旋转导向钻井稳定平台控制系统仿真研究

深入分析了调制式旋转导向钻井系统稳定平台的控制原理,在MATLAB/SUMULINK中建立了其控制系统模拟模型。该模型充分考虑了井下复杂状况,引入了一系列影响控制系统的因素,如上下涡轮电机的相互影响、轴承对平台的摩擦扭矩、旋转的钻井液传递给平台的黏滞摩擦扭矩、盘阀系统传递给平台的摩擦扭矩等。采用传统的PID控制算法,即使在采用最优PID参数的情况下,仍然无法得到令人满意的效果。鉴于此,提出了一种采用偏差模糊控制和微调增量的新型模糊控制算法。模拟结果表明,所采用的模糊控制方法能够更快地跟随控制信号,并且超调量较小,提高了系统的抗干扰能力。      

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。     

旋转导向钻井系统稳定平台变结构控制研究

通过构建旋转导向钻井系统稳定平台的数学模型和分析稳定平台的工作环境,提出了稳定平台变结构控制方案.验证了稳定平台控制系统对于变结构控制的不变性条件,构造了滑动模态.采用指数趋近率和柔化符号函数法,设计了大幅度削减振颤的控制律.对设计出的变结构控制系统进行了计算机仿真和地面模拟试验,结果表明,该控制算法鲁棒性强,控制精度比较高,跟踪速度快,具有良好的控制效果.     

调制式旋转导向钻井工具稳定平台控制机构研究

深入研究了调制式旋转导向钻井工具中的稳定平台控制机构的结构原理和控制原理。介绍和分析了一种用井下涡轮发电机作为力矩发生器,通过调节其电磁力矩的方法来实现稳定平台控制的方法。在推导控制对象数学模型的基础上对控制系统进行了相应的计算机仿真,仿真结果表明了该控制方案的可行性和有效性。     

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。     

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。     

旋转导向钻井工具稳定平台振动模态计算

旋转导向钻井工具稳定平台的闭环控制是调制式旋转导向钻井系统的关键。巨大的动态冲击载荷引起的振动会严重影响稳定平台的正常工作和动力学性能。针对新开发设计的稳定平台,建立了振动模态分析的力学模型,利用有限元软件进行了稳定平台的振动模态分析,计算了其固有频率和振型。通过对计算结果的分析,认为应适当调整局部形状尺寸,尽量增大稳定平台刚度,为稳定平台的结构设计和动力学分析提供了理论依据。     

导向钻井系统动态仿真分析及应用

导向钻井是80年代迅速发展起来的一种连续控制井眼轨迹的综合性技术，它包括先进的钻头(一般为PDC钻头)、井下导向工具、随钻测量技术(MWD，LWD等)以及以计算机技术为基础的井眼轨迹控制技术。受国内现有仪器、设备的限制，目前，国内常用的导向钻具组合为PDC钻头 小角度     

旋转导向钻井稳定平台模糊PID算法研究

文章对调制式旋转导向钻井稳定平台控制系统的控制原理进行了简要介绍,并针对稳定平台控制系统实时性强、抗干扰能力强、鲁棒性要好的特点,提出了将模糊控制算法和传统PID控制算法两者相结合的模糊PID控制算法。通过仿真研究表明,采用模糊PID控制算法的旋转导向钻井稳定平台控制系统比传统的PID控制算法具有有更好的控制效果。     

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。     

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。     

旋转导向钻井系统关键技术研究与实钻试验

为了加快我国海上油气藏开发的步伐,降低勘探开发成本,中海油田服务股份有限公司成功研制了一套旋转导向钻井系统。文中主要对该系统中的关键技术,如导向机构、井下涡轮发电机、地面指令下传装置的组成与工作原理进行了论述,并对其实钻试验作了简要介绍。     

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。     

美国自动旋转导向钻井工具结构原理及特点

叙述了目前以井下马达为主的定向钻井工具的缺点与不足,介绍了新型自动旋转导向钻井工具的特点,特别是美国BakerHughes,CAMCO,HALLIBURTON三家公司的自动旋转导向钻具的结构原理及特点。从发展水平看,BakerHughes公司的自动旋转导向钻井工具完全解决了旋转钻井的导向问题,自动化程度高,配有随钻测井短节,可以实现地质导向,并已在多口井中实施了商业化使用。     

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     

旋转导向钻井系统稳定平台测试台架设计

为了验证旋转导向钻井系统稳定平台在旋转状态下井斜测量及控制的准确性,设计了一种能够改变空间姿态并且模拟钻铤转速变化及扭矩载荷波动的测试台架。该测试台架通过机、电、液一体化设计,实现了全程自动化控制。现场应用表明,该稳定平台测试台架结构设计合理,强度足够,其功能满足了稳定平台测试的需要。