徐 磊

(大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163153)

0 引 言

20世紀(jì)90年代以來，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)已經(jīng)發(fā)展為一項(xiàng)尖端的自動(dòng)化鉆井新技術(shù)。與傳統(tǒng)的滑動(dòng)導(dǎo)向鉆井技術(shù)相比，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)由于井下工具一直在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下工作，更適合于油田開發(fā)后期的復(fù)雜油氣藏開發(fā)。本文主要研究了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的工作原理及控制單元模型設(shè)計(jì)，進(jìn)而測(cè)試了該控制模型的性能，為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用做好基礎(chǔ)研究。

1 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)工作原理

常見旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的工作原理按照導(dǎo)向工具可分為滑動(dòng)導(dǎo)向鉆井和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井兩種。滑動(dòng)導(dǎo)向鉆井是指鉆頭鉆進(jìn)時(shí)鉆柱不旋轉(zhuǎn)，利用彎接頭實(shí)現(xiàn)井眼軌跡的改變[1-2]。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井是指井口轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)鉆柱旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，利用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具實(shí)現(xiàn)井眼軌跡改變，在鉆進(jìn)的同時(shí)完成導(dǎo)向任務(wù)。與滑動(dòng)導(dǎo)向相比，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井鉆柱保持全旋轉(zhuǎn)所以鉆進(jìn)摩阻較小、鉆速更高且井眼軌跡易調(diào)控。

動(dòng)態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)與動(dòng)態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具一樣，都采用動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)方式。但是動(dòng)態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具采用了更先進(jìn)的指向式導(dǎo)向方式，導(dǎo)向工具提供導(dǎo)向力時(shí)與井壁沒有直接接觸，因此井眼更加光滑，對(duì)井眼的依賴也降到最低。系統(tǒng)內(nèi)部同樣也有一個(gè)穩(wěn)定平臺(tái)，其調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)安裝在穩(wěn)定平臺(tái)上。

動(dòng)態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，其核心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)采用了雙偏心圓環(huán)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)[3]，如圖1所示。該系統(tǒng)由導(dǎo)向執(zhí)行單元(包括電動(dòng)機(jī)、穩(wěn)定平臺(tái)、偏置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、鉆頭、萬向節(jié)和鉆頭連接軸)、電子倉、泥漿發(fā)電系統(tǒng)(包括井下發(fā)電機(jī)和渦輪)和導(dǎo)向工具外殼四部分組成。鉆井液由上端(圖1中的左端)進(jìn)入導(dǎo)向工具時(shí)，首先驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)與渦輪轉(zhuǎn)子連接的井下發(fā)電機(jī)，為電子倉中的電子器件、傳感器及電動(dòng)機(jī)供電。為保證導(dǎo)向工具外殼旋轉(zhuǎn)時(shí)，偏置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)控制的工具面角不發(fā)生偏移，系統(tǒng)通過電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)穩(wěn)定平臺(tái)按照與鉆頭方向相反、速度相同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，保證與穩(wěn)定平臺(tái)相連的偏置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對(duì)地靜止，此機(jī)構(gòu)功能與推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具穩(wěn)定平臺(tái)相似[4]。導(dǎo)向工具驅(qū)動(dòng)鉆頭的扭矩，由導(dǎo)向工具外殼和下端的萬向節(jié)傳遞到鉆頭連接軸上，鉆壓也通過導(dǎo)向工具外殼傳遞。

1-井下發(fā)電機(jī)；2-電子倉；3-電動(dòng)機(jī)；4-穩(wěn)定平臺(tái)；5-偏置調(diào)節(jié)器；6-鉆頭；7-萬向節(jié)；8-鉆頭連接軸 9-導(dǎo)向工具外殼；10-渦輪圖1 動(dòng)態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。其主要結(jié)構(gòu)由鉆頭、旋轉(zhuǎn)外筒、萬向節(jié)及密封裝置、鉆頭連接軸和穩(wěn)定平臺(tái)組成。其中旋轉(zhuǎn)外筒通過外筒驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接軸，與安裝在外支架上的交流永磁同步電機(jī)相連，穩(wěn)定平臺(tái)伺服電機(jī)的動(dòng)力線及傳感器的信號(hào)線經(jīng)過外導(dǎo)電滑環(huán)引入模型內(nèi)部。姿態(tài)角測(cè)量傳感器的電源及信號(hào)傳輸線通過內(nèi)導(dǎo)電滑環(huán)引入到傳感器上。穩(wěn)定平臺(tái)伺服電機(jī)在外部驅(qū)動(dòng)器控制下，帶動(dòng)穩(wěn)定平臺(tái)以某一轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，保證穩(wěn)定平臺(tái)對(duì)地靜止?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器磁鋼板安裝在穩(wěn)定平臺(tái)上，通過螺紋與穩(wěn)定平臺(tái)連接，霍爾轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)電路板安裝在下支撐板上，與旋轉(zhuǎn)外筒保持相對(duì)靜止。該模型在結(jié)構(gòu)彎角調(diào)節(jié)方式上有了較大改進(jìn)。

1-鉆頭；2-旋轉(zhuǎn)外筒；3-萬向節(jié)及密封裝置；4-鉆頭連接軸；5-內(nèi)偏心環(huán)；6-姿態(tài)角測(cè)量傳感器；7-穩(wěn)定平臺(tái)；8-下支撐板；9-穩(wěn)定平臺(tái)伺服電機(jī)；10-外導(dǎo)電滑環(huán)；11-外筒驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接軸；12-穩(wěn)定平臺(tái)電機(jī)支撐板；13-霍爾轉(zhuǎn)速傳感器磁鋼板；14-霍爾轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)電路板；15-內(nèi)導(dǎo)電滑環(huán)

圖2系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)圖

傳統(tǒng)模型的調(diào)節(jié)方式在原理上是最優(yōu)的，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)彎角的連續(xù)調(diào)節(jié)[5]。但內(nèi)偏心環(huán)電機(jī)的存在，會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定平臺(tái)直徑增大，不適合系統(tǒng)小型化。此外，結(jié)構(gòu)彎角的連續(xù)調(diào)節(jié)，在鉆井過程中也不是必須的。因此本文在系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)時(shí)，取消了內(nèi)偏心環(huán)電機(jī)，采用手動(dòng)方式進(jìn)行6級(jí)調(diào)節(jié)，即內(nèi)偏心環(huán)在0～360°范圍內(nèi)，每隔60°旋轉(zhuǎn)設(shè)置一個(gè)卡位。可調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)彎角β與內(nèi)偏心環(huán)調(diào)節(jié)角度ωr的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 角度映射關(guān)系

3 閉環(huán)控制系統(tǒng)硬件組成

根據(jù)系統(tǒng)工作原理，穩(wěn)定平臺(tái)電機(jī)需要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：一是動(dòng)態(tài)跟蹤旋轉(zhuǎn)外筒電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并對(duì)該轉(zhuǎn)速進(jìn)行補(bǔ)償，從而保證穩(wěn)定平臺(tái)對(duì)地靜止；二是根據(jù)單姿態(tài)角設(shè)定值的變化，實(shí)時(shí)調(diào)整穩(wěn)定平臺(tái)對(duì)地靜止時(shí)的圓周角位置。

從控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度考慮，采用單一閉環(huán)，完成穩(wěn)定平臺(tái)對(duì)地靜止和圓周角位置的控制，是比較困難的[6]。為了減小控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度，本文將單姿態(tài)角控制問題，分解為穩(wěn)定平臺(tái)對(duì)地轉(zhuǎn)速控制回路設(shè)計(jì)和穩(wěn)定平臺(tái)圓周角位置控制回路設(shè)計(jì)。參考串級(jí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，以穩(wěn)定平臺(tái)對(duì)地轉(zhuǎn)速控制環(huán)為內(nèi)環(huán)，穩(wěn)定平臺(tái)圓周角位置控制環(huán)為外環(huán)，設(shè)計(jì)重力工具面角控制系統(tǒng)。

單姿態(tài)角雙閉環(huán)控制系統(tǒng)電路組成框圖如圖3所示。該控制系統(tǒng)硬件電路由主從單片機(jī)、傳感器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成。主機(jī)實(shí)現(xiàn)位置控制器和對(duì)地速度控制器的功能，從機(jī)負(fù)責(zé)旋轉(zhuǎn)外筒電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量和井斜傳感器數(shù)據(jù)通信與解碼，從機(jī)獲取旋轉(zhuǎn)外筒電機(jī)轉(zhuǎn)速后將對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng)濾波處理。

系統(tǒng)上電后，主機(jī)首先在初始化函數(shù)中計(jì)算相關(guān)控制器參數(shù)，之后通過自帶脈沖累加器計(jì)算穩(wěn)定平臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)速，并通過RS232通信問詢從機(jī)重力工具面角數(shù)值及旋轉(zhuǎn)外筒電機(jī)轉(zhuǎn)速值。主機(jī)獲取重力工具面角數(shù)值、穩(wěn)定平臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)外筒電機(jī)轉(zhuǎn)速后，首先對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行滑動(dòng)濾波，之后利用位置控制器計(jì)算得到對(duì)地轉(zhuǎn)速控制器的設(shè)定值，再利用對(duì)地轉(zhuǎn)速控制器計(jì)算得到穩(wěn)定平臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)速，將該轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)，發(fā)送到穩(wěn)定平臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。在每個(gè)控制周期末尾，主機(jī)通過RS232通信，將當(dāng)前重力工具面角數(shù)值及當(dāng)前時(shí)刻發(fā)送到計(jì)算機(jī)端，以備后期繪圖處理。主機(jī)程序流程圖如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)模型電力組成框圖

圖4 主程序流程圖

4 測(cè)試結(jié)果

4.1 電機(jī)正弦輸入響應(yīng)特性

通過微控制器產(chǎn)生一系列TTL電平方波，方波的頻率在0～40 kHz之間呈正弦規(guī)律變化，正弦變化的頻率為1 Hz。由圖5可得，穩(wěn)定平臺(tái)電機(jī)的響應(yīng)曲線是一組幅值在0～590 r/min之間，以1 Hz頻率正弦變化的曲線，與速度設(shè)定值波形相同。改變正弦波變化的頻率設(shè)定值，采用10 Hz正弦波作為輸入，得到的響應(yīng)曲線如圖6所示。

圖5 電機(jī)正弦輸入響應(yīng)特性(頻率為1 Hz)

圖6 電機(jī)正弦輸入響應(yīng)特性(頻率為10 Hz)

由圖6可得，穩(wěn)定平臺(tái)電機(jī)的響應(yīng)曲線是一組幅值在0～590 r/min之間，以10 Hz頻率正弦變化的曲線，與速度設(shè)定值波形相同。綜合外電機(jī)性能測(cè)試曲線可得，穩(wěn)定平臺(tái)電機(jī)的正負(fù)階躍響應(yīng)時(shí)間在100 ms以下可以跟蹤10 Hz正弦變化的設(shè)定值曲線。

4.2 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試

在實(shí)際鉆井過程中，井下工具工作情況復(fù)雜多變。為了測(cè)試重力工具面角雙閉環(huán)控制系統(tǒng)在連續(xù)變化干擾下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，利用主機(jī)獲取不同時(shí)刻的旋轉(zhuǎn)外筒轉(zhuǎn)速與重力工具面角數(shù)值，并通過串口將當(dāng)前時(shí)刻旋轉(zhuǎn)外筒轉(zhuǎn)速和工具面角數(shù)值，發(fā)送到計(jì)算機(jī)端進(jìn)行繪圖處理。

測(cè)試時(shí)將重力工具角設(shè)定值設(shè)為180°，選定兩組正弦變化的旋轉(zhuǎn)外筒轉(zhuǎn)速干擾，對(duì)控制系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試，得到控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖7和圖8所示。其中這兩組轉(zhuǎn)速干擾的幅值為5～50 r/min，周期分別為100 s和50 s。

圖7 0.01 Hz正弦干擾下系統(tǒng)響應(yīng)

分析圖7和圖8可得，重力工具面角的雙閉環(huán)角位置控制系統(tǒng)在正弦干擾下，呈現(xiàn)較小范圍內(nèi)的正弦波動(dòng)，且被控變量波動(dòng)的范圍隨著干擾轉(zhuǎn)速變化頻率的增大而增大。與旋轉(zhuǎn)外筒正弦轉(zhuǎn)速變化波形相比，被控變量正弦波動(dòng)在相位上有一定滯后，周期與旋轉(zhuǎn)外筒轉(zhuǎn)速的變化周期相同。

圖8 0.02 Hz正弦干擾下系統(tǒng)響應(yīng)

5 結(jié) 論

本文介紹了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀，分析了系統(tǒng)模型的工作原理、模型結(jié)構(gòu)及控制方式，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)模型雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，確定了控制系統(tǒng)參數(shù)，并利用實(shí)際響應(yīng)測(cè)試了穩(wěn)定平臺(tái)電機(jī)和重力工具面角雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的實(shí)際性能，為后續(xù)鉆井工作打下了基礎(chǔ)。