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        旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)及其控制方法研究進展

        2024-05-21 06:43:26孔錦煒
        石化技術(shù) 2024年3期
        關(guān)鍵詞:井眼鉆具鉆頭

        孔錦煒

        中國石油集團長城鉆探工程有限公司鉆井技術(shù)服務(wù)公司 遼寧 盤錦 124010

        旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術(shù)應用的目的是通過測量井眼軌跡,實現(xiàn)對井下鉆具的導向與控制,是一種能夠?qū)崿F(xiàn)井下定向和方位控制的新型井下工具。該技術(shù)可用于完井作業(yè),也可用于水平井、大斜度井的鉆井施工中。旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)由導向工具、井眼軌跡測量儀器和旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)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(zhuǎn);井眼軌跡測量儀器主要包括測量裝置、數(shù)據(jù)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(zhuǎn)導向系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

        旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)的核心部件,是將鉆頭和井壁緊密結(jié)合在一起的構(gòu)件,同時也是旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)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(jié)合在一起,根據(jù)測量結(jié)果調(diào)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、實時監(jiān)控系統(tǒng)和控制軟件等,主要用于將鉆井儀器測量到的井眼軌跡數(shù)據(jù)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(jiān)測、控制和管理的需要,是旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)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(shù)據(jù),同時對井下工具進行控制。

        地面設(shè)備:是旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)中的輔助設(shè)備,包括鉆機、測斜儀、測量工具等。

        2 旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)控制類型

        2.1 靜態(tài)推靠式

        靜態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)在鉆進過程中通過施加扭矩來控制導向鉆頭,并根據(jù)鉆進軌跡實時地調(diào)整鉆井液的流動方向和速度,從而使鉆頭始終沿著設(shè)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(xiàn)鉆井過程中的自動糾偏功能[2]。

        2.2 動態(tài)推靠式

        被動推靠式旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng),當井眼在主動推靠式旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)的前方一定距離處,主動鉆桿產(chǎn)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(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)的后方一定距離處,主動鉆桿產(chǎn)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(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)的后方一定距離處,主動鉆桿產(chǎn)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(tài)。

        2.3 靜態(tài)指向式

        在靜態(tài)指向式控制中,轉(zhuǎn)位機構(gòu)一般采用固定轉(zhuǎn)位機構(gòu)或者隨動機構(gòu)。固定轉(zhuǎn)位機構(gòu)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低,但其存在機械傳動精度較差、轉(zhuǎn)位精度難以保證等問題;隨動機構(gòu)的優(yōu)點是可以實現(xiàn)機械傳動與電子控制相結(jié)合,可實現(xiàn)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(tài)指向式

        動態(tài)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(qū)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(qū)動控制以及基于振動傳感器反饋的被動振動驅(qū)動控制。

        2.5 混合式

        混合式控制方式是在傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)基礎(chǔ)上,通過增加一個隨動控制模塊,實現(xiàn)了與地面系統(tǒng)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(qū)動器構(gòu)成,前者負責接收井筒中的力信號,并將其轉(zhuǎn)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(fā)送指令信號,以調(diào)節(jié)井筒中的力平衡。與傳統(tǒng)的隨動控制方式相比,混合式的優(yōu)勢在于能夠解決傳統(tǒng)隨動控制系統(tǒng)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(xiàn)的井斜和方位變化引起的偏差問題[4]。

        3 旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)控制策略進展

        3.1 現(xiàn)代控制

        (1)自動控制是根據(jù)實際情況的需要,選擇適當?shù)妮斎?、輸出變量,在給定條件下實現(xiàn)目標的自動控制。自動控制是在被控對象中,根據(jù)被控對象的性能指標,用預先設(shè)計的控制器對系統(tǒng)進行控制,以實現(xiàn)系統(tǒng)的性能要求。自動控制的主要優(yōu)點是:能連續(xù)地、穩(wěn)定地實現(xiàn)目標;能夠克服系統(tǒng)中存在的不確定性和時變性;可以較好地適應系統(tǒng)中存在的各種干擾。

        (2)狀態(tài)反饋是對系統(tǒng)中可能存在的不確定因素(干擾)或不穩(wěn)定因素進行估計和補償,從而提高系統(tǒng)性能的一種控制策略。狀態(tài)反饋控制的優(yōu)點是:不需要建立精確的數(shù)學模型,不受被控系統(tǒng)的物理限制,對復雜的系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)對輸出的校正。輸出反饋控制的優(yōu)點是:克服了狀態(tài)反饋控制的不確定和時變性,提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性;可以實時地調(diào)整控制參數(shù),適應系統(tǒng)的變化;克服了傳統(tǒng)控制方法中采用“純滯后”環(huán)節(jié)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(chǔ)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(jù)系統(tǒng)輸入信息自動調(diào)整控制參數(shù)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(yōu)勢。智能控制不依賴于系統(tǒng)模型,根據(jù)實際輸入和輸出數(shù)據(jù)來辨識系統(tǒng)的性能,從而調(diào)整控制器參數(shù),以獲得最優(yōu)的控制效果。在實際應用中,智能控制經(jīng)常被用于復雜控制系統(tǒng),例如機器人、伺服控制器等。在旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)中也可以用來提高旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)的性能[5]。

        3.3 復合控制

        復合控制是在智能控制的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型控制策略。它不僅能夠提高旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)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(chǔ)上發(fā)展起來的,其原理是:通過設(shè)計輸出反饋控制器,利用反步控制器提高旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)的抗干擾能力,再利用前饋控制器來提高旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)的響應速度;通過設(shè)計反饋控制器,對輸入信息進行補償和校正,進而提高旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)的輸出信號質(zhì)量;利用設(shè)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(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)的抗擾動能力。

        4 我國未來旋轉(zhuǎn)導向技術(shù)的發(fā)展方向

        4.1 完善現(xiàn)有的推靠式和指向式系統(tǒng),落實導向技術(shù)、雙向通信、井下閉環(huán)控制

        國外的旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)在導向技術(shù)、雙向通信、井下閉環(huán)控制等方面已經(jīng)非常成熟,而國內(nèi)的旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)在導向技術(shù)面還存在著一定差距。國外的旋轉(zhuǎn)導向技術(shù)在導向力的設(shè)計和控制上,為了實現(xiàn)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(nèi)的旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)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(shè)計鉆頭與井壁之間的距離。因此,提高旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)導向力計算方法和導向能力是我國旋轉(zhuǎn)導向技術(shù)未來發(fā)展的關(guān)鍵。

        4.2 開展混合式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)地面監(jiān)控,構(gòu)建雙向通訊、隨鉆測量子系統(tǒng)

        井下閉環(huán)控制的核心是控制系統(tǒng)的地面監(jiān)控,由于井下復雜多變的工作環(huán)境以及傳感器信號的非平穩(wěn)性,地面監(jiān)控系統(tǒng)與井下反饋系統(tǒng)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(zhuǎn)導向控制器工作狀態(tài)、控制命令等。(2)井下儀器采集到的現(xiàn)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(shù)據(jù)進行實時分析,通過數(shù)據(jù)對比及時發(fā)現(xiàn)問題,對現(xiàn)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(tǒng)的關(guān)鍵,其核心是隨鉆測量子系統(tǒng),通過井下儀器實時傳輸?shù)男畔Φ孛婵刂葡到y(tǒng)進行修正,保證井下軌跡與地面控制系統(tǒng)保持一致,因此開展隨鉆測量子系統(tǒng)研究,對保證旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術(shù)在復雜地層中的應用具有重要意義。

        4.3 針對鉆井環(huán)境多樣化,控制能力精細化和控制需求智能化等諸多挑戰(zhàn)

        為適應鉆井環(huán)境多樣化,實時、準確、精細地控制井下鉆具組合,必須實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)與隨鉆測井系統(tǒng)的一體化集成設(shè)計。但由于鉆井過程中井眼軌跡不規(guī)則,隨鉆測井系統(tǒng)測量的井下信息有限,導致旋轉(zhuǎn)導向控制技術(shù)應用存在諸多困難。(1)由于鉆井環(huán)境的多變性,導致現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)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(huán)境下的非線性耦合動態(tài)井眼軌跡控制問題。(2)鉆井過程中井眼軌跡不規(guī)則,導致現(xiàn)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(zhì)條件下的井眼軌跡控制技術(shù)[6]。

        5 結(jié)束語

        旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)控制技術(shù)是整個鉆井過程中最復雜的環(huán)節(jié)之一,也是難度最大的環(huán)節(jié)之一。要實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)的控制,必須首先要了解其工作原理和基本結(jié)構(gòu)。目前,我國在該領(lǐng)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(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)控制方法主要集中在基本理論研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)上,缺乏基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)和標準規(guī)范體系;②現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)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(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)在理論研究方面已經(jīng)取得了很大進步,但在產(chǎn)品應用方面仍存在著較大差距。④我國旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)在國外具有一定的研究基礎(chǔ),但在設(shè)計制造、數(shù)據(jù)處理、工程應用等方面還存在著較大差距。

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