动态指向式旋转导向钻井工具稳定平台的控制

动态指向式旋转导向钻井工具是目前最先进的自动化钻井工具,而安装在工具内部的稳定平台控制的性能指标决定了动态指向式旋转导向钻井工具的导向能力和导向精度。基于动态指向式旋转导向钻井工具原理样机,分析了圆周角位置控制中存在的测量值周期性突变现象,提出了角位置预处理方法,解决了电机转向控制和测量值跳变的问题;结合理论建模与系统识别方法,获取了原理样机稳定平台的控制模型,搭建了稳定平台工具面角反馈-前馈仿真系统,针对井下黏滑工况进行了测试分析。分析结果表明:反馈-前馈仿真系统可以较好地抑制黏滑工况造成的工具面角波动,在黏滑度100%的情况下可将工具面角控制在±13°范围内,满足钻井过程中的技术要求。所得结论可以指导旋转导向钻井工具成功命中地质目标。     

动态指向式旋转导向钻井工具的测控系统研究

作为动态指向式旋转导向钻井工具的核心部件,稳定平台的稳态与动态性能决定了导向钻井工具的造斜率和最小造斜角度等技术指标,稳定平台的测控系统至关重要。鉴于此,设计了稳定平台测控系统,分别采用三闭环和四闭环2种控制方案实现了工具面角控制,对比分析了2种控制方案的抗扰动性能。分析结果表明:与三环控制方案相比,四环控制的快速性略有降低,但是抗扰动性能明显提升,四环控制方案可以较好地抑制黏滑工况造成的工具面角波动,在黏滑度200%的情况下仍然能够将工具面角控制在±15°范围内。该测控系统可以实现稳定平台对钻铤转速的快速跟踪与工具面角的准确控制,为实用的旋转导向钻井工具系统开发奠定了基础。     

指向式旋转导向工具面角度精确控制与优化

指向式旋转导向工具关键性功能是实现快速、平稳地调整钻井工具面,并在存在外部干扰的情况下维持工具面角度精确控制。为了实现指向式旋转导向系统对钻头工具面的调整,对该系统偏置机构内外偏心环的旋转角度与钻头偏转角、工具面角的关系进行了理论公式的推导,得出在确定钻头偏转角和工具面角后,内外偏心环运动轨迹的求解公式,利用软件对运动轨迹公式编程,以求解内外偏心环的运动轨迹以及对运动轨迹进行优选,以快速实现调整目标工具面的运动轨迹,缩短内外偏心环的调整时间,提高系统工作效率;使用三维建模软件Creo建立指向式旋转导向工具的几何模型,并将其导入到ADAMS软件中进行运动轨迹的仿真,仿真结果与理论值误差小于2%,验证了推导的内外偏心环运动轨迹方程的可行性与运动轨迹优选程序的实用性。研究结果可为通过工具面对钻头精确控制提供一定的指导。     

旋转导向钻井工具系统的研究及应用

总结了国家863课题“旋转导向三维可控钻井技术研究”的研究工作进展及其在现场试验情况，根据旋转导向钻井技术方面的技术特点，开展了旋转导向偏心工具及导向机构、钻井液脉冲器，井下测量数据传输技术，随钻地质参数测量技术，井下钻井工程参数测量技术4个方面的关键技术研究，研制出了旋转导向钻井工具系统。通过室内模拟试验，验证了该工具系统设计原理的合理性。陆地和海上油田的钻井试验表明，在井斜约60°的大斜度稳斜井段，井斜控制和方位控制都满足控制要求；采用旋转导向钻具组合提高了钻压，最高钻压可达240 kN。为“十一五”期间旋转导向钻井工具系统的进一步完善和应用奠定了坚实的工程化基础。     

反扭矩定向系统研制及试验

现有旋转滑动钻井工具无法同时实现隔离上部钻具旋转和钻头破岩产生的反扭矩,且工具面角不可控。基于此,设计了分时动态隔离上部钻具旋转和承载下部钻具扭矩的反扭矩定向钻井系统;研制了反扭矩定向系统样机;利用该样机开展了实钻测试,实钻总进尺57 m,工具面角控制精度小于±5°、造斜率达23.0°/100 m,平均机械钻速约为6.5 m/h(泥岩)。研究表明：研制的反扭矩定向系统可同时隔离上部钻具旋转和下部钻具扭矩;能精确控制工具面角,实现了下部钻具自动精确导向钻井的功能,验证了反扭矩定向系统结构设计理论的正确性。相关成果有望解决滑动钻进钻柱“托压”和井眼轨迹控制难题,提高弯螺杆滑动导向钻井时效。     

导向钻井工具稳定平台试验数据无线通信系统

旋转导向钻井工具稳定平台研发过程中,有大量参数调试和数据回放,通常停机后再利用仿真工具进行数据存取,实时性和通用性受到限制。为此,设计了旋转导向钻井工具稳定平台试验数据无线通信系统。该系统既可保证数据的无障碍传输,又可避免相互之间的串扰。试验表明,该系统实现了调试设备与稳定平台之间的不间断、实时数据传输,提高了稳定平台的调试可视性和开发效率,也适用于旋转垂直钻井工具稳定平台的试验研究。     

旋转导向钻井工具稳定平台单元机械系统的设计

稳定平台单元机械系统的设计是旋转导向钻井工具的关键和难点之一。其作用是保证在钻井时不受钻柱旋转的影响，配合旋转导向钻井系统的指令系统对导向工具的工具面角随钻实时调控，实现导向功能，并承担与MWD之间的测控信息无线传输。介绍了旋转导向钻井工具稳定平台的基本原理，展示了所设计的稳定平台单元机械结构图。指出了稳定平台单元机械系统设计的几个特点：进行了稳定平台整体支承方案选择分析，确定了稳定平台整体重量上挂在稳定平台上主支撑座的上挂式方案；进行了轴承选型的对比分析，确定了滚动轴承结构的设计方案，为了提高其使用寿命特设计了轴承保护器；进行了稳定平台主轴控制转动时驱动力矩与阻力矩的分析，给出了所需扭矩的供需平衡的解决办法；进行了影响稳定平台主轴整体刚度的因素分析，提出了提高稳定平台整体刚度的办法；进行了稳定平台旋转主轴的静平衡和动平衡分析；说明了选择防磁材料的原因和轴向累计加工、安装误差的调整方法等。这些措施的实施从机械设计方面保证了整个稳定平台功能的实现。     

调制式旋转导向钻井系统工作原理研究

旋转导向钻井技术是 2 0世纪 90年代发展起来的以旋转导向钻井系统为核心的钻井新技术 ,其中旋转导向钻井系统主要由井下旋转导向钻井工具系统、双向通讯系统和地面监控系统三大部分组成。在简述旋转导向钻井系统国内外发展概况和结构特点后 ,着重论述了调制式旋转导向钻井系统的总体方案设计 ;井下调制式旋转导向工具系统的结构设计和导向力的控制 ;井下随动稳定平台控制系统的结构设计和控制原理。对稳定平台的计算结果表明 ,稳定平台的摆动幅度在± 14°时 ,系统的控制力仅下降 1% ,这使随动控制简化并易于实现     

旋转导向钻井工具稳定平台控制功能试验研究

为了实现在全旋转状态下的钻井导向控制,在调制式旋转导向钻井工具内设置了一个可以自动调整和保持工具面角度的稳定平台。设计了基于角速度和角位置串级控制的惯导稳定平台功能的试验样机。通过以电动机为动力的齿轮驱动和全流量清水涡轮驱动的功能试验,对稳定平台的算法和控制参数进行了调试。在发电机转速为500～800r/min、下盘阀转速约为60r/min和摩擦扭矩为0.8～7.5N·m的工作条件下,系统阶跃响应调整时间约为3s,试验结果证明了系统设计和控制方案的可行性和有效性。     

定向钻进工具的发展方向—自动旋转导向钻井工具

目前的滑动式导向钻井工具已在钻定向井中,特别是在钻大位移中暴露出了不少缺点与不足,而自动旋转导向钻井工具可以弥补这些缺点,它是目前定向钻井工具的一个研究热点发展方向。     

指向式旋转导向钻井系统角位置测量方法

指向式旋转导向工具在国内的研究起步晚,许多技术环节还处于攻关阶段。该系统钻头轴(或偏心轴)与钻铤的相对角位置测量是工具在导向过程中保持工具面相对大地稳定的关键和前提,其精确度和实时性至关重要。在研究指向式旋转导向系统工具结构和工具面测量原理的基础上,对利用旋转变压器的2种角位置测量方法——反正切法和鉴相法进行适用性对比分析,对2种算法进行了仿真,并优选鉴相法开展实验室平台验证。仿真及实验结果证明,在电动机模拟井下转动并受干扰的情况下,鉴相法比反正切法处理后的信号具有更强的稳定性,能够较好地实时跟踪并高精度还原工具偏心轴相对于外部钻铤的转动角度,为钻头轴工具面角的测量、导向控制以及整个工具的研制提供了基础。     

捷联式自动垂直钻井工具伺服控制设计及实现

为解决易斜地层中直井钻进的防斜打快问题,实现主动防斜、纠斜控制,开展了捷联式自动垂直钻井工具伺服控制的研究。采用包含位置环、速度环、电流环的三环闭环控制模型,建立了伺服控制系统的硬件结构和软件体系,采用增量式数字PID控制算法,使系统实现快速精确可靠的调节。通过研究电流动态阶跃响应、电机输出轴位置及盘阀工具面角等控制效果,分析了伺服控制系统的动态及稳态特性,最终完成伺服控制系统设计,并投入现场应用。室内试验表明,电机输出轴位置稳态控制精度在0.2°以内,电流环动态阶跃响应时间短于1.2 ms,电机调速范围0~300 r/min,表明控制精度较高,动态性能良好,调速范围较宽,能实现实时控制。在安顺1井现场应用时,输出控制的盘阀工具面角与指定的纠斜工具面角最大偏差不超过2°,达到2.8°/100m以上的降斜效果。捷联式自动垂直钻井工具的伺服控制系统能够快速响应并精确控制电机输出轴的位置,实现直井钻井的防斜、纠斜。      

一种用于井下钻具旋转中动态方位测量的新方法

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,介绍了石油钻探中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,并通过试验的方法验证了算法的准确。该方法有效地克服了钻具连续旋转时传统测量实时重力工具面误差偏大的缺点,为实现旋转导向测控系统的自主研制和钻具连续旋转时工具面测量提供了一种测量方案。     

旋转导向钻井系统下行通讯接收功能的开发

在旋转导向钻井系统中,导向控制命令是由地面监控装置通过系统的下行通讯通道向井下导向工具发送。用钻井液负脉冲的方式传输下传信号,采取了三降三升为主要特点的命令字脉宽编码方式。地面命令发送装置将指令转换成一定脉宽的钻井液排量变化,用5位指令码表示相应的导向力级别和工具面角。在井下导向工具中设计了下行通讯接收装置。由装置的数据采集部分检测反映钻井液脉冲变化的井下泥浆电机的输出电压或频率,经数据处理和解释,以信号阈值判断和脉宽识别为核心,由5个指令码的脉冲宽度时间和顺序计算得到正确的下传导向命令字。为了提高下行信号传输的可靠性和抗干扰能力,在接收装置的硬件和软件中采用了相应的措施。试验结果证明了这种下行通讯方案的可行性。     

基于状态空间法的旋转导向钻井工具控制系统研究

调制式旋转导向钻井系统的工作特点是:在导向工具与钻柱同步旋转的情况下,配置机构中3个导向块在给定方位的伸缩动作可以产生导向钻井所需要的矢量力.因此,在调制式旋转导向工具中,就必须设置一个不受钻柱影响的、可以自动保持和调整工具面角度的稳定平台.对稳定平台控制系统进行了研究,建立了对象数学模型,提出了应用状态反馈法的稳定平台控制方案,以确保导向钻井过程中对各状态变量的控制要求.对闭环控制系统进行了相应的计算机仿真和功能试验,仿真和试验结果表明了该控制方案的可行性和有效性.     

导向钻井稳定控制平台的反馈线性化控制

旋转导向钻井的稳定控制平台单纯采用PID控制时,控制性能与工具面角度的给定值有关。在某些角度下,平台会产生振荡旋转现象,无法实现工具面角度的稳定,使导向工具失去导向控制功能。分析表明,导致这种现象的主要原因是系统存在非线性偏心作用力矩,该力矩与工具面角度成正弦函数关系。基于反馈线性化原理,提出了平台系统的输出反馈线性化控制方法,消除了非线性因素的影响,实现了线性的闭环系统。仿真表明该方法可实现平台系统在钻井过程强扰动作用条件下的任意角度位置稳定控制。针对非线性偏心作用力矩不可直接测量问题,提出了一种基于系统运动姿态测量的偏心作用力矩在线估计方法,可有效减小估计误差所导致的控制性能劣化,并给出了一个在线估计的应用实例。水力驱动条件下的控制测试验证了基于偏心作用力矩在线估计的反馈线性化控制方法的有效性。     

旋转导向钻井稳定平台串级模糊控制方法研究

通过对旋转导向钻井稳定平台控制原理的深入研究,提出了采用串级模糊算法对稳定平台控制的方法。并设计出二维模糊控制器,确定了模糊变量的隶属度函数及控制规则,且利用MATLAB软件进行了仿真研究,仿真试验表明稳定平台串级模糊控制对钻井参数在较大范围内变化以及负载扰动对平台的影响,具有良好的稳定性、自适应性、鲁棒性且抗干扰能力强。     

旋转导向系统三翼肋偏置位移矢量控制方案

利用三翼肋静态偏置式旋转导向工具,研究了偏置位移矢量控制方法,将其简化为控制平面内位移矢量的合成与分解。结合工程实际要求,提出了分位移矢量计算的就近原则和最小能量原则。考虑到外套旋转角速度和翼肋动作到位时间,提出了分位移矢量计算方法,并实现了编程控制。将控制程序嵌入井下微处理器中,与随钻测量系统、地面监控系统构成信息大闭环控制系统,给出了具体应用方法,为旋转导向工具研制及现场应用提供理论依据和指导。