彎角馬達(dá)工具面動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)研制及試驗(yàn)*

曹硯鋒 何保生 武廣璦 李漢興 路英杰 周建良 劉書杰 李峰飛 程載斌

(1. 中海油研究總院 北京 100028； 2. 海洋石油高效開發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100028；3. 中國(guó)海洋石油國(guó)際有限公司 北京 100027； 4. 清華大學(xué) 北京 100084)

彎角馬達(dá)工具面動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)研制及試驗(yàn)*

曹硯鋒1,2何保生3武廣璦1,2李漢興1,2路英杰4周建良1,2劉書杰1,2李峰飛1程載斌1,2

(1. 中海油研究總院 北京 100028； 2. 海洋石油高效開發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100028；3. 中國(guó)海洋石油國(guó)際有限公司 北京 100027； 4. 清華大學(xué) 北京 100084)

曹硯鋒,何保生,武廣璦，等.彎角馬達(dá)工具面動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)研制及試驗(yàn)[J].中國(guó)海上油氣，2016,28(6)：77-81.

Cao Yanfeng,He Baosheng,Wu Guang’ai,et al.Development and testing of a dynamic control system for bent-housing motor tool-face[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(6):77-81.

常規(guī)方法調(diào)整彎角馬達(dá)工具面時(shí)作業(yè)效率低,易發(fā)生工具面漂移、托壓等復(fù)雜情況?；陧旘?qū)和MWD系統(tǒng)研制了一套彎角馬達(dá)工具面動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可自動(dòng)判斷工具面偏移情況并發(fā)送指令至頂驅(qū)定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)滑動(dòng)鉆進(jìn)過程中對(duì)工具面的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制。仿真測(cè)試及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，所研制的彎角馬達(dá)工具面動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)具有良好的快速響應(yīng)及穩(wěn)定性，滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)工具面可控制在目標(biāo)值±10°范圍內(nèi)，具有較好的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

彎角馬達(dá)；工具面；動(dòng)態(tài)控制；頂驅(qū)；滑動(dòng)鉆進(jìn)；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

目前井眼軌跡的控制可采用彎角馬達(dá)或旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具來(lái)進(jìn)行[1-2]。彎角馬達(dá)應(yīng)用歷史長(zhǎng)，價(jià)格低廉，在難度較低的井眼內(nèi)已得到廣泛應(yīng)用。采用彎角馬達(dá)鉆井的關(guān)鍵控制參數(shù)之一是工具面角，在非穩(wěn)斜段須采用滑動(dòng)鉆進(jìn)方式，容易導(dǎo)致工具面漂移、托壓等一系列問題，而相應(yīng)的調(diào)整工作對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員經(jīng)驗(yàn)要求較高，作業(yè)效率難以保證[3-8]。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具技術(shù)含量高，一般在軌跡控制難度大的井段才考慮使用，但該技術(shù)基本為國(guó)外公司所壟斷，價(jià)格高昂。因此，研究一套自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在滑動(dòng)鉆進(jìn)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控并動(dòng)態(tài)調(diào)整工具面，從而改變傳統(tǒng)的“停鉆-調(diào)整-開鉆”這一低效做法，將有利于提高鉆井效率，降低鉆井成本。筆者基于頂驅(qū)和MWD系統(tǒng)，研制了一套彎角馬達(dá)工具面動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過自反饋控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量分析井下工具面情況，自動(dòng)發(fā)出指令控制頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)工具面的自動(dòng)調(diào)整。目前所研制的彎角馬達(dá)工具面動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)已取得較好的礦場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，具有較好的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

1 彎角馬達(dá)工具面動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)研制

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

彎角馬達(dá)工具面動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)基于常規(guī)鉆井系統(tǒng)開發(fā)，在常規(guī)鉆井系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了一套控制程序，并改進(jìn)了頂驅(qū)的控制方式。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 彎角馬達(dá)工具面動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

鉆進(jìn)過程中，系統(tǒng)對(duì)工具面的自動(dòng)控制原理如圖2所示，主要步驟如下：

1) 井下隨鉆測(cè)量系統(tǒng)(MWD)實(shí)時(shí)測(cè)量工具面信號(hào)并上傳至控制程序；

2) 控制程序?qū)?shí)際工具面與設(shè)計(jì)值對(duì)比，并進(jìn)行邏輯判斷：若兩者之間的差別處于設(shè)定閾值內(nèi)，則不作調(diào)整，并繼續(xù)鉆進(jìn)；否則，通過自適應(yīng)控制算法得出頂驅(qū)所需調(diào)整角度，發(fā)送控制指令至頂驅(qū)角度精確定位系統(tǒng)；

3) 頂驅(qū)角度精確定位系統(tǒng)調(diào)整頂驅(qū)角度至設(shè)定值，鎖止頂驅(qū)；

4) 繼續(xù)鉆進(jìn)，循環(huán)1)～3)操作步驟。

圖2 彎角馬達(dá)工具面動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)原理示意圖

1.2 控制程序

1.2.1 程序架構(gòu)

彎角馬達(dá)工具面動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)主要包括井上機(jī)電系統(tǒng)、主控程序系統(tǒng)和MWD系統(tǒng)等3個(gè)部分，如圖3所示。

1.2.2 控制算法

彎角馬達(dá)工具面動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)控制算法流程如圖4所示。

1) 反饋控制模塊的輸入量包括工具面測(cè)量值Tc和工具面設(shè)定值Te，反饋控制模塊的輸出量為頂驅(qū)轉(zhuǎn)動(dòng)角度u。反饋控制模塊首先對(duì)工具面測(cè)量值Tc進(jìn)行判斷和處理，剔除錯(cuò)誤的工具面數(shù)據(jù)(在MWD誤碼的情況下，輸出頂驅(qū)定位轉(zhuǎn)動(dòng)角度u=0)。

圖3 彎角馬達(dá)工具面動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)程序架構(gòu)

圖4 彎角馬達(dá)工具面動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)控制算法流程

2) 工具面偏差定義為設(shè)定值與測(cè)量值的差值，即e=Te-Tc。如果工具面偏差的絕對(duì)值小于閾值，即|e|

3) 在工具面偏差絕對(duì)值小于閾值的情況下，PID控制包括比例項(xiàng)kp和積分項(xiàng)ki，PID控制輸出的頂驅(qū)轉(zhuǎn)動(dòng)角度u為

(1)

式(1)中：ei為第i步的工具面偏差；kp為比例項(xiàng)系數(shù)；ki為積分項(xiàng)系數(shù)。

4) 在工具面偏差絕對(duì)值大于閾值的情況下，如果e<0，為避免頂驅(qū)大角度反轉(zhuǎn)，使用頂驅(qū)正轉(zhuǎn)代替反轉(zhuǎn)。

5) 如果頂驅(qū)定位轉(zhuǎn)動(dòng)角度大于一定閾值，即|u|>uT，則等待一定時(shí)間Tw，以使井下工具面調(diào)整到位，并且MWD采集到新工具面數(shù)據(jù)上傳到井上，調(diào)整結(jié)束。

2 仿真測(cè)試及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析

2.1 仿真測(cè)試

為了驗(yàn)證主控程序控制工具面的有效性，優(yōu)化PID控制參數(shù)以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度和控制精度，依靠建立的多體動(dòng)力學(xué)仿真平臺(tái)對(duì)本文所研制的彎角馬達(dá)工具面動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真測(cè)試。以渤海某定向井為例，該井滑動(dòng)鉆進(jìn)井段起始井深730 m，井斜50°，仿真結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，在過程2的起始時(shí)刻I，鉆頭接觸井底，工具面急劇逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，主控程序逐步調(diào)整頂驅(qū)使其正轉(zhuǎn)，將工具面調(diào)至設(shè)定值50°左右，整體耗時(shí)約180 s；過程3中工具面保持穩(wěn)定；在過程4的起始時(shí)刻III，增加鉆壓20 kN，主控程序隨即調(diào)整頂驅(qū)正轉(zhuǎn)，工具面角在鉆具慣性作用下有所超調(diào)，隨著慣性作用消失又恢復(fù)至設(shè)定值范圍，隨后的滑動(dòng)鉆進(jìn)過程中工具面保持穩(wěn)定。由此可見，在主控程序的控制指令下，工具面可以較快達(dá)到設(shè)定值并保持穩(wěn)定，在鉆壓等參數(shù)變化的情況下工具面也可以自動(dòng)調(diào)整并保持在設(shè)定值附近，說(shuō)明本文研制的彎角馬達(dá)工具面動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)具有較好的快速響應(yīng)性能及穩(wěn)定性。

圖5 彎角馬達(dá)工具面動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)仿真結(jié)果

2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在室內(nèi)仿真測(cè)試基礎(chǔ)上，分別在四川盆地試驗(yàn)井A和延長(zhǎng)油田生產(chǎn)井B進(jìn)行礦場(chǎng)試驗(yàn)，在實(shí)際鉆井作業(yè)中驗(yàn)證主控程序的響應(yīng)速度和控制精度，取得了良好試驗(yàn)效果。以四川盆地試驗(yàn)井A為例對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。該試驗(yàn)井位于四川盆地川西坳陷德陽(yáng)向斜南坡，滑動(dòng)鉆進(jìn)采用的鉆具組合為：φ215.90 mmPDC鉆頭+φ171.45 mm螺桿馬達(dá)(1.5°)+轉(zhuǎn)換接頭+浮閥+φ171.45 mm無(wú)磁鉆鋌×1根+φ171.45 mmMWD+轉(zhuǎn)換接頭+φ171.45 mm無(wú)磁鉆鋌×1根+轉(zhuǎn)換接頭+φ127.00 mm加重鉆桿×20根+φ158.75 mm震擊器+φ127.00 mm鉆桿。

2.2.1 滑動(dòng)鉆進(jìn)工況分析

滑動(dòng)鉆進(jìn)工況下，A井初始井深825.3 m，井斜9°，工具面設(shè)定值10°，作業(yè)過程中工具面、頂驅(qū)角度及游車位置情況如圖6所示。從工具面位置圖可以看出，初始時(shí)刻工具面為-150°,150 s后鉆頭接觸井底，導(dǎo)致工具面偏轉(zhuǎn)-40°以上；隨后主控程序逐步調(diào)整頂驅(qū)角度，并在525 s時(shí)將工具面控制到設(shè)定值10°，自鉆頭觸井底至糾偏到位共耗時(shí)375 s。從頂驅(qū)角度位置圖可以看出，滑動(dòng)鉆進(jìn)過程中頂驅(qū)角度在220°～240°范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)整，使得工具面始終穩(wěn)定在10°左右，偏差約±10°。從游車位置圖可以看出，在3 700 s左右時(shí)進(jìn)行了短起下作業(yè)活動(dòng)鉆具，工具面在短暫波動(dòng)后(±20°)迅速被主控程序穩(wěn)定至設(shè)定值附近。由此可見，該井整個(gè)鉆進(jìn)過程中彎角馬達(dá)工具面動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)在控制指令下響應(yīng)迅速，且穩(wěn)定性良好。

2.2.2 托壓工況分析

托壓工況下，A井初始井深798.6 m，井斜6°，工具面設(shè)定值0°，作業(yè)過程中工具面、頂驅(qū)角度及游車位置情況如圖7所示。在本段鉆進(jìn)過程中，鉆遇地層較差，鉆具沿程摩阻很大，托壓現(xiàn)象嚴(yán)重。為了防止鉆具粘卡，順利施加鉆壓，滑動(dòng)鉆進(jìn)過程中共短起下6次，導(dǎo)致工具面波動(dòng)劇烈(圖7)。彎角馬達(dá)工具面動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)在主控程序作用下對(duì)頂驅(qū)角度自動(dòng)調(diào)整多次，使得工具面基本控制在設(shè)定值附近±20°范圍內(nèi)，整個(gè)鉆進(jìn)過程中工具面沒有發(fā)散(圖7)。托壓工況試驗(yàn)結(jié)果表明，所研制的彎角馬達(dá)工具面動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)能夠在鉆進(jìn)工況復(fù)雜的情況下對(duì)工具面進(jìn)行有效調(diào)整，滿足鉆進(jìn)要求。

圖6 滑動(dòng)鉆進(jìn)工況下試驗(yàn)井A滑動(dòng)鉆進(jìn)試驗(yàn)結(jié)果

圖7 托壓工況下試驗(yàn)井A滑動(dòng)鉆進(jìn)試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

基于頂驅(qū)和MWD系統(tǒng)，研制了一套彎角馬達(dá)工具面動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了采用彎角馬達(dá)自動(dòng)控制工具面的鉆井方法。仿真測(cè)試及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，所研制的彎角馬達(dá)工具面動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)能夠在滑動(dòng)鉆進(jìn)及托壓等復(fù)雜工況下對(duì)工具面進(jìn)行有效控制調(diào)整，響應(yīng)速度及穩(wěn)定性較好，具有較好的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

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(編輯：孫豐成)

Development and testing of a dynamic control system for bent-housing motor tool-face

Cao Yanfeng1,2He Baosheng3Wu Guang’ai1,2Li Hanxing1,2Lu Yingjie4Zhou Jianliang1,2Liu Shujie1,2Li Fengfei1Cheng Zaibin1,2

(1.CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China; 2.StateKeyLaboratoryofOffshoreOilExploitation,Beijing100028,China; 3.CNOOCInternationalLimited,Beijing100027,China; 4.TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

Conventional drilling operation with bent-housing motor is likely to be affected by tool-face drifting which can lead to low efficiency and complexes such as backing pressure. A new type of dynamic control system for tool-face is designed based on the conventional TDS and MWD system to overcome the problem. The new system can judge the severity of tool-face shifting and send instructions to adjust TDS’s angle automatically, and thus realizes real-time monitoring and automatic control of the tool-face during continuous sliding drilling operations. Simulation and field tests showed that the system has good performance in sliding drilling operations with quick response and favorable stability, and the tool-face can be controlled within the target angle ±10° in the pilot test. The control system presented in this paper has great potential and applications in the future.

bent-housing motor; tool-face; automatic control; top drive; sliding drilling; field test

1673-1506(2016)06-0077-05

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.06.013

曹硯鋒，男，高級(jí)工程師，2001年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院油氣井工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，主要從事海上油氣田鉆完井方案設(shè)計(jì)和技術(shù)研究工作。地址：北京市朝陽(yáng)區(qū)太陽(yáng)宮南街6號(hào)院(郵編：100028)。E-mail：caoyf@cnooc.com.cn。

TE243

A

2015-12-20 改回日期：2016-05-09

*“十二五”國(guó)家科技重大專項(xiàng)“多枝導(dǎo)流適度出砂技術(shù)(編號(hào)：2011ZX05024-003)”部分研究成果。