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

孔錦煒

中國石油集團(tuán)長城鉆探工程有限公司鉆井技術(shù)服務(wù)公司 遼寧 盤錦 124010

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)應(yīng)用的目的是通過測(cè)量井眼軌跡，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下鉆具的導(dǎo)向與控制，是一種能夠?qū)崿F(xiàn)井下定向和方位控制的新型井下工具。該技術(shù)可用于完井作業(yè)，也可用于水平井、大斜度井的鉆井施工中。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)由導(dǎo)向工具、井眼軌跡測(cè)量?jī)x器和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)三部分組成。導(dǎo)向工具主要包括導(dǎo)向鉆柱和鉆頭，作用是向井眼提供一種導(dǎo)向力，使鉆頭沿特定方向旋轉(zhuǎn)；井眼軌跡測(cè)量?jī)x器主要包括測(cè)量裝置、數(shù)據(jù)處理器、井眼軌跡模擬軟件、信號(hào)傳輸電纜和鉆柱控制軟件等[1]。

1 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要包括鉆柱、導(dǎo)向工具、鉆井儀器、井下控制軟件和地面控制軟件等。

鉆柱：是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的核心部件，是將鉆頭和井壁緊密結(jié)合在一起的構(gòu)件，同時(shí)也是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的動(dòng)力來源，由導(dǎo)向工具、導(dǎo)向鉆具、套管等組成。

導(dǎo)向工具：主要由井口裝置和鉆井儀器組成，其作用是將鉆頭與井壁緊密結(jié)合在一起，根據(jù)測(cè)量結(jié)果調(diào)整井眼軌跡，并對(duì)井下鉆具進(jìn)行控制。主要分為扭矩控制型和力/電反饋型兩類。

鉆井儀器：主要包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)和控制軟件等，主要用于將鉆井儀器測(cè)量到的井眼軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、處理和分析。

井下控制軟件：主要是為了滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制和管理的需要，是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的控制中樞。

地面控制軟件：主要負(fù)責(zé)接收、分析和顯示井眼軌跡數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)井下工具進(jìn)行控制。

地面設(shè)備：是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)中的輔助設(shè)備，包括鉆機(jī)、測(cè)斜儀、測(cè)量工具等。

2 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)控制類型

2.1 靜態(tài)推靠式

靜態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)在鉆進(jìn)過程中通過施加扭矩來控制導(dǎo)向鉆頭，并根據(jù)鉆進(jìn)軌跡實(shí)時(shí)地調(diào)整鉆井液的流動(dòng)方向和速度，從而使鉆頭始終沿著設(shè)計(jì)軌跡行進(jìn)。當(dāng)鉆頭到達(dá)預(yù)定位置后，通過施加扭矩來控制鉆井液的流動(dòng)方向和速度，從而實(shí)現(xiàn)鉆井過程中的自動(dòng)糾偏功能[2]。

2.2 動(dòng)態(tài)推靠式

被動(dòng)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，當(dāng)井眼在主動(dòng)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的前方一定距離處，主動(dòng)鉆桿產(chǎn)生一個(gè)軸向推力，迫使導(dǎo)向工具的工具面朝上，使鉆具與地面之間保持一個(gè)較小的軸向距離，當(dāng)井眼在被動(dòng)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的后方一定距離處，主動(dòng)鉆桿產(chǎn)生一個(gè)軸向推力，迫使導(dǎo)向工具的工具面朝下，使鉆具與地面之間保持一個(gè)較小的軸向距離，當(dāng)井眼在被動(dòng)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的后方一定距離處，主動(dòng)鉆桿產(chǎn)生一個(gè)軸向推力，迫使導(dǎo)向工具的工具面朝上，使鉆具與地面之間保持一個(gè)較小的軸向距離，從而使鉆頭在井眼中始終處于定向狀態(tài)。

2.3 靜態(tài)指向式

在靜態(tài)指向式控制中，轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)一般采用固定轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)或者隨動(dòng)機(jī)構(gòu)。固定轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低，但其存在機(jī)械傳動(dòng)精度較差、轉(zhuǎn)位精度難以保證等問題；隨動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械傳動(dòng)與電子控制相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)更高精度的位置控制，但其存在機(jī)械傳動(dòng)精度低、制造成本高等問題[3]。

2.4 動(dòng)態(tài)指向式

動(dòng)態(tài)指向式控制分為直接和間接兩種，直接控制主要包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制和機(jī)械傳動(dòng)控制，間接控制主要包括基于磁阻傳感器或基于傳感器反饋的主動(dòng)磁浮驅(qū)動(dòng)控制以及基于振動(dòng)傳感器反饋的被動(dòng)振動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制。

2.5 混合式

混合式控制方式是在傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過增加一個(gè)隨動(dòng)控制模塊，實(shí)現(xiàn)了與地面系統(tǒng)的融合。該方法由隨動(dòng)控制模塊和導(dǎo)向控制模塊兩部分組成。

隨動(dòng)控制模塊由兩個(gè)電渦流傳感器和一個(gè)微型伺服驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成，前者負(fù)責(zé)接收井筒中的力信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過電壓耦合傳遞給隨動(dòng)控制模塊；后者負(fù)責(zé)向隨動(dòng)控制模塊發(fā)送指令信號(hào)，以調(diào)節(jié)井筒中的力平衡。與傳統(tǒng)的隨動(dòng)控制方式相比，混合式的優(yōu)勢(shì)在于能夠解決傳統(tǒng)隨動(dòng)控制系統(tǒng)中存在的兩個(gè)問題：（1）慣性力、摩擦力等造成的位移滯后問題。（2）隨鉆測(cè)斜過程中出現(xiàn)的井斜和方位變化引起的偏差問題[4]。

3 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)控制策略進(jìn)展

3.1 現(xiàn)代控制

（1）自動(dòng)控制是根據(jù)實(shí)際情況的需要，選擇適當(dāng)?shù)妮斎?、輸出變量，在給定條件下實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的自動(dòng)控制。自動(dòng)控制是在被控對(duì)象中，根據(jù)被控對(duì)象的性能指標(biāo)，用預(yù)先設(shè)計(jì)的控制器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的性能要求。自動(dòng)控制的主要優(yōu)點(diǎn)是：能連續(xù)地、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)；能夠克服系統(tǒng)中存在的不確定性和時(shí)變性；可以較好地適應(yīng)系統(tǒng)中存在的各種干擾。

（2）狀態(tài)反饋是對(duì)系統(tǒng)中可能存在的不確定因素（干擾）或不穩(wěn)定因素進(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)償，從而提高系統(tǒng)性能的一種控制策略。狀態(tài)反饋控制的優(yōu)點(diǎn)是：不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，不受被控系統(tǒng)的物理限制，對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性；對(duì)控制對(duì)象具有較好的適應(yīng)性，對(duì)噪聲有較強(qiáng)的魯棒性，而且它能有效地降低控制系統(tǒng)中存在的不確定性和不確定因素。

（3）輸出反饋是將輸出誤差或誤差變化率作為輸入的反饋形式，通過反饋到控制器中實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出的校正。輸出反饋控制的優(yōu)點(diǎn)是：克服了狀態(tài)反饋控制的不確定和時(shí)變性，提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；可以實(shí)時(shí)地調(diào)整控制參數(shù)，適應(yīng)系統(tǒng)的變化；克服了傳統(tǒng)控制方法中采用“純滯后”環(huán)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)償帶來的問題。

3.2 智能控制

智能控制是一種以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的、基于學(xué)習(xí)的、有很強(qiáng)的自適應(yīng)能力、自組織能力和自學(xué)習(xí)能力，能夠根據(jù)系統(tǒng)輸入信息自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)的一種新型控制策略，在信息獲取、信息處理和決策方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。智能控制不依賴于系統(tǒng)模型，根據(jù)實(shí)際輸入和輸出數(shù)據(jù)來辨識(shí)系統(tǒng)的性能，從而調(diào)整控制器參數(shù)，以獲得最優(yōu)的控制效果。在實(shí)際應(yīng)用中，智能控制經(jīng)常被用于復(fù)雜控制系統(tǒng)，例如機(jī)器人、伺服控制器等。在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)中也可以用來提高旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的性能[5]。

3.3 復(fù)合控制

復(fù)合控制是在智能控制的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型控制策略。它不僅能夠提高旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的控制精度，而且還可以提高其抗擾能力，從而延長其使用壽命。復(fù)合控制策略是在智能控制和復(fù)合控制兩種理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其原理是：通過設(shè)計(jì)輸出反饋控制器，利用反步控制器提高旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的抗干擾能力，再利用前饋控制器來提高旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的響應(yīng)速度；通過設(shè)計(jì)反饋控制器，對(duì)輸入信息進(jìn)行補(bǔ)償和校正，進(jìn)而提高旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的輸出信號(hào)質(zhì)量；利用設(shè)計(jì)輸出反饋控制器的方法對(duì)輸入信息進(jìn)行補(bǔ)償和校正，進(jìn)而提高旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力。

4 我國未來旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)的發(fā)展方向

4.1 完善現(xiàn)有的推靠式和指向式系統(tǒng)，落實(shí)導(dǎo)向技術(shù)、雙向通信、井下閉環(huán)控制

國外的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)在導(dǎo)向技術(shù)、雙向通信、井下閉環(huán)控制等方面已經(jīng)非常成熟，而國內(nèi)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)在導(dǎo)向技術(shù)面還存在著一定差距。國外的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)在導(dǎo)向力的設(shè)計(jì)和控制上，為了實(shí)現(xiàn)更高的鉆井效率，同時(shí)能滿足對(duì)地層更深入的了解，采用了先進(jìn)的計(jì)算方法來預(yù)測(cè)鉆頭與井壁之間的距離，并將其反饋到控制器中進(jìn)行修正。而國內(nèi)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)由于缺少導(dǎo)向力計(jì)算方法，僅采用了與國外類似的方法來設(shè)計(jì)鉆頭與井壁之間的距離。因此，提高旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)導(dǎo)向力計(jì)算方法和導(dǎo)向能力是我國旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)未來發(fā)展的關(guān)鍵。

4.2 開展混合式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)地面監(jiān)控，構(gòu)建雙向通訊、隨鉆測(cè)量子系統(tǒng)

井下閉環(huán)控制的核心是控制系統(tǒng)的地面監(jiān)控，由于井下復(fù)雜多變的工作環(huán)境以及傳感器信號(hào)的非平穩(wěn)性，地面監(jiān)控系統(tǒng)與井下反饋系統(tǒng)之間的信息傳輸尤為重要，主要包括：（1）傳感器信號(hào)、鉆具振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向控制器工作狀態(tài)、控制命令等。（2）井下儀器采集到的現(xiàn)場(chǎng)信息，如井眼軌跡變化、扭矩和扭矩變化等。（3）對(duì)井下儀器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，通過數(shù)據(jù)對(duì)比及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作人員進(jìn)行實(shí)時(shí)指導(dǎo)和修正。

雙向通訊是井下控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，其核心是隨鉆測(cè)量子系統(tǒng)，通過井下儀器實(shí)時(shí)傳輸?shù)男畔?duì)地面控制系統(tǒng)進(jìn)行修正，保證井下軌跡與地面控制系統(tǒng)保持一致，因此開展隨鉆測(cè)量子系統(tǒng)研究，對(duì)保證旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)在復(fù)雜地層中的應(yīng)用具有重要意義。

4.3 針對(duì)鉆井環(huán)境多樣化，控制能力精細(xì)化和控制需求智能化等諸多挑戰(zhàn)

為適應(yīng)鉆井環(huán)境多樣化，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、精細(xì)地控制井下鉆具組合，必須實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)與隨鉆測(cè)井系統(tǒng)的一體化集成設(shè)計(jì)。但由于鉆井過程中井眼軌跡不規(guī)則，隨鉆測(cè)井系統(tǒng)測(cè)量的井下信息有限，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向控制技術(shù)應(yīng)用存在諸多困難。（1）由于鉆井環(huán)境的多變性，導(dǎo)致現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)控制理論模型無法滿足實(shí)際要求，需深入研究不確定條件下的復(fù)雜鉆井環(huán)境下的非線性耦合動(dòng)態(tài)井眼軌跡控制問題。（2）鉆井過程中井眼軌跡不規(guī)則，導(dǎo)致現(xiàn)有控制理論不能滿足井眼軌跡控制要求，需進(jìn)一步研究復(fù)雜地質(zhì)條件下的井眼軌跡控制技術(shù)[6]。

5 結(jié)束語

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)控制技術(shù)是整個(gè)鉆井過程中最復(fù)雜的環(huán)節(jié)之一，也是難度最大的環(huán)節(jié)之一。要實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的控制，必須首先要了解其工作原理和基本結(jié)構(gòu)。目前，我國在該領(lǐng)域的研究工作還處在起步階段，從總體上看，還存在著很多需要解決的問題。①旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)控制方法主要集中在基本理論研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)上，缺乏基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系；②現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)控制方法大多是基于理想模型或近似模型的控制方法，缺乏對(duì)實(shí)際情況的考慮，實(shí)際應(yīng)用效果差；③我國旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)在理論研究方面已經(jīng)取得了很大進(jìn)步，但在產(chǎn)品應(yīng)用方面仍存在著較大差距。④我國旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)在國外具有一定的研究基礎(chǔ)，但在設(shè)計(jì)制造、數(shù)據(jù)處理、工程應(yīng)用等方面還存在著較大差距。