一種基于偏心距相等的旋轉導向鉆井工具控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于旋轉導向鉆井技術領域，具體設及一種基于偏屯、距相等的偏屯、環偏置 導向動態偏置指向式旋轉導向鉆井工具的控制方法。
【背景技術】
[0002] 目前的井下旋轉導向鉆井工具按工作方式基本可W分為：靜態偏置推靠式、動態 偏置（調制式）推靠式、靜態偏置指向式和動態偏置指向式四類。推靠式旋轉導向鉆井工 具是通過液壓缸控制鉆具進行導向，該種導向方法在實現鉆頭導向的過程中會產生很大的 推靠力，對地層適應能力差，鉆頭和鉆頭軸承的磨損較嚴重，工作壽命短，且結構復雜不易 小型化。現有天津大學靜態偏置指向式鉆井工具是通過中空萬向聯軸節、兩個伺服電機和 一套傳動系統進行導向控制，但是其并沒有給出具體的控制方法，而且在工作中忍軸承受 高強度的交變應力，忍軸容易發生疲勞破壞。
【發明內容】
[0003] 為了克服上述現有技術的不足，本發明的目的在于提出了一種基于偏屯、距相等的 旋轉導向鉆井工具控制方法，通過使用Ξ個原動力分別直接驅動內偏屯、環、外偏屯、環和旋 轉外套進行控制，減少了空間機構，極大的節約工具內部空間；導向過程連續無間隙，導向 軸軸指向精度高；改善了鉆具的受力狀況，具有更長壽命；既不受地層的影響，又能實現井 眼軌跡的精確控制；同時具有反應的快速性、較高的可靠性和良好的穩定性。
[0004] 一種基于偏屯、距相等的旋轉導向鉆井工具控制方法，所設及的鉆井工具包括旋轉 外套11，在旋轉外套11內從左至右依次連接有偏屯、機構、導向軸7、扭矩傳遞機構8及密封 裝置9 ;偏屯、機構包括內偏屯、環4和外偏屯、環3,內偏屯、環4安裝在外偏屯、環3內部，且套接 在球座10上，內偏屯、環4通過第二法蘭5右端面與第二無框電機6的輸出軸連接，外偏屯、 環3通過第一法蘭2的右端面與第一無框電機1的輸出軸連接，內偏屯、環4和外偏屯、環3 均通過法蘭與無框電機直接連接并由無框電機直接驅動，導向軸7的左端插入球座10中， 導向軸7右端裝有扭矩傳遞機構8,扭矩傳遞機構8右端設置有密封裝置9,控制方法包括 W下步驟：
[0005] 步驟一、當需要進行導向鉆進時，首先確定導向角度的大小和導向方位；
[0006]步驟二、調節外偏屯、環速度ω1與內偏屯、環速度ω2,外偏屯、環速度ω1、內偏屯、環 速度ω,與導向角之間存在一定關系，導向角為導向軸4與鉆井工具軸線的夾角，導向偏屯、 距Ρ與導向角的大小成正比關系且與工具結構有關，所W導向角與外偏屯、環速度《1、內偏 屯、環速度ω2的關系表示為：
[0007]
陽00引式中Ρ為導向偏屯、距，mm;e為內、外偏屯、環偏屯、距，mm 為外偏屯、環速度，rad/ S;?2為內偏屯、環速度，rad/s;t1為導向角調節時間，S;
[0009] 步驟Ξ、當導向角調節到預定位置，需要調節外偏屯、環速度與內偏屯、環速度 ?2將導向角穩定在該位置處，則外偏屯、環速度ω1與內偏屯、環速度ω2就有如下關系：
[0010]c〇i=ω2;
[0011] 步驟四、當導向角調節到預定位置后，接下來對導向方位丫進行調節，外偏屯、環 速度《1、內偏屯、環速度〇2與旋轉外套速度ω3的旋轉方向始終相反；在導向角調節過程 中，導向方位丫與外偏屯、環速度《1、內偏屯、環速度〇2、旋轉外套速度存在如下關系：
[0012]
[0013] 當導向角調節完成后，導向方位丫與外偏屯、環速度ωι、內偏屯、環速度〇2、旋轉外 套速度《3存在如下關系：
[0016] 式中：丫為導向方位，rad;"1為外偏屯、環速度，rad/s;ω2為內偏屯、環速度，rad/ S; ?3為旋轉外套速度，rad/s;t1為導向角調節時間，S;t2為導向方位時間，S;
[0017] 步驟五、當導向方位丫調節到預定位置處時，將導向方位丫穩定在預定位置處， 此時，外偏屯、環速度ωι、內偏屯、環速度ω2、旋轉外套速度ω3存在如下關系：
[001引ω1二ω2二ω3
[0019] 此時導向完成，導向方位丫的值為：
陽0巧式中：丫為導向方位，rad; "1為外偏屯、環速度，rad/s;ω2為內偏屯、環速度，rad/S; ?3為旋轉外套速度，rad/s;t1為導向角調節時間，S;t2導向方位時間，S。
[0023] 本發明的控制原理為：
[0024] 運用Ξ個原動力直接驅動旋轉外套、內偏屯、環、外偏屯、環，使Ξ者獲得速度，通過 調節外偏屯、環速度《1、內偏屯、環速度《2、旋轉外套速度《3,使外偏屯、環、內偏屯、環、旋轉 外套Ξ者產生相對位移，進而改變導向軸的空間姿態實現對旋轉導向鉆井工具導向方位和 導向角的調節。當導向角調節到預定位置處時通過調節外偏屯、環速度與內偏屯、環速度 ?2,使外偏屯、環、內偏屯、環二者相對靜止。當導向方位調節到預定位置處時通過調節外偏 屯、環速度〇1、內偏屯、環速度〇2、旋轉外套速度使外偏屯、環、內偏屯、環、旋轉外套Ξ者 相對靜止完成導向。
[00對本發明的優點個原動力分別直接驅動內、外偏屯、環和旋轉外套進行控制，減少 了空間機構，極大的節約了工具內部空間，導向過程連續無間隙，導向軸指向精度高；改善 了鉆具的受力狀況，具有更長壽命；導向既不受地層的影響，又能實現井眼軌跡的精確控 審IJ;同時具有反應的快速性、較高的可靠性和良好的穩定性。
【附圖說明】 陽0%] 圖1是動態偏置旋轉導向鉆井工具簡圖。
[0027] 圖2偏屯、結構示意圖。
[0028] 圖3偏屯、結構運動模型。
[0029] 圖4導向角調節模擬圖。
[0030] 圖5導向方位調節模擬圖。
【具體實施方式】
[0031] 下面結合附圖對本發明做詳細敘述。
[0032] 參照圖1，一種基于偏屯、距相等的旋轉導向鉆井工具控制方法，所設及的鉆井工具 包括旋轉外套11，在旋轉外套11內從左至右依次連接有偏屯、機構、導向軸7、扭矩傳遞機構 8及密封裝置9;偏屯、機構包括內偏屯、環4和外偏屯、環3,內偏屯、環4安裝在外偏屯、環3內 部，且套接在球座10上，內偏屯、環4通過第二法蘭5右端面與第二無框電機6的輸出軸連 接，外偏屯、環3通過第一法蘭2的右端面與第一無框電機1的輸出軸連接，內偏屯、環4和外 偏屯、環3均通過法蘭與無框電機直接連接并由無框電機直接驅動，導向軸7的左端插入球 座10中，導向軸7右端裝有扭矩傳遞機構8,扭矩傳遞機構8右端設置有密封裝置9,控制 方法包括W下步驟：
[0033] 步驟一、由隨鉆測量工具或隨鉆測井工具測量出井眼軌跡，然后根據測量所得的 數據確定可控彎接頭所要調節的導向角與導向方位的值。
[0034] 步驟二、參照圖2對偏屯、環組建立運動學模型如圖3,調節外偏屯、環速度ω1與內 偏屯、環速度《2,外偏屯、環速度〇1、內偏屯、環速度〇2與導向角之間存在一定關系，導向角 為導向軸4與鉆井工具軸線的夾角，導向偏屯、距Ρ與導向角的大小成正比關系且與工具結 構有關，所W導向角與外偏屯、環速度《1、內偏屯、環速度〇2的關系可表示為：
[0035]
[0036] 式中：Ρ為導向偏屯、距，mm;e為內、外偏屯、環偏屯、距，mm;ω 1為外偏屯、環速度， rad/s ;〇2為內偏屯、環速度，rad/s ;t1為導向角調節時間，S。
[0037] 導向角調節，即對導向偏屯、距P的大小先進行調節，可W通過（c〇2t-Wit)的差值 實現連續調節，從調角公式可W看出導向偏屯、