蘇義腦

（中國石油集團工程技術研究院，北京 102206）

0 引言

石油是當代人類社會的主要能源和戰(zhàn)略物資，影響國計民生和國防安全。要把深埋在地下數(shù)百米乃至數(shù)千米的原油和天然氣開采出來，就要進行鉆井和建井作業(yè)，以形成溝通地下儲集層和地面的油氣通道。因此，油氣井工程是石油工業(yè)上游業(yè)務的重要組成部分，是一個集鉆井、完井（含固井）、測井、測試、采油、井下作業(yè)及增產(chǎn)改造等多個工藝環(huán)節(jié)、多學科和多專業(yè)交叉的技術領域，而井下控制工程學則是研究井下控制問題和技術的分支學科。本文闡述井下控制工程學產(chǎn)生的技術與學術背景，論述井下控制工程學的學科框架、基本問題和主要研究內(nèi)容，總結井下控制工程學30年來在中國的研究進展，并對井下控制工程學的未來發(fā)展做出展望。

1 井下控制工程學的性質(zhì)、目的和任務

1.1 井下控制問題的普遍性

在石油開采中，很多工程問題，如勘探、鉆井、完井、測井、采油、修井等均與油井有關。各種井下生產(chǎn)與作業(yè)過程都普遍存在控制問題。僅以鉆井作業(yè)的井下控制為例，就涉及到安全控制、質(zhì)量控制和成本控制等3方面的多種控制問題（見圖1）。針對每一個控制問題，都可以研發(fā)一種或多種控制方式的控制工具或系統(tǒng)。這些均屬于井下控制工程學的研究范疇。

圖1 鉆井作業(yè)的井下控制分類示意圖

1.2 井下控制問題的特征和難點

井下控制問題有其固有的特征和難點，這是由油氣井結構、井下作業(yè)環(huán)境和載荷性質(zhì)所決定的。

①徑向尺寸小。油氣井是一個細長孔，從地表開始向下其長度可達數(shù)千米，但直徑往往在半米以內(nèi)，且隨著井深逐級縮小，最小的井眼直徑可在0.1 m以下。由于人無法抵達井底并參與操作過程，因此這種控制問題表現(xiàn)為遙控或閉環(huán)自動控制，特別是徑向尺寸的限制使得井下工具或系統(tǒng)在設計和制造中存在困難。

②井下存在多種工作媒體。以鉆井為例，井下存在固體（鉆柱）和液體（鉆井液），實際工作過程中的鉆井液又是由非牛頓流體、固相顆粒甚至氣泡（在泡沫鉆井條件下）組成的多相介質(zhì)。多體耦合作用下的井下系統(tǒng)具有十分復雜的物理特性。

③工作環(huán)境惡劣。以鉆井為例，鉆柱工作在高溫（最高可達 200 ℃以上）、高壓（最高可達 100 MPa以上）、強振（最大沖擊可達 500g（重力加速度）以上）、重載（最大軸向拉力負荷可達近千噸）和有沖蝕、腐蝕的條件下，因此在地面控制設備中可以使用的元器件和控制技術通常無法直接應用于井下控制問題。

井下控制問題的特殊性使得在其他行業(yè)及地面工程中可以有效應用的控制系統(tǒng)、機構、元器件以及常規(guī)的成熟的方法很難簡單地照搬到井下控制中來。井下控制工程學必須研究這些特殊問題，從而形成一套特殊的設計方法和工藝方法。

1.3 井下控制工程學的基本問題

1.3.1 定義

井下控制工程學是用工程控制論的觀點和方法，去研究和解決油氣井井下工程控制問題的有關理論、技術手段的一個學科分支。它是油氣井工程井下工藝問題與工程控制論相結合的產(chǎn)物，是一個多學科交叉的應用技術領域。從工程性質(zhì)上看，它涉及到鉆井、完井、試井、測井、采油、修井等一切與油氣井井下工藝有關的施工作業(yè)過程；從控制方式上看，它涉及到開環(huán)遙控和井下閉環(huán)自控。

1.3.2 研究對象、目的和性質(zhì)

井下控制工程學的研究對象是涉及油氣井井下各種作業(yè)過程的所有工程控制問題。

研究井下控制工程學的目的是從理論上認清井下控制問題的物理性質(zhì)和控制過程的基本規(guī)律，從實踐上開發(fā)和提供行之有效的控制系統(tǒng)、工藝和手段，從技術和經(jīng)濟上最優(yōu)地解決有關工程問題。

油氣井的特殊結構和井下的惡劣工況決定了井下控制問題的難度、復雜性和特點，也決定了井下控制工程學這一分支學科的研究性質(zhì)，即它是一個理論性和實踐性都很突出的多學科交叉的應用技術領域。

1.3.3 學科特點

井下控制工程學是集理論研究、產(chǎn)品開發(fā)和實驗研究于一體的應用性技術領域。多專業(yè)多學科交叉是其主要特點，可概括為：以井下為對象，以控制為目標，以力學為基礎，以機械為主體，以流體為介質(zhì)，以計算機為手段，以實驗為依托。

1.4 井下控制工程學的學科框架

作為一個學科分支，井下控制工程學由以下 4個基本部分組成。

1.4.1 理論基礎研究

井下控制工程學這一學科分支的理論基礎是井下系統(tǒng)動力學和控制信號分析理論。由于井下系統(tǒng)是一個多體耦合作用的復雜系統(tǒng)，必須建立一系列的理論模型，來描述井下系統(tǒng)的動力學特性，以確定一些重要物理參數(shù)（如速度、加速度、應力、位移、壓強、振幅、頻率等）的分布規(guī)律和變化特性，即建立井下系統(tǒng)動力學的基本理論。對井下系統(tǒng)的控制信號有一定的特殊要求，必須研究其發(fā)生、傳輸過程，確定其動態(tài)品質(zhì)和穩(wěn)定性指標，進一步用于對控制信號進行優(yōu)選。

1.4.2 技術基礎研究

井下控制工程學這一學科分支的技術基礎是井下控制機構與系統(tǒng)設計學及井下參數(shù)采集與傳輸技術。對適用于井下控制的各種實用控制信號，要設計出相應的信號發(fā)生、傳輸、放大和執(zhí)行機構，要確定這些機構的典型結構，并建立各種類型信號控制機構的結構庫和特性仿真庫，以達到模塊化的設計水平。井下參數(shù)可分為狀態(tài)參數(shù)和控制參數(shù)。狀態(tài)參數(shù)是描述井下系統(tǒng)工作邊界與工作過程特征的各種幾何參數(shù)和物理參數(shù)，在控制過程中要用到很多狀態(tài)參數(shù)。要研究不同種類井下狀態(tài)參數(shù)和控制參數(shù)的測量方法和手段，以及這些參數(shù)信號在井下對井下短傳、井下對地面雙向傳輸?shù)姆椒ê蛯嵱眉夹g。

1.4.3 產(chǎn)品開發(fā)

這一學科分支的應用目標是要研制和開發(fā)不同井下作業(yè)過程所需要的各種控制工具和控制系統(tǒng)，以解決實際生產(chǎn)問題。機電液一體化往往是這種井下控制系統(tǒng)的基本特征。它是井下控制機構設計技術的綜合應用。由于產(chǎn)品開發(fā)的多樣性和實用性，決定了井下控制工程學必將具有針對性很強的專業(yè)應用范圍，能產(chǎn)生較大的經(jīng)濟效益和社會效益，并可望以此為基礎形成一種新的高技術產(chǎn)業(yè)。

1.4.4 實驗室建設和實驗方法研究

相應的實驗室是井下控制工程學的依托。理論分析結果需要進行實驗驗證，設計中的關鍵結構參數(shù)有時要靠實驗加以確定，特別是涉及到真實流體系統(tǒng)的系數(shù)只有通過實驗才能選定。因此，在井下系統(tǒng)動力學和信號分析理論研究、井下控制機構設計學研究、井下參數(shù)采集與傳輸技術研究、產(chǎn)品開發(fā)中，實驗研究具有不可忽視的作用。

以上 4個部分的關系為：產(chǎn)品開發(fā)是井下控制工程學研究的主要目的，而技術基礎研究是產(chǎn)品開發(fā)的基礎，理論基礎研究又是技術研究的基礎，實驗室建設和實驗研究則是開展理論基礎研究、技術基礎研究和產(chǎn)品開發(fā)的重要手段和依托。開展理論和技術基礎研究的實際意義在于形成一種模塊化的設計方法，根據(jù)上述硬件結構庫和特性仿真庫，使沒有從事過理論和技術基礎研究的產(chǎn)品開發(fā)人員也能夠按“搭積木”的方式完成產(chǎn)品的設計和開發(fā)。這將減小產(chǎn)品開發(fā)難度，提高設計水平，擴大井下控制工程學的應用范圍。

2 井下控制工程學的產(chǎn)生背景

井下控制工程學這一概念從提出至今只有 20多年。它從解決油氣鉆井的井眼軌道控制成功率和精度問題開始，逐步發(fā)展成為油氣鉆完井中的一個新領域，最近10多年來在其他井下專業(yè)中也獲得了日益廣泛的應用。因此，為了深入認識井下控制工程學產(chǎn)生的技術與學術背景，有必要回顧百年來油氣鉆井技術特別是井眼軌道控制理論和技術的發(fā)展過程。

2.1 百年來鉆井技術的發(fā)展

鉆井工程起源于公元前 3世紀的中國，當時中國古代的先民們就在四川自貢鉆井采鹵并形成一定的生產(chǎn)規(guī)模[1-2]。近代油氣鉆井工程發(fā)展于西方，19世紀國外工業(yè)發(fā)達國家就采用頓鉆方式鉆油氣井，為20世紀現(xiàn)代石油工業(yè)的發(fā)展奠定了基礎[3]。19世紀末和20世紀初，在世界范圍內(nèi)，旋轉鉆井取代沖擊鉆井成為主要的鉆井方式，20世紀30年代發(fā)明了井下動力鉆具，促進了定向井技術在50年代到60年代的快速發(fā)展[4-5]。此后工程力學、計算機技術和信息技術的引入，以及材料科學和井下工具的進步，進一步推動定向井技術向水平井、大位移井不斷發(fā)展。當代石油鉆井工程技術已形成一個包括鉆前、鉆進、完井和油氣測試等多個環(huán)節(jié)的綜合性系統(tǒng)工程，涉及到地面裝備、井下工具、井眼軌道控制、鉆井液與儲集層保護、測量與測試、完井與固井等多個方面，是一個機械、力學、化學、控制等幾個專業(yè)交叉的應用技術學科。

2.1.1 井型的發(fā)展

井型的發(fā)展演變能清楚地反映百年來油氣鉆井工程技術的發(fā)展歷程，即直井→定向井（斜井）→叢式井→水平井→大位移井→其他特殊工藝井（如側鉆水平井、分支井、倒叢式井等）。

20世紀 50年代以前世界范圍內(nèi)的油氣鉆井基本上都是以直井為目標。由于技術條件的限制，只能采用直井開采淺層油氣。

20世紀50年代至70年代是國際上定向井和叢式井技術迅速發(fā)展并推廣普及的時期。鉆定向井主要是為了解決地面障礙、土地租賃權、救險滅火等方面的問題及利用地層自然造斜規(guī)律進行鉆井。叢式井的發(fā)展則是為了節(jié)約占地面積、減少環(huán)境污染范圍、提高鉆井效率和降低鉆井成本，在一塊井場上按一定的規(guī)劃和設計鉆成多口定向井（或直井）。

水平井是最大井斜角為 90°左右并在儲集層內(nèi)有一段水平延伸長度的特殊定向井。在從定向井向水平井的過渡發(fā)展過程中，經(jīng)歷了大斜度井這一技術階段。大斜度井是最大井斜角超過60°的定向井。由于水平井在儲集層內(nèi)的穿越長度是常規(guī)直井及定向井的幾倍乃至上百倍，因此水平井的產(chǎn)量可以是常規(guī)直井及定向井的幾倍甚至10倍以上。另外水平井可以解決水氣錐進等問題，可以大幅度地提高單井產(chǎn)量和油氣采收率，從而達到少井高產(chǎn)的效果。鉆定向井是為了解決地面問題和鉆井工程本身的問題，鉆水平井則是為了解決地下問題即提高產(chǎn)量和采收率的問題。

真正的水平鉆井開始于20世紀50年代，但在80年代才開始大規(guī)模發(fā)展，90年代得到進一步推廣應用。其間有20余年的停滯期，準確地說應是一種“審視期”，就像定向井從最初的嘗試到大規(guī)模發(fā)展間有 20余年“審視期”一樣。這種“審視期”是人們對新生技術的一種冷靜分析和審查，一種精細的經(jīng)濟評價，一種基本理論的研究和多種配套技術的開發(fā)和積累。推而廣之，很多新興技術尤其是重大工藝技術進步都存在這種“審視期”。這是一個規(guī)律。

大位移井是大斜度井的發(fā)展，其特點是有很長的大斜度穩(wěn)斜段和很大的水平位移，其發(fā)展趨勢是與水平井技術結合而形成大位移水平井。大位移井技術開始于20世紀70年代末的海洋平臺鉆井，其目的是盡量擴大控油面積以減少平臺數(shù)量。20世紀80年代特別是90年代以來，大位移井技術發(fā)展迅速?，F(xiàn)在世界上已經(jīng)鉆成了水平位移超過10 km的大位移井[6]，而且應用領域擴大到陸地，用大位移井實現(xiàn)“海油陸采”，進一步降低開發(fā)成本。

側鉆井和分支井（又稱多底井）等特殊工藝井鉆井技術正呈現(xiàn)日益蓬勃發(fā)展的趨勢。老井側鉆技術與水平井技術相結合形成的老井側鉆短半徑和中短半徑水平井，可以明顯地提高采收率并大幅度降低鉆井成本。分支井實現(xiàn)了一井多層開采，正日益受到關注。此外，美國和加拿大把采礦（金屬礦、煤礦）技術與石油鉆井技術相結合，用大口徑豎井和井底人工巷道方式向上鉆多口“倒叢式井”，利用重力來采特稠油并取得成功。

目前直井鉆井技術還在發(fā)展，重點在于復雜地質(zhì)結構條件下的深井和超深直井。世界上已有相當數(shù)量直井的井深超過了7 000 m，中國還鉆成了井深為8 408 m的塔深1井。德國為研究大陸地殼的物理和化學問題而設立KTB（德國大陸深鉆項目）工程，計劃鉆1口深1×104m的超深井，實際鉆了9 001 m；前蘇聯(lián)在克拉半島鉆成了1口深12 262 m的超深井Сг-3井，歷時17年，現(xiàn)已成為研究地殼構造的全球性開放實驗室[3]。

與20世紀初相比，油氣鉆井的地面裝備、井下工具、鉆井液等方面都發(fā)生了顯著的變化和變革，而且從無到有建立了井眼軌道的測量、控制和油氣層保護、完井等技術環(huán)節(jié)，使鉆井工程成為了現(xiàn)代化的工程技術學科。

從 100多年來鉆井工程技術的發(fā)展過程可以得出以下幾點認識：①油氣勘探開發(fā)的需求始終是推動鉆井技術進步的最大動力。②井型的演變表明鉆井技術早已擺脫“單純?yōu)橥瓿梢粭l油氣通道”的局限，日益成為提高勘探鉆遇率和開發(fā)采收率的重要途徑。③今后鉆井技術的發(fā)展趨勢是，為降低噸油成本和提高總體效益，鉆成滿足勘探開發(fā)需要的井眼，沿儲集層鉆進和單井鉆穿多個地下油氣目標將成為重要技術方向[6-7]。④滿足鉆井工程需求的關鍵在于提高井眼軌道控制技術的水平。

2.1.2 井眼軌道控制技術的發(fā)展

井眼軌道控制是鉆井工程技術的基礎和關鍵環(huán)節(jié)之一。油氣勘探開發(fā)的需求推動著井型的演變與發(fā)展，井型的發(fā)展促進了井眼軌道控制理論與技術的發(fā)展，井眼軌道控制技術的發(fā)展又是井型進一步發(fā)展的基礎。

現(xiàn)代井眼軌道控制理論與技術體系是在融匯了鉆井工程、工程力學、機械、控制、計算機、儀器儀表等多個專業(yè)的基礎上形成的。從19世紀80年代到20世紀90年代，井眼軌道控制技術的發(fā)展可以大致劃分為如下幾個階段[3]。

①“摸著鉆”，即主要靠經(jīng)驗鉆井，這一階段是20世紀50年代以前。20世紀20年代，人們開始認識到鉆直井時產(chǎn)生的井斜問題及其嚴重性[8]。1928年首次在鉆井中使用穩(wěn)定器。一些學者和鉆井工作者嘗試利用鉆鋌重量來減少井斜，并用梁的彈性理論來分析直井中鉆柱的彎曲和穩(wěn)定問題，以探索“防斜打直”的技術途徑，但沒有大的突破。

②“算著鉆”，即通過理論分析提供用于井斜控制的圖版和軟件。這一階段大約為1950年至20世紀80年代初。1950年，美國著名學者Lubinski A提出了直井中鉆柱彎曲的力學模型[9]。這是井眼軌道控制研究歷史上的重要里程碑。此后產(chǎn)生了多種理論算法，按其力學模型可分為微分方程法[9]、有限元法[10]、能量法[11]和縱橫彎曲法[8,12]等4類代表性方法，相應的計算圖版和軟件為現(xiàn)場應用提供了理論和技術支持。在這一階段，鉆井工程由“工藝”發(fā)展為“科學”，下部鉆具組合的受力與變形分析、地層與鉆頭的相互作用分析和井眼軌道預測構成了這一“科學”內(nèi)容的3大方面，計算機應用是其外部特征。以下部鉆具組合受力與變形分析為例，除了解法的多樣性外，研究問題由一維發(fā)展到三維，由靜態(tài)發(fā)展到動態(tài)，由小變形發(fā)展到大變形[8-9]。在這一階段，井眼軌道控制的對象由直井發(fā)展到定向井、叢式井乃至水平井，控制目標由單一的井斜控制發(fā)展到對全角變化率、造斜率與方位變化率的控制。

③“看著鉆”，即根據(jù)隨鉆測量儀器提供的測量信息及時控制井眼軌道。這一階段大約為20世紀80年代初至90年代。井眼軌道的測量儀器經(jīng)歷了從氟氫酸瓶測斜儀、單點測斜儀、多點測斜儀、有線隨鉆測斜儀到無線隨鉆測斜儀的發(fā)展。隨鉆測斜儀使井眼軌道控制進入“看著鉆”的階段，大大提高了軌道控制決策的準確性。目前最先進的隨鉆測斜儀是無線隨鉆測斜儀，它克服了有線隨鉆測斜儀只能用于“滑動鉆井”狀態(tài)的缺點，可用于“旋轉鉆井”狀態(tài)。配置高的無線隨鉆測斜儀的測量參數(shù)可達10種以上，不僅包括井斜、方位、工具面等方向參數(shù)，還有井下鉆壓、井下扭矩、井下振動、環(huán)空溫度等工況參數(shù)，以及自然伽馬、地層電阻率、密度和中子孔隙度等地質(zhì)參數(shù)。這種儀器系統(tǒng)通稱為隨鉆測井儀。

2.2 井眼軌道控制技術的新問題及其思考

從“摸著鉆”到“算著鉆”，是井眼軌道控制技術的一大進步，是工程力學和計算機技術引入鉆井工程的結果。但是，僅靠力學模型和計算軟件還不能徹底解決井眼軌道控制技術中存在的一些問題和難點，原因有以下幾點[13]。

①多種BHA（Bottom Hole Assembly，井底鉆具組合）受力分析模型均建立在一些簡化、假設基礎上，計算結果與實際存在偏差。例如，假設井眼內(nèi)壁為規(guī)則光滑的圓柱體，但實際上并非如此，這就影響鉆柱與井壁的接觸狀況并可能影響側向力的計算值。一些BHA動態(tài)力學分析雖然考慮了扭矩和鉆壓變化的影響，但其簡化載荷頻譜與實際情況尚有差距。此外，BHA受力分析模型的一些輸入?yún)?shù)僅具有名義性質(zhì)，如鉆壓和扭矩，目前一般均用地面指重表上顯示的鉆壓和轉盤扭矩代替。但在定向井、水平井中，由于摩阻問題突出，鉆頭上的實際鉆壓和扭矩與其名義值相差甚遠，這就必然影響鉆頭側向力的計算結果。嚴格地說，每種模型和方法求出的側向力都只有名義性質(zhì)。

②確定地層巖石各向異性指數(shù)的模擬實驗與實際的井下巖石狀況存在一定差異，如圍壓情況、巖石各向均勻連續(xù)假設等。此外，一些測定鉆頭橫向切削指數(shù)的實驗裝置未消除摩擦力的影響也使計算結果產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。

③現(xiàn)有的控制方式基本上是依靠 BHA的受力分析來確定所用的鉆具組合。一旦鉆具組合下井，整個鉆井系統(tǒng)的特性大體已經(jīng)確定，只能進行局部調(diào)控，如變更鉆壓、改變轉速或調(diào)整工具面。如果對BHA的力學特性估算不準，或因地層和其他隨機因素的影響造成實鉆軌道較大地偏離設計軌道時，則必須起鉆更換鉆具組合。尤其是對軌道要求嚴格的薄油層水平井，往往需要頻繁起下鉆更換鉆具組合，導致鉆井成本增加。

力學模型誤差、測量參數(shù)誤差、某些重要計算參數(shù)在實際施工中難于獲取、BHA結構和特性不可變更以及傳統(tǒng)的控制方法，嚴重制約了井眼軌道控制技術的有效性和控制精度，使其難以滿足超薄油層和復雜結構井的井眼軌道控制的精度和效率要求。

如何在實鉆過程中克服BHA受力分析模型帶來的誤差？如何在不能準確預知的參數(shù)條件下實施高精度的控制？如何在實鉆過程中及時改變BHA的固有結構和固有力學特性？如何在目標位置發(fā)生變化（由地質(zhì)誤差引起）的情況下鉆入靶區(qū)？如何使鉆頭能在地下靈活地改變軌道從而準確鉆入油氣層？這些重要問題在20世紀80年代中后期引發(fā)了筆者及同行們的深入思考。

考慮到鉆井技術的每一次重大進步都是其他學科和新技術引入并結合的結果，再考慮到鉆頭與飛行器在姿態(tài)和軌道控制方面的共性以及工程控制論在導彈制導中的成功應用[14]，筆者產(chǎn)生了把工程控制論和飛行器制導技術引入油氣鉆井工程以發(fā)展井眼軌道控制理論與技術的想法。在經(jīng)過一段時間的類比、分析和較深入的研究工作之后，1988年筆者提出井眼軌道制導控制理論與技術這一新的研究方向，寄希望于“井下閉環(huán)控制”和“用手段解決問題”。開始的路走得艱難而又謹慎，從問題性質(zhì)的判斷到新概念的引入或建立，從對新領域內(nèi)涵的思索和界定到一系列研究課題的分解，從系統(tǒng)模型、方程、邊界條件的推演和確定到某項專利方案的構思和設計，無不伴隨著反復的徘徊、反思、自我詰問和自我驗證，并且基本上是以“業(yè)余”方式進行和完成的。1991年末，筆者從技術消息報導中發(fā)現(xiàn)國外一些同行也在或開始在致力于這一方向的研究并也采用了“閉環(huán)控制”的思路和提法，進一步堅定了繼續(xù)這一研究方向的信心。

3 井下控制工程學的提出

20世紀 80年代末筆者提出井眼軌道制導控制理論與技術這一新的研究領域，并預測井眼軌道控制技術在繼“摸著鉆”、“算著鉆”和“看著鉆”的發(fā)展過程之后，將進入“變著鉆”和“自動鉆”的新階段，其背景在于：從需求方面看，國際鉆井技術正在大力發(fā)展水平井和大位移井，迫切需要進一步提高井眼軌道控制能力和水平；從技術方面看，MWD（隨鉆測量）、LWD（隨鉆測井）等技術的進步為其準備了必要的基礎；國外少數(shù)鉆井技術服務公司相繼研發(fā)了遙控變徑穩(wěn)定器和遙控可變彎接頭等產(chǎn)品，證明賦予井下執(zhí)行工具可調(diào)結構和特性即實現(xiàn)“變著鉆”是可行的。但是當時的技術還無法實現(xiàn)“自動鉆”。此外，當時的井下執(zhí)行工具一般是開環(huán)遙控的，且儀器和工具各自分離，還未組成完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

20世紀80年代末期和90年代初期，井眼軌道控制技術開始向閉環(huán)化、系統(tǒng)化發(fā)展。美國、法國、英國、挪威、德國等5個國家的8家公司先后開始研制用于井眼軌道自動化控制的實際系統(tǒng)。在國內(nèi)，1988—1990年，筆者先后完成“井眼軌道制導控制理論與技術”的可行性研究、概念性設計和課題分解，把這一領域的研究劃分為基礎研究、產(chǎn)品開發(fā)和實驗方法3部分，并完成和申報了“自動井斜角控制器”發(fā)明專利[15-16]。在此基礎上，鑒于以下幾點考慮，筆者于1992—1993年間又進一步提出了“井下控制工程學”這一新的概念，把研究范圍由原來的鉆井井眼軌道控制問題擴展到油氣井井下各個專業(yè)的所有工程控制問題：①國外在這一領域的研究主要集中在幾種典型的系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)并互設壁壘，有關理論和方法研究結果鮮見報道；②產(chǎn)品的深層開發(fā)需要針對油氣井井下特點的共性的基礎理論和設計方法作指導，由此可帶來更大程度的創(chuàng)新，而當時未見有關研究成果報道；③國外的這些產(chǎn)品都局限于鉆井過程中井眼軌道的自動控制，而其原理和方法可擴展到井下其他作業(yè)過程的控制問題，并用于相關新工具、新系統(tǒng)的開發(fā)；④在新的理論研究成果基礎上進一步開展控制機構和系統(tǒng)設計方法的研究，并形成模塊化設計方法，可以使沒有從事過有關基礎研究工作的設計人員根據(jù)需要用給定的方法進行創(chuàng)新和創(chuàng)造，成功率更大。

井下控制工程學的提出推動了鉆井及其他井下專業(yè)技術研究的進展。以鉆井為例，在經(jīng)歷了“摸著鉆”、“算著鉆”和“看著鉆”等階段后，鉆井技術開始進入“變著鉆”階段并向“自動鉆”階段發(fā)展。

4 井下控制工程學的主要研究內(nèi)容

井下控制工程學的主要研究內(nèi)容包括以下4個方面。

4.1 井下系統(tǒng)動力學與控制信號分析方法研究

具體包括：井下系統(tǒng)（鉆柱-管內(nèi)液柱-管外環(huán)空系統(tǒng)）的動力學模型；井下系統(tǒng)在不同情況下的載荷性質(zhì)和模型的初始、邊界（井底、井壁狀態(tài)）條件；井下系統(tǒng)幾種物理場（壓力場、速度場、流速場、力場）的定量描述；井下控制信號動態(tài)分析和穩(wěn)定性評價方法；井下控制信號的傳輸過程、傳遞函數(shù)和頻譜特性分析；井下實用控制信號的篩選。

4.2 井下控制機構與系統(tǒng)設計學和井下參數(shù)采集與傳輸技術研究

具體包括：信號發(fā)生、傳遞、執(zhí)行機構設計方法和原則；各種實用控制信號的發(fā)生、傳遞、執(zhí)行機構的設計和分析；各種實用控制信號的發(fā)生、傳遞、執(zhí)行機構的計算機仿真；井下控制系統(tǒng)總體設計方法和原則；不同控制信號的系統(tǒng)綜合與模塊化設計方法；井下控制系統(tǒng)智能化基本算法和系統(tǒng)仿真；井下控制系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)試方法和技術評價；各種控制信號的子系統(tǒng)（機構）的結構模塊庫與仿真軟件庫；各種參數(shù)采集方法和裝置（傳感器）設計方法；提高參數(shù)傳輸特性（頻率與品質(zhì)）的方法。

4.3 井下控制工程的產(chǎn)品開發(fā)

關于產(chǎn)品開發(fā)，應結合各種井下作業(yè)過程（如鉆井、完井、試井、測井、采油、修井等）對控制的要求來研制所需的控制工具和系統(tǒng)。例如對鉆井過程而言，目前主要是針對井眼軌跡的幾何導向和地質(zhì)導向研制開發(fā)各種開環(huán)遙控型井下工具和閉環(huán)自控型工具與儀器系統(tǒng)。

4.4 實驗方法研究與實驗室建設

實驗室應具備檢驗上述各種理論研究結果、確定關鍵結構尺寸、組裝和統(tǒng)調(diào)實驗樣機等功能。由于油氣井結構和工況的特殊性，需要研究相應的行之有效的實驗方法，形成相關的技術標準和操作規(guī)程；還要根據(jù)實驗要求在必要的情況下自行設計和開發(fā)特種實驗裝備。

5 井下控制工程學的主要研究進展和技術發(fā)展趨勢

自1988年以來，筆者及研究團隊在井下控制工程學方面開展基礎性研究和技術攻關，在井下系統(tǒng)動力學研究、可控信號分析、井下控制系統(tǒng)與機構設計、前沿技術研發(fā)、實驗方法研究和實驗室建設等工作中取得若干成果和進展，擇要列舉如下。

研究確定了井眼軌道控制系統(tǒng)的性質(zhì)。該系統(tǒng)屬多目標、多干擾的復雜系統(tǒng)，就目前認識程度而言，仍屬灰色系統(tǒng)，因此很難用一個確定性模型完全描述，需加控制環(huán)節(jié)（閉環(huán)自控或開環(huán)遙控）。研究確定了該系統(tǒng)中的控制對象、被控量、給定量、操作量和擾動量。例如把鉆井過程中的地層變化及其他隨機干擾視為擾動量，為建立系統(tǒng)的分析和控制模型提供了可能。

研究了可用于井下控制的多種信號，提出了一些新的概念和方法。列舉并研究了 4類（機械類、水力類、幾何類、其他類）共22種以上控制信號，并從中分析篩選可控信號。針對井下控制系統(tǒng)的特殊性，進一步提出了可控信號、閉環(huán)控制、控制鏈與主控信號等概念和術語，有助于系統(tǒng)和機構的分析與設計工作。掌握了多種可控信號的品質(zhì)、特性和發(fā)生方法。

提出了井下系統(tǒng)動力學的概念和研究方法，以作為井下控制系統(tǒng)分析和建模的理論基礎。其特點是把基于固體力學的管柱力學和基于流體力學的井下環(huán)空水力學結合起來，把鉆柱（或其他管柱，如套管柱、作業(yè)管柱等）、管內(nèi)流體和環(huán)空流體作為一個系統(tǒng)進行分析和建模，實現(xiàn)“流固耦合”，有別于傳統(tǒng)的管柱力學與環(huán)空水力學各自分析、互不相連的分析方法，因而能更準確地反映井下系統(tǒng)的物理特性。用多種方法建立井下系統(tǒng)動力學的基本方程，從操作工藝和設備特點上抽象提出切合實際的邊界條件，因而使求解結果更具有普適性。在此基礎上，針對具體的工藝過程，該基本方程可簡化為相應的力學方程：若只研究鉆柱而忽略環(huán)空，則可由此得出鉆柱動力學方程；若只研究環(huán)空而忽略鉆柱，則基本方程可演變?yōu)榄h(huán)空水動力學方程。因此，傳統(tǒng)的井下管柱動力學和環(huán)空水動力學均為井下系統(tǒng)動力學的特例。

油氣井井下控制系統(tǒng)特別是鉆井過程動力學分析的基本問題就是要確定鉆頭在井底工作時的真實載荷頻譜和特性。鑒于國內(nèi)外在這一方面研究工作的匱乏，組織開展了鉆進中鉆頭載荷變化的理論研究和實驗研究，研發(fā)專用數(shù)據(jù)采集短節(jié)，海量采集實驗臺架和實際鉆井中的相關數(shù)據(jù)并進行分析和辨識，總結規(guī)律，從而使鉆井系統(tǒng)的力學分析建立在堅實的實驗基礎上。

運用井下系統(tǒng)動力學的分析方法，針對鉆井起、下鉆這兩種基本工況，開展了鉆柱和液柱耦合系統(tǒng)條件下鉆柱縱向振動問題研究，建立了該固-液耦合系統(tǒng)的縱振方程和邊界條件，用差分法求解。定量分析了起、下鉆時的波動壓力和反壓差的影響因素，闡明了井下鉆柱所受載荷與大鉤載荷變化規(guī)律，為井下工況預測、井下事故原因分析及井眼軌道控制系統(tǒng)控制信號的確定提供了理論依據(jù)。

開展了信息傳輸通道和信息傳輸規(guī)律的理論研究和實驗研究。針對從井下到地面、從地面到井下和從井下到井下的信息傳輸要求，開展了液體脈沖、電磁波、聲波等多種傳輸方式的物理建模和理論分析，并輔之以實驗驗證，研究結果為信道設計、脈沖發(fā)生器研制和信息編碼提供了理論依據(jù)。

開展了井眼軌道遙控系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)的目標、基本結構與設計原則的研究。給出了井眼軌道遙控系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)的目標及其數(shù)學描述，并根據(jù)系統(tǒng)的功能分配，提出了系統(tǒng)的基本結構以及控制方法，闡明了控制系統(tǒng)的基本設計原則。在此基礎上，進一步研究了開關控制、模糊控制、自適應控制等多種方法在井下控制中的應用特點，從而為系統(tǒng)設計研發(fā)提供了依據(jù)。

針對井下控制器這一井下閉環(huán)智能鉆井系統(tǒng)中的核心部件，分析了井下控制器的功能結構、硬件模塊組成和軟件結構模式及其設計的原則和方法，為井下控制器的物理設計奠定基礎。

提出了井下控制系統(tǒng)和機構設計學的概念和模塊化設計方法。針對油氣井井下特殊的作業(yè)環(huán)境和特點，研究確定了井下控制機構和系統(tǒng)的設計原則。研究了多種井下控制機構的主控信號和結構形式，如液控分流機構、液動跟隨機構、排量控制機構、重力信號機構、重力尋邊機構、行程控制變徑機構、井下變角機構、旋轉變徑機構、銷槽機構、鎖位機構、傘狀變徑機構、反壓差機構等。確定了這些實用機構中的信號發(fā)生、放大、傳遞和執(zhí)行環(huán)節(jié)的特性和傳遞函數(shù)，建立了這些機構的硬件結構庫和仿真軟件庫。運用筆者提出的控制鏈和模塊化設計方法，可把有關機構有序組合，產(chǎn)生多種可達同一控制目的的技術方案并進行比較、評價和優(yōu)化，從而形成設計方案，為技術開發(fā)提供了理論基礎和保障。該庫集硬件和軟件于一體，并具有開放性，是設計人員從事技術創(chuàng)新的有力工具，降低了制造廠和現(xiàn)場技術人員的使用門檻，擴大了應用范圍。

開展了井下若干種工程參數(shù)和地質(zhì)參數(shù)的測量研究，如井斜、方位、工具面、鉆壓、扭矩、溫度及振動等工程參數(shù)和電阻率（近鉆頭電阻率、方位電阻率）、自然伽馬、中子孔隙度等地質(zhì)參數(shù)。研究這些井下參數(shù)的測量方法、模型和實驗方法，并形成實用技術（工藝、裝置與軟件）。

開展了井下無線短傳技術的研究，從建立模型到形成實用技術并應用于工具系統(tǒng)。

研究了提高井下信息上傳速率的方法，包括脈沖發(fā)生器的設計方法、技術開發(fā)和編碼方法，提出一種組合碼編碼方法并用于實際儀器系統(tǒng)。開展了鉆井液連續(xù)壓力波信號的特性分析與處理方法研究，包括編碼調(diào)制規(guī)則、信號數(shù)學模型、頻譜特性、傳輸特性、檢測與處理方法、壓力相移鍵控信號的解調(diào)與解碼等，為連續(xù)波傳輸技術的研究提供了理論基礎。

開展了井下發(fā)電機設計，開發(fā)的井下發(fā)電機用于實際工具系統(tǒng)，為井下測量和控制提供了電源保證。

開展了井下控制實驗方法研究，建立了井下控制工程實驗室。為配合連續(xù)波傳輸技術的研發(fā)，設計建造了長風洞、短風洞等實驗裝置。

在基礎理論、設計方法研究和實驗室建設的基礎上，筆者及研究團隊進一步致力于井下控制工具和系統(tǒng)的研發(fā)工作，如遙控可變徑穩(wěn)定器、正脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)、近鉆頭地質(zhì)導向鉆井系統(tǒng)、隨鉆壓力測量系統(tǒng)、無線電磁波隨鉆測量系統(tǒng)、連續(xù)波無線隨鉆測量系統(tǒng)、自動垂直鉆井系統(tǒng)、旋轉導向系統(tǒng)、工程用隨鉆測量系統(tǒng)、隨鉆地震系統(tǒng)、中子孔隙度測量工具和遙控分層配采系統(tǒng)等。這些具有自主知識產(chǎn)權的控制工具和系統(tǒng)獲得多項國家發(fā)明專利授權，其中一部分已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化并得到規(guī)模應用，取得顯著的技術效果和經(jīng)濟效益，另一部分正在由樣機向產(chǎn)品轉化。這些科研成果豐富和擴展了井下控制工程學的技術內(nèi)涵和應用范圍。

當前，作為石油天然氣工程中的一個新領域和一個新興的學科分支，井下控制工程學正在向更大的廣度和深度發(fā)展，這是由當代科學技術的發(fā)展趨勢、油氣井井下控制問題的普遍性和相關工藝工程對控制技術的要求所決定的。

控制論、信息論和系統(tǒng)論的產(chǎn)生與發(fā)展推動了控制技術的快速發(fā)展及其在諸多領域的大規(guī)模應用，極大地豐富了相關工程技術的內(nèi)涵和水平。概括而言，控制論改善了工程技術的功能，系統(tǒng)論提高了工程技術的整體性，信息論提升了工程技術的精度。它們與計算機技術、工程力學和機械科學的交叉和融合則為油氣井井下控制技術的發(fā)展提供了保障。井下控制工程學的發(fā)展方向和趨勢為：①井下控制技術正在從鉆井領域向其他井下工藝領域擴展應用，如完井、采油、測井、測試、井下作業(yè)和儲集層改造等；②控制技術正在從單體工具或儀器向高度集成化、系統(tǒng)化和特殊作業(yè)化發(fā)展；③控制系統(tǒng)正在向實時化、自動化和智能化方向發(fā)展；④井下控制系統(tǒng)的工作特點正在向高性能指標（如高溫、高壓、大容量、高傳輸速率等）、高可靠性、長工作壽命和強適應性方向發(fā)展；⑤井下控制技術與油氣勘探開發(fā)的結合將更加緊密，逐漸成為提高勘探發(fā)現(xiàn)率、開發(fā)采收率和單井產(chǎn)量的直接手段，目標是降低噸油成本。

6 結語

回顧井下控制工程學的提出背景和相關技術的發(fā)展過程，再一次說明了理論創(chuàng)新、技術創(chuàng)新的重要性、作用與價值。在需求引領和創(chuàng)新驅動下，通過相關學者的不斷努力，井下控制工程學這一學科分支必將日趨完善，井下控制技術也將成為有廣闊應用前景的高新技術，為石油井下工程乃至勘探和開發(fā)提供重要的技術支持和手段保證，從而產(chǎn)生較大的經(jīng)濟和社會效益，為提升中國石油工程技術的核心競爭力做出貢獻。