整工具面角的方法为：

S21：由式：

确定钻压与反扭角的关系，并计算出一个初始c值；

式中：

螺杆钻具反扭角，°；

M_M，作用在螺杆钻具及弯接头中点集中反扭矩，N·m；

G，钢的剪切模量，Pa；

L_M，马达中点至上切点距离，m；

J_ρM，马达及弯接头的等效极惯性矩，m⁴；

M_V，直井段底面反扭矩，N·m；

L_V，垂直井段钻杆长度，m；

J_ρV，钻杆极惯性矩，m⁴；

L_i，增斜、稳斜、降斜井段钻杆长度，m；

J_ρi，各斜井段钻杆极惯性矩，m⁴；

M_S，各斜井段底部反扭矩，N·m；

M_Fi，各斜井段摩擦力矩，N·m；

M_B，钻头切削阻力力矩，N·m；

D_B，钻头直径，m；

P_B，钻压，N；

λ，系数，量纲1。

S22：改变钻压P_B，测量值的变化量，多次重复试验确定一个c的拟合值，由此可根据式：

确定反扭角变量与钻压变量ΔP_B的数学关系，从而由钻压P_B定量控制工具面角ω。

所述：控制造斜率时钻压波动参数(包括波动幅度和频率)通过以下步骤确定：

S31：假设造斜时工具面角ω不变，则井眼轨迹存在于方位角Φ所在的铅垂面内，当工具面角ω产生波动时，由公式3得到方位角Φ所在铅垂面内的曲率ρ，从而可根据造斜率偏差Δβ计算工具面角波动幅度θ；

式中：

ρ，方位角Φ所在铅垂面内的井眼曲率，量纲1；

θ，工具面角波动幅度，°；

y，方位角Φ所在的铅垂面内井眼轨迹方程；

y_ω，工具面内井眼轨迹方程；

S32：由公式3可得，工具面角ω波动幅度θ越大，井眼轨迹曲率ρ越小，对应造斜率β越小，为控制造斜率β的同时防止轨迹过于弯扭，应根据需要设置工具面角波动频率f。

所述：减压阀(3)的作用在于：

钻压控制机器人(2)中连接减压阀(3)，减压阀(3)入口连接管内泥浆，出口连接机器人工作腔，减压阀(3)为电比例减压阀，通过调定减压阀调定压力P_a控制机器人的工作压力P，进而控制钻压P_B。

本发明具有以下优点:本发明为基于井下机器人的弯螺杆造斜参数控制方法及***，配合一种牵引机器人，对钻压进行定量控制，可在井下自动检测并修正工具面角，同时也可以使其在预定角度上下波动，以完成不更换弯螺杆，减小造斜率的过程，实现井下造斜作业的自动化检测与控制。

附图说明

图1为***结构及模块示意图；

图2为工具面角控制方法流程图；

图3为造斜率控制方法流程图；

图4为由钻压控制工具面角方法流程图；

图5为工具面角控制过程示意图；

图6为减小造斜率时工具面角波动状况示意图；

图7为增大造斜率时工具面角波动状况示意图；

图8为井斜角示意图；

图9为工具面角示意图；

图10为方位角示意图；

图中，1-行程轮，2-钻压控制机器人，3-减压阀，4-电路放大器，5-变频器，6-计算电路，7-钻杆，8-螺杆钻具，9-钻头，10-井斜角α，11-井眼轨迹，12-工具面角ω，13-方位角Φ。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

本发明的目的是提供基于井下机器人的弯螺杆造斜参数控制***，以弥补现有技术的不足。为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示：基于井下机器人的弯螺杆造斜参数控制方法及***，它包括行程轮(1)、钻压控制机器人(2)、减压阀(3)、电路放大器(4)、变频器(5)、计算电路(6)，钻压控制机器人(2)左端连接上部钻杆(7)，右端连接螺杆钻具(8)及钻头(9)。减压阀(3)连接在钻压控制机器人(2)液压回路中。电路放大器(4)、变频器(5)串联在计算电路(6)与减压阀(3)间。

根据图2～7所示的基于井下机器人的弯螺杆造斜参数控制方法，其具体实施方案如下所述：

所述控制工具面角的具体实施方案如下：

步骤1：由地面发送目标方位角Φ_a，计算电路(6)根据当前井眼方位角Φ计算出所需调整的工具面角偏差Δω。

步骤2：计算电路(6)根据所需调整的工具面角偏差Δω计算出所需的调整钻压ΔP_B大小，其计算方法为：

a)由式1确定钻压P_B与反扭角的关系，并计算出一个初始c值；

b)改变钻压P_B，测量值的变化量，多次重复试验确定一个c的拟合值，由此可确定反扭角变量/>与钻压变量ΔP_B的数学关系，从而由钻压P_B定量控制工具面角ω。

c)当钻压增大时，由式2可知，反扭角增大，假设钻头的旋转方向为逆时针，则相应反扭角则为顺时针，如果以二维直角坐标系为工具面，90°方向为当前工具面角ω，则当钻压P_B增大时，反扭角/>在顺时针方向增大，即向小于90°的趋势变化，而如果钻头的旋转方向为顺时针，则相应反扭角/>则为逆时针，当钻压P_B增大时，反扭角/>在逆时针方向增大，即向大于90°的趋势变化，通过上述数学关系计算出所需钻压变量ΔP_B后，根据钻头旋转方向确定钻压变量ΔP_B为增或减。

步骤3：经由变频器(5)及电路放大器(4)处理后，钻压控制信号使钻压控制机器人(2)改变钻压P_B，定量控制工具面角ω。

假设钻头的旋转方向为顺时针，当工具面角ω顺时针增大时，***需进行修正，如图5所示，其所反应的工具面角ω正在顺时针旋转，此时应先由计算电路(6)计算出具体工具面角偏差Δω及相应的钻压变量ΔP_B，结合钻头旋向分析后，应增大钻压P_B，使反扭角逆时针增大，即可使工具面角ω偏移回预定角度，上述步骤在造斜过程中不断重复进行，可保证工具面角ω稳定在预定角度。

所述控制造斜率的具体实施方案如下：

步骤1：计算电路(6)根据当前钻具的行程s、方位角Φ及井斜角α计算出最近1-10分钟的平均造斜率β；

步骤2：若实际造斜率β大于目标造斜率β_a，计算电路(6)根据当前造斜率偏差Δβ计算出一个工具面角ω波动区间，向钻压控制机器人(2)发送钻压波动指令，使钻压P_B上下波动，钻压波动则促使钻具扭矩M产生波动，扭矩波动促使工具面角ω产生波动，由此降低造斜率β；

步骤3：若实际井眼曲率β小于目标井眼曲率β_a，计算电路(6)根据当前钻压波动状态，减小波动幅值或频率，以减小扭矩波动幅值和频率，进而减小工具面波动幅值θ和频率f，以提高造斜率β。

当实际造斜率β大于目标造斜率β_a时，则控制钻压进行一定频率和幅度的波动，从而使工具面角在预定角度附近进行一定幅度θ和频率f的波动，以达到减小造斜率β的目的，如图7所示，如果造斜率β已小于目标造斜率β_a，则应减小钻压波动频率和幅度，从而减小工具面角波动幅度和频率，使其在一定区间内稳定波动，从而达到增大造斜率β的目的，如图8所示。

Claims (3)

1.基于井下机器人的弯螺杆造斜参数控制***，其特征在于，它包括行程轮(1)、钻压控制机器人(2)、减压阀(3)、电路放大器(4)、变频器(5)、计算电路(6)，所述钻压控制机器人(2)左端连接上部钻杆(7)，右端连接螺杆钻具(8)及钻头(9)，所述减压阀(3)连接在钻压控制机器人(2)液压回路中，所述电路放大器(4)、变频器(5)串联在计算电路(6)与减压阀(3)间；

其中，计算电路(6)根据所需调整的工具面角偏差Δω计算出所需的调整钻压ΔP_B大小，利用钻压P_B以及定量控制工具面角ω，c通过公式1拟合得到，/>表示螺杆钻具反扭角，°，M_M表示作用在螺杆钻具及弯接头中点集中反扭矩，N·m，G表示钢的剪切模量，Pa；L_M表示马达中点至上切点距离，m，J_ρM表示马达及弯接头的等效极惯性矩，m⁴，M_V表示直井段底面反扭矩，N·m，L_V表示垂直井段钻杆长度，m，J_ρV表示钻杆极惯性矩，m⁴，L_i表示增斜、稳斜、降斜井段钻杆长度，m，J_ρi表示各斜井段钻杆极惯性矩，m⁴，M_S表示各斜井段底部反扭矩，N·m，M_Fi表示各斜井段摩擦力矩，N·m，M_B表示钻头切削阻力力矩，N·m，D_B表示钻头直径，m，P_B表示钻压，N，λ表示系数，量纲1；

计算电路(6)根据当前造斜率偏差Δβ计算出一个工具面角ω波动区间，使钻压P_B上下波动，钻压波动则促使钻具扭矩M产生波动，扭矩波动促使工具面角ω产生波动，由此降低造斜率β；

计算电路(6)根据当前钻压波动状态，减小波动幅值或频率，以减小扭矩波动幅值和频率，进而减小工具面波动幅值θ和频率f，以提高造斜率β，其中，利用工具面角ω波动幅度θ控制造斜率β，具体如下：

假设造斜时工具面角ω不变，则井眼轨迹存在于方位角Φ所在的铅垂面内，当工具面角ω产生波动时，由公式3得到方位角Φ所在铅垂面内的曲率ρ，从而可根据造斜率偏差Δβ计算工具面角波动幅度θ；

式中：

ρ，方位角Φ所在铅垂面内的井眼曲率，量纲1；

θ，工具面角波动幅度，°；

y，方位角Φ所在的铅垂面内井眼轨迹方程；

y_ω，工具面内井眼轨迹方程；

由公式3可得，工具面角ω波动幅度θ越大，井眼轨迹曲率ρ越小，对应造斜率β越小，为控制造斜率β的同时防止轨迹过于弯扭，应根据需要设置工具面角波动频率f。

2.基于井下机器人的弯螺杆造斜参数控制方法，其特征在于，它包括以下步骤：

S1：由地面发送目标方位角Φa，计算电路(6)根据当前井眼方位角Φ计算出所需调整的工具面角偏差Δω；

S2：计算电路(6)根据所需调整的工具面角偏差Δω计算出所需的调整钻压ΔP_B大小；

S3：经由变频器(5)及电路放大器(4)处理后，钻压控制信号使钻压控制机器人(2)改变钻压P_B，定量控制工具面角ω；

其中，利用钻压P_B以及定量控制工具面角ω，c通过公式1拟合得到，/>表示螺杆钻具反扭角，M_M表示作用在螺杆钻具及弯接头中点集中反扭矩，G表示钢的剪切模量；L_M表示马达中点至上切点距离，J_ρM表示马达及弯接头的等效极惯性矩，M_V表示直井段底面反扭距，L_V表示垂直井段钻杆长度，J_ρV表示钻杆极惯性矩，L_i表示增斜、稳斜、降斜井段钻杆长度，J_ρi表示各斜井段钻杆极惯性矩，M_S表示各斜井段底部反扭距，M_Fi表示各斜井段摩擦力矩，M_B表示钻头切削阻力力矩，D_B表示钻头直径，P_B表示钻压，λ表示系数；

S1中根据当前造斜率偏差Δβ计算出一个工具面角ω波动区间，使钻压P_B上下波动，钻压波动则促使钻具扭矩M产生波动，扭矩波动促使工具面角ω产生波动，由此降低造斜率β；

S1中根据当前钻压波动状态，减小波动幅值或频率，以减小扭矩波动幅值和频率，进而减小工具面波动幅值θ和频率f，以提高造斜率β，其中，利用工具面角ω波动幅度θ控制造斜率β，具体如下：

假设造斜时工具面角ω不变，则井眼轨迹存在于方位角Φ所在的铅垂面内，当工具面角ω产生波动时，由公式3得到方位角Φ所在铅垂面内的曲率ρ，从而可根据造斜率偏差Δβ计算工具面角波动幅度θ；

式中：

ρ，方位角Φ所在铅垂面内的井眼曲率；

θ，工具面角波动幅度；

y，方位角Φ所在的铅垂面内井眼轨迹方程；

y_ω，工具面内井眼轨迹方程；

由公式3可得，工具面角ω波动幅度θ越大，井眼轨迹曲率ρ越小，对应造斜率β越小，为控制造斜率β的同时防止轨迹过于弯扭，应根据需要设置工具面角波动频率f。

3.根据权利要求2所述的基于井下机器人的弯螺杆造斜参数控制方法，其特征在于：钻压控制机器人(2)中连接减压阀(3)，减压阀(3)入口连接管内泥浆，出口连接机器人工作腔，减压阀(3)为电比例减压阀，通过调定减压阀调定压力P_a控制机器人的工作压力P，进而控制钻压P_B。