[发明专利]旋转导向钻井工具系统的工具面角估计方法

说明书

本发明涉及一种旋转导向钻井工具系统的工具面角估计方法，其具体步骤为：S1、建立工具面角控制系统数学模型；S2、构造状态观测器，获得估计误差系统；S3、求解状态观测器参数完成状态观测器设计；S4、接收测量数据，进行工具面角估计。本发明能够对旋转导向钻井工具系统的工具面角进行实时有效地估计，提高了估计精度，降低了估计算法的计算复杂度，可以进一步提高导向钻井的精度。

技术领域

本发明属于油田钻井技术领域，涉及钻井工具测量技术，具体地说，涉及一种旋转导向钻井工具系统的工具面角估计方法。

背景技术

油气是国家战略发展的重要资源，而钻井技术是油气勘探开发的关键技术。旋转导向钻井技术作为当今世界最先进的定向钻井技术之一，具有机械钻速高、井身轨迹控制精度高，井眼净化效果好，位移延伸能力强等优点，可以大大提高油气采收效率。在近几十年的发展过程中，因导向方式和钻铤转动的不同，逐渐形成了静态推靠、动态推靠、静态指向、动态指向四种类型的旋转导向钻井工具系统。

动态指向式旋转导向钻井工具系统由内环控制系统、外环控制系统两个闭环控制系统组成，其中内环控制系统主要利用旋转导向钻井工具系统中的永磁同步电机来精确控制钻头沿着预定的轨迹钻进。内环控制系统的精度将影响到整个旋转导向钻井工具系统的性能。在内环控制系统中，工具面角代表井下钻井工具下一时刻的钻进方向，是核心的被控变量。因此，工具面角的测量精度直接决定了内环控制系统的精度。受到井下空间和环境的限制，通常利用稳定平台中的陀螺仪和加速度计分别采集工具面角的角速度和角度信息。由于钻井过程中传感器通常处于高温高压和强振动的恶劣环境中，所测数据中包含了大量的测量噪声，需要进行滤波处理。

文献《一种用于井下钻具旋转中动态方位测量的新方法》(杨全进,蒋海旭,左信.石油钻采工艺,2014,36(1):40-43.)中，为了在井下钻具连续旋转过程中实时准确测量出重力工具面，介绍了石油钻探描述井眼姿态的轨迹基本参数以及如何实现测量姿态参数的传感器基本原理，着重介绍了井眼姿态测量常用的定向传感器结构及所测量的参数，提出在旋转导向钻进中钻具连续旋转时动态重力工具面的测量方法，重点分析了利用矢量旋转的方法，从理论上推导计算磁工具面与重力工具面差角的过程。

文献《Wang W.,Geng Y.,Wang K.,et al.Dynamic Toolface estimation forrotary steerable drilling system.Sensors,2018,18(9):1-17.》利用互补滤波算法设计了一种旋转导向钻井工具的工具面角估计方法。

授权公告号为CN107515001B的中国专利公开了一种旋转导向稳定平台的重力工具面角动态测量方法及装置，采用双加速度计、三轴磁通门传感器和陀螺仪测量的稳定平台运动时的相应加速度、磁场和角速度数据，进行前置滤波后，在不同工况和不同传感器故障时自动判断传感器故障并切换至相应解算方法解算重力工具面角，实现对重力工具面角的测量，提高了重力工具面角测量的可靠性；并通过互补滤波融合双加速度计或单加速度计或磁通门传感器测量并解算的重力工具面角和陀螺仪测量的对地速率，削弱横向振动与扭转振动对重力工具面角测量值的影响，得到的重力工具面角测量值更加精确。

然而，上述方法都是直接对传感器的数据进行滤波处理，缺乏对已知系统模型信息的利用，所得的工具面角依然包含一定的噪声信号。因此，迫切需要开发基于状态观测器的估计方法来进一步提高工具面角估计精度。

发明内容

本发明针对现有旋转导向钻井工具系统存在的工具面角估计精度低的问题，提供一种旋转导向钻井工具系统的工具面角估计方法，能够提高工具面角的估计精度，进而改进钻井效率，降低钻井成本。

为了达到上述目的，本发明提供了一种旋转导向钻井工具系统的工具面角估计方法，其具体步骤为：

S1、建立工具面角控制系统数学模型；

结合永磁同步电机d-q坐标系的数学模型，构建工具面角控制系统数学模型为：