旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)及其控制方法研究進(jìn)展

黎 偉，牟 磊，周賢成，譚先輝，付 權(quán)

(1.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都 610500；2.石油天然氣裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500)

近年來(lái)我國(guó)油氣資源開(kāi)發(fā)進(jìn)入“非常規(guī)時(shí)代”[1]，相比于常規(guī)油氣資源，非常規(guī)油氣(如：頁(yè)巖氣、煤層氣等)開(kāi)采存在環(huán)境更惡劣、井眼質(zhì)量要求更高等問(wèn)題[2]，常規(guī)的定向鉆井技術(shù)和設(shè)備難以解決上述問(wèn)題，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)作為新興的定向鉆井技術(shù)具有高可靠性、高造斜和高井眼質(zhì)量等特點(diǎn)[3]。

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)(Rotary Steerable System，RSS)是20 世紀(jì)90 年代作為替代泥漿馬達(dá)研發(fā)的一種新型自動(dòng)化定向鉆井技術(shù)，主要由地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、雙向通信系統(tǒng)和井底鉆具組合(Bottom Hole Assemble，BHA)組成[4]。目前，以斯倫貝謝、貝克休斯、哈里伯頓為首的油服公司相繼開(kāi)發(fā)了自己的RSS 技術(shù)，已發(fā)展為推靠式、指向式、混合式3 大類系統(tǒng)。推靠式作為最早的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，能夠出色完成大多數(shù)鉆井任務(wù)，但系統(tǒng)仍然存在幾個(gè)難以忽略的問(wèn)題。例如：導(dǎo)向翼肋會(huì)引起沖擊和劇烈的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，甚至可能引起螺旋井眼，使后續(xù)固井和完井變得困難[5]。指向式作為替代推靠式推出的產(chǎn)品，有效解決了上述問(wèn)題，但因其獨(dú)特的導(dǎo)向方式，使其導(dǎo)向性偏低，并且對(duì)心軸和偏心環(huán)磨損嚴(yán)重，材料性能要求苛刻[6]。混合式綜合了推靠式和指向式的優(yōu)點(diǎn)，具有高造斜率、高控制精度等特點(diǎn)[7]。我國(guó)相關(guān)技術(shù)鮮有報(bào)道，除推靠式取得了一定成果外，指向式和混合式大都處于理論研究狀態(tài)。控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)于RSS 來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，好的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)秀的控制策略應(yīng)用，能夠提供更為精準(zhǔn)的鉆具姿態(tài)和井眼軌跡控制。但是隨著RSS 新概念、新需求、新方案的出現(xiàn)，給控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了新挑戰(zhàn)。如RSS 控制不僅需要考慮RSS 存在的大不確定性、強(qiáng)非線性等[8]，還需要具有一定的自適應(yīng)能力，隨著控制理論與智能技術(shù)的發(fā)展，新的控制方案也在不斷衍生，如滑?？刂?、自適應(yīng)容錯(cuò)控制、性能預(yù)設(shè)控制等控制理論與狀態(tài)觀測(cè)器、干擾觀測(cè)器等的綜合應(yīng)用，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與控制理論的結(jié)合應(yīng)用，先進(jìn)機(jī)器學(xué)習(xí)算法在RSS 控制中的探討等內(nèi)容都值得進(jìn)一步分析、總結(jié)和展望。

隨著我國(guó)非常規(guī)油氣的深入開(kāi)采，研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的RSS 及其控制技術(shù)已迫在眉睫?；趪?guó)內(nèi)外文獻(xiàn)分析，從結(jié)構(gòu)、分類和定向原理分析RSS 國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的研究現(xiàn)狀及特點(diǎn)，并對(duì)相關(guān)控制技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了討論，為RSS 裝備及其控制技術(shù)的深入研究提供借鑒。

1 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)

RSS 作為替代泥漿馬達(dá)和滑動(dòng)鉆井的新型自動(dòng)化鉆井技術(shù)，是定向鉆井技術(shù)中一顆閃耀的明珠。為了全面理解RSS 及其控制方法，收集了2013-2022 年有關(guān)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)及其控制方法的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)(圖1)。圖1a 顯示了2013-2022 年已發(fā)表的有關(guān)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)及其控制方法的文獻(xiàn)，文章數(shù)量增長(zhǎng)速度較為緩慢。圖1b 列出了該領(lǐng)域活躍的國(guó)家或地區(qū)，其中中國(guó)、美國(guó)、俄羅斯位居前三。圖1c 展示了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)相關(guān)作品的主要來(lái)源。圖1d 列出了該研究領(lǐng)域發(fā)表論文的頂尖大學(xué)或研究機(jī)構(gòu)。圖1e 顯示了該領(lǐng)域頂尖學(xué)者的發(fā)文量。圖1f 展示了該研究方向在能源和控制領(lǐng)域知名期刊發(fā)文量。這些文章來(lái)自Web of Science 和Google Scholar 數(shù)據(jù)庫(kù)，重點(diǎn)關(guān)注旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)、井眼軌跡控制、RSS 控制方法等關(guān)鍵概念。通過(guò)分析這些文獻(xiàn)和相關(guān)的全球市場(chǎng)，更好地了解旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)及其控制方法發(fā)展現(xiàn)狀，附錄A 展示了2021年全球市場(chǎng)上可用RSS 技術(shù)。

1.1 基本結(jié)構(gòu)和分類

RSS 主要由地面監(jiān)控中心、雙向通信系統(tǒng)、隨鉆測(cè)井(Logging While Drilling，LWD)/隨鉆測(cè)量(Measurement While Drilling，MWD)、導(dǎo)向裝置、控制單元與穩(wěn)定平臺(tái)組成[4]，如圖2 所示?！吧闲型ㄐ艡C(jī)構(gòu)”和“下行通信機(jī)構(gòu)”形成了雙向通信系統(tǒng)，“上行”將井下測(cè)量參數(shù)上傳至地面監(jiān)測(cè)中心；“下行”則是將工程師決策下放給井下工具實(shí)時(shí)控制其工作狀態(tài)[9]。隨鉆測(cè)井利用近鉆處的多個(gè)傳感器測(cè)量井眼周圍地質(zhì)構(gòu)造，并通過(guò)泥漿脈沖信號(hào)等方式將實(shí)時(shí)地層信息傳輸至地面。MWD 用于獲取壓力、溫度、傾角和方位角等鉆井參數(shù)，以確保按預(yù)定軌跡鉆進(jìn)。導(dǎo)向裝置是實(shí)現(xiàn)鉆井軌跡控制的關(guān)鍵，通常由偏置裝置、偏心穩(wěn)定器組成[10]?？刂茊卧荝SS 的“大腦”，偏置裝置是RSS的“執(zhí)行器”[11]。偏置裝置依靠導(dǎo)向翼肋或偏心環(huán)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向。穩(wěn)定平臺(tái)主要由兩臺(tái)渦輪發(fā)電機(jī)、電控單元、上下盤閥組成[12]。兩臺(tái)渦輪發(fā)電機(jī)是通過(guò)將泥漿勢(shì)能轉(zhuǎn)換為電能，為電控單元提供動(dòng)力。電控單元位于兩個(gè)渦輪發(fā)電機(jī)之間，采用線加速計(jì)測(cè)量工具面角和偏差角。

圖2 RSS 定向鉆井系統(tǒng)主要組件Fig.2 Main components of RSS

RSS 可綜合分為：靜態(tài)推靠式、動(dòng)態(tài)推靠式、靜態(tài)指向式、動(dòng)態(tài)指向式和混合式[13]。RSS 根據(jù)不同的定向原理劃分為指向式、推靠式和混合式。指向式是通過(guò)偏心環(huán)直接或間接使心軸彎曲偏離井眼軸線實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向，推靠式則是在近鉆處加入偏置裝置，直接為鉆頭施加側(cè)向力完成導(dǎo)向功能，原理如圖3 所示?；旌鲜讲捎脧?fù)合式結(jié)構(gòu)，利用導(dǎo)向扶正套實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向。根據(jù)偏置單元不同的工作方式，RSS 可劃分為靜態(tài)偏置和動(dòng)態(tài)偏置，靜態(tài)偏置是指導(dǎo)向時(shí)偏置單元不隨鉆柱旋轉(zhuǎn)，僅在某一固定位置提供側(cè)向力；動(dòng)態(tài)偏置指偏置單元隨鉆柱旋轉(zhuǎn)，偏置裝置周期性為某一恒定方向提供側(cè)向力，如圖4 所示。

圖3 RSS 的指向原理Fig.3 Pointing principle of RSS

1.2 導(dǎo)向原理

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)可劃分為靜態(tài)推靠式、動(dòng)態(tài)推靠式、靜態(tài)指向式、動(dòng)態(tài)指向式、混合式這五類，以下分別介紹不同類型導(dǎo)向工具的導(dǎo)向原理。

1)靜態(tài)推靠式

靜態(tài)推靠式導(dǎo)向裝置主要由不旋轉(zhuǎn)套筒和旋轉(zhuǎn)心軸組成。心軸上部與鉆柱連接，下部與鉆頭相連，用于傳遞鉆壓和扭矩。不旋轉(zhuǎn)套筒通常連有3 個(gè)、4 個(gè)或6 個(gè)導(dǎo)向翼肋，其相位差分別為120°、90°和60°[14]。以貝克休斯公司的Auto-Trak G3 為例，其導(dǎo)向時(shí)液壓缸為導(dǎo)向翼肋施加推力作用于井壁，井壁對(duì)翼肋的反作用力的合力使鉆頭發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而控制鉆井軌跡[15]。當(dāng)鉆頭傾角和方位角與預(yù)設(shè)一致時(shí)，導(dǎo)向翼肋保持恒定的伸縮長(zhǎng)度，不再對(duì)井壁施加推力，井眼曲率不發(fā)生改變。

2)動(dòng)態(tài)推靠式

與靜態(tài)推靠式不同，動(dòng)態(tài)推靠式導(dǎo)向裝置隨鉆柱一起旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了全旋鉆進(jìn)，以斯倫貝謝PowerDrive Orbit G2(圖5)為例，其導(dǎo)向裝置主要由穩(wěn)定器、偏置單元組成。在鉆進(jìn)時(shí)控制器會(huì)調(diào)整上盤閥高壓孔位置，實(shí)現(xiàn)上下盤閥導(dǎo)通，在高壓鉆井液的作用下導(dǎo)向翼肋朝設(shè)定方向依次伸出，為鉆頭提供一個(gè)側(cè)向力實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向。

圖5 PowerDrive Orbit G2 結(jié)構(gòu)Fig.5 PowerDrive Orbit G2 structure

3)靜態(tài)指向式

靜態(tài)指向式由不旋轉(zhuǎn)外筒、偏置機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)心軸、懸臂軸承等組成。以Weatherford 公司的 Revolution 16 為例，其偏置機(jī)構(gòu)安裝在不旋轉(zhuǎn)外筒內(nèi)，周向均布有12 列活塞，通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)活塞推靠在外筒上的反作用力使心軸彎曲，并在靠近鉆頭處的穩(wěn)定器支撐下，使鉆頭偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向。

4)動(dòng)態(tài)指向式

動(dòng)態(tài)指向式實(shí)現(xiàn)了與井壁無(wú)接觸的“全旋轉(zhuǎn)”導(dǎo)向鉆進(jìn)。以斯倫貝謝的Power Drive Xceed 為例，系統(tǒng)包括機(jī)械外殼、萬(wàn)向節(jié)套筒、旋轉(zhuǎn)心軸以及鉆頭短節(jié)，導(dǎo)向時(shí)電機(jī)帶動(dòng)鉆頭短節(jié)以萬(wàn)向節(jié)為支點(diǎn)實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，使得鉆頭可以指向任何一個(gè)方向。

5)混合式

混合式創(chuàng)新性地將推靠式和指向式的導(dǎo)向原理融合在一起。以PowerDrive Archer 為例，其通過(guò)導(dǎo)向扶正套內(nèi)置的4 個(gè)推靠襯墊推動(dòng)鉆頭偏轉(zhuǎn)[16]，并以萬(wàn)向節(jié)為支點(diǎn)實(shí)現(xiàn)360°自由指向和旋轉(zhuǎn)[17]。其推靠襯墊設(shè)計(jì)靈感來(lái)自動(dòng)態(tài)推靠式PowerDrive X6，導(dǎo)向扶正套則源自動(dòng)態(tài)指向式PowerDrive Xceed[18]。

2 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

第一個(gè)商用RSS 為推靠式RSS[19]。RSS 早期產(chǎn)品大多屬于推靠式類型，如斯倫貝謝公司的Power-Drive SRD、貝克休斯公司的Auto-Trak RCL 等。推靠式RSS 雖然能夠出色完成大多數(shù)鉆井任務(wù)，但系統(tǒng)仍然存在幾個(gè)難以忽略的問(wèn)題。為解決這些難題，開(kāi)發(fā)了以斯倫貝謝公司的PowerDrive Xceed 和哈里伯頓公司的GeoPilot 為代表的指向式RSS。為獲取更高效的導(dǎo)向性能，斯倫貝謝創(chuàng)新性 結(jié)合了推靠式和指向式的優(yōu)點(diǎn)開(kāi)發(fā)出更為先進(jìn)的混合式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)Power-Drive Archer。近些年隨著人工智能的發(fā)展，人工智能技術(shù)與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)的結(jié)合越來(lái)越成熟，2018 年哈里伯頓推出第一款智能旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)iCruise。為更好地了解旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，表1 總結(jié)了各大油服公司RSS 目前所用先進(jìn)技術(shù)。

表1 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)先進(jìn)技術(shù)分析Table 1 Advanced technology analysis of rotary steerable system

2.1 推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)發(fā)展概述

國(guó)外靜態(tài)推靠式、動(dòng)態(tài)推靠式等技術(shù)相對(duì)成熟，形成系列化，規(guī)模應(yīng)用，新式產(chǎn)品多為動(dòng)態(tài)推靠式，最高鉆速突破400 r/min，最高鉆壓160 kN，抗溫能力150℃，部分突破200℃(表2)；新型動(dòng)態(tài)式導(dǎo)向機(jī)構(gòu)創(chuàng)新不斷；各類BHA 優(yōu)化工具、測(cè)量?jī)x器、減震工具、高性能鉆井電機(jī)、新型切削齒及鉆頭產(chǎn)品層出不窮，鉆井提速、鉆井優(yōu)化技術(shù)、自主鉆井系統(tǒng)等技術(shù)成熟，規(guī)模應(yīng)用；具備專家系統(tǒng)遠(yuǎn)程操作；超高溫旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)(PowerDrive ICE)、創(chuàng)新型BHA 工具(OrientXpress?RSS[28])，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。

表2 推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外對(duì)標(biāo)分析Table 2 Domestic and foreign benchmarking analysis of push-the-bit type rotary steerable system

國(guó)內(nèi)打破國(guó)外技術(shù)封鎖，基本滿足商業(yè)化需求，Welleader 和CG STEER 的研制成功[29-30]，一舉改變國(guó)內(nèi)長(zhǎng)期“依賴進(jìn)口、受制于人”的局面，實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)旋轉(zhuǎn)地質(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)替代進(jìn)口、邁向工業(yè)應(yīng)用的歷史跨越[31]，形成650 和950 系列，造斜率突破12.5(°)/30 m，耐溫150℃，耐壓150 MPa，組件國(guó)產(chǎn)率95.8%，儲(chǔ)層鉆遇率98%以上，技術(shù)接近當(dāng)前國(guó)際水平。在導(dǎo)向控制、近鉆測(cè)量、機(jī)械鉆速等技術(shù)媲美國(guó)際先進(jìn)水平；基本形成系列化設(shè)計(jì)與制造能力；地面監(jiān)控、雙向通信、隨鉆測(cè)量和井下旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具等4大子系統(tǒng)[32]獲得突破性進(jìn)展。

對(duì)標(biāo)分析：國(guó)產(chǎn)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)Welleader、CG STEER 打破國(guó)外封鎖，基本滿足商業(yè)化，在地面監(jiān)控、雙向通信、隨鉆測(cè)量和井下旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具等4 大子系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)基本掌握；近鉆測(cè)量、導(dǎo)向控制、機(jī)械鉆速媲美進(jìn)口；常規(guī)破巖工具種類齊全，高性能鉆頭、鉆井電機(jī)依賴進(jìn)口；造斜率、耐溫、耐壓等方面存在差距；在導(dǎo)向技術(shù)、控制系統(tǒng)、導(dǎo)向裝置的研究、隨鉆測(cè)量、穩(wěn)定性、材料強(qiáng)度和密封性等方面差距明顯；工具自動(dòng)化、集成化和智能化程度低；鉆井優(yōu)化、通訊技術(shù)、減震工具嚴(yán)重不足。

2.2 指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)概述

國(guó)外：動(dòng)態(tài)指向式、靜態(tài)指向式工具種類齊全、性能可靠，形成系列化生產(chǎn)，規(guī)模應(yīng)用(表3)，最大造斜率15(°)/30 m，最大鉆速400 r/min，耐溫150℃，部分突破175℃；先進(jìn)導(dǎo)向技術(shù)，破巖與提速技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)等技術(shù)在指向式系統(tǒng)成熟應(yīng)用；耐高溫，耐腐蝕，耐磨材料，新式軸承，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)等技術(shù)取得突破性進(jìn)展；工具智能化，集成化和自動(dòng)化程度高，適用于多種惡劣工況。

表3 指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外對(duì)標(biāo)分析Table 3 Domestic and foreign benchmarking analysis of point-the-bit type rotary steerable system

國(guó)內(nèi)：各類實(shí)驗(yàn)樣機(jī)層出不窮，大都處于實(shí)驗(yàn)研究，無(wú)法滿足工業(yè)需求。在導(dǎo)向裝置上取得不錯(cuò)成果，如行星輪結(jié)構(gòu)、雙對(duì)頂滑塊斜面機(jī)構(gòu)、雙偏心環(huán)結(jié)構(gòu)等；工具穩(wěn)定性、運(yùn)動(dòng)學(xué)特征、導(dǎo)向原理、控制技術(shù)、BHA 力學(xué)特性等方面也取得階段性突破。中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司的GW 指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，為我國(guó)首套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向。GW 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中，成功地實(shí)現(xiàn)了增斜、穩(wěn)斜、降斜和扭方位等功能，累計(jì)進(jìn)尺達(dá)158 m，平均造斜率7.14(°)/30 m，最大造斜率11.09(°)/30 m，指令下傳成功率100%[33]，地面監(jiān)控、雙向通訊、隨鉆測(cè)量和BHA等 4 大模塊運(yùn)行狀況良好，滿足工業(yè)要求，標(biāo)志著我國(guó)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)從設(shè)計(jì)制造到實(shí)驗(yàn)的階段性跨越。

對(duì)標(biāo)分析：現(xiàn)有樣機(jī)僅滿足基本工業(yè)要求，無(wú)法滿足商業(yè)化需求，不具備系列化設(shè)計(jì)與制造能力，工業(yè)應(yīng)用依賴進(jìn)口；GW 相比國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品差距明顯，造斜率、機(jī)械鉆速偏低；導(dǎo)向裝置、控制系統(tǒng)、雙向通信等存在明顯差距；自動(dòng)化、集成化、智能化程度偏低；工具穩(wěn)定性、壽命、可靠性還需驗(yàn)證；在導(dǎo)向原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、導(dǎo)向技術(shù)、井下閉環(huán)控制、通信技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)還需要進(jìn)一步攻克。

2.3 混合式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)概述

目前，各大油服公司都在攻克混合式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)，僅斯倫貝謝一家公司完全掌握(PowerDrive Archer)，形成了475、675 兩個(gè)系列，造斜率18(°)/30 m，最大鉆速350 r/min，耐溫150℃，是造斜率最高的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)。它綜合了PowerDrive X6 和PowerDrive Xceed 的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，繼承了斯倫貝謝所有的先進(jìn)技術(shù)，具有高造斜率、高可靠性、控制精度高、全旋轉(zhuǎn)等特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)沒(méi)有形成相關(guān)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，僅部分學(xué)者對(duì)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向原理、造斜率、運(yùn)動(dòng)學(xué)特征等方向進(jìn)行理論研究。

3 RSS 控制技術(shù)研究進(jìn)展

RSS 是一種非線性系統(tǒng)，對(duì)其精確控制是復(fù)雜且困難的，因?yàn)樗婕暗皆S多強(qiáng)非線性、時(shí)變、滯后和其他未知干擾因素[8]。多數(shù)RSS 的控制系統(tǒng)通常采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)[13]，如圖6 所示。內(nèi)環(huán)通常主要由MWD、井下控制器、偏心穩(wěn)定器、鉆頭和近鉆頭傾角、方位角傳感器組成。外環(huán)主要由內(nèi)環(huán)和地面監(jiān)測(cè)中心組成。一般情況下，內(nèi)環(huán)根據(jù)預(yù)定程序自動(dòng)控制井下工具，外環(huán)主要由工程師發(fā)出指令來(lái)實(shí)時(shí)控制整個(gè)鉆井系統(tǒng)。近鉆頭傾角和方位角傳感器是內(nèi)環(huán)主要測(cè)量單元，用于實(shí)時(shí)測(cè)量鉆井軌跡并將其傳輸給井下控制器。井下控制器將實(shí)際鉆井軌跡與理想井眼軌跡進(jìn)行比較，并計(jì)算兩者之間的誤差。根據(jù)這一誤差，井下控制器根據(jù)預(yù)定程序?qū)崟r(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出，以控制“執(zhí)行器”的傾角、方位角和速率。同時(shí)，MWD 將傳感器所測(cè)鉆井參數(shù)轉(zhuǎn)化為泥漿脈沖信號(hào)傳回地面監(jiān)控中心。地面處理系統(tǒng)由工程師根據(jù)鉆井參數(shù)制定決策，當(dāng)鉆井偏離預(yù)定軌跡時(shí)，直接向井下控制器發(fā)出高優(yōu)先級(jí)控制指令對(duì)其實(shí)時(shí)控制。

圖6 典型的RSS 控制體系Fig.6 Typical RSS control system

3.1 現(xiàn)代控制技術(shù)研究進(jìn)展

現(xiàn)代控制方法是以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，采用魯棒控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、滑模控制等[34]方法去解決復(fù)雜多變時(shí)變系統(tǒng)，類似于RSS 的井眼軌跡控制和工具面姿態(tài)控制等。

為獲取更好的鉆具姿態(tài)控制，蔡振等[35]提出了一種雙PI 姿態(tài)控制器，分別控制姿態(tài)傾角和方位角，姿態(tài)響應(yīng)得到改善，姿態(tài)誤差減小，但未考慮測(cè)量延遲對(duì)系統(tǒng)性能影響；N.Panchal 等[36]結(jié)合恒定構(gòu)建速率控制器(Constant Build Rate，CBR)，引入離散時(shí)間控制律等三種控制律，降低了測(cè)量延遲對(duì)系統(tǒng)性能影響；考慮到CBR 對(duì)輸入干擾和反饋延遲的魯棒性不足，I.J.Inyang 等[37]改進(jìn)了CBR 控制器，設(shè)計(jì)一種Smith Predictor-CBR(SP-CBR) 控制器，提高了系統(tǒng)魯棒性；Wang Weiliang 等[38]則針對(duì)干擾和參數(shù)不確定性對(duì)姿態(tài)控制的影響，提出一種基于模型自抗擾控制(Model Active Disturbance Rejection Control，MADRC)三回路刀具控制方法，用負(fù)載轉(zhuǎn)矩估計(jì)器和外殼轉(zhuǎn)速估計(jì)器獲取外部干擾，與傳統(tǒng)的自抗擾控制器和比例積分控制器相比MADRC 有更好的性能和抗干擾能力；M.T.Bayliss[39-40]等提出最佳H∞控制器和線性二次高斯控制器分析了極點(diǎn)配置在非結(jié)構(gòu)化和結(jié)構(gòu)化不確定性上的魯棒穩(wěn)定性，但這些控制器設(shè)計(jì)較為困難，且對(duì)控制精度要求高。

針對(duì)未知干擾、不確定性和時(shí)滯等因素給控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和魯棒性帶來(lái)的挑戰(zhàn)，Sun Hui 等[41]結(jié)合狀態(tài)觀測(cè)器和自適應(yīng)律，提出了一種基于有限銳度零質(zhì)量(Explicit Force,Finitely Sharp,Zero Mass，EFFSZM)模型的L1 自適應(yīng)控制器，用于處理不確定性和干擾，但該控制器假設(shè)軌跡傾角和方位角可直接測(cè)量，M.V.Aksim 等[42]所提出速度梯度控制算法也存在同樣假設(shè)，并且還進(jìn)一步假設(shè)雙向通訊無(wú)延遲；M.V.Aksim 等[43]引入高階滑模觀測(cè)器，生成井下動(dòng)態(tài)變量和輸入擾動(dòng)的理論估計(jì)，完全消除了直接測(cè)量假設(shè)，由于理論估計(jì)數(shù)據(jù)在地面生成，因此，通訊假設(shè)還未完全消除；I.J.Inyang 等[44]基于雙線性模型提出一種比例積分控制器，顯著減少了測(cè)量延遲、干擾和其他不確定性的不利影響。

井眼螺旋是危害井眼質(zhì)量和鉆具安全的一個(gè)主要因素，N.Wouw 等[45]和Cai Zhen 等[46]基于非線性延遲微分方程的三維井眼軌跡模型設(shè)計(jì)一種動(dòng)態(tài)狀態(tài)反饋控制器，在確保穩(wěn)定生成復(fù)雜井眼軌跡同時(shí)避免了不必要的井眼螺旋；N.A.H.Kremers 等[47]將井眼演化過(guò)程轉(zhuǎn)化為軌跡跟蹤問(wèn)題，提出一種基于觀測(cè)器的魯棒反饋控制器，有效減少了井眼螺旋，且對(duì)于參數(shù)不確定性和(重力引起的)擾動(dòng)都具有良好的魯棒性；A.Georgiou 等[48]基于魯棒正不變(Robust Positive Invariant，RPI)集與魯棒模型預(yù)測(cè)控制(Robust Model Predictive Control，RMPC)結(jié)合的閉環(huán)反饋控制律，有效解決空間延遲、參數(shù)不確定性和干擾存在的軌跡跟蹤問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)軌跡跟蹤誤差最小化。

考慮到黏滑振動(dòng)對(duì)RSS 控制性能的影響，M.A.Ahmoud 等[49]等提出了一種優(yōu)化黏滑振動(dòng)、鉆頭磨損、鉆進(jìn)參數(shù)的自適應(yīng)實(shí)時(shí)優(yōu)化控制策略，用質(zhì)量彈簧系統(tǒng)來(lái)描述黏滑振動(dòng)現(xiàn)象，以Bourgoyne 模型表示鉆頭磨損，減少了黏滑振動(dòng)，降低了鉆頭磨損率；Zhang Yuantao 等[50]則提出了一種自適應(yīng)二階滑膜(Second Sliding Mode，SOSM)控制策略，引入自適應(yīng)控制律克服了不確定性上界未知的限制，SOSM 控制器消除了輸入抖振，同時(shí)保證良好的控制性能和魯棒性。

綜上，自適應(yīng)控制的優(yōu)勢(shì)在于處理RSS 的參數(shù)不確定性，這也是RSS 控制中所面臨的主要問(wèn)題之一，另外，因?yàn)樽赃m應(yīng)控制具有強(qiáng)大的在線估計(jì)能力，也可用于RSS 的參數(shù)辨識(shí)、故障檢測(cè)與處理；魯棒控制特別適用于穩(wěn)定性和可靠性要求高的系統(tǒng)，因其一般系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)工作狀態(tài)、穩(wěn)態(tài)精度差等缺點(diǎn)在RSS姿態(tài)控制中的應(yīng)用也比較謹(jǐn)慎；自抗擾控制技術(shù)因其不依賴準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型和可拓展性強(qiáng)等特點(diǎn)，在RSS控制中應(yīng)用廣泛，但對(duì)參數(shù)整定復(fù)雜、穩(wěn)定性分析難度大等問(wèn)題還需要進(jìn)一步研究；滑?？刂谱兘Y(jié)構(gòu)控制不受系統(tǒng)的外界擾動(dòng)和內(nèi)在攝動(dòng)影響，處理不確定性系統(tǒng)具有良好的魯棒性等優(yōu)點(diǎn)，在RSS 控制中也備受青睞，但傳統(tǒng)SMC 抖振抑制和控制精度不可兼得，高階滑?？刂瞥蔀榻甑难芯繜狳c(diǎn)，還有許多優(yōu)秀的現(xiàn)代控制方法(如：反步控制[51-52]等)在RSS 控制領(lǐng)域都取得良好的應(yīng)用效果，本文篇幅有限就不一一贅述。

3.2 智能控制技術(shù)研究進(jìn)展

智能控制是基于人工智能、模糊集理論、運(yùn)籌學(xué)和控制論相關(guān)方法，設(shè)計(jì)具有自主學(xué)習(xí)、抽象、推理、決策能力的智能體，并根據(jù)所在環(huán)境做出自適應(yīng)動(dòng)作以完成相關(guān)任務(wù)[53]。它集神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)、專家系統(tǒng)和進(jìn)化計(jì)算等多種智能計(jì)算方法優(yōu)點(diǎn)于一身[54]。智能控制方法非常適合解決復(fù)雜和不確定系統(tǒng)的控制問(wèn)題，如RSS。

利用模糊(Fuzzy)推理理論在線調(diào)整PID 控制器參數(shù)的能力，陳蘇等[55]提出了一種Fuzzy-PID 自適應(yīng)控制算法，以鉆井液壓泵的液壓輸出作為反饋參量，通過(guò)控制液壓的壓力反饋直接控制整個(gè)鉆井液壓系統(tǒng)的壓力輸出；Duan Zhengyong 等[56]提出了一種適用于調(diào)制式RSS(Modulated Rotary Steering System，MRST)穩(wěn)定平臺(tái)的模糊自適應(yīng)PI 變阻尼控制方法，可根據(jù)系統(tǒng)的響應(yīng)在線調(diào)節(jié)控制器的控制參數(shù)，很好地適應(yīng)了MRST 的非線性和時(shí)變不確定性，具有較好的魯棒性和穩(wěn)定性；基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)中的AC(Actor-Critic)框架，Zhang Chi 等[57]引入利用徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (Radial Basis Function Neural Networks，RBFNN)和自適應(yīng)動(dòng)態(tài)規(guī)劃(Adaptive Dynamic Programming，ADP)構(gòu)成在線迭代actor-critic RL 控制器，利用其動(dòng)作函數(shù)(actor)和值函數(shù)(critic)的近似特性消除高頻振蕩，在此基礎(chǔ)上加入基于區(qū)間2 型模糊邏輯控制(Interval Type-2 Fuzzy Logic Control，IT2FLC)控制器消除系統(tǒng)非線性和不確定性，為進(jìn)一步優(yōu)化控制效果采用一階數(shù)字低通濾波器(Low-Pass Filters，LPF)來(lái)降低控制輸出中的高頻噪聲，實(shí)現(xiàn)了井眼軌跡的精確跟蹤，消除了高頻振蕩；Ke Chong 等[58]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Neural Networks，NN)來(lái)近似代價(jià)函數(shù)的梯度以獲得最優(yōu)控制輸入，構(gòu)造了基于單神經(jīng)元自適應(yīng)批評(píng)雙啟發(fā)式規(guī)劃(Single-Neuron Adaptive Critic Dual-Heuristic Programming，SNAC-DHP)控制器，該方法的優(yōu)點(diǎn)在于計(jì)算成本取決于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的收斂性，而不是系統(tǒng)維數(shù)，克服了高維系統(tǒng)最優(yōu)控制的“維度魔咒”，消除了軸向和扭轉(zhuǎn)兩個(gè)維度振動(dòng)，提高了系統(tǒng)的魯棒性。

綜上所述，隨著人工智能(AI)技術(shù)的快速發(fā)展，使得智能控制在RSS 這類復(fù)雜控制系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。主要表現(xiàn)在3 個(gè)方面：一是基于模糊理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能控制器設(shè)計(jì)，如T-S 模糊控制器，actor-critic RL 控制器等；二是基于現(xiàn)代控制理論和AI 技術(shù)相結(jié)合的智能控制方法，如Fuzzy-PID 自適應(yīng)控制，模糊自適應(yīng)PI 變阻尼控制等；三是將人工智能領(lǐng)域新成果引入RSS 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。

3.3 復(fù)合控制技術(shù)研究進(jìn)展

不同于現(xiàn)代控制策略和智能策略的單種控制方法，復(fù)合控制方法綜合兩種或兩種以上控制方法，避免了單種控制方法的不足以此獲得更好的性能。

為減輕黏滑振動(dòng)對(duì)RSS 的影響，F(xiàn).Abdulgalil[59]設(shè)計(jì)了一種基于滑?？刂频腜ID 控制器，該控制器由輸入狀態(tài)控制器和滑?？刂破飨嘟Y(jié)合，以鉆頭角速度誤差作為滑模面，有效消除了黏滑振動(dòng)保證了系統(tǒng)魯棒性；霍愛(ài)清等[60]提出了一種基于RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)滑膜變結(jié)構(gòu)控制，通過(guò)RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)閾值和減少網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，并利用滑膜控制增強(qiáng)系統(tǒng)魯棒性，相比傳統(tǒng)滑膜控制該控制策略有更高的控制器精度，控制器設(shè)計(jì)難度更小，但也存在著硬件難以實(shí)現(xiàn)、軟件難以保證實(shí)時(shí)性等問(wèn)題；基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)中的actorcritic (AC)框架，Zhang Chi 等[61]引入積分滑?？刂?Integral Sliding Mode Control，ISMC)消除系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障信號(hào)(執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障、傳感器故障以及組件故障等)，組成自適應(yīng)容錯(cuò)控制(Adaptive Fault-Tolerant Control，AFTC)策略，通過(guò)actor-critic RL 和徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RBFNN)設(shè)計(jì)了一個(gè)在線學(xué)習(xí)框架，使RSS 能夠準(zhǔn)確、平穩(wěn)跟蹤預(yù)定軌跡。

復(fù)合控制綜合了兩種或兩種以上的控制方法，具有極強(qiáng)的可擴(kuò)展性和適應(yīng)性等特點(diǎn)。但在如何實(shí)現(xiàn)多種控制方法的有效結(jié)合，充分發(fā)揮多種控制方法優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)有效避免各自缺陷，以及相應(yīng)控制器的設(shè)計(jì)等方面還需要進(jìn)一步研究。

綜上所述，本文分析的幾類控制方法具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表4。對(duì)于不同的系統(tǒng)應(yīng)該綜合各類方案的優(yōu)點(diǎn)，靈活運(yùn)用不同方案。

表4 文中綜述的幾類控制方法比較Table 4 Comparison of several control methods summarized in this paper

4 RSS 及其控制技術(shù)思考與展望

針對(duì)RSS 的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)中國(guó)未來(lái)RSS 發(fā)展提出以下建議。

(1)開(kāi)展推靠式和指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)優(yōu)化及相關(guān)技術(shù)研究。未來(lái)鉆井任務(wù)將面臨井深更深，狗腿度更大，井眼質(zhì)量要求更高的特點(diǎn)，這些因素將對(duì)RSS的設(shè)計(jì)和完善帶來(lái)更大的挑戰(zhàn)。因此，應(yīng)該先完善現(xiàn)有推靠式和指向式系統(tǒng)，形成系列化設(shè)計(jì)與制造能力；對(duì)地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、雙向通訊系統(tǒng)和BHA(特別是導(dǎo)向機(jī)構(gòu))進(jìn)行優(yōu)化，提升系統(tǒng)造斜率、穩(wěn)定性、自動(dòng)化、智能化程度以及BHA 密封性能等；開(kāi)展導(dǎo)向技術(shù)、雙向通訊、井下閉環(huán)控制、MWD/LWD 和井眼軌跡控制等配套技術(shù)的研究，進(jìn)一步提升我國(guó)推靠式和指向式系統(tǒng)的工業(yè)化應(yīng)用能力；以及加大對(duì)耐高溫、耐腐蝕、耐磨損材料的研發(fā)。

(2)開(kāi)展混合式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論研究。對(duì)混合式而言則應(yīng)該注重導(dǎo)向原理、結(jié)構(gòu)特征、井底鉆具組合力學(xué)分析、井下閉環(huán)鉆井系統(tǒng)和井眼軌跡制導(dǎo)等技術(shù)的理論研究，同時(shí)開(kāi)展對(duì)地面監(jiān)控、雙向通訊、隨鉆測(cè)量和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)4 大子系統(tǒng)的研制，爭(zhēng)取早日產(chǎn)出實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)從原理設(shè)計(jì)到實(shí)驗(yàn)的多級(jí)跨越。

近年來(lái)，RSS 的發(fā)展呈現(xiàn)出自身結(jié)構(gòu)集成化、鉆井任務(wù)多樣化、控制能力精細(xì)化、控制需求智能化等特點(diǎn)，進(jìn)而對(duì)控制系統(tǒng)能力提出了新挑戰(zhàn)，可以歸納為以下幾點(diǎn)。

(1) RSS 鉆井時(shí)出現(xiàn)的黏滑振動(dòng)、多干擾、大不確定性、強(qiáng)非線性和建模難等問(wèn)題尤為突出。開(kāi)展高階滑模控制的研究、設(shè)計(jì)以自抗擾控制技術(shù)為核心的控制算法、建立能“容忍”或處理不確定性的控制系統(tǒng)、從現(xiàn)代控制理論出發(fā)結(jié)合智能控制建立新的非線性控制策略或者改進(jìn)現(xiàn)有的線性控制方案、根據(jù)控制要求合理簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型是有效解決以上難點(diǎn)的有效方法之一。

(2) RSS 是一類系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜、鉆井環(huán)境復(fù)雜、鉆井任務(wù)跨度大的鉆井工具，極易出現(xiàn)突發(fā)故障，因此對(duì)具有故障診斷和容錯(cuò)能力的控制方案需求逐漸凸顯。因此，提高RSS 故障檢測(cè)、診斷能力，對(duì)故障部件進(jìn)行重構(gòu)；利用控制器的魯棒性或通過(guò)引入故障信號(hào)的檢測(cè)機(jī)制來(lái)確定故障發(fā)生的位置和程度，進(jìn)而對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，都是來(lái)克服執(zhí)行機(jī)構(gòu)失效的有效方案。

(3) 現(xiàn)有的控制方法大多依賴已知的數(shù)學(xué)模型，存在模型設(shè)計(jì)難度大、適應(yīng)性不足、應(yīng)變與容錯(cuò)能力弱等問(wèn)題，難以適應(yīng)環(huán)境與構(gòu)型的復(fù)雜多變。因此，有必要研究基于人工智能理論的智能控制方法，以此來(lái)減少對(duì)模型的依賴性，依托機(jī)器學(xué)習(xí)、預(yù)測(cè)模型學(xué)習(xí)等在線學(xué)習(xí)手段提高控制系統(tǒng)學(xué)習(xí)能力和適應(yīng)性，進(jìn)一步提高控制效果。

5 結(jié)語(yǔ)

回顧過(guò)去，我國(guó)RSS 從結(jié)構(gòu)特征、井底鉆具組合力學(xué)分析、井下閉環(huán)控制和井眼軌跡制導(dǎo)技術(shù)等基礎(chǔ)理論出發(fā)，走過(guò)了近30 年的不平凡發(fā)展歷程。目前，推靠式RSS(Welleader 和CG STEER)在導(dǎo)向控制、近鉆測(cè)量、機(jī)械鉆速等技術(shù)媲美國(guó)際先進(jìn)水平，指向式打破國(guó)外封鎖，GW 成為我國(guó)首套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的指向式RSS。對(duì)控制系統(tǒng)而言，多以滑?？刂?、自適應(yīng)控制等現(xiàn)代控制方法在姿態(tài)控制、井眼軌跡跟蹤控制等方面的單一應(yīng)用，總體處于發(fā)展階段，缺乏現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。

展望未來(lái)，我國(guó)RSS 的技術(shù)進(jìn)步，一方面需要完善推靠式和指向式系統(tǒng)，提升系統(tǒng)造斜率、穩(wěn)定性、自動(dòng)化和智能化程度，另一方面需要進(jìn)行導(dǎo)向技術(shù)、井下閉環(huán)控制、雙向通訊技術(shù)等相關(guān)配套技術(shù)研究，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的工業(yè)化應(yīng)用能力，以及加快混合式RSS 地面監(jiān)控、雙向通訊、隨鉆測(cè)量和井底鉆具組合四大子系統(tǒng)的理論研究，爭(zhēng)取早日產(chǎn)出實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。對(duì)控制系統(tǒng)而言，RSS 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)從3 個(gè)方面出發(fā)：多種控制方法相結(jié)合的協(xié)同控制，獲取更好的控制“綜合效益”、增強(qiáng)控制系統(tǒng)面對(duì)未知挑戰(zhàn)和復(fù)雜環(huán)境的自適應(yīng)容錯(cuò)能力和自主控制能力、采用基于智能技術(shù)的決策/控制一體化思路，進(jìn)一步提升控制性能。

附錄A

表A1 2021 年全球市場(chǎng)上可用 RSS 技術(shù)