旋转导向钻井系统轨迹跟踪控制方法研究

发布时间：2020-07-11 04:19

【摘要】：旋转导向钻井系统是近年来应用于油气钻井作业中的一种新型导向钻井技术,具有成本低、钻速高、井眼轨迹平滑、可延长水平段等优点。在实际应用中,由于强烈的非线性、时变性以及滞后特性等影响控制性能的因素,导致系统难以精确跟踪理想的预设井眼轨迹,甚至使系统偏离预设轨迹。因此,对于旋转导向钻井系统的轨迹跟踪问题研究具有重要的理论意义和实际应用价值。本文以旋转导向钻井系统的轨迹跟踪控制和平台搭建为研究对象,主要研究内容和贡献包括:1.介绍了一种推靠式旋转导向钻井系统轨迹模型,推导了此模型的二维和三维轨迹的状态空间方程,并对系统模型进行了稳定性分析。2.针对旋转导向钻井系统的二维轨迹跟踪问题,提出了一种基于稳定补偿式状态观测器的状态反馈控制器。稳定补偿式状态观测器使用积分滑模变结构控制方法进行设计,通过对系统滞后特性进行动态补偿,保证了观测器本身的稳定性;使用一种改进的遗传算法NSGA-II对系统参数进行优化。相比于基于传统状态观测器的状态反馈控制方法,本文方法在收敛速度、精度以及振荡抑制等性能指标上更具优势。3.针对旋转导向钻井系统的三维轨迹跟踪问题,提出了一种基于区间二型模糊控制和增强学习协同的轨迹跟踪控制算法。首先构建区间二型模糊控制器对系统非线性和滞后特性进行处理,然后设计基于增强学习的动作-评价网络控制器优化钻井轨迹,提高了轨迹跟踪的精确性和平滑性,最后使用低通滤波器对控制信号进行融合滤波,进一步提高了钻井轨迹的控制效果。4.搭建了钻井系统电气综合测试平台。使用CAN总线实现信号采集与控制,PLC实现步进电机控制;针对不同模块分别采用CAN总线和OPC通讯两种方式与下位机进行通讯,实现了在工控机上对信号采集、传输以及控制等功能;实现了钻井轨迹的可视化界面,便于直观的观测实时井下轨迹。
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE928
【图文】：

旋转导向钻井系统

转导向钻井系统技术研究起步较晚，和国外具有相和海上钻井的作业任务多数情况下需要租赁国外油行[27-28]。国内自 20 世纪 90 年代中期开始研究旋转断地攻关，取得了一定的进展。近年来国内多家科转导向钻井系统工程样机，并进行了一系列的钻井震动、泥浆冲蚀等恶劣环境下各功能模块协同施工表明工程样机已经基本实现了旋转导向钻井功能[29berger PowerDrive 系列旋转导向钻井系统erger 公司研发的 PowerDrive 系列旋转导向钻井系统用的导向偏置方式是动态偏置式，其外壳随钻杆一 1-2 所示。PowerDrive 系列具有如下优点：点靠近钻头，能精确控制井眼轨迹；质量高，清洁度好；环空限制；大程度减小压差卡钻事故；钻速较高。

旋转导向钻井系统,基本结构

图 1-2 Schlumberger PowerDrive 旋转导向钻井系统基本结构Fig. 1-2 Rotary steerable systems’ basic structure of Schlumberger PoweDrive1.2.1.2 Halliburton Geo-Pilot 系列旋转导向钻井系统Halliburton 公司研发的 Geo-Pilot 系列旋转导向钻井系统[32]在分类上属于静态偏置指向式。其偏置装置和利用液压缸推动系统外部的支撑翼肋完成导向作用的推靠式偏置装置有很大不同，指向式是通过是钻头驱动轴弯曲，从而使钻头轴心偏离钻具轴心，起到定向的效果。Geo-Pilot 系列旋转导向钻井系统具有如下优点：(1) 井眼质量高；(2) 能提供多种造斜率和精准的井眼轨迹控制；(3) 信号传输实时性好；(4) 可进行精准的地质导向控制；(5) 提供垂直钻井模式；(6) 自动稳斜控制。

旋转导向钻井系统

图 1-2 Schlumberger PowerDrive 旋转导向钻井系统基本结构2 Rotary steerable systems’ basic structure of Schlumberger Porton Geo-Pilot 系列旋转导向钻井系统on 公司研发的 Geo-Pilot 系列旋转导向钻井系统[32]在。其偏置装置和利用液压缸推动系统外部的支撑翼置装置有很大不同，指向式是通过是钻头驱动轴弯具轴心，起到定向的效果。Geo-Pilot 系列旋转导向质量高；供多种造斜率和精准的井眼轨迹控制；传输实时性好；行精准的地质导向控制；垂直钻井模式；稳斜控制。

【参考文献】