本發(fā)明涉及油氣鉆井電機(jī)控制的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方法。

背景技術(shù)：

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)是邁向自動(dòng)化、智能化鉆井的重要標(biāo)志，是以井下閉環(huán)控制系統(tǒng)為核心的三維井眼軌跡控制鉆井技術(shù)，代表了當(dāng)今油氣鉆井工程的領(lǐng)先水平。近幾年，國(guó)外在水平井、大位移井、三維多目標(biāo)井鉆井，尤其針對(duì)北美頁(yè)巖氣井，廣泛推廣應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)，既提高了鉆井速度，減少了事故，也降低了鉆井成本，達(dá)到了降本增效的目的。

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)按導(dǎo)向方式可分為推靠式和指向式。推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)主要利用導(dǎo)向塊推靠井壁，從而對(duì)鉆頭產(chǎn)生側(cè)向力，推動(dòng)鉆頭離開(kāi)該方向，以達(dá)到改變井斜和方位的目的。指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)通過(guò)外套與旋轉(zhuǎn)主軸之間的偏置機(jī)構(gòu)使主軸偏置，從而為鉆頭提供一個(gè)與井眼軸線不一致的傾角，產(chǎn)生導(dǎo)向作用。由于指向式較于推靠式，工作時(shí)不推靠井壁，因此指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)鉆出的井眼軌跡更為平滑，井眼質(zhì)量更好，成為目前旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展方向。

偏心軸電機(jī)是指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的關(guān)鍵導(dǎo)向部件之一。偏心軸電機(jī)輸出扭矩，通過(guò)齒輪減速箱驅(qū)動(dòng)偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，偏心軸又通過(guò)偏心安裝的軸承與鉆頭驅(qū)動(dòng)軸相連接，帶動(dòng)鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)。偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向與鉆鋌相反，當(dāng)二者轉(zhuǎn)速一致時(shí)，偏心軸相對(duì)于大地為不旋轉(zhuǎn)體，此時(shí)工具面角不變。因此，為改變工具面，偏心軸電機(jī)需提高或降低轉(zhuǎn)速，與鉆鋌轉(zhuǎn)速產(chǎn)生一定的偏差，當(dāng)達(dá)到預(yù)期工具面后，偏心軸電機(jī)再次保持與鉆鋌相同的轉(zhuǎn)速，使新工具面穩(wěn)定。與常規(guī)電機(jī)轉(zhuǎn)速單速度閉環(huán)控制不同，指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)要求在只控制偏心軸轉(zhuǎn)速的情況下，控制偏心軸轉(zhuǎn)速在能達(dá)到鉆鋌轉(zhuǎn)速的同時(shí)，工具面也能達(dá)到希望控制的位置，即同時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速速度環(huán)與工具面角位置環(huán)的雙閉環(huán)控制。

為此，本發(fā)明的設(shè)計(jì)者有鑒于上述缺陷，通過(guò)潛心研究和設(shè)計(jì)，綜合長(zhǎng)期多年從事相關(guān)產(chǎn)業(yè)的經(jīng)驗(yàn)和成果，研究設(shè)計(jì)出一種指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方法，以克服上述缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方法，只控制偏心軸轉(zhuǎn)速的情況下，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速速度環(huán)與工具面角位置環(huán)的雙閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)快速、穩(wěn)定、精確的導(dǎo)向功能。

為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)了1.一種所述指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方法，其特征在于包括如下步驟：

步驟一：設(shè)定工具面角平面的坐標(biāo)系，所述坐標(biāo)系按照?qǐng)A周分為-180°～+180°；

步驟二：通過(guò)工具面角平面確定初始工具面角α和目標(biāo)工具面角β，計(jì)算目標(biāo)工具面角β和初始工具面角α的差值，并根據(jù)差值確定控制調(diào)節(jié)，所述控制調(diào)節(jié)包含滯后調(diào)節(jié)或超前調(diào)節(jié)；

步驟三：進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，在工具面角達(dá)到目標(biāo)工具面角后，偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速與鉆鋌轉(zhuǎn)速保持一致。

其中：步驟三中的控制調(diào)節(jié)中偏心軸電機(jī)在某一時(shí)刻轉(zhuǎn)速為：

n(i)＝n(i-1)+δn(i)(1)

n(i)為當(dāng)前時(shí)刻偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速，n(i-1)為前一時(shí)刻偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速，δn(i)為變化增量。

其中：所述滯后調(diào)節(jié)的方案包含如下步驟：

(1)勻減速段：偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速按下式(2)變化

n(i)＝n(i-1)-a(2)

在此階段δn(i)＝-a(a＞0)始終為常數(shù)，偏心軸電機(jī)作勻減速運(yùn)動(dòng)；

勻減速段是從開(kāi)始階段至|目標(biāo)工具面角-初始工具面角|*30％的時(shí)間段；

(2)勻速段：偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速按下式(3)變化

n(i)＝n(i-1)(3)

在此階段偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速始終不變，偏心軸電機(jī)作勻速運(yùn)動(dòng)；

勻速區(qū)是從勻減速段結(jié)束至|目標(biāo)工具面角-初始工具面角|*80％的時(shí)間段；

(3)變加速段：偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速按下式(4)變化

n(i)＝n(i-1)+kn*(n鉆鋌-n(i-1))+kt*(tf目標(biāo)-tf當(dāng)前)(4)

在此階段偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速的每一時(shí)刻的增量隨著在對(duì)目標(biāo)參數(shù)的逼近，在不斷改變，偏心軸電機(jī)作變加速運(yùn)動(dòng)，開(kāi)始階段加速度較大，變化較快，當(dāng)逼近目標(biāo)參數(shù)時(shí)，加速度減小，當(dāng)偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到鉆鋌轉(zhuǎn)速，并且工具面角達(dá)到目標(biāo)工具面角時(shí)，偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速開(kāi)始與鉆鋌轉(zhuǎn)速保持一致。

其中：超前調(diào)節(jié)的方案包含：

將偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速變化分為三個(gè)階段進(jìn)行控制：

(1)勻加速段：偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速按下式(5)變化

n(i)＝n(i-1)+a(5)

在此階段δn(i)＝a(a＞0)始終為常數(shù)，偏心軸電機(jī)作勻加速運(yùn)動(dòng)；

勻加速段是從開(kāi)始階段至|目標(biāo)工具面角-初始工具面角|*30％的時(shí)間段；

(2)勻速段：偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速按下式(6)變化

n(i)＝n(i-1)(6)

在此階段偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速始終不變，偏心軸電機(jī)作勻速運(yùn)動(dòng)；

勻速區(qū)是從勻加速段結(jié)束至|目標(biāo)工具面角-初始工具面角|*80％的時(shí)間段；

(3)變減速段：偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速按下式(7)變化

n(i)＝n(i-1)+kn*(n鉆鋌-n(i-1))+kt*(tf目標(biāo)-tf當(dāng)前)(7)

在此階段偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速的每一時(shí)刻的增量隨著在對(duì)目標(biāo)參數(shù)的逼近，在不斷改變，偏心軸電機(jī)作變加速運(yùn)動(dòng)；開(kāi)始階段加速度較大，變化較快，當(dāng)逼近目標(biāo)參數(shù)時(shí)，加速度減小，當(dāng)偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到鉆鋌轉(zhuǎn)速，并且工具面角達(dá)到目標(biāo)工具面角時(shí)，偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速開(kāi)始與鉆鋌轉(zhuǎn)速保持一致。

其中：在步驟二中，若|差值|≤180°，當(dāng)差值＞0°時(shí)，執(zhí)行滯后調(diào)節(jié)，即令偏心軸電機(jī)進(jìn)行先減速后加速的調(diào)節(jié)，工具面角會(huì)沿順時(shí)針變化；當(dāng)差值≤0°時(shí)，執(zhí)行超前調(diào)節(jié)，即令偏心軸電機(jī)進(jìn)行先加速后減速的調(diào)節(jié)，工具面角會(huì)沿逆時(shí)針變化；

若|差值|>180°，當(dāng)差值＞0°時(shí)，執(zhí)行超前調(diào)節(jié)，即令偏心軸電機(jī)進(jìn)行先加速后減速的調(diào)節(jié)，工具面角會(huì)沿逆時(shí)針變化；當(dāng)差值≤0°時(shí)，執(zhí)行滯后調(diào)節(jié)，即令偏心軸電機(jī)進(jìn)行先減速后加速的調(diào)節(jié)，工具面角會(huì)沿順時(shí)針變化。

通過(guò)上述結(jié)構(gòu)可知，本發(fā)明的指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方法實(shí)現(xiàn)偏心軸轉(zhuǎn)速速度環(huán)與工具面角位置環(huán)的雙閉環(huán)控制，保證指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速、穩(wěn)定、精確的導(dǎo)向功能。

本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容可通過(guò)后述的說(shuō)明及所附圖而得到。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的工具面角的平面示意圖；

圖2為本發(fā)明的偏心軸電機(jī)超前或滯后調(diào)節(jié)流程圖；

圖3為本發(fā)明的偏心軸電機(jī)超前或滯后調(diào)速的控制流程圖。

圖4為本發(fā)明的偏心軸電機(jī)滯后調(diào)節(jié)的工具面角和偏心軸轉(zhuǎn)速變化示意圖。

具體實(shí)施方式

參見(jiàn)圖1至圖3，顯示了本發(fā)明的指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方法。

所述指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方法包括如下步驟：

步驟一：設(shè)定工具面角平面的坐標(biāo)系，所述坐標(biāo)系按照?qǐng)A周如圖1所示分為-180°～+180°；

步驟二：通過(guò)工具面角平面確定初始工具面角α和目標(biāo)工具面角β，計(jì)算目標(biāo)工具面角β和初始工具面角α的差值，并根據(jù)差值確定控制調(diào)節(jié)，所述控制調(diào)節(jié)包含滯后調(diào)節(jié)或超前調(diào)節(jié)；

為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，需要將上述的初始工具面角α和能在一個(gè)圓周內(nèi)沿最短路徑變換到目標(biāo)工具面角β，由此，本申請(qǐng)的技術(shù)方案根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了不同的超前或滯后調(diào)節(jié)，能使工具面角順時(shí)針或逆時(shí)針變化。即在初始時(shí)刻偏心軸轉(zhuǎn)速和鉆鋌轉(zhuǎn)速相等的情況下，快速有效的改變工具面角。

參見(jiàn)圖2，確定調(diào)節(jié)方案進(jìn)一步包含如下方法：

若|差值|≤180°，當(dāng)差值＞0°時(shí)，執(zhí)行滯后調(diào)節(jié)，即令偏心軸電機(jī)進(jìn)行先減速后加速的調(diào)節(jié)，工具面角會(huì)沿順時(shí)針變化；當(dāng)差值≤0°時(shí)，執(zhí)行超前調(diào)節(jié)，即令偏心軸電機(jī)進(jìn)行先加速后減速的調(diào)節(jié)，工具面角會(huì)沿逆時(shí)針變化；

若|差值|>180°，當(dāng)差值＞0°時(shí)，執(zhí)行超前調(diào)節(jié)，即令偏心軸電機(jī)進(jìn)行先加速后減速的調(diào)節(jié)，工具面角會(huì)沿逆時(shí)針變化；當(dāng)差值≤0°時(shí)，執(zhí)行滯后調(diào)節(jié)，即令偏心軸電機(jī)進(jìn)行先減速后加速的調(diào)節(jié)，工具面角會(huì)沿順時(shí)針變化。

步驟三：進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，所述控制調(diào)節(jié)包含如下方法：

偏心軸電機(jī)在某一時(shí)刻轉(zhuǎn)速為：

n(i)＝n(i-1)+δn(i)(1)

n(i)為當(dāng)前時(shí)刻偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速，n(i-1)為前一時(shí)刻偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速，δn(i)為變化增量。

圖4示為偏心軸電機(jī)滯后調(diào)節(jié)的工具面角和偏心軸轉(zhuǎn)速變化示意圖。

滯后調(diào)節(jié)的方案a包含：

將偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速變化分為三個(gè)階段進(jìn)行控制：

(1)勻減速段(初始段)：偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速按下式(2)變化

n(i)＝n(i-1)-a(2)

在此階段δn(i)＝-a(a＞0)始終為常數(shù)，偏心軸電機(jī)作勻減速運(yùn)動(dòng)。

勻減速段是從開(kāi)始階段至|目標(biāo)工具面角-初始工具面角|*30％的時(shí)間段。

(2)勻速段(也可稱為緩沖段)：偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速按下式(3)變化

n(i)＝n(i-1)(3)

在此階段偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速始終不變，偏心軸電機(jī)作勻速運(yùn)動(dòng)。

勻速區(qū)是從勻減速段結(jié)束至|目標(biāo)工具面角-初始工具面角|*80％的時(shí)間段。

(3)變加速段(最終段(核心階段))：偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速按下式(4)變化

n(i)＝n(i-1)+kn*(n鉆鋌-n(i-1))+kt*(tf目標(biāo)-tf當(dāng)前)(4)

在此階段偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速的每一時(shí)刻的增量隨著在對(duì)目標(biāo)參數(shù)的逼近，在不斷改變，偏心軸電機(jī)作變加速運(yùn)動(dòng)。開(kāi)始階段加速度較大，變化較快，當(dāng)逼近目標(biāo)參數(shù)時(shí)，加速度減小，當(dāng)偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到鉆鋌轉(zhuǎn)速，并且工具面角達(dá)到目標(biāo)工具面角時(shí)，偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速開(kāi)始與鉆鋌轉(zhuǎn)速保持一致。

式(4)中，kn和kt為兩個(gè)控制系數(shù)，需根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，可采用控制變量法進(jìn)行調(diào)節(jié)，設(shè)定kn為常數(shù)，若令kn＝1，則kt＝k*|tf目標(biāo)-tf當(dāng)前|^-0.5，其中k為常數(shù)，根據(jù)不同電機(jī)的特性不同，需對(duì)k值進(jìn)行調(diào)節(jié)；n鉆鋌為鉆鋌轉(zhuǎn)速，tf目標(biāo)為目標(biāo)工具面角，tf當(dāng)前為當(dāng)前時(shí)刻工具面角。

超前調(diào)節(jié)的方案b包含：

將偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速變化分為三個(gè)階段進(jìn)行控制：

(1)勻加速段(初始段)：偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速按下式(5)變化

n(i)＝n(i-1)+a(5)

在此階段δn(i)＝a(a＞0)始終為常數(shù)，偏心軸電機(jī)作勻加速運(yùn)動(dòng)。

勻加速段是從開(kāi)始階段至|目標(biāo)工具面角-初始工具面角|*30％的時(shí)間段。

(2)勻速段(也可稱為緩沖段)：偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速按下式(6)變化

n(i)＝n(i-1)(6)

在此階段偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速始終不變，偏心軸電機(jī)作勻速運(yùn)動(dòng)。

勻速區(qū)是從勻加速段結(jié)束至|目標(biāo)工具面角-初始工具面角|*80％的時(shí)間段。

(3)變減速段(最終段(核心階段))：偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速按下式(7)變化

n(i)＝n(i-1)+kn*(n鉆鋌-n(i-1))+kt*(tf目標(biāo)-tf當(dāng)前)(7)

在此階段偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速的每一時(shí)刻的增量隨著在對(duì)目標(biāo)參數(shù)的逼近，在不斷改變，偏心軸電機(jī)作變加速運(yùn)動(dòng)。開(kāi)始階段加速度較大，變化較快，當(dāng)逼近目標(biāo)參數(shù)時(shí)，加速度減小，當(dāng)偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到鉆鋌轉(zhuǎn)速，并且工具面角達(dá)到目標(biāo)工具面角時(shí)，偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速開(kāi)始與鉆鋌轉(zhuǎn)速保持一致。

式(7)中，kn和kt為兩個(gè)控制系數(shù)，需根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，可采用控制變量法進(jìn)行調(diào)節(jié)，設(shè)定kn為常數(shù)，若令kn＝1，則kt＝k*|tf目標(biāo)-tf當(dāng)前|^-0.5，其中k為常數(shù)，根據(jù)不同電機(jī)的特性不同，需對(duì)k值進(jìn)行調(diào)節(jié)；n鉆鋌為鉆鋌轉(zhuǎn)速，tf目標(biāo)為目標(biāo)工具面角，tf當(dāng)前為當(dāng)前時(shí)刻工具面角。

首先，對(duì)偏心軸電機(jī)進(jìn)行先加速后減速或先減速后加速的調(diào)節(jié)進(jìn)行決策，保證在一個(gè)圓周內(nèi)，工具面角沿最短路徑調(diào)整到目標(biāo)工具面，縮短所需的調(diào)節(jié)角度，從而縮短調(diào)節(jié)時(shí)間；其次，將調(diào)節(jié)過(guò)程分為勻加(減)速、勻速、變加(減)速三個(gè)階段，前兩個(gè)階段勻加(減)速、勻速段使偏心軸與鉆鋌之間產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差，改變工具面角，最后階段工具面隨著對(duì)目標(biāo)值的逼近，偏心軸電機(jī)作變加速運(yùn)動(dòng)，開(kāi)始時(shí)加速度較大，變化較快，當(dāng)逼近目標(biāo)參數(shù)時(shí)，加速度減小，直到偏心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到鉆鋌轉(zhuǎn)速，并且工具面角達(dá)到目標(biāo)工具面角。

由此，本發(fā)明的方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、控制方法有效，實(shí)現(xiàn)偏心軸轉(zhuǎn)速速度環(huán)與工具面角位置環(huán)的雙閉環(huán)控制，保證指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速、穩(wěn)定、精確的導(dǎo)向功能；

2、當(dāng)外鉆鋌轉(zhuǎn)速波動(dòng)范圍≤±10rpm時(shí)，設(shè)定目標(biāo)工具面角后，實(shí)際工具面角跟蹤效果較好，穩(wěn)態(tài)誤差≤±4°，動(dòng)態(tài)誤差≤±10°，滿足工程需要。

顯而易見(jiàn)的是，以上的描述和記載僅僅是舉例而不是為了限制本發(fā)明的公開(kāi)內(nèi)容、應(yīng)用或使用。雖然已經(jīng)在實(shí)施例中描述過(guò)并且在附圖中描述了實(shí)施例，但本發(fā)明不限制由附圖示例和在實(shí)施例中描述的作為目前認(rèn)為的最佳模式以實(shí)施本發(fā)明的教導(dǎo)的特定例子，本發(fā)明的范圍將包括落入前面的說(shuō)明書(shū)和所附的權(quán)利要求的任何實(shí)施例。