靜態推靠式旋轉導向控制方案分析及優化

李士斌　王業強　張立剛　徐月慶（.東北石油大學石油工程學院，黑龍江大慶　6338；.大慶鉆井工程技術研究院，黑龍江大慶　6338）

靜態推靠式旋轉導向控制方案分析及優化

李士斌1王業強1張立剛1徐月慶2
（1.東北石油大學石油工程學院，黑龍江大慶163318；2.大慶鉆井工程技術研究院，黑龍江大慶163318）

旋轉導向鉆井技術已經成為當前鉆井必不可少的核心技術，主要根據靜態推靠式旋轉導向控制原理，結合工程實際要求，建立力學模型。根據有利區內支撐爪力最大、不利區內支撐爪力最小原則，提出120°和60°劃分區域的2種控制方案，在優化數學模型的基礎上，分別將各支撐爪的應力分解到偏置合力的方向和垂直于偏置合力的方向，采用力學矢量分析法，建立不同偏置合力矢量下的力學方程，求解相應的方程，得出不同劃分區域下各支撐爪的應力表達式。分析對比不同劃分區域下各支撐爪應力變化，比較變化趨勢，優選更為穩定的控制方案，從而增加儀器使用壽命，減少鉆井事故，降低成本。

旋轉導向鉆井；推靠式旋轉導向；控制方案；變化趨勢

旋轉導向鉆井技術使得鉆進速度和鉆井質量得到大幅度的提升，國外對旋轉導向技術的研究比較成熟，其中已經商業化應用的旋轉導向鉆具中，其控制方案、導向方式和整體結構各不相同，然而國內對旋轉導向系統的研究仍處于初級階段，目前階段對推靠式工作方式研究較多。基于靜態推靠式旋轉導向工作原理，針對靜態推靠式旋轉導向工具工作時，目標導向力的不同、支撐爪位置的不同等因素，對靜態推靠式旋轉導向控制方案展開分析優化。導向工具工作時的控制目標是導向合力幅值和大小，采用矢量分析法對偏置合力矢量進行合成與分解，但考慮到數學求解時的多解性和邊界性定義復雜等問題，劃分了目標導向力的有利區和不利區，提出了120°區域劃分和60°區域劃分2種控制方案。

1　靜態推靠式旋轉導向控制系統工作原理

靜態推靠式旋轉導向工具的控制平面內包括3個彼此間隔120°分布的支撐爪，導向系統中的安裝有測量工具可以測得支撐爪1相對于高邊方向的位置，圖1中偏置合力即是控制目標，當系統下達控制指令時，井下微處理器按照預定控制算法計算出各支撐爪力，通過液壓推動支撐爪支出，同時獲得井壁對支撐爪的反向推力（文中稱為支撐爪力）［1-2］。其控制平面內示意圖如圖1所示。

圖1　控制平面內結構分布

2　數學模型分析優化

考慮到液壓推動能力的限制和工程應用中三支撐爪均伸出工作時更為穩定，規定每個支撐爪應力最大為Fmax，最小為Fmin，由文獻［3］可知360°可控的最大偏置合力為由于工具在工作時外套是旋轉的，支撐爪1相對于高邊的位置α1是在不斷變化的，因此在建立數學模型的分析過程中，若以高邊為基準線，按照測定的α1（ 高邊順時針轉到爪1的角度）和目標合力角度αk（ 高邊順時針轉到偏置合力方向的角度）建立方程，需要考慮α1、αk各處于不同位置的情況，需要建立的方程非常多，求解較為復雜，因此數學模型建立中需要以爪1位置α1為基準線，通過比較偏置合力和支撐爪1相對位置αk變化來求解控制方案，如圖2所示。

圖2　α1為基準線模型圖

3　控制方案分析

當導向合力F處于已劃分好的某一區域時，分別將F1、F2、F3向合力F方向分解為F1x、F2x、F3x和垂直于F方向分解為F1y、F2y、F3y，再運用力學矢量法建立方程組。

3.1120°區域劃分

由于三支撐爪間彼此間隔為120°，若將整個控制平面分為3個區塊，隨著目標導向力矢量F的變化，則必有一個力處于目標導向力的不利區內取最小值，如圖3。

圖3　120°劃分區域模型

（1）當導向合力F處于區域1時，即αk'≥300°或αk'≤60°，那么F1就處于不利區，此時爪1對應的F1取最小值Fmin，按矢量分析法建立方程組后，解得

（2）當導向合力處于區域2時，即60°≤αk'≤180°，F2處于不利區，此時爪2對應的F2取最小值Fmin，解得

（3）當導向合力處于區域3時，即180°≤αk' ≤300°，F3處于不利區，此時爪3對應的F3取最小值Fmin，解得

3.260°區域劃分

若將整個控制平面分為6個區域，隨著目標導向力矢量F的變化，則必有一個力處于有利區取最大值或處于不利區取最小值，如圖4所示。

圖4　60°劃分區域模型

（1）當導向合力F處于區域1時，即αk'≥330°或αk' ≤30°時，那么F1就處于不利區，此時爪1對應的F1取最小值Fmin，按矢量分析法建立方程組后，解得

（2）當導向合力F處于區域2時，即30°≤αk' ≤90°時，那么F3就處于有利區，此時爪3對應的F3取最大值Fmax，按矢量分析法建立方程組后，解得

（3）當導向合力F處于區域3時，即90°≤αk' ≤150°時，，那么F2就處于不利區，此時爪2對應的F2取最小值Fmin，按矢量分析法建立方程組后，解得

（4）當導向合力F處于區域4時，即當150°≤αk'≤210°時，那么F1就處于有利區，此時爪1對應的F1取最大值Fmax，按矢量分析法建立方程組后，解得

（5）當導向合力F處于區域5?時，即210°≤α'k≤270°時，那么F3就處于不利區，此時爪3對應的F3取最小值Fmin，按矢量分析法建立方程組后，解得

（6）當導向合力F處于區域6時，即270°≤αk' ≤330°時，那么F2就處于有利區，此時爪2對應的F2取最大值Fmax，按矢量分析法建立方程組后，解得

式中，α1為高邊方向順時針旋轉到爪1位置的角度，°；αk為高邊方向順時針旋轉到偏置合力方向的角度，°；αk' 為爪1位置順時針旋轉到偏置合力的角度，°；F1，F2，F3分別為三支撐爪的應力，kN；Fmax為最大液壓力，kN；Fmin為最小液壓力，kN；Amax為360°可控偏置合力，kN；Ak為工作效率，%。

式（1）～（3）為120°劃分區域內，不同的偏置合力矢量對應的各支撐爪的應力大小。式（4）～（9）為60°劃分區域內，不同的偏置合力矢量對應的各支撐爪的應力大小。

4　分析控制方案的趨勢變化

定義Ak=100%，Fmax=20， Fmin=0.7， α1=30°時，隨著偏置合力角αk的變化，120°區域劃分下，各支撐爪的支撐力（F1，F2，F3）的變化趨勢如圖5所示，60°劃分區域下各支撐爪應力變化趨勢如圖6所示。

由圖5和圖6可知，120°劃分區域只考慮當合力矢量處于不利區時，不利區內的支撐爪取最小值，但是并沒有限制有利區內的支撐爪的應力為最大，從而在最大值處產生較為明顯的波動變化；而60°劃分區域內同時限制了有利區內的支撐爪應力最大，不利區內的支撐爪應力最小，隨著偏置合力矢量的變化，各支撐爪應力皆平穩變化，減小了鉆具的震蕩波動，降低了井下事故風險。

圖5　120°劃分區域應力變化趨勢

圖6　60°劃分區域應力變化趨勢

5　旋轉導向控制示意圖

如圖7，靜態推靠式旋轉導向在實際應用時是按照預定的軌跡信息，將目標導向力傳給井下處理器，井下處理器通過按照已定的控制方案計算出各支撐爪應力大小，并通過井下處理器傳送給控制閥，再傳達給各支撐爪，各支撐爪按計算出的控制方案支出，使工具受到井壁的反向支撐力，從而使鉆頭按目標方向進行鉆進，鉆進的同時井下隨鉆監控系統將測得的井斜角、方位角、工具面角以及爪1當前相對高邊位置和地質狀況通過井下傳感器傳達到地面監控系統，地面工作人員通過對監控數據的分析，確定下一次工作方案的調整［4-6］。

6　結論

圖7　旋轉導向控制系統示意圖

（1）當目標導向力方向一定時，根據旋轉導向控制平面內三支撐爪結構，把整個平面分為3個區塊，控制平面內存在對導向力的不利區，得到120°劃分區域控制方案，把整個平面分為6個區塊，控制平面內同時存在對導向力的不利區和有利區，得到60°劃分區域控制方案。

（2）考慮到邊界性問題和簡化方程數量，數學模型的建立過程中以爪1位置為基準線，通過比較目標合力與爪1的相對位置的變化，求解控制方案。

（3）根據2種控制方案下各支撐爪應力表達式，作出支撐爪應力變化趨勢圖，得出120°劃分區域下的各支撐爪應力在偏置合力角的某一變化區間會有明顯波動，而60°劃分區域下的在同一區間各支撐爪應力變化平穩，控制時相對穩定，更適合井下復雜工作環境，減少鉆進風險，增大工具使用壽命。

（4）給出了整個旋轉導向控制系統工作示意圖，表述了其具體工作步驟，為現場工作人員及今后科研人員提供清晰直觀的理解。

［1］閆文輝，彭勇.旋轉導向鉆井工具導向執行機構設計［J］.天然氣工業，2006，26（11）：70-72.

［2］楊劍鋒，張紹槐.旋轉導向閉環鉆井系統［J］.石油鉆采工藝，2003，25（1）：1-5.

［3］杜建生，劉寶林，夏柏如.靜態推靠式旋轉導向系統三支撐掌偏置機構控制方案［J］.石油鉆采工藝，2008，30（6）：5-10.

［4］汪海閣，王靈碧，紀國棟，等.國內外鉆完井技術新進展［J］.石油鉆采工藝，2013，35（5）：1-12.

［5］雷靜，楊甘生，梁濤，等.國內外旋轉導向鉆井系統導向原理［J］.探礦工程：巖土鉆掘工程，2012（9）：53-58.

［6］江波，李曉軍，程召江，等.一種靜止推靠式旋轉導向鉆井系統的設計方案［J］.石油鉆采工藝，2015，37（3）：19-22.

（修改稿收到日期2015-06-16）

〔編輯薛改珍〕

Analysis and optimization of static push-the-bit rotary steering control scheme

LI Shibin1, WANG Yeqiang1, ZHANG Ligang1, XU Yueqing2
（1. Petroleum Engineering College, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China; 2. Daqing Drilling Engineering and Technology Research Institute, Daqing 163318, China）

The rotary steering drilling technique has become an indispensable core technology in the present drilling operations. In this paper, a mechanical model was built according to the principle of static push-the-bit rotary steering control and in conjunction with the actual need of drilling engineering. According to the principle of maximum supporting claw force in the favorable area and minimum supporting claw force in the unfavorable force, this paper presents two control schemes: dividing the area by 120° and 60°. While optimizing the mathematical model, the stress on each supporting claw is decomposed to the bias resultant force direction and to the direction perpendicular to the bias resultant force. Using mechanics vector analytic method, a mechanic equation is built under different bias resultant vector, and then solves the related equation to find the stress expressions of each supporting claw at different areas. This paper analyzes the stress changes of each supporting claw at different areas, compares the changing trend and optimizes the more steady control scheme so as to increase the service life of the instruments, reduce drilling accidents and reduce drilling costs.

rotary steering drilling; push-the-bit rotary steering; control scheme; change trend

TP13；TE928

A

1000 – 7393（ 2015 ） 04 – 0012 – 04

10.13639/j.odpt.2015.04.004

國家自然科學基金項目”基于應力-滲流-損傷多場耦合的清水壓裂機理及儲層篩選研究”（編號：51274069）；東北石油大學青年自然科學基金“致密砂巖儲層體積壓裂應力場改造控制機理研究”（編號：NEPUQN2014-26）。

李士斌，1965年生。2006年獲大慶石油學院油氣井工程專業博士學位，主要從事油氣井壓裂理論和技術領域的研究工作，教授，博士生導師。E-mail：lishibin_2001@sina.com。

引用格式：李士斌，王業強，張立剛，等.靜態推靠式旋轉導向控制方案分析及優化［J］.石油鉆采工藝，2015，37（4）： 12-15.