黎 偉，牟 磊，周賢成，譚先輝，付 權

(1.西南石油大學 機電工程學院，四川 成都 610500；2.石油天然氣裝備教育部重點實驗室，四川 成都 610500)

近年來我國油氣資源開發(fā)進入“非常規(guī)時代”[1]，相比于常規(guī)油氣資源，非常規(guī)油氣(如：頁巖氣、煤層氣等)開采存在環(huán)境更惡劣、井眼質(zhì)量要求更高等問題[2]，常規(guī)的定向鉆井技術和設備難以解決上述問題，旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術作為新興的定向鉆井技術具有高可靠性、高造斜和高井眼質(zhì)量等特點[3]。

旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)(Rotary Steerable System，RSS)是20 世紀90 年代作為替代泥漿馬達研發(fā)的一種新型自動化定向鉆井技術，主要由地面監(jiān)測系統(tǒng)、雙向通信系統(tǒng)和井底鉆具組合(Bottom Hole Assemble，BHA)組成[4]。目前，以斯倫貝謝、貝克休斯、哈里伯頓為首的油服公司相繼開發(fā)了自己的RSS 技術，已發(fā)展為推靠式、指向式、混合式3 大類系統(tǒng)。推靠式作為最早的旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)，能夠出色完成大多數(shù)鉆井任務，但系統(tǒng)仍然存在幾個難以忽略的問題。例如：導向翼肋會引起沖擊和劇烈的扭轉(zhuǎn)振動，甚至可能引起螺旋井眼，使后續(xù)固井和完井變得困難[5]。指向式作為替代推靠式推出的產(chǎn)品，有效解決了上述問題，但因其獨特的導向方式，使其導向性偏低，并且對心軸和偏心環(huán)磨損嚴重，材料性能要求苛刻[6]?；旌鲜骄C合了推靠式和指向式的優(yōu)點，具有高造斜率、高控制精度等特點[7]。我國相關技術鮮有報道，除推靠式取得了一定成果外，指向式和混合式大都處于理論研究狀態(tài)。控制系統(tǒng)設計對于RSS 來說至關重要，好的控制系統(tǒng)設計和優(yōu)秀的控制策略應用，能夠提供更為精準的鉆具姿態(tài)和井眼軌跡控制。但是隨著RSS 新概念、新需求、新方案的出現(xiàn)，給控制系統(tǒng)設計帶來了新挑戰(zhàn)。如RSS 控制不僅需要考慮RSS 存在的大不確定性、強非線性等[8]，還需要具有一定的自適應能力，隨著控制理論與智能技術的發(fā)展，新的控制方案也在不斷衍生，如滑?？刂?、自適應容錯控制、性能預設控制等控制理論與狀態(tài)觀測器、干擾觀測器等的綜合應用，人工神經(jīng)網(wǎng)絡、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡與控制理論的結合應用，先進機器學習算法在RSS 控制中的探討等內(nèi)容都值得進一步分析、總結和展望。

隨著我國非常規(guī)油氣的深入開采，研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的RSS 及其控制技術已迫在眉睫?；趪鴥?nèi)外文獻分析，從結構、分類和定向原理分析RSS 國內(nèi)外相關技術的研究現(xiàn)狀及特點，并對相關控制技術發(fā)展進行了討論，為RSS 裝備及其控制技術的深入研究提供借鑒。

1 旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)

RSS 作為替代泥漿馬達和滑動鉆井的新型自動化鉆井技術，是定向鉆井技術中一顆閃耀的明珠。為了全面理解RSS 及其控制方法，收集了2013-2022 年有關旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)及其控制方法的文獻數(shù)據(jù)(圖1)。圖1a 顯示了2013-2022 年已發(fā)表的有關旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)及其控制方法的文獻，文章數(shù)量增長速度較為緩慢。圖1b 列出了該領域活躍的國家或地區(qū)，其中中國、美國、俄羅斯位居前三。圖1c 展示了旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)相關作品的主要來源。圖1d 列出了該研究領域發(fā)表論文的頂尖大學或研究機構。圖1e 顯示了該領域頂尖學者的發(fā)文量。圖1f 展示了該研究方向在能源和控制領域知名期刊發(fā)文量。這些文章來自Web of Science 和Google Scholar 數(shù)據(jù)庫，重點關注旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)、井眼軌跡控制、RSS 控制方法等關鍵概念。通過分析這些文獻和相關的全球市場，更好地了解旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)及其控制方法發(fā)展現(xiàn)狀，附錄A 展示了2021年全球市場上可用RSS 技術。

1.1 基本結構和分類

RSS 主要由地面監(jiān)控中心、雙向通信系統(tǒng)、隨鉆測井(Logging While Drilling，LWD)/隨鉆測量(Measurement While Drilling，MWD)、導向裝置、控制單元與穩(wěn)定平臺組成[4]，如圖2 所示?！吧闲型ㄐ艡C構”和“下行通信機構”形成了雙向通信系統(tǒng)，“上行”將井下測量參數(shù)上傳至地面監(jiān)測中心；“下行”則是將工程師決策下放給井下工具實時控制其工作狀態(tài)[9]。隨鉆測井利用近鉆處的多個傳感器測量井眼周圍地質(zhì)構造，并通過泥漿脈沖信號等方式將實時地層信息傳輸至地面。MWD 用于獲取壓力、溫度、傾角和方位角等鉆井參數(shù)，以確保按預定軌跡鉆進。導向裝置是實現(xiàn)鉆井軌跡控制的關鍵，通常由偏置裝置、偏心穩(wěn)定器組成[10]?？刂茊卧荝SS 的“大腦”，偏置裝置是RSS的“執(zhí)行器”[11]。偏置裝置依靠導向翼肋或偏心環(huán)實現(xiàn)導向。穩(wěn)定平臺主要由兩臺渦輪發(fā)電機、電控單元、上下盤閥組成[12]。兩臺渦輪發(fā)電機是通過將泥漿勢能轉(zhuǎn)換為電能，為電控單元提供動力。電控單元位于兩個渦輪發(fā)電機之間，采用線加速計測量工具面角和偏差角。

圖2 RSS 定向鉆井系統(tǒng)主要組件Fig.2 Main components of RSS

RSS 可綜合分為：靜態(tài)推靠式、動態(tài)推靠式、靜態(tài)指向式、動態(tài)指向式和混合式[13]。RSS 根據(jù)不同的定向原理劃分為指向式、推靠式和混合式。指向式是通過偏心環(huán)直接或間接使心軸彎曲偏離井眼軸線實現(xiàn)導向，推靠式則是在近鉆處加入偏置裝置，直接為鉆頭施加側向力完成導向功能，原理如圖3 所示?；旌鲜讲捎脧秃鲜浇Y構，利用導向扶正套實現(xiàn)導向。根據(jù)偏置單元不同的工作方式，RSS 可劃分為靜態(tài)偏置和動態(tài)偏置，靜態(tài)偏置是指導向時偏置單元不隨鉆柱旋轉(zhuǎn)，僅在某一固定位置提供側向力；動態(tài)偏置指偏置單元隨鉆柱旋轉(zhuǎn)，偏置裝置周期性為某一恒定方向提供側向力，如圖4 所示。

圖3 RSS 的指向原理Fig.3 Pointing principle of RSS

1.2 導向原理

旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)根據(jù)不同的分類標準可劃分為靜態(tài)推靠式、動態(tài)推靠式、靜態(tài)指向式、動態(tài)指向式、混合式這五類，以下分別介紹不同類型導向工具的導向原理。

1)靜態(tài)推靠式

靜態(tài)推靠式導向裝置主要由不旋轉(zhuǎn)套筒和旋轉(zhuǎn)心軸組成。心軸上部與鉆柱連接，下部與鉆頭相連，用于傳遞鉆壓和扭矩。不旋轉(zhuǎn)套筒通常連有3 個、4 個或6 個導向翼肋，其相位差分別為120°、90°和60°[14]。以貝克休斯公司的Auto-Trak G3 為例，其導向時液壓缸為導向翼肋施加推力作用于井壁，井壁對翼肋的反作用力的合力使鉆頭發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而控制鉆井軌跡[15]。當鉆頭傾角和方位角與預設一致時，導向翼肋保持恒定的伸縮長度，不再對井壁施加推力，井眼曲率不發(fā)生改變。

2)動態(tài)推靠式

與靜態(tài)推靠式不同，動態(tài)推靠式導向裝置隨鉆柱一起旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了全旋鉆進，以斯倫貝謝PowerDrive Orbit G2(圖5)為例，其導向裝置主要由穩(wěn)定器、偏置單元組成。在鉆進時控制器會調(diào)整上盤閥高壓孔位置，實現(xiàn)上下盤閥導通，在高壓鉆井液的作用下導向翼肋朝設定方向依次伸出，為鉆頭提供一個側向力實現(xiàn)導向。

圖5 PowerDrive Orbit G2 結構Fig.5 PowerDrive Orbit G2 structure

3)靜態(tài)指向式

靜態(tài)指向式由不旋轉(zhuǎn)外筒、偏置機構、旋轉(zhuǎn)心軸、懸臂軸承等組成。以Weatherford 公司的 Revolution 16 為例，其偏置機構安裝在不旋轉(zhuǎn)外筒內(nèi)，周向均布有12 列活塞，通過液壓驅(qū)動活塞推靠在外筒上的反作用力使心軸彎曲，并在靠近鉆頭處的穩(wěn)定器支撐下，使鉆頭偏轉(zhuǎn)實現(xiàn)導向。

4)動態(tài)指向式

動態(tài)指向式實現(xiàn)了與井壁無接觸的“全旋轉(zhuǎn)”導向鉆進。以斯倫貝謝的Power Drive Xceed 為例，系統(tǒng)包括機械外殼、萬向節(jié)套筒、旋轉(zhuǎn)心軸以及鉆頭短節(jié)，導向時電機帶動鉆頭短節(jié)以萬向節(jié)為支點實現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，使得鉆頭可以指向任何一個方向。

5)混合式

混合式創(chuàng)新性地將推靠式和指向式的導向原理融合在一起。以PowerDrive Archer 為例，其通過導向扶正套內(nèi)置的4 個推靠襯墊推動鉆頭偏轉(zhuǎn)[16]，并以萬向節(jié)為支點實現(xiàn)360°自由指向和旋轉(zhuǎn)[17]。其推靠襯墊設計靈感來自動態(tài)推靠式PowerDrive X6，導向扶正套則源自動態(tài)指向式PowerDrive Xceed[18]。

2 旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

第一個商用RSS 為推靠式RSS[19]。RSS 早期產(chǎn)品大多屬于推靠式類型，如斯倫貝謝公司的Power-Drive SRD、貝克休斯公司的Auto-Trak RCL 等。推靠式RSS 雖然能夠出色完成大多數(shù)鉆井任務，但系統(tǒng)仍然存在幾個難以忽略的問題。為解決這些難題，開發(fā)了以斯倫貝謝公司的PowerDrive Xceed 和哈里伯頓公司的GeoPilot 為代表的指向式RSS。為獲取更高效的導向性能，斯倫貝謝創(chuàng)新性 結合了推靠式和指向式的優(yōu)點開發(fā)出更為先進的混合式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)Power-Drive Archer。近些年隨著人工智能的發(fā)展，人工智能技術與旋轉(zhuǎn)導向技術的結合越來越成熟，2018 年哈里伯頓推出第一款智能旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)iCruise。為更好地了解旋轉(zhuǎn)導向技術的發(fā)展現(xiàn)狀，表1 總結了各大油服公司RSS 目前所用先進技術。

表1 旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)先進技術分析Table 1 Advanced technology analysis of rotary steerable system

2.1 推靠式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)發(fā)展概述

國外靜態(tài)推靠式、動態(tài)推靠式等技術相對成熟，形成系列化，規(guī)模應用，新式產(chǎn)品多為動態(tài)推靠式，最高鉆速突破400 r/min，最高鉆壓160 kN，抗溫能力150℃，部分突破200℃(表2)；新型動態(tài)式導向機構創(chuàng)新不斷；各類BHA 優(yōu)化工具、測量儀器、減震工具、高性能鉆井電機、新型切削齒及鉆頭產(chǎn)品層出不窮，鉆井提速、鉆井優(yōu)化技術、自主鉆井系統(tǒng)等技術成熟，規(guī)模應用；具備專家系統(tǒng)遠程操作；超高溫旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)(PowerDrive ICE)、創(chuàng)新型BHA 工具(OrientXpress?RSS[28])，實現(xiàn)產(chǎn)品化。

表2 推靠式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)國內(nèi)外對標分析Table 2 Domestic and foreign benchmarking analysis of push-the-bit type rotary steerable system

國內(nèi)打破國外技術封鎖，基本滿足商業(yè)化需求，Welleader 和CG STEER 的研制成功[29-30]，一舉改變國內(nèi)長期“依賴進口、受制于人”的局面，實現(xiàn)了國產(chǎn)旋轉(zhuǎn)地質(zhì)導向鉆井系統(tǒng)替代進口、邁向工業(yè)應用的歷史跨越[31]，形成650 和950 系列，造斜率突破12.5(°)/30 m，耐溫150℃，耐壓150 MPa，組件國產(chǎn)率95.8%，儲層鉆遇率98%以上，技術接近當前國際水平。在導向控制、近鉆測量、機械鉆速等技術媲美國際先進水平；基本形成系列化設計與制造能力；地面監(jiān)控、雙向通信、隨鉆測量和井下旋轉(zhuǎn)導向工具等4大子系統(tǒng)[32]獲得突破性進展。

對標分析：國產(chǎn)推靠式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)Welleader、CG STEER 打破國外封鎖，基本滿足商業(yè)化，在地面監(jiān)控、雙向通信、隨鉆測量和井下旋轉(zhuǎn)導向工具等4 大子系統(tǒng)關鍵技術基本掌握；近鉆測量、導向控制、機械鉆速媲美進口；常規(guī)破巖工具種類齊全，高性能鉆頭、鉆井電機依賴進口；造斜率、耐溫、耐壓等方面存在差距；在導向技術、控制系統(tǒng)、導向裝置的研究、隨鉆測量、穩(wěn)定性、材料強度和密封性等方面差距明顯；工具自動化、集成化和智能化程度低；鉆井優(yōu)化、通訊技術、減震工具嚴重不足。

2.2 指向式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)概述

國外：動態(tài)指向式、靜態(tài)指向式工具種類齊全、性能可靠，形成系列化生產(chǎn)，規(guī)模應用(表3)，最大造斜率15(°)/30 m，最大鉆速400 r/min，耐溫150℃，部分突破175℃；先進導向技術，破巖與提速技術，自動控制技術等技術在指向式系統(tǒng)成熟應用；耐高溫，耐腐蝕，耐磨材料，新式軸承，導向機構等技術取得突破性進展；工具智能化，集成化和自動化程度高，適用于多種惡劣工況。

表3 指向式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)國內(nèi)外對標分析Table 3 Domestic and foreign benchmarking analysis of point-the-bit type rotary steerable system

國內(nèi)：各類實驗樣機層出不窮，大都處于實驗研究，無法滿足工業(yè)需求。在導向裝置上取得不錯成果，如行星輪結構、雙對頂滑塊斜面機構、雙偏心環(huán)結構等；工具穩(wěn)定性、運動學特征、導向原理、控制技術、BHA 力學特性等方面也取得階段性突破。中國石油集團長城鉆探工程有限公司的GW 指向式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)，為我國首套具有自主知識產(chǎn)權的指向式旋轉(zhuǎn)導向。GW 現(xiàn)場實驗中，成功地實現(xiàn)了增斜、穩(wěn)斜、降斜和扭方位等功能，累計進尺達158 m，平均造斜率7.14(°)/30 m，最大造斜率11.09(°)/30 m，指令下傳成功率100%[33]，地面監(jiān)控、雙向通訊、隨鉆測量和BHA等 4 大模塊運行狀況良好，滿足工業(yè)要求，標志著我國指向式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)從設計制造到實驗的階段性跨越。

對標分析：現(xiàn)有樣機僅滿足基本工業(yè)要求，無法滿足商業(yè)化需求，不具備系列化設計與制造能力，工業(yè)應用依賴進口；GW 相比國外先進產(chǎn)品差距明顯，造斜率、機械鉆速偏低；導向裝置、控制系統(tǒng)、雙向通信等存在明顯差距；自動化、集成化、智能化程度偏低；工具穩(wěn)定性、壽命、可靠性還需驗證；在導向原理、結構設計、導向技術、井下閉環(huán)控制、通信技術等關鍵技術還需要進一步攻克。

2.3 混合式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)概述

目前，各大油服公司都在攻克混合式旋轉(zhuǎn)導向技術，僅斯倫貝謝一家公司完全掌握(PowerDrive Archer)，形成了475、675 兩個系列，造斜率18(°)/30 m，最大鉆速350 r/min，耐溫150℃，是造斜率最高的旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)。它綜合了PowerDrive X6 和PowerDrive Xceed 的全部優(yōu)點，繼承了斯倫貝謝所有的先進技術，具有高造斜率、高可靠性、控制精度高、全旋轉(zhuǎn)等特點。國內(nèi)沒有形成相關實驗樣機，僅部分學者對導向機構、導向原理、造斜率、運動學特征等方向進行理論研究。

3 RSS 控制技術研究進展

RSS 是一種非線性系統(tǒng)，對其精確控制是復雜且困難的，因為它涉及到許多強非線性、時變、滯后和其他未知干擾因素[8]。多數(shù)RSS 的控制系統(tǒng)通常采用雙閉環(huán)結構[13]，如圖6 所示。內(nèi)環(huán)通常主要由MWD、井下控制器、偏心穩(wěn)定器、鉆頭和近鉆頭傾角、方位角傳感器組成。外環(huán)主要由內(nèi)環(huán)和地面監(jiān)測中心組成。一般情況下，內(nèi)環(huán)根據(jù)預定程序自動控制井下工具，外環(huán)主要由工程師發(fā)出指令來實時控制整個鉆井系統(tǒng)。近鉆頭傾角和方位角傳感器是內(nèi)環(huán)主要測量單元，用于實時測量鉆井軌跡并將其傳輸給井下控制器。井下控制器將實際鉆井軌跡與理想井眼軌跡進行比較，并計算兩者之間的誤差。根據(jù)這一誤差，井下控制器根據(jù)預定程序?qū)崟r調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出，以控制“執(zhí)行器”的傾角、方位角和速率。同時，MWD 將傳感器所測鉆井參數(shù)轉(zhuǎn)化為泥漿脈沖信號傳回地面監(jiān)控中心。地面處理系統(tǒng)由工程師根據(jù)鉆井參數(shù)制定決策，當鉆井偏離預定軌跡時，直接向井下控制器發(fā)出高優(yōu)先級控制指令對其實時控制。

圖6 典型的RSS 控制體系Fig.6 Typical RSS control system

3.1 現(xiàn)代控制技術研究進展

現(xiàn)代控制方法是以狀態(tài)空間法為基礎，采用魯棒控制、最優(yōu)控制、自適應控制、滑模控制等[34]方法去解決復雜多變時變系統(tǒng)，類似于RSS 的井眼軌跡控制和工具面姿態(tài)控制等。

為獲取更好的鉆具姿態(tài)控制，蔡振等[35]提出了一種雙PI 姿態(tài)控制器，分別控制姿態(tài)傾角和方位角，姿態(tài)響應得到改善，姿態(tài)誤差減小，但未考慮測量延遲對系統(tǒng)性能影響；N.Panchal 等[36]結合恒定構建速率控制器(Constant Build Rate，CBR)，引入離散時間控制律等三種控制律，降低了測量延遲對系統(tǒng)性能影響；考慮到CBR 對輸入干擾和反饋延遲的魯棒性不足，I.J.Inyang 等[37]改進了CBR 控制器，設計一種Smith Predictor-CBR(SP-CBR) 控制器，提高了系統(tǒng)魯棒性；Wang Weiliang 等[38]則針對干擾和參數(shù)不確定性對姿態(tài)控制的影響，提出一種基于模型自抗擾控制(Model Active Disturbance Rejection Control，MADRC)三回路刀具控制方法，用負載轉(zhuǎn)矩估計器和外殼轉(zhuǎn)速估計器獲取外部干擾，與傳統(tǒng)的自抗擾控制器和比例積分控制器相比MADRC 有更好的性能和抗干擾能力；M.T.Bayliss[39-40]等提出最佳H∞控制器和線性二次高斯控制器分析了極點配置在非結構化和結構化不確定性上的魯棒穩(wěn)定性，但這些控制器設計較為困難，且對控制精度要求高。

針對未知干擾、不確定性和時滯等因素給控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和魯棒性帶來的挑戰(zhàn)，Sun Hui 等[41]結合狀態(tài)觀測器和自適應律，提出了一種基于有限銳度零質(zhì)量(Explicit Force,Finitely Sharp,Zero Mass，EFFSZM)模型的L1 自適應控制器，用于處理不確定性和干擾，但該控制器假設軌跡傾角和方位角可直接測量，M.V.Aksim 等[42]所提出速度梯度控制算法也存在同樣假設，并且還進一步假設雙向通訊無延遲；M.V.Aksim 等[43]引入高階滑模觀測器，生成井下動態(tài)變量和輸入擾動的理論估計，完全消除了直接測量假設，由于理論估計數(shù)據(jù)在地面生成，因此，通訊假設還未完全消除；I.J.Inyang 等[44]基于雙線性模型提出一種比例積分控制器，顯著減少了測量延遲、干擾和其他不確定性的不利影響。

井眼螺旋是危害井眼質(zhì)量和鉆具安全的一個主要因素，N.Wouw 等[45]和Cai Zhen 等[46]基于非線性延遲微分方程的三維井眼軌跡模型設計一種動態(tài)狀態(tài)反饋控制器，在確保穩(wěn)定生成復雜井眼軌跡同時避免了不必要的井眼螺旋；N.A.H.Kremers 等[47]將井眼演化過程轉(zhuǎn)化為軌跡跟蹤問題，提出一種基于觀測器的魯棒反饋控制器，有效減少了井眼螺旋，且對于參數(shù)不確定性和(重力引起的)擾動都具有良好的魯棒性；A.Georgiou 等[48]基于魯棒正不變(Robust Positive Invariant，RPI)集與魯棒模型預測控制(Robust Model Predictive Control，RMPC)結合的閉環(huán)反饋控制律，有效解決空間延遲、參數(shù)不確定性和干擾存在的軌跡跟蹤問題，實現(xiàn)軌跡跟蹤誤差最小化。

考慮到黏滑振動對RSS 控制性能的影響，M.A.Ahmoud 等[49]等提出了一種優(yōu)化黏滑振動、鉆頭磨損、鉆進參數(shù)的自適應實時優(yōu)化控制策略，用質(zhì)量彈簧系統(tǒng)來描述黏滑振動現(xiàn)象，以Bourgoyne 模型表示鉆頭磨損，減少了黏滑振動，降低了鉆頭磨損率；Zhang Yuantao 等[50]則提出了一種自適應二階滑膜(Second Sliding Mode，SOSM)控制策略，引入自適應控制律克服了不確定性上界未知的限制，SOSM 控制器消除了輸入抖振，同時保證良好的控制性能和魯棒性。

綜上，自適應控制的優(yōu)勢在于處理RSS 的參數(shù)不確定性，這也是RSS 控制中所面臨的主要問題之一，另外，因為自適應控制具有強大的在線估計能力，也可用于RSS 的參數(shù)辨識、故障檢測與處理；魯棒控制特別適用于穩(wěn)定性和可靠性要求高的系統(tǒng)，因其一般系統(tǒng)難以實現(xiàn)最優(yōu)工作狀態(tài)、穩(wěn)態(tài)精度差等缺點在RSS姿態(tài)控制中的應用也比較謹慎；自抗擾控制技術因其不依賴準確的數(shù)學模型和可拓展性強等特點，在RSS控制中應用廣泛，但對參數(shù)整定復雜、穩(wěn)定性分析難度大等問題還需要進一步研究；滑?？刂谱兘Y構控制不受系統(tǒng)的外界擾動和內(nèi)在攝動影響，處理不確定性系統(tǒng)具有良好的魯棒性等優(yōu)點，在RSS 控制中也備受青睞，但傳統(tǒng)SMC 抖振抑制和控制精度不可兼得，高階滑?？刂瞥蔀榻甑难芯繜狳c，還有許多優(yōu)秀的現(xiàn)代控制方法(如：反步控制[51-52]等)在RSS 控制領域都取得良好的應用效果，本文篇幅有限就不一一贅述。

3.2 智能控制技術研究進展

智能控制是基于人工智能、模糊集理論、運籌學和控制論相關方法，設計具有自主學習、抽象、推理、決策能力的智能體，并根據(jù)所在環(huán)境做出自適應動作以完成相關任務[53]。它集神經(jīng)網(wǎng)絡、機器學習、專家系統(tǒng)和進化計算等多種智能計算方法優(yōu)點于一身[54]。智能控制方法非常適合解決復雜和不確定系統(tǒng)的控制問題，如RSS。

利用模糊(Fuzzy)推理理論在線調(diào)整PID 控制器參數(shù)的能力，陳蘇等[55]提出了一種Fuzzy-PID 自適應控制算法，以鉆井液壓泵的液壓輸出作為反饋參量，通過控制液壓的壓力反饋直接控制整個鉆井液壓系統(tǒng)的壓力輸出；Duan Zhengyong 等[56]提出了一種適用于調(diào)制式RSS(Modulated Rotary Steering System，MRST)穩(wěn)定平臺的模糊自適應PI 變阻尼控制方法，可根據(jù)系統(tǒng)的響應在線調(diào)節(jié)控制器的控制參數(shù)，很好地適應了MRST 的非線性和時變不確定性，具有較好的魯棒性和穩(wěn)定性；基于強化學習中的AC(Actor-Critic)框架，Zhang Chi 等[57]引入利用徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡 (Radial Basis Function Neural Networks，RBFNN)和自適應動態(tài)規(guī)劃(Adaptive Dynamic Programming，ADP)構成在線迭代actor-critic RL 控制器，利用其動作函數(shù)(actor)和值函數(shù)(critic)的近似特性消除高頻振蕩，在此基礎上加入基于區(qū)間2 型模糊邏輯控制(Interval Type-2 Fuzzy Logic Control，IT2FLC)控制器消除系統(tǒng)非線性和不確定性，為進一步優(yōu)化控制效果采用一階數(shù)字低通濾波器(Low-Pass Filters，LPF)來降低控制輸出中的高頻噪聲，實現(xiàn)了井眼軌跡的精確跟蹤，消除了高頻振蕩；Ke Chong 等[58]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(Neural Networks，NN)來近似代價函數(shù)的梯度以獲得最優(yōu)控制輸入，構造了基于單神經(jīng)元自適應批評雙啟發(fā)式規(guī)劃(Single-Neuron Adaptive Critic Dual-Heuristic Programming，SNAC-DHP)控制器，該方法的優(yōu)點在于計算成本取決于神經(jīng)網(wǎng)絡的收斂性，而不是系統(tǒng)維數(shù)，克服了高維系統(tǒng)最優(yōu)控制的“維度魔咒”，消除了軸向和扭轉(zhuǎn)兩個維度振動，提高了系統(tǒng)的魯棒性。

綜上所述，隨著人工智能(AI)技術的快速發(fā)展，使得智能控制在RSS 這類復雜控制系統(tǒng)中具有廣闊的應用前景。主要表現(xiàn)在3 個方面：一是基于模糊理論和神經(jīng)網(wǎng)絡的智能控制器設計，如T-S 模糊控制器，actor-critic RL 控制器等；二是基于現(xiàn)代控制理論和AI 技術相結合的智能控制方法，如Fuzzy-PID 自適應控制，模糊自適應PI 變阻尼控制等；三是將人工智能領域新成果引入RSS 控制系統(tǒng)設計中。

3.3 復合控制技術研究進展

不同于現(xiàn)代控制策略和智能策略的單種控制方法，復合控制方法綜合兩種或兩種以上控制方法，避免了單種控制方法的不足以此獲得更好的性能。

為減輕黏滑振動對RSS 的影響，F(xiàn).Abdulgalil[59]設計了一種基于滑?？刂频腜ID 控制器，該控制器由輸入狀態(tài)控制器和滑模控制器相結合，以鉆頭角速度誤差作為滑模面，有效消除了黏滑振動保證了系統(tǒng)魯棒性；霍愛清等[60]提出了一種基于RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡的自適應滑膜變結構控制，通過RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡調(diào)節(jié)網(wǎng)絡閾值和減少網(wǎng)絡規(guī)模，并利用滑膜控制增強系統(tǒng)魯棒性，相比傳統(tǒng)滑膜控制該控制策略有更高的控制器精度，控制器設計難度更小，但也存在著硬件難以實現(xiàn)、軟件難以保證實時性等問題；基于強化學習中的actorcritic (AC)框架，Zhang Chi 等[61]引入積分滑模控制(Integral Sliding Mode Control，ISMC)消除系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障信號(執(zhí)行機構故障、傳感器故障以及組件故障等)，組成自適應容錯控制(Adaptive Fault-Tolerant Control，AFTC)策略，通過actor-critic RL 和徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(RBFNN)設計了一個在線學習框架，使RSS 能夠準確、平穩(wěn)跟蹤預定軌跡。

復合控制綜合了兩種或兩種以上的控制方法，具有極強的可擴展性和適應性等特點。但在如何實現(xiàn)多種控制方法的有效結合，充分發(fā)揮多種控制方法優(yōu)點的同時有效避免各自缺陷，以及相應控制器的設計等方面還需要進一步研究。

綜上所述，本文分析的幾類控制方法具有不同的優(yōu)缺點見表4。對于不同的系統(tǒng)應該綜合各類方案的優(yōu)點，靈活運用不同方案。

表4 文中綜述的幾類控制方法比較Table 4 Comparison of several control methods summarized in this paper

4 RSS 及其控制技術思考與展望

針對RSS 的發(fā)展現(xiàn)狀，對中國未來RSS 發(fā)展提出以下建議。

(1)開展推靠式和指向式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)優(yōu)化及相關技術研究。未來鉆井任務將面臨井深更深，狗腿度更大，井眼質(zhì)量要求更高的特點，這些因素將對RSS的設計和完善帶來更大的挑戰(zhàn)。因此，應該先完善現(xiàn)有推靠式和指向式系統(tǒng)，形成系列化設計與制造能力；對地面監(jiān)測系統(tǒng)、雙向通訊系統(tǒng)和BHA(特別是導向機構)進行優(yōu)化，提升系統(tǒng)造斜率、穩(wěn)定性、自動化、智能化程度以及BHA 密封性能等；開展導向技術、雙向通訊、井下閉環(huán)控制、MWD/LWD 和井眼軌跡控制等配套技術的研究，進一步提升我國推靠式和指向式系統(tǒng)的工業(yè)化應用能力；以及加大對耐高溫、耐腐蝕、耐磨損材料的研發(fā)。

(2)開展混合式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)的基礎理論研究。對混合式而言則應該注重導向原理、結構特征、井底鉆具組合力學分析、井下閉環(huán)鉆井系統(tǒng)和井眼軌跡制導等技術的理論研究，同時開展對地面監(jiān)控、雙向通訊、隨鉆測量和導向機構4 大子系統(tǒng)的研制，爭取早日產(chǎn)出實驗樣機，實現(xiàn)從原理設計到實驗的多級跨越。

近年來，RSS 的發(fā)展呈現(xiàn)出自身結構集成化、鉆井任務多樣化、控制能力精細化、控制需求智能化等特點，進而對控制系統(tǒng)能力提出了新挑戰(zhàn)，可以歸納為以下幾點。

(1) RSS 鉆井時出現(xiàn)的黏滑振動、多干擾、大不確定性、強非線性和建模難等問題尤為突出。開展高階滑?？刂频难芯?、設計以自抗擾控制技術為核心的控制算法、建立能“容忍”或處理不確定性的控制系統(tǒng)、從現(xiàn)代控制理論出發(fā)結合智能控制建立新的非線性控制策略或者改進現(xiàn)有的線性控制方案、根據(jù)控制要求合理簡化動力學模型是有效解決以上難點的有效方法之一。

(2) RSS 是一類系統(tǒng)構成復雜、鉆井環(huán)境復雜、鉆井任務跨度大的鉆井工具，極易出現(xiàn)突發(fā)故障，因此對具有故障診斷和容錯能力的控制方案需求逐漸凸顯。因此，提高RSS 故障檢測、診斷能力，對故障部件進行重構；利用控制器的魯棒性或通過引入故障信號的檢測機制來確定故障發(fā)生的位置和程度，進而對控制參數(shù)進行自適應調(diào)整，都是來克服執(zhí)行機構失效的有效方案。

(3) 現(xiàn)有的控制方法大多依賴已知的數(shù)學模型，存在模型設計難度大、適應性不足、應變與容錯能力弱等問題，難以適應環(huán)境與構型的復雜多變。因此，有必要研究基于人工智能理論的智能控制方法，以此來減少對模型的依賴性，依托機器學習、預測模型學習等在線學習手段提高控制系統(tǒng)學習能力和適應性，進一步提高控制效果。

5 結語

回顧過去，我國RSS 從結構特征、井底鉆具組合力學分析、井下閉環(huán)控制和井眼軌跡制導技術等基礎理論出發(fā)，走過了近30 年的不平凡發(fā)展歷程。目前，推靠式RSS(Welleader 和CG STEER)在導向控制、近鉆測量、機械鉆速等技術媲美國際先進水平，指向式打破國外封鎖，GW 成為我國首套具有自主知識產(chǎn)權的指向式RSS。對控制系統(tǒng)而言，多以滑?？刂啤⒆赃m應控制等現(xiàn)代控制方法在姿態(tài)控制、井眼軌跡跟蹤控制等方面的單一應用，總體處于發(fā)展階段，缺乏現(xiàn)場驗證。

展望未來，我國RSS 的技術進步，一方面需要完善推靠式和指向式系統(tǒng)，提升系統(tǒng)造斜率、穩(wěn)定性、自動化和智能化程度，另一方面需要進行導向技術、井下閉環(huán)控制、雙向通訊技術等相關配套技術研究，進一步提升系統(tǒng)的工業(yè)化應用能力，以及加快混合式RSS 地面監(jiān)控、雙向通訊、隨鉆測量和井底鉆具組合四大子系統(tǒng)的理論研究，爭取早日產(chǎn)出實驗樣機。對控制系統(tǒng)而言，RSS 控制系統(tǒng)設計應從3 個方面出發(fā)：多種控制方法相結合的協(xié)同控制，獲取更好的控制“綜合效益”、增強控制系統(tǒng)面對未知挑戰(zhàn)和復雜環(huán)境的自適應容錯能力和自主控制能力、采用基于智能技術的決策/控制一體化思路，進一步提升控制性能。

附錄A

表A1 2021 年全球市場上可用 RSS 技術