王業(yè)強，李士斌，張立剛，李闖，邢恩浩，官兵

（東北石油大學石油工程學院，黑龍江 大慶 163318）

靜態(tài)推靠式旋轉導向控制指令算法

王業(yè)強，李士斌，張立剛，李闖，邢恩浩，官兵

（東北石油大學石油工程學院，黑龍江 大慶 163318）

旋轉導向鉆井系統(tǒng)代表了當今最高水平的定向鉆進技術，而我國對該項技術的研究仍處于初級階段，急需對該技術進行深入研究。以靜態(tài)推靠式旋轉導向工具為研究對象，根據其內部結構及導向工作原理，尋求針對該類型導向工具的控制指令算法。采用平面圓弧曲線假設法確定可鉆達目標點的待鉆井段，通過分析該井段的井斜角、井斜方位角及全角變化率，得到可實現(xiàn)按目標方向鉆進的控制指令算法，同時將該算法編入導向工具地面控制系統(tǒng)。實驗結果表明，該控制算法可根據軌跡要求，準確求出控制指令，實現(xiàn)導向功能。最后做出靜態(tài)推靠式旋轉導向工具的雙向閉環(huán)控制圖，并加以說明，以供科研人員參考。

旋轉導向系統(tǒng)；閉環(huán)系統(tǒng)；平面圓弧曲線；控制指令；軌跡控制

0　引言

旋轉導向鉆井系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得鉆井速度和質量大幅度提高。國外各大鉆井服務公司掌握著該工具的核心技術，且對各自產品進行了升級［1-2］。目前商用的系統(tǒng)主要有 Baker Hughes公司的 AutoTrak RCLS、Schlumberger公司的Power Drive SRD和Halliburton公司的Geo-Pilot［3］。我國對該項技術的掌握仍不成熟，且大多數(shù)研究針對井下控制部分的導向力分配［4-5］。

筆者以靜態(tài)推靠式旋轉導向工具為研究對象［6］，根據其內部結構及導向工作原理，尋求針對該類型導向工具的地面系統(tǒng)控制指令算法；并研制了一套針對靜態(tài)推靠式旋轉導向控制指令求解的計算軟件，目前室內實驗已取得良好應用效果。

1　控制指令分析

在實際鉆井過程中，由于井下各種復雜因素的影響，實際井眼軌跡不可能與設計軌道完全重合，必然會產生一定的偏差。該偏差同時包括空間的距離和方向。假設當前鉆進點為A，根據偏差法分析［7］，可以得到處于設計軌道上的目標逼近點C，由于實鉆軌跡和設計軌道都是已知的，因此A點和C點的位置參數(shù)（包括井斜角、井斜方位角）是已知的［8］。靜態(tài)推靠式旋轉導向工具的控制指令包括工作效率Ak和偏置合力角αk：Ak代表偏置合力的大小，影響當前工具可以形成的全角變化率；αk決定井斜角和井斜方位角的變化。

地面控制系統(tǒng)的指令產生流程如圖1所示。

圖1　地面控制系統(tǒng)指令產生流程

由圖1可以看出：旋轉導向工具的地面控制系統(tǒng)在接收到當前位置參數(shù)后，通過計算機分析當前點與目標點位置參數(shù)，確定一條軌道連接A，C兩點，即為鉆頭接下來的鉆進路線。筆者采用平面圓弧曲線假設法確定軌道［9］；再通過兩點位置參數(shù)和軌道路線計算出該段的全角變化率及井斜、方位變化率；最后確定控制指令，傳給井下控制系統(tǒng)。

2　工作效率的確定

假定當前鉆頭處于點A（XA，YA，ZA），井斜角為αA，井斜方位角為φA；目標逼近點C（XC，YC，ZC），井斜角為αC，井斜方位角為φC。畫出A點方向向量nA，過nA和目標逼近點C畫空間斜平面δ，則A，C兩點切線交于點D，兩點的法線交于點O，如圖2所示。

圖2　空間斜平面內幾何關系

已知全角變化值的計算公式為

其中

式中：ε為全角變化值，（°）；ΔαAC為井斜角的增量，（°）；ΔφAC為井斜方位角的增量為上、下兩測點井斜角的平均值，（°）；αA，αC分別為當前點和目標點的井斜角，（°）。

AC段的全角變化率（狗腿變化率）為

式中：γ為全角變化率，（°）/30 m；ΔDm為A點到C點之間的弧長，m。

ΔαAC，ΔφAC均為已知，要想得出該段的全角變化率，還需求出ΔDm。由圖2的幾何關系可知：

式中：r2為曲率半徑，m。

這次的畢業(yè)設計,讓我了解了沖壓模具工藝的成形的基本原理;了解了沖壓工藝的真?zhèn)€過程與沖壓設計基本的方法;擁有擬訂常規(guī)復雜沖壓零件的成形工藝過程與設計普通復雜程度沖壓模具成形的能力;經過這次的設計讓我已經可以運用學過的基礎知識,理解和解決生產過程中常見的沖壓模具工藝及模具等各方面的問題。

由式（4）得

由于

將式（6）代入式（5），得

將式（7）代入式（3），得

將式（8）代入式（2），得AC段全角變化率：

不同井下鉆具組合（BHA）的旋轉導向工具，具有不同的極限造斜能力。假設在當前BHA下，導向工具的極限造斜能力為γmax，即當導向工具以100%工作效率鉆進時，可以鉆出全角變化率為γmax的井段。同時，可以得到AC段全角變化率為γ時所對應的工作效率：

若計算得出的Ak大于100%，則表示不能按照預期的井斜角、井斜方位角鉆到目標點。此時，需重新設計井眼軌道，并重新確定目標逼近點C，直至Ak不大于100%。

3　偏置合力角的確定

在井底控制平面內，定義偏置合力角αk為高邊方向順時針旋轉至偏置合力的方向所轉過的角度。偏置合力在整個井底控制面內，向高邊方向和垂直高邊方向分解為2個力——井斜力和方位力。井斜力用來改變井斜角，方位力用來改變井斜方位角。偏置合力角的大小決定井斜力和方位力的大小［10］，如圖3所示。

圖3　控制平面內偏置合力分布示意

AC段的井斜變化率為

式中：Kα為井斜變化率，（°）/30 m。

AC段的方位變化率為

式中：Kφ為方位變化率，（°）/30 m；φA，φC分別為當前點和目標點的井斜方位角，（°）。

鉆井行業(yè)中，全角變化率的標準計算圖解法如圖4所示。

圖4　全角變化率計算圖解法

1）Kα＞0，Kφ=0，此時工具處于全力增井斜角的工作模式，即井斜方位角不改變，由圖4的幾何關系可以得到αk=0，處于Y軸正半軸。

3）Kα=0，Kφ＞0，此時工具處于全力增井斜方位角的工作模式，此時井斜角不改變，由圖4的幾何關系可以得到αk=90°，處于X軸正半軸。

5）Kα＜0，Kφ=0，此時工具處于全力降井斜角的工作模式，井斜方位角不改變，由圖4的幾何關系可以得到αk=180°，處于Y軸負半軸。

7）Kα=0，Kφ＜0，此時工具處于全力降井斜方位角的工作模式，井斜角不改變，由圖4的幾何關系可以得到αk=270°，處于X軸負半軸。

4　室內試驗情況

靜態(tài)推靠式旋轉導向工具的控制系統(tǒng)下達的每一個指令，都使鉆頭按照一個特定的方向鉆進。每個控制指令對應著一個期望的井斜變化率、方位變化率，以及在該指令下鉆進井段所形成的全角變化率?；谝陨峡刂浦噶钏惴?，編寫了一套針對靜態(tài)推靠式旋轉導向工具的控制指令計算軟件（見圖5）。

目前，該地面計算軟件已經編入地面控制系統(tǒng)。經過多次的室內試驗，該控制算法可以根據所需目標方向自動計算控制指令，并下達給井下執(zhí)行機構。應用結果表明，計算分析的控制指令誤差在允許范圍內，可以精準、快速地實現(xiàn)導向功能。

圖5　控制指令計算示意

5　雙向閉環(huán)控制機理

靜態(tài)推靠式旋轉導向工具的雙向閉環(huán)控制機理如圖6所示。

圖6　雙向閉環(huán)控制機理

在靜態(tài)推靠式旋轉導向鉆井中，實現(xiàn)軌跡控制的方式主要有以下2種：

1）具有井下-地面雙向通信的大閉環(huán)控制系統(tǒng)。在大閉環(huán)控制系統(tǒng)中，由井下測量系統(tǒng)測得當前軌跡參數(shù)（井斜角、井斜方位角、井深坐標位置等），經脈沖信號傳遞給地面信息采集系統(tǒng)；信息采集系統(tǒng)將收集到的信號解碼傳達給地面控制中心，經計算機與設計軌道對比后，生成控制指令傳達給井下控制系統(tǒng)；井下控制系統(tǒng)按預定程序算法計算出三支撐爪力，將指令傳達給井下執(zhí)行機構；通過液壓使支撐爪支出，形成偏置合力，使得鉆頭按預定軌道鉆進。

2）井下小閉環(huán)控制系統(tǒng)。在靜態(tài)推靠式旋轉導向工具中，外套是旋轉的。國外現(xiàn)場經驗表明，其旋轉速度為1～2 r/h［11］。因此，井下測量系統(tǒng)需對支撐爪的位置α1進行實時監(jiān)測。當α1的變化值Δα1大于某一規(guī)定值時，則井下控制系統(tǒng)需重新下達指令，使鉆頭繼續(xù)按預定方向鉆進［12］。

6　結論

1）旋轉導向工具的井眼軌跡控制原理是實鉆軌跡與設計軌道對比后確定一個目標逼近點，由當前鉆進點按一定的全角變化率到達目標點。

2）靜態(tài)推靠式旋轉導向地面控制系統(tǒng)的下傳指令是工作效率Ak和偏置合力αk。通過分析全角變化率與工作效率Ak的關系，以及井斜、方位變化率與偏置合力角αk的關系，分別給出了Ak和αk的算法。

3）將所得控制指令算法編入地面控制系統(tǒng)，應用結果表明，該控制指令算法精準，可實現(xiàn)360°全方位導向功能。

4）不同結構的旋轉導向控制系統(tǒng)，地面控制指令算法不同。

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（編輯趙衛(wèi)紅）

Control command algorithm of static push-the-bit rotary steerable system

WANG Yeqiang，LI Shibin，ZHANG Ligang，LI Chuang，XING Enhao，GUAN Bing
（College of Petroleum Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China）

Rotary steerable drilling system represents the highest level of directional drilling technology；however，the study of such technology is still in the primary stage in our country.Much effort should be done for this research.Based on the static push-the-bit rotary steerable system，the internal structures and the working principle，control command algorithm was researched.The drilling section is determined by planar circular arc curve；analyzing the angle of inclination，azimuth and total angular change rate，the right control commands for purposed drilling were realized.At the same time，a set of ground calculating software was developed；the experimental application shows that this method could calculate control commands accurately to implement guiding function.Finally a two-way communication closed-loop control chart of static push-the-bit rotary steering system is supplied for researchers to refer.

rotary steerable system；closed-loop system；planar circular arc curve；control commands；trajectory control

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”（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”（NEPUQN2014-26）

TE254

A

10.6056/dkyqt201602029

2015-08-17；改回日期：2016-01-07。

王業(yè)強，男，1991年生，在讀碩士研究生，主要從事油氣井工程理論和技術領域的研究工作。E-mail：fighter-wyq@qq. com。

引用格式：王業(yè)強，李士斌，張立剛，等.靜態(tài)推靠式旋轉導向控制指令算法［J］.斷塊油氣田，2016，23（2）：261-264. WANG Yeqiang，LI Shibin，ZHANG Ligang，et al.Control command algorithm of static push-the-bit rotary steerable system［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（2）：261-264.