旋轉導向鉆井系統及其控制方法研究進展

孔錦煒

中國石油集團長城鉆探工程有限公司鉆井技術服務公司 遼寧 盤錦 124010

旋轉導向鉆井技術應用的目的是通過測量井眼軌跡，實現對井下鉆具的導向與控制，是一種能夠實現井下定向和方位控制的新型井下工具。該技術可用于完井作業，也可用于水平井、大斜度井的鉆井施工中。旋轉導向鉆井系統由導向工具、井眼軌跡測量儀器和旋轉導向鉆井系統三部分組成。導向工具主要包括導向鉆柱和鉆頭，作用是向井眼提供一種導向力，使鉆頭沿特定方向旋轉；井眼軌跡測量儀器主要包括測量裝置、數據處理器、井眼軌跡模擬軟件、信號傳輸電纜和鉆柱控制軟件等[1]。

1 旋轉導向系統的基本結構

旋轉導向系統的結構主要包括鉆柱、導向工具、鉆井儀器、井下控制軟件和地面控制軟件等。

鉆柱：是旋轉導向鉆井系統的核心部件，是將鉆頭和井壁緊密結合在一起的構件，同時也是旋轉導向鉆井系統的動力來源，由導向工具、導向鉆具、套管等組成。

導向工具：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合在一起，根據測量結果調整井眼軌跡，并對井下鉆具進行控制。主要分為扭矩控制型和力/電反饋型兩類。

鉆井儀器：主要包括數據采集系統、數據處理系統、實時監控系統和控制軟件等，主要用于將鉆井儀器測量到的井眼軌跡數據進行實時顯示、處理和分析。

井下控制軟件：主要是為了滿足實時監測、控制和管理的需要，是旋轉導向鉆井系統的控制中樞。

地面控制軟件：主要負責接收、分析和顯示井眼軌跡數據，同時對井下工具進行控制。

地面設備：是旋轉導向鉆井系統中的輔助設備，包括鉆機、測斜儀、測量工具等。

2 旋轉導向鉆井系統控制類型

2.1 靜態推靠式

靜態推靠式旋轉導向鉆井系統在鉆進過程中通過施加扭矩來控制導向鉆頭，并根據鉆進軌跡實時地調整鉆井液的流動方向和速度，從而使鉆頭始終沿著設計軌跡行進。當鉆頭到達預定位置后，通過施加扭矩來控制鉆井液的流動方向和速度，從而實現鉆井過程中的自動糾偏功能[2]。

2.2 動態推靠式

被動推靠式旋轉導向鉆井系統，當井眼在主動推靠式旋轉導向鉆井系統的前方一定距離處，主動鉆桿產生一個軸向推力，迫使導向工具的工具面朝上，使鉆具與地面之間保持一個較小的軸向距離，當井眼在被動推靠式旋轉導向鉆井系統的后方一定距離處，主動鉆桿產生一個軸向推力，迫使導向工具的工具面朝下，使鉆具與地面之間保持一個較小的軸向距離，當井眼在被動推靠式旋轉導向鉆井系統的后方一定距離處，主動鉆桿產生一個軸向推力，迫使導向工具的工具面朝上，使鉆具與地面之間保持一個較小的軸向距離，從而使鉆頭在井眼中始終處于定向狀態。

2.3 靜態指向式

在靜態指向式控制中，轉位機構一般采用固定轉位機構或者隨動機構。固定轉位機構的優點是結構簡單、制造成本低，但其存在機械傳動精度較差、轉位精度難以保證等問題；隨動機構的優點是可以實現機械傳動與電子控制相結合，可實現更高精度的位置控制，但其存在機械傳動精度低、制造成本高等問題[3]。

2.4 動態指向式

動態指向式控制分為直接和間接兩種，直接控制主要包括電機驅動控制和機械傳動控制，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磁浮驅動控制以及基于振動傳感器反饋的被動振動驅動控制。

2.5 混合式

混合式控制方式是在傳統旋轉導向系統基礎上，通過增加一個隨動控制模塊，實現了與地面系統的融合。該方法由隨動控制模塊和導向控制模塊兩部分組成。

隨動控制模塊由兩個電渦流傳感器和一個微型伺服驅動器構成，前者負責接收井筒中的力信號，并將其轉換成電信號，通過電壓耦合傳遞給隨動控制模塊；后者負責向隨動控制模塊發送指令信號，以調節井筒中的力平衡。與傳統的隨動控制方式相比，混合式的優勢在于能夠解決傳統隨動控制系統中存在的兩個問題：（1）慣性力、摩擦力等造成的位移滯后問題。（2）隨鉆測斜過程中出現的井斜和方位變化引起的偏差問題[4]。

3 旋轉導向系統控制策略進展

3.1 現代控制

（1）自動控制是根據實際情況的需要，選擇適當的輸入、輸出變量，在給定條件下實現目標的自動控制。自動控制是在被控對象中，根據被控對象的性能指標，用預先設計的控制器對系統進行控制，以實現系統的性能要求。自動控制的主要優點是：能連續地、穩定地實現目標；能夠克服系統中存在的不確定性和時變性；可以較好地適應系統中存在的各種干擾。

（2）狀態反饋是對系統中可能存在的不確定因素（干擾）或不穩定因素進行估計和補償，從而提高系統性能的一種控制策略。狀態反饋控制的優點是：不需要建立精確的數學模型，不受被控系統的物理限制，對復雜的系統具有較強的魯棒性；對控制對象具有較好的適應性，對噪聲有較強的魯棒性，而且它能有效地降低控制系統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現對輸出的校正。輸出反饋控制的優點是：克服了狀態反饋控制的不確定和時變性，提高了控制系統的穩定性；可以實時地調整控制參數，適應系統的變化；克服了傳統控制方法中采用“純滯后”環節進行補償帶來的問題。

3.2 智能控制

智能控制是一種以計算機為基礎的、基于學習的、有很強的自適應能力、自組織能力和自學習能力，能夠根據系統輸入信息自動調整控制參數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勢。智能控制不依賴于系統模型，根據實際輸入和輸出數據來辨識系統的性能，從而調整控制器參數，以獲得最優的控制效果。在實際應用中，智能控制經常被用于復雜控制系統，例如機器人、伺服控制器等。在旋轉導向鉆井系統中也可以用來提高旋轉導向鉆井系統的性能[5]。

3.3 復合控制

復合控制是在智能控制的基礎上發展起來的一種新型控制策略。它不僅能夠提高旋轉導向鉆井系統的控制精度，而且還可以提高其抗擾能力，從而延長其使用壽命。復合控制策略是在智能控制和復合控制兩種理論基礎上發展起來的，其原理是：通過設計輸出反饋控制器，利用反步控制器提高旋轉導向鉆井系統的抗干擾能力，再利用前饋控制器來提高旋轉導向鉆井系統的響應速度；通過設計反饋控制器，對輸入信息進行補償和校正，進而提高旋轉導向鉆井系統的輸出信號質量；利用設計輸出反饋控制器的方法對輸入信息進行補償和校正，進而提高旋轉導向鉆井系統的抗擾動能力。

4 我國未來旋轉導向技術的發展方向

4.1 完善現有的推靠式和指向式系統，落實導向技術、雙向通信、井下閉環控制

國外的旋轉導向系統在導向技術、雙向通信、井下閉環控制等方面已經非常成熟，而國內的旋轉導向系統在導向技術面還存在著一定差距。國外的旋轉導向技術在導向力的設計和控制上，為了實現更高的鉆井效率，同時能滿足對地層更深入的了解，采用了先進的計算方法來預測鉆頭與井壁之間的距離，并將其反饋到控制器中進行修正。而國內的旋轉導向系統由于缺少導向力計算方法，僅采用了與國外類似的方法來設計鉆頭與井壁之間的距離。因此，提高旋轉導向系統導向力計算方法和導向能力是我國旋轉導向技術未來發展的關鍵。

4.2 開展混合式旋轉導向系統地面監控，構建雙向通訊、隨鉆測量子系統

井下閉環控制的核心是控制系統的地面監控，由于井下復雜多變的工作環境以及傳感器信號的非平穩性，地面監控系統與井下反饋系統之間的信息傳輸尤為重要，主要包括：（1）傳感器信號、鉆具振動、旋轉導向控制器工作狀態、控制命令等。（2）井下儀器采集到的現場信息，如井眼軌跡變化、扭矩和扭矩變化等。（3）對井下儀器數據進行實時分析，通過數據對比及時發現問題，對現場操作人員進行實時指導和修正。

雙向通訊是井下控制系統的關鍵，其核心是隨鉆測量子系統，通過井下儀器實時傳輸的信息對地面控制系統進行修正，保證井下軌跡與地面控制系統保持一致，因此開展隨鉆測量子系統研究，對保證旋轉導向鉆井技術在復雜地層中的應用具有重要意義。

4.3 針對鉆井環境多樣化，控制能力精細化和控制需求智能化等諸多挑戰

為適應鉆井環境多樣化，實時、準確、精細地控制井下鉆具組合，必須實現旋轉導向系統與隨鉆測井系統的一體化集成設計。但由于鉆井過程中井眼軌跡不規則，隨鉆測井系統測量的井下信息有限，導致旋轉導向控制技術應用存在諸多困難。（1）由于鉆井環境的多變性，導致現有旋轉導向系統控制理論模型無法滿足實際要求，需深入研究不確定條件下的復雜鉆井環境下的非線性耦合動態井眼軌跡控制問題。（2）鉆井過程中井眼軌跡不規則，導致現有控制理論不能滿足井眼軌跡控制要求，需進一步研究復雜地質條件下的井眼軌跡控制技術[6]。

5 結束語

旋轉導向鉆井系統控制技術是整個鉆井過程中最復雜的環節之一，也是難度最大的環節之一。要實現對旋轉導向鉆井系統的控制，必須首先要了解其工作原理和基本結構。目前，我國在該領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旋轉導向鉆井系統控制方法主要集中在基本理論研究和關鍵技術攻關上，缺乏基礎理論、關鍵技術和標準規范體系；②現有的旋轉導向鉆井系統控制方法大多是基于理想模型或近似模型的控制方法，缺乏對實際情況的考慮，實際應用效果差；③我國旋轉導向鉆井系統在理論研究方面已經取得了很大進步，但在產品應用方面仍存在著較大差距。④我國旋轉導向鉆井系統在國外具有一定的研究基礎，但在設計制造、數據處理、工程應用等方面還存在著較大差距。