吳文晉，白玉新，程召江，李艷麗

(1.航天科技集團(tuán)第十八研究所 北京 100076;2.中石油西部鉆探工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院 新疆 克拉瑪依 834000;3.大慶第五采油廠 黑龍江 大慶 163000)

·開發(fā)設(shè)計(jì)·

垂直鉆井系統(tǒng)矢量控制糾斜算法設(shè)計(jì)*

吳文晉1，白玉新1，程召江2，李艷麗3

(1.航天科技集團(tuán)第十八研究所 北京 100076;2.中石油西部鉆探工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院 新疆 克拉瑪依 834000;3.大慶第五采油廠 黑龍江 大慶 163000)

傳統(tǒng)的垂直鉆井設(shè)備控制策略中，由于液壓分系統(tǒng)的限制，一般采用六位置控制策略,所以設(shè)備的控制合力指向角不能準(zhǔn)確指向高邊方向，控制精度難以滿足需求，易造成井眼軌跡螺旋化。為了克服六位置控制方式的不足，在液壓分系統(tǒng)輸出壓力可控條件下，提出了一種矢量控制方法；通過矢量分解得出每個(gè)液壓分系統(tǒng)需要輸出的分力，保證液壓機(jī)構(gòu)輸出的合力精確指向高邊方向，并討論了在液壓分系統(tǒng)輸出能力有限時(shí)合力指向的精度誤差。此方法克服了六位置控制算法不能精確導(dǎo)向的缺點(diǎn)；井下試驗(yàn)驗(yàn)證了控制算法的可行性和工作可靠性。

垂直鉆井系統(tǒng);矢量控制算法;六位置控制算法;導(dǎo)向力合力;合力指向角

0 引 言

隨著石油鉆探向更深、更偏遠(yuǎn)領(lǐng)域的拓展，鉆探成本不斷增加；高陡構(gòu)造、斷層、鹽層等地質(zhì)條件下，鉆井容易出現(xiàn)井斜角過大，嚴(yán)重影響鉆井效率[1]。垂直鉆井系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱垂鉆系統(tǒng))是一種具有主動(dòng)防斜能力的井下機(jī)電液一體化制設(shè)備，鉆進(jìn)過程中具有自動(dòng)控制井斜的作用，對(duì)于改善井眼質(zhì)量，提高機(jī)械鉆速具有積極作用[2，3]。

垂鉆系統(tǒng)按照其工作方式不同，可以分為推靠式和指向式。推靠式在導(dǎo)向過程中,導(dǎo)向塊伸出并推靠井壁產(chǎn)生側(cè)向力，控制鉆進(jìn)方向改變；指向式中導(dǎo)向塊的伸縮使近鉆頭處與鉆頭相連的旋轉(zhuǎn)鉆柱彎曲，使旋轉(zhuǎn)鉆柱的軸線和井眼軸線之間出現(xiàn)夾角，從而實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)方向改變[4]。

因?yàn)楣ぞ叩臋C(jī)械結(jié)構(gòu)不同，垂鉆糾斜策略的控制方式也不同。文獻(xiàn)[5]中孫峰等人介紹了捷聯(lián)式垂鉆設(shè)備及其動(dòng)態(tài)推靠式的控制原理和控制方法。文獻(xiàn)[6，7]對(duì)調(diào)制式導(dǎo)向設(shè)備的控制算法和導(dǎo)向力合成誤差進(jìn)行了詳細(xì)分析。但上述的捷聯(lián)式和調(diào)制式系統(tǒng)同靜態(tài)推靠式系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)有著本質(zhì)不同。文獻(xiàn)[8]中蘇義腦等人介紹了靜態(tài)推靠式垂鉆系統(tǒng)的控制方法，即傳統(tǒng)六位置控制方法。文獻(xiàn)[9]中介紹了一種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向用位移偏執(zhí)矢量控制算法，該方法已成功用于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井試驗(yàn)，該矢量算法導(dǎo)向原理類似于可控彎接頭，與本文提出的推靠式矢量方法有本質(zhì)不同。以下為靜態(tài)推靠式矢量控制算法原理與實(shí)現(xiàn)。

1 原有控制方法及不足

垂鉆工具測(cè)量的工程參數(shù)包括井斜角和高邊工具面角。井斜角反映了井眼軌跡的傾斜程度，高邊工具面角反映了推靠式垂鉆工具不旋轉(zhuǎn)外套的零位相對(duì)于高邊旋轉(zhuǎn)的角度。在原有的推靠式垂直鉆井工具中，一般采用六位置或八位置方式進(jìn)行糾斜控制[10]。六位置控制方式垂直鉆井工具中，液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般由三個(gè)或者四個(gè)導(dǎo)向塊和與導(dǎo)向塊配套的電磁閥組成，并配有一個(gè)電動(dòng)泵或其他形式的液壓泵作為液壓動(dòng)力源，如圖1所示。因?yàn)殡姶砰y只有開關(guān)兩種狀態(tài)，決定了液壓機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向塊只有伸出和縮回兩種工作方式，并且每個(gè)導(dǎo)向塊輸出的導(dǎo)向力恒定，不能調(diào)節(jié)輸出力的大小。

圖1 六位置控制方式的液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理圖

產(chǎn)品設(shè)計(jì)中常常將導(dǎo)向塊A位置設(shè)計(jì)成高邊工具面角零度，導(dǎo)向塊A、B、C順時(shí)針排布，如圖2所示。垂鉆設(shè)備以斜角作為控制對(duì)象，當(dāng)實(shí)測(cè)井斜角大于閾值時(shí)，對(duì)應(yīng)高邊工具面角的導(dǎo)向塊伸出，將工具向井斜角減小的方向推靠，改變工具鉆進(jìn)方向，從而實(shí)現(xiàn)糾斜的目的。以圖2為例，控制策略中高邊工具面角和導(dǎo)向塊之間的關(guān)系見表1。

由表1可知，合力指向角總有六種組合，因此稱為“六位置控制”，理論上最差情況下，合力指向角和高邊有30°的夾角。實(shí)際工況中，不旋轉(zhuǎn)外套和旋轉(zhuǎn)外套之間通過軸承連接，不可避免的存在不旋轉(zhuǎn)外套緩慢旋轉(zhuǎn)情況，并且系統(tǒng)進(jìn)行一次閉環(huán)運(yùn)算周期時(shí)間較長(zhǎng)，加劇了合力指向角和高邊工具面角間的不重合度，嚴(yán)重時(shí)造成井眼軌跡螺旋化。

圖2 三導(dǎo)向塊推靠式液壓模塊示意圖

高邊工具面角導(dǎo)向塊A導(dǎo)向塊B導(dǎo)向塊C合力指向角330°～30°伸出縮回縮回0°30°～90°伸出伸出縮回60°90°～150°縮回伸出縮回120°150°～210°縮回伸出伸出180°210°～270°縮回縮回伸出240°270°～330°伸出縮回伸出300°

2 矢量控制算法

為了克服六位置控制方法的不足，使得合力指向角精確指向高邊工具面角，需對(duì)推靠式垂鉆設(shè)備的液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造，改造后的液壓機(jī)構(gòu)單個(gè)導(dǎo)向塊的輸出導(dǎo)向力可控。在垂鉆工具導(dǎo)向塊排列上，仍然采用和六位置控制方式相同的排列方式。矢量控制方式導(dǎo)向塊輸出指定大小的力，各個(gè)導(dǎo)向塊不是簡(jiǎn)單的伸出或縮回，而是在合力的作用下推靠在井壁上。在井壁的反作用力下，三個(gè)導(dǎo)向塊伸縮狀態(tài)不同。

為了保證輸出理想合力精確指向高邊工具面角，需要對(duì)指向工具面角的理想合力進(jìn)行矢量分解。如圖3所示，圖中坐標(biāo)系為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)復(fù)數(shù)坐標(biāo)系；導(dǎo)向塊分力和理想合力滿足如式(1)關(guān)系。

(1)

工具設(shè)計(jì)中，往往將導(dǎo)向塊A的位置設(shè)計(jì)為高邊工具面角零度位置，導(dǎo)向塊B對(duì)應(yīng)高邊工具面角120°位置，導(dǎo)向塊C對(duì)應(yīng)高邊工具面角240°位置。公式(1)可以寫成：

(2)

圖3 導(dǎo)向塊輸出力和合力示意圖

轉(zhuǎn)換為方程組：

(3)

當(dāng)0°≤β≤120°

(4)

當(dāng)120°≤β≤240°

(5)

當(dāng)240°≤β≤360°

(6)

圖4 各個(gè)導(dǎo)向塊輸出力與高邊工具面角關(guān)系

(7)

在一些地層造斜力較大的場(chǎng)合，垂鉆工具對(duì)工具糾斜能力有更大的要求。此時(shí)可以適當(dāng)放寬對(duì)合力指向角和高邊工具面角控制精度的要求，轉(zhuǎn)而要求隨時(shí)輸出最大的合力，以全力控制降斜。指定合力大小等于Fmax，此時(shí)三個(gè)導(dǎo)向塊輸出合力的大小隨著高邊工具面角變化而變化，角度也會(huì)同高邊工具面角發(fā)生偏差。下面采用矢量控制算法，計(jì)算在這種條件下，輸出導(dǎo)向合力和Fmax的關(guān)系。以及導(dǎo)向合力指向角和高邊工具面角的偏差。以0°≤β≤120°為例，由于各個(gè)模塊最大輸出力不會(huì)超過Fmax；0°≤β≤60°內(nèi)各個(gè)導(dǎo)向塊實(shí)際輸出力，如式(8)所示：

(8)

合力如式(9)所示：

(9)

(10)

圖5 合力大小和高邊工具面角關(guān)系

圖6 矢量算法與六位置算法控制角度誤差

同理可以計(jì)算出，β在37.64°、82.36°、157.64°、202.36°、241.64°及322.36°時(shí)跟高邊工具面角出現(xiàn)最大偏差，偏差角度5.688°；合力指向角同高邊關(guān)系如圖6所示。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了測(cè)試矢量控制算法的有效性，垂鉆設(shè)備采用矢量控制算法，在新疆阿克蘇克深08-XX井進(jìn)行了井下實(shí)驗(yàn)；此次試驗(yàn)采用最大合力的工作方式。設(shè)備入井時(shí)井深2 921 m，井斜0.9°。單次入井純工作時(shí)間92 h，鉆進(jìn)420 m。設(shè)備工作初期井眼軌跡井斜角從0.9°下降到0.3°；此后由于垂鉆設(shè)備采用滯環(huán)方式進(jìn)行降斜控制，井斜角長(zhǎng)期徘徊在0.2°～0.4°之間。

圖7為設(shè)備井下工作初期(只有開泵通泥漿條件下設(shè)備才能記錄數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)為截取的初期500分鐘的數(shù)據(jù))記錄的井斜角和設(shè)備合力數(shù)據(jù)?？梢钥闯觯麄€(gè)設(shè)備工作期間，井斜角逐步下降，并穩(wěn)定至0.3°附近。與井斜角相對(duì)應(yīng)，合力大小在井斜角低于0.3°后降到零附近，原因是在允許工程誤差范圍內(nèi)，經(jīng)驗(yàn)上認(rèn)為此時(shí)無需控制。圖中23D，21:44:28時(shí)左右，井斜角出現(xiàn)一次較大波動(dòng)，此次波動(dòng)主要由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備劃眼引起。此次劃眼造成了井斜角超過滯環(huán)閾值0.4°，設(shè)備開始糾斜。

圖7 井下井斜角與合力大小情況

圖8為井下存儲(chǔ)的高邊工具面角和合力指向角情況。從圖中對(duì)比可以看出合力指向角跟隨著高邊工具面角變化。23D,18:19:38后合力指向角和高邊工具面角不再具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，原因同樣為井斜角下降到工程運(yùn)行誤差以內(nèi)，設(shè)備停止控制。

圖8 井下高邊工具面角和合力指向角對(duì)應(yīng)圖

圖9采用統(tǒng)計(jì)方法，記錄以上時(shí)間段內(nèi)合力指向角和高邊工具面角關(guān)系，以及合力大小同高邊工具面角關(guān)系。從圖中可以看出，合力大小和高邊具有明顯的周期特征，從0°開始，每隔60°合力大小出現(xiàn)一次最大值，與理論分析一致；合力大小還有一部分?jǐn)?shù)據(jù)出現(xiàn)在0附近，是因?yàn)樵摴ぷ鼽c(diǎn)時(shí)刻井斜角已經(jīng)降到允許范圍以內(nèi)，液壓設(shè)備停止工作。實(shí)測(cè)井下合力指向角和高邊雖然具有較好的跟隨性，但和理論分析有一定程度的誤差，現(xiàn)場(chǎng)分析與A、B工位壓力偏低有關(guān)，即A、B工位的最大輸出力小于要求輸出的最大合力值。統(tǒng)計(jì)得出的最大誤差角度約16°；同許多合力點(diǎn)分布在0°附近一致，合力指向角許多工作點(diǎn)分布在0°或者360°附近，也是因?yàn)樵摴ぷ鼽c(diǎn)時(shí)刻設(shè)備停止控制所致。

4 結(jié)束語

垂鉆具有可控壓力的輸出能力后，通過調(diào)整控制方式，使得垂鉆設(shè)備具有了精確指向高邊的能力。矢量控制方式能夠克服傳統(tǒng)六位置控制可能引起的井眼軌跡螺旋化的缺點(diǎn)，另外矢量控制算法能讓垂鉆設(shè)備能夠準(zhǔn)確改變鉆進(jìn)方向，也為垂鉆設(shè)備發(fā)展到旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向設(shè)備提供了技術(shù)支持。

圖9 合力與其指向角同高邊工具面角關(guān)系

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Design of Vector Control Algorithmin for Vertical Drilling System

WU Wenjin1, BAI Yuxin1, CHENG Zhaojiang2, LI Yanli1

(1.ChinaAcademyofLauchVehicleTechologyNo.18ResearchInstitute,BeiJing, 100076,China;2.CNPCXIBUDrillingEngineeringCompanyLimitedDrillingTechnologyResearchInstitute,Karamay,Xinjiang834000,China; 3.DaqingOilfieldNo.5ProductionPlant,Daqing,Heilongjiang163000,China)

The ‘six-position’ control strategy is adapted in the traditional vertical drilling system due to the limitation of the hydraulic sub-system. Therefore, the resultant force pointing angle of the equipment can not accurately point to the high-side direction, and the control precision is difficult to meet the demand. In order to overcome the shortcomings of the six-position control method, a vector control method is proposed under which the output pressure of the hydraulic subsystem is controllable. The output force of each hydraulic subsystem can be calculated by vector decomposition to ensure that the resultant force of the hydraulic mechanism is directed to the high-side direction precisely. The error of the resultant force of the hydraulic sub-system is discussed when the output capacity of the hydraulic sub-system is limited. This method overcomes the shortcomings of the six-position control algorithm which cannot be precisely guided. The feasibility and reliability of the control algorithm has been verified by down-well test.

vertical drilling system; vector control algorithmin; ‘six-position’control; composition of forces; angle of composition of forces

國家科技重大專項(xiàng)“西部山前復(fù)雜地層安全快速鉆進(jìn)技術(shù)”(編號(hào)2011ZX05021-001)。

吳文晉，男，1985年生，2010年畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)，目前主要從事電子控制器軟硬件設(shè)計(jì)工作。E-mail:tonglifewu@163.com

TE243

A

2096-0077(2017)02-0013-05

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.02.004

2014-12-08 編輯：馬小芳)