一种泥浆驱动旋转导向钻井控制方法

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1.本发明涉及钻井工程领域，尤其涉及一种泥浆驱动旋转导向钻井控制方法。

背景技术：

2.2021年我国石油对外依存度上升至72％，天然气攀升至46％，大大超过国际公认的警戒线，目前我国常规油气资源开发已达极限，开发页岩气等非常规油气是缓解我国能源需求的必然选择。长水平井是促进页岩气经济长效开发的重要手段，水平井眼的形成需要井眼轨迹控制，当前主要包括弯螺杆滑动导向和旋转导向两种井眼轨迹控制技术：
3.弯螺杆滑动导向技术成本低，由此我国水平井导向依然以弯螺杆滑动导向为主，例如在2020年，青海页岩气弯螺杆滑动导向占比超过83％。在弯螺杆滑动导向过程中，钻柱不旋转，钻柱摩阻大极易“托压”，导致钻压不能有效传递，机械钻速通常仅为旋转钻井的1/10～1/5；“托压”导致工具面不易调整和控制，钻井时效降低超过30％；且极易形成岩屑床，粘附卡钻风险高。
4.旋转导向技术严重依赖进口，费用高昂：日费15～20万元，按45天平均单井导向周期计算，仅旋转导向技术费用达675～900万元，达到整个钻井费用的10-20％。因此，在2020年第32届全国天然气学术年会上，旋转导向技术依然被列为典型的“卡脖子”技术。
5.旋转导向系统国外主要有us9556679b2、us9784036b2、us9528320、us9714564、us6109372b2、us9828804b2等指向式专利，us8672056b2、us9206644、us8672056b2、us7389830b2、us9476263b2等推靠式专利，这些旋转导向系统均采用电机+泵+电磁阀+推靠块(液压油驱动)和电机+转阀+推靠块(泥浆驱动)的驱动和控制模式，此类控制模式主要有以下缺点：
6.(1)电能需求量较大，需要配备发电机，电机抗振性能和转速控制精度要求高、难度大，成本居高不下；
7.(2)此类旋转导向涉及发电机、电机、泵、转阀等多个动密封结构，结构极其复杂，可靠性较差；
8.(3)此类控制系统的系统压力不可控，导向钻井的导向力无法实施精细化调控，同时这些超高温超高压电机、测控电路、高温高压动密封、压力补偿短节等均被国外公司垄断，形成了严重的技术壁垒，致使我国旋转导向技术依然未突破卡脖子技术。
9.国内申请了cn201510134442.x、cn201810671572.0、cn201811408149.8等相关旋转导向系统专利，这些专利几乎均采用电机+泵+电磁阀+推靠块(液压油驱动)和电机+转阀+推靠块(泥浆驱动)的驱动和控制模式，与国外专利相似，同样存在导向力不可控、系统可靠性差、成本高等技术难题。
10.基于此，拟发明一种泥浆驱动导向钻井控制方法，有效解决现有旋转导向钻井系统导向力不可控、系统可靠性差、成本高等技术难题。

技术实现要素：

11.为了克服现有技术的不足，发明了一种泥浆驱动旋转导向钻井控制方法，由以下步骤实现：
12.s1：地面组装泥浆驱动旋转导向工具(4)，下入到井底；
13.s2：地面泥浆脉冲发射器发射目标造斜率η0、目标工具面角α、工具面角控制范围
±
δα泥浆脉冲指令信号；
14.s3：管内压力传感器(13-6)实时测量旋转导向泥浆脉冲指令信号；
15.s4：中央处理器(12)解码管内压力传感器(13-6)测得的旋转导向泥浆脉冲指令信号；
16.s5：中央处理器(12)实时测量当前工具面角β；
17.s6：中央处理器(12)(12)根据目标工具面角α、工具面角控制范围
±
δα、当前工具面角β控制径向推力机构(3)的推力块(305)在α-δα～α+δα的范围内接触井壁(17)，为旋转导向钻井提供导向钻井作用力；
18.s7：中央处理器(12)根据实测造斜率η与目标造斜率η0依次控制工具面角控制范围
±
δα、电磁减压阀(15)压力p1、电磁节流阀(2)压力p，以满足目标造斜率η0要求，进而实现旋转导向钻井自动控制。
19.所述：5中实时工具面角β测量步骤：
20.s51：判断前30s～60s测得的井斜角γ是否大于10
°
；
21.s52：若井斜角γ小于10
°
，则启动磁通量测量仪(13-2)，则关闭重力加速度计(13-3)，并测量当前工具面角β；
22.s53：若井斜角γ大于10
°
，则启动重力加速度计(13-3)，则关闭磁通量测量仪(13-2)，并测量当前工具面角β，因此小井斜利用磁通量测量仪(13-2)测量工具面角，大井斜利用重力加速度计(13-3)测量工具面角，提高工具面角的测量准确度。
23.所述：s6中，推力块(305)在α-δα～α+δα的范围内接触井壁(17)步骤为：
24.s61：中央处理器(12)实时测量当前工具面角β；
25.s62：当中央处理器(12)实时测量的当前工具面角β＝α-δα时，二位四通电磁插装阀(16)通电，高压泥浆进入径向推力机构(3)，推力块(305)接触井壁(17)；
26.s63：当中央处理器(12)实时测量的当前工具面角β＝α+δα时，二位四通电磁插装阀(16)断电，高压泥浆流出径向推力机构(3)，推力块(305)离开井壁(17)。
27.所述：s7中，中央处理器(12)根据实时造斜率η，调整工具面角控制范围
±
δα大小，若实际造斜η率小于目标造斜率η0，中央处理器(12)控制工具面角控制范围
±
δα减小，增大造斜率；若实际造斜η率大于目标造斜率η0，中央处理器(12)控制工具面角控制范围
±
δα减增大，减小造斜率。
28.所述：s7中，中央处理器(12)根据实时造斜率η，调整电磁减压阀(15)减压压力p1，若实际造斜η率小于目标造斜率η0，中央处理器(12)控制电磁减压阀(15)节减压压力p1减小，以增加推力块(305)的推靠力，增大造斜率；若实际造斜η率大于目标造斜率η0，中央处理器(12)控制电磁减压阀(15)节减压压力p1增大，以减小推力块(305)的推靠力，减小造斜率。
29.所述：s7中，中央处理器(12)根据实时造斜率η，调整电磁节流阀(2)节流压力p，若
实际造斜η率小于目标造斜率η0，中央处理器(12)控制电磁节流阀(2)节流压力p增大，以增加推力块(305)的推靠力，增大造斜率；若实际造斜η率大于目标造斜率η0，中央处理器(12)控制电磁节流阀(2)节流压力p增减小，以减小推力块(305)的推靠力，减小造斜率。
30.所述：驱动力大小由管内压力传感器(13-6)和环空压力传感器(13-7)测得的管内(5)压力pin和环空(7)压力pout计算得到，计算公式如下：
31.f＝k(pin-pout)s(公式1)
32.公式1中f为推靠力，k为推靠力损失系数，s为推靠活塞截面积。
33.所述：s53中重力加速度计(13-3)测量当前工具面角β的步骤为：当重力加速度最小时，即为重力高边，中央处理器(12)记录当前工具面角β，根据前30s平均转速r，得到前工具面角β转向目标工具面角α-δα所需要的时间δt＝(α-δα-β)/r,中央处理器(12)控制二位四通电磁插装阀(16)在δt时刻通电，计算得到前工具面角β转向目标工具面角α+δα所需要的时间δt＝(α+δα-β)/r,中央处理器(12)控制二位四通电磁插装阀(16)在δt时刻断电，有效避免由于振动过大导致工具面角测量不准确的情况，提高旋转导向钻井工具面角控制精度。
34.本发明与现有技术相比，具有的优点有：
35.(1)控制方法简单，可靠性高。
36.(2)径向推力机构推力可控，造斜率控制精度高。
37.(3)成本低，由于采用泥浆驱动径向推力机构，并且通过电磁阀来控制导向块的伸缩，避免了使用发电机、电机、泵等价格高昂的元器件，成本可控。
附图说明
38.图1为本发明泥浆驱动旋转导向钻井控制方法流程图。
39.图2为泥浆驱动旋转导向钻井工具面控制流程图。
40.图3为泥浆驱动旋转导向钻井系统原理图。
41.图4为工具面控制原理图。
42.图中：1-钻头，2-电磁节流阀，3-径向推力机构，301-堵头，302-弹簧，303-活塞，304-连杆，305-推力块，306-本体，307-左液压腔，308-右液压腔，4-旋转导向工具，5-旋转导向工具内部泥浆通道，6-泥浆脉冲发射器，7-环空，8-上接头，9-钻杆，10-电池，11-电源管理模块，12-中央处理器，13-测量模块，13-2-磁通量测量仪，13-3-重力加速度计，13-4-泥浆脉冲控制器，13-5-存储器，13-6-管内压力传感器，13-7-环空压力传感器，14-放大控制器，15-电磁减压阀，16-二位四通电磁插装阀，17-井壁。
具体实施方式
43.为了对本发明的技术特征、目的效果有更加清楚的理解，现结合附图说明本发明的具体实施例。
44.由图1～图4所示，本实施例提供一种泥浆驱动旋转导向钻井控制方法，首先将图3所示的泥浆驱动旋转导向钻井系统进行连接、装配、下井；下井后按照以下步骤进行旋转导向钻井作业，如图1所示：
45.步骤一：地面泥浆脉冲发射器发射目标造斜率η0、目标工具面角α、工具面角控制
范围
±
δα泥浆脉冲指令信号；
46.步骤二：管内压力传感器(13-6)实时测量旋转导向泥浆脉冲指令信号；
47.步骤三：中央处理器(12)解码管内压力传感器(13-6)测得的旋转导向泥浆脉冲指令信号；
48.步骤四：中央处理器(12)实时测量当前工具面角β；
49.步骤五：中央处理器(12)(12)根据目标工具面角α、工具面角控制范围
±
δα、当前工具面角β控制径向推力机构(3)的推力块(305)在α-δα～α+δα的范围内接触井壁(17)，为旋转导向钻井提供导向钻井作用力；
50.步骤六：中央处理器(12)根据实测造斜率η与目标造斜率η0依次控制工具面角控制范围
±
δα、电磁减压阀(15)压力p1、电磁节流阀(2)压力p，以满足目标造斜率η0要求，进而实现旋转导向钻井自动控制。
51.具体地，如图2所示，造斜率控制方法为：中央处理器(12)根据实时造斜率η，调整工具面角控制范围
±
δα大小，若实际造斜η率小于目标造斜率η0，中央处理器(12)控制工具面角控制范围
±
δα减小，增大造斜率；若实际造斜η率大于目标造斜率η0，中央处理器(12)控制工具面角控制范围
±
δα减增大，减小造斜率。
52.若通过调整具面角控制范围
±
δα大小依然不能控制造斜率，则中央处理器(12)根据实时造斜率η，调整电磁减压阀(15)减压压力p1，若实际造斜η率小于目标造斜率η0，中央处理器(12)控制电磁减压阀(15)节减压压力p1减小，以增加推力块(305)的推靠力，增大造斜率；若实际造斜η率大于目标造斜率η0，中央处理器(12)控制电磁减压阀(15)节减压压力p1增大，以减小推力块(305)的推靠力，减小造斜率。
53.若通过调整电磁减压阀(15)减压压力p1依然不能控制造斜率，则中央处理器(12)根据实时造斜率η，调整电磁节流阀(2)节流压力p，若实际造斜η率小于目标造斜率η0，中央处理器(12)控制电磁节流阀(2)节流压力p增大，以增加推力块(305)的推靠力，增大造斜率；若实际造斜η率大于目标造斜率η0，中央处理器(12)控制电磁节流阀(2)节流压力p增减小，以减小推力块(305)的推靠力，减小造斜率。
54.若实时造斜率η依然大于目标造斜率η0，则进行复合钻进作业。
55.具体地，驱动力大小由管内压力传感器(13-6)和环空压力传感器(13-7)测得的管内(5)压力pin和环空(7)压力pout计算得到，计算公式如下：
56.f＝k(pin-pout)s(公式1)
57.公式1中f为推靠力，k为推靠力损失系数，s为推靠活塞截面积。
58.具体地，重力加速度计(13-3)测量当前工具面角β的步骤为：当重力加速度最小时，即为重力高边，中央处理器(12)记录当前工具面角β，根据前30s平均转速r，得到前工具面角β转向目标工具面角α-δα所需要的时间δt＝(α-δα-β)/r,中央处理器(12)控制二位四通电磁插装阀(16)在δt时刻通电，计算得到前工具面角β转向目标工具面角α+δα所需要的时间δt＝(α+δα-β)/r,中央处理器(12)控制二位四通电磁插装阀(16)在δt时刻断电，有效避免由于振动过大导致工具面角测量不准确的情况，提高旋转导向钻井工具面角控制精度。
59.以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化和修改，均
应属于本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种泥浆驱动旋转导向钻井控制方法，其特征在于：由以下步骤构成：s1：地面组装泥浆驱动旋转导向工具(4)，下入到井底；s2：地面泥浆脉冲发射器发射目标造斜率η0、目标工具面角α、工具面角控制范围
±
δα泥浆脉冲指令信号；s3：管内压力传感器(13-6)实时测量旋转导向泥浆脉冲指令信号；s4：中央处理器(12)解码管内压力传感器(13-6)测得的旋转导向泥浆脉冲指令信号；s5：中央处理器(12)实时测量当前工具面角β；s6：中央处理器(12)(12)根据目标工具面角α、工具面角控制范围
±
δα、当前工具面角β控制径向推力机构(3)的推力块(305)在α-δα～α+δα的范围内接触井壁(17)，为旋转导向钻井提供导向钻井作用力；s7：中央处理器(12)根据实测造斜率η与目标造斜率η0依次控制工具面角控制范围
±
δα、电磁减压阀(15)压力p1、电磁节流阀(2)压力p，以满足目标造斜率η0要求，进而实现旋转导向钻井自动控制。2.根据权利要求1所述的一种泥浆驱动旋转导向钻井控制方法，其特征在于：s5中实时工具面角β测量步骤：s51：判断前30s～60s测得的井斜角γ是否大于10
°
；s52：若井斜角γ小于10
°
，则启动磁通量测量仪(13-2)，则关闭重力加速度计(13-3)，并测量当前工具面角β；s53：若井斜角γ大于10
°
，则启动重力加速度计(13-3)，则关闭磁通量测量仪(13-2)，并测量当前工具面角β，因此小井斜利用磁通量测量仪(13-2)测量工具面角，大井斜利用重力加速度计(13-3)测量工具面角，提高工具面角的测量准确度。3.根据权利要求1所述的一种泥浆驱动旋转导向钻井控制方法，其特征在于：s6中，推力块(305)在α-δα～α+δα的范围内接触井壁(17)步骤为：s61：中央处理器(12)实时测量当前工具面角β；s62：当中央处理器(12)实时测量的当前工具面角β＝α-δα时，二位四通电磁插装阀(16)通电，高压泥浆进入径向推力机构(3)，推力块(305)接触井壁(17)；s63：当中央处理器(12)实时测量的当前工具面角β＝α+δα时，二位四通电磁插装阀(16)断电，高压泥浆流出径向推力机构(3)，推力块(305)离开井壁(17)。4.根据权利要求1所述的一种泥浆驱动旋转导向钻井控制方法，其特征在于：s7中，中央处理器(12)根据实时造斜率η，调整工具面角控制范围
±
δα大小，若实际造斜η率小于目标造斜率η0，中央处理器(12)控制工具面角控制范围
±
δα减小，增大造斜率；若实际造斜η率大于目标造斜率η0，中央处理器(12)控制工具面角控制范围
±
δα减增大，减小造斜率。5.根据权利要求1所述的一种泥浆驱动旋转导向钻井控制方法，其特征在于：s7中，中央处理器(12)根据实时造斜率η，调整电磁减压阀(15)减压压力p1，若实际造斜η率小于目标造斜率η0，中央处理器(12)控制电磁减压阀(15)节减压压力p1减小，以增加推力块(305)的推靠力，增大造斜率；若实际造斜η率大于目标造斜率η0，中央处理器(12)控制电磁减压阀(15)节减压压力p1增大，以减小推力块(305)的推靠力，减小造斜率。6.根据权利要求1所述的一种泥浆驱动旋转导向钻井控制方法，其特征在于：s7中，中央处理器(12)根据实时造斜率η，调整电磁节流阀(2)节流压力p，若实际造斜η率小于目标
造斜率η0，中央处理器(12)控制电磁节流阀(2)节流压力p增大，以增加推力块(305)的推靠力，增大造斜率；若实际造斜η率大于目标造斜率η0，中央处理器(12)控制电磁节流阀(2)节流压力p增减小，以减小推力块(305)的推靠力，减小造斜率。7.根据权利要求5所述的一种泥浆驱动旋转导向钻井控制方法，其特征在于：驱动力大小由管内压力传感器(13-6)和环空压力传感器(13-7)测得的管内(5)压力pin和环空(7)压力pout计算得到，计算公式如下：f＝k(pin-pout)s
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(公式1)公式1中f为推靠力，k为推靠力损失系数，s为推靠活塞截面积。8.根据权利要求3所述的一种泥浆驱动旋转导向钻井控制方法，其特征在于：s53中重力加速度计(13-3)测量当前工具面角β的步骤为：当重力加速度最小时，即为重力高边，中央处理器(12)记录当前工具面角β，根据前30s平均转速r，得到前工具面角β转向目标工具面角α-δα所需要的时间δt＝(α-δα-β)/r,中央处理器(12)控制二位四通电磁插装阀(16)在δt时刻通电，计算得到前工具面角β转向目标工具面角α+δα所需要的时间δt＝(α+δα-β)/r,中央处理器(12)控制二位四通电磁插装阀(16)在δt时刻断电，有效避免由于振动过大导致工具面角测量不准确的情况，提高旋转导向钻井工具面角控制精度。

技术总结

本发明公开了一种泥浆驱动导向钻井控制方法，涉及石油与天然气钻井领域。现有旋转导向系统涉及发电机、电机、泵、转阀等多个动密封结构，结构极其复杂，可靠性较差，成本居高不下；导向钻井的导向力无法实施精细化调控，无法实现自动导向钻井。发明了一种泥浆驱动旋转导向钻井控制方法，包括：发送、测量、解码地面泥浆脉冲指令信号，通过控制电磁节流阀、电磁减压阀、工具面角范围实现井斜角的自适应控制。本发明控制方法简单，可靠性高；导向力可控，造斜率控制精度高；由于采用泥浆驱动径向推力机构，并且通过电磁阀来控制导向块的伸缩，避免了使用发电机、电机、泵等价格高昂的元器件，成本可控。成本可控。成本可控。