吳文晉，白玉新，秦二衛(wèi)，張　達，王　恒

(中國運載火箭技術研究院第十八研究所　北京　100076)

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·開發(fā)設計·

旋轉導向工具穩(wěn)斜鉆進井眼軌跡控制方法設計

吳文晉，白玉新，秦二衛(wèi)，張達，王恒

(中國運載火箭技術研究院第十八研究所北京100076)

摘要：提出了一種旋轉導向工具在穩(wěn)斜鉆進作業(yè)時井眼軌跡控制方法。穩(wěn)斜鉆進作業(yè)中需要控制井斜和方位兩個參數。控制方法由井下閉環(huán)和井上閉環(huán)兩部分組成。井下閉環(huán)利用井下近鉆頭設備實時測量的井斜角信息，并通過液壓控制系統(tǒng)閉環(huán)控制井斜，保證井眼軌跡在井斜方向按照井眼軌跡設計方向前進。井上閉環(huán)利用隨鉆測量設備向地面提供的井斜角、方位角信息，經過地面軟件處理得到實鉆軌跡并同設計軌跡進行比較，得出方位調整策略，通過數據下傳技術下傳到井下旋轉導向工具，旋轉導向工具依據方位調整策略進行扭方位操作，以保證實際軌跡和設計軌跡的重合?？刂品椒ㄖ懈鶕蚰芰π枨蟛煌?，將導向力分成多個檔次，以適應不同鉆井條件下對全角變化率的要求。試驗驗證了控制方法的有效性。

關鍵詞：定向鉆井技術；旋轉導向鉆井；穩(wěn)斜鉆進；控制方法

0引言

隨著油田開發(fā)程度的提高和生產的需要，定向鉆井技術應用越來越廣泛。旋轉導向工具具有井下自動閉環(huán)、無需停鉆等特點，具備了高機械鉆速、高井眼軌跡控制精度、高工作可靠性等特征。其在水平井、大位移井、分支井、三維多目標井等復雜結構井的鉆井過程中，可以有效地消除卡鉆,具有提高機械鉆速、減少井下事故、降低鉆井成本的優(yōu)勢[1]。自從旋轉導向工具投入使用以來，因為顯著的鉆井優(yōu)勢和經濟效益，推動了鉆井工程的發(fā)展[2]。

我國目前尚且沒有商業(yè)化應用的旋轉導向工具，但國內多家單位一直對旋轉導向工具進行研究，并先后設計出樣機產品進行試驗[3]。旋轉導向工具控制方法是進行鉆井試驗必須具備的技術，控制方法與導向工具的構成有直接關系。設計軌跡和實際軌跡的偏差是旋轉導向控制的依據，井下工具需要受控于地面控制系統(tǒng)[4]。根據旋轉導向工具具備雙向通信能力，利用井上大閉環(huán)實現軌跡控制的技術，這種方式明顯具有控制延后的缺點[5]。將井眼軌跡參數存儲在井下控制器中，然后利用井下近鉆頭測量設備提供的測量參數繪制出實際軌跡參數，進行比較控制的方法，考慮目前設備對井深參數的測量較為困難，井下存儲進行比較控制的方法實現難度大[6]。井下井斜、方位全閉環(huán)進行控制的方法，全閉環(huán)控制方法需要設備具有近鉆頭、高精度、實時測量能力，現在國內設備普遍不具備該能力，限制了全閉環(huán)控制方法的應用[7]。

目前我國一種旋轉導向工具由近鉆頭執(zhí)行設備加隨鉆測量設備(Measure While Drilling，MWD)組成，且近鉆頭執(zhí)行設備具有井斜測量功能。本文結合現有控制方法提出一種穩(wěn)斜鉆進控制方法，該方法能夠有效地解決近鉆頭執(zhí)行設備+MWD旋轉導向工具(以下簡稱工具)的控制問題。

1設備組成

工具主要由MWD設備、泥漿發(fā)電機、頻率采集與無線通信模塊以及位于近鉆頭執(zhí)行設備端的測斜模塊、無線通信模塊、控制模塊以及液壓執(zhí)行結構組成。另外地面系統(tǒng)包括MWD數據信息解碼系統(tǒng)、數據下傳控制軟件及泥漿旁通閥組成。

在工具穩(wěn)斜鉆進作業(yè)中，井斜角和方位角均需要實時控制。而上述設備組合中只有近鉆頭井斜角是控制模塊可以實時獲得的，方位角信息需要由MWD測量。在工具旋轉狀態(tài)下MWD測量的方位角誤差較大，控制模塊此時與MWD通信獲得的方位信息不準確，需要設計控制方法對穩(wěn)斜鉆進作業(yè)中鉆進方向進行控制。

2控制方式

旋轉導向工具在穩(wěn)斜鉆進過程中，實現軌跡控制的方式主要由兩部分組成；一部分為井上閉環(huán)，另一部分為井下閉環(huán)控制。井上閉環(huán)采用人工干預的方式，例如偏差矢量的控制方法[5]，通過對比設計軌跡和實測軌跡，根據二者差別給出方位和井斜控制策略，得出具體的鉆井井斜角和增降方位決策。井下閉環(huán)控制將該決策通過輸出液壓力轉換實現，以便控制鉆頭向目標方向鉆進。即通過設定目標井斜和方位改變策略，實現穩(wěn)斜鉆進，保證鉆出的實測軌跡和設計軌跡盡可能地吻合。

2.1井上閉環(huán)

井上閉環(huán)的具體實現過程流程框圖如圖1所示。通過地面軟件計算實測軌跡和設計軌跡的差別。根據差別情況制定出穩(wěn)斜鉆進的穩(wěn)斜角和扭方位控制策略，同時根據軌跡差別大小情況，制定造斜力及平移力的力度大小。造斜力為設備輸出控制合力在垂線方向的分力，主要起到改變井斜的目的。平移力為設備輸出控制合力在水平面上的分力，主要起到改變方位的目的。一般情況下，造斜力和平移力根據力度大小進行分級，以對應不同全角變化率要求。在制定完穩(wěn)斜鉆進角度值和方位角變化的方向后，設備根據造斜力和平移力情況實時穩(wěn)斜鉆進工作。工作過程中MWD實時反饋井眼軌跡情況，并根據變化情況，必要時將控制測量進行調整。井上閉環(huán)實現了方位控制和井眼軌跡控制兩個目的。

圖1　井上閉環(huán)實現過程框圖

井上閉環(huán)控制中，使用MWD實時測量井眼軌跡情況，MWD將測量的結果通過MWD數據信息解碼系統(tǒng)傳遞到地面系統(tǒng)中，供地面軟件進行分析。地面人員需要根據分析情況，給出穩(wěn)斜鉆進的井斜角以及方位改變方向及力度，然后利用數據下傳控制軟件改變泥漿旁通閥工作狀態(tài)，將數據編碼信息下傳到泥漿發(fā)電機。泥漿發(fā)電機由于流量發(fā)送變化，其工作頻率也跟隨發(fā)生變化。數據采集與無線通信模塊檢測泥漿發(fā)電機頻率變化并將其轉換為控制指令。通過無線通信功能傳遞給控制模塊進行井下閉環(huán)控制。

2.2井下閉環(huán)

井下閉環(huán)的具體實現過程流程框圖如圖2所示。井上閉環(huán)中將目標井斜角和方位改變指令傳遞給控制模塊。方位指令中包含增減方位及平移力度兩種信息，目標井斜中包含目標井斜角和造斜力度兩種信息?？刂颇K根據方位指令和目標井斜包含的信息計算出設備需要輸出的液壓合力F。

圖2　井下閉環(huán)實現過程框圖

(1)

考慮到設備所處的深度，輸出的液壓合力需要加上背景壓力，并將目標壓力發(fā)送到驅動控制器，驅動控制通過調節(jié)液壓結構電機轉速改變輸出壓力，并根據液壓機構上的壓力傳感器形成壓力閉環(huán)控制。井下鉆進期間設備通過近鉆頭測斜模塊實時測量實際井斜角，并反饋到控制模塊中，進行井斜角控制閉環(huán)。井下閉環(huán)控制方式，實現了井下井斜角實時測量與控制。

3試驗驗證

為了測試穩(wěn)斜鉆進模式控制算法的有效性，工具在遼河油田前XX-XX井進行了井下試驗。入井時井深989 m，井斜6.7°、磁方位55.9°。目標入靶井斜7.2°、目標磁方位51.2°。鉆壓3 t、泥漿密度1.3 g/cm3。單次入井純鉆時間25 h，工具記錄工作時間57 h，鉆進466 m。前XX-X井斜-井深圖如圖3所示。工具入井前采用彎螺桿進行井斜控制，井斜波動在1.2°左右，工具工作期間井眼軌跡井斜角波動縮小至0.2°左右，且實測井斜角方向更加靠近目標井斜7.2°，井斜穩(wěn)定控制作用明顯。

圖3　前XX-XX井斜-井深圖

方位控制效果如圖4所示，圖中將方位控制策略以臺階曲線形式給出，和目標方位重合部分為保持原方位，曲線在目標方位左邊表示減方位，右側表示增方位，曲線偏離目標方位的程度越大表示增或減方位力度越大。例如989～1 000 m階段導向工具100%力降方位，實測磁方位1 020 m后迅速下降至42°。1 030 m后導向工具采用40%的力增方位，方位增加緩慢，之后采用60%增方位直至1 090 m，1 100 m時實測方位已經升至65°，出現明顯超調。此后1 100 m采用40%力降方位，方位較緩慢下降。在1 120 m時方位下降到55°，此時改成保持方位策略。1 150 m時方位46°，超調減小。此后均采用20%～40%力調整方位。方位控制超調嚴重的原因主要有兩種，一種是因為方位操作依靠井下到地面通信的大閉環(huán)，通信滯后歷時較長。另一種為方位測量位置位于距離鉆頭12 m左右的MWD上，方位數據延遲。鑒于以上兩種因素，為了更加準確地控制方位，需在地面控制策略運算中考慮方位增量。

圖4　方位-井深圖

4結束語

1)提出了一種旋轉導向工具穩(wěn)斜模式鉆井控制方法；該方法經過試驗具有較好的控制井斜及方位的能力。

2)試驗中，方位控制由于井下地面雙向通行時間滯后和MWD安裝位置距離鉆頭有一段距離，單純使用方位進行鉆進方向控制容易出現超調量過大問題。

3)為了更好地控制方位，地面方位控制策略中后續(xù)需考慮方位增量因素，即原有地面方位的比例控制調整為比例+微分控制。

參 考 文 獻

[1] 劉新華，董廣華，趙洪山.旋轉導向井下工具控制系統(tǒng)設計及室內試驗[J].石油鉆探技術.2011,39(5):86-89.

[2] Y Tetsuo，E Cargill，T Gaynor，et. Robotic Controlled Drilling: A New Rotary Steerable Drilling System for the Oil and Gas Industry[J]. SPE 74458，2002.

[3] 姜偉，蔣世全，付鑫生，等.旋轉導向鉆井技術應用研究及其進展[J].天然氣工業(yè),2013，33(4)：75-79.

[4] 于文平，狄勤豐.閉環(huán)鉆井井眼軌跡偏差矢量的控制方法[J].西北大學學報(自然科學版)，2003，33(4):416-420.

[5] 李琪，杜春文，張紹槐. 旋轉導向鉆井軌跡控制理論及應用技術研究[J].石油學報.2005，26(4)：97-102.

[6] 胡金艷，周靜，付鑫生.用可控偏心器實現井眼軌跡的閉環(huán)控制[J].天然氣工業(yè),2002,22(6):58-60.

[7] Matheus J,Ignova M,Hornblower P.A Hybrid Approach to Closed-Loop Directional Drilling Control Using Rotary Steerable Systems[J].Automatic Control in Offshore Oil &Gas Production,2014,1(1):84-89.

Design of well trajectory control method for Rotary Steering Drilling System in steady inclined section

Wu Wenjin,Bai Yuxin,Qin Erwei,Zhang Da,Wang Heng

(China Academy of Launch Vehicle Technology 18thInstitute,Beijing 100076,China)

Abstract：A well trajectory rotary control method in steady inclined section during rotary steering drilling is proposed,which is divided into two parts,one is the underground closed loop,and the other is whole well closed loop.Using the information of the real time well deviation angle got from the instrument close to the drilling bit,the underground closed-loop can control the well deviation angle by means of the hydraulic control system to ensure well trajectory drilling in the designed direction.Compared the designed trajectory with the data got from the ground software processing the information of well deviation angle and azimuth angle provided by WMD,the whole well closed loop can get the azimuth adjustment value,which would be sent to downhole rotary steering drilling system to adjust the drilling direction and to ensure the designed trajectory consistent with the actual trajectory.Hydraulic force is divided into several grades in order to adapt to the different needs.The test results verify the feasibility of the control technology.

Key words:directional drilling technology;rotary steering drilling;steady inclined section;control technology

第一作者簡介：吳文晉，男，1985年生，工程師，2010碩士畢業(yè)于北京航空航天大學機械電子專業(yè)，現在中國運載火箭技術研究院第十八研究所從事電子控制器軟硬件設計工作。E-mail: tonylifewu@163.com

中圖法分類號：TE271

文獻標識碼：A

文章編號：2096-0077(2016)03-0015-03

(收稿日期：2015-12-14編輯：高紅霞)