推靠式旋转导向井眼轨迹预测与控制方法

旋转导向钻井系统是现代导向钻井技术的发展方向。通过导向机构调节导向参数来预测和控制井眼轨迹,是旋转导向钻井系统的关键技术之一。为解决推靠式旋转导向钻具的导向力和工具面角对井眼轨道的控制问题,对导向力分别在井斜平面和方位平面进行解耦;并应用了纵横弯曲理论建立了底部钻具组合三维力学分析模型,得出了导向参数与钻头侧向力和转角的定量关系。在考虑钻头和地层的各向异性因素的影响下,利用在UPC模型基础上提出的有效钻力的概念,通过计算钻头有效钻力来预测实钻过程中的钻进趋势。在此理论基础上,计算了按设计的井眼轨道钻进所需要的导向参数,并讨论了井眼轨迹参数、钻压、钻头各向异性参数和地层参数对钻具导向性能的影响;分析了其中的规律,并得出只有综合考虑上述各项因素,才能准确计算出导向参数,确保钻头沿设计轨迹钻进,也为旋转导向井眼轨迹控制提供了理论依据。     

闭环钻井井眼轨迹偏差矢量的控制方法

对井眼轨迹的旋转导向机理进行研究，提出了井眼轨迹旋转导向控制的偏差矢量控制方法，给出了偏差矢量计算方法、偏差矢量微分控制方法的控制原理及控制指令的表达方式。     

推靠式旋转导向系统底部钻具组合动态安全评价方法

推靠式旋转导向钻进时巴掌对井壁的间歇性推靠致使钻柱处于非线性阻尼激励的复杂工作状态,剧烈的振动易引发钻柱的疲劳失效。建立考虑巴掌与井壁的接触碰撞及动态激励的底部钻具组合动应力计算模型,分析钻柱转速对钻柱动应力和钻头侧向力的影响。结果表明:钻井过程中底部钻具组合动应力和钻头侧向力处于剧烈波动状态,尤其在临界转速下运动的钻柱将产生剧烈的振动及较高水平的动应力,导致钻柱出现疲劳破坏;通过调节钻柱转速至两阶相邻转速中间值,可显著降低钻柱的振动加速度。现场试验验证了通过调节钻柱转速提高底部钻具组合动态安全的可行性,为推靠式旋转导向及同类工具安全钻进参数的优化设计提供了依据。     

旋转导向钻井系统RCLD的控制系统设计

研究了旋转导向井下闭环钻井系统RCLD控制系统的设计及工作原理。结果表明：这种系统利用钻井液作为控制动力，使系统具有自行动力供应能力，并根据控制指令，控制其摇动幅度和平衡位置，从而达到改变导向力方向和大小的目的，进而实现井眼轨迹的闭环控制。     

现代井下钻井工具及旋转导向闭环钻井系统

大位移井和复杂井眼轨迹的控制须实现连续旋转井下闭环导向钻井,这一需求推动了井眼轨迹控制手段的提高,为此,探讨了适用于旋转导向闭环钻井的井下工具的发展概况,提出了比较可行的井下钻井工具发展和研究方向。结果结果表明,应重视旋转导向闭环钻井技术的发展,静态式可调偏量机构是井下闭环控制的主要方式,应采用直接侧向力法控制钻头轨迹。     

推靠式旋转导向系统推靠机构设计及实验验证

为了研制推靠式旋转导向系统,设计了一种推靠机构。推靠机构带有独立的液压控制系统,通过控制电机和柱塞泵的旋转以及电磁阀的开关实现翼肋的伸出、收缩及自锁。详述了推靠机构的结构以及液压控制系统原理,介绍了翼肋伸缩的控制过程,推导了翼肋行程及推靠力的计算方法。并根据推靠机构的设计,研制了实验装置,对推靠机构、液压控制原理、翼肋伸缩和翼肋伸出后的自锁功能、翼肋的行程和推靠力等进行了验证。实验表明翼肋的最大行程约为26 mm,最大推靠力约为3. 5 t,翼肋伸出后可以自锁。     

PDC钻头对推靠式旋转导向工具的适配性

针对使用推靠式旋转导向工具配套PDC钻头钻井过程中出现造斜率不达标的问题,进行PDC钻头切削结构对推靠式旋转导向工具适配性研究。基于纵横弯曲连续梁理论,考虑井径扩大率对工具的影响,建立推靠式旋转导向工具BHA力学分析模型,再结合PDC钻头与地层相互作用模型,提出以井斜趋势角作为评价推靠式旋转导向工具与PDC钻头适配性的指标,定量分析钻头结构参数对推靠式旋转导向工具造斜能力的影响,并进行相关试验。结果表明：随着PDC钻头内锥深度变浅、冠部高度变短,旋转导向工具造斜能力越强;PDC钻头切削齿后倾角越大、摩擦角越大,工具造斜性能越强;PDC钻头保径对工具造斜能力影响较大,钻头主动保径和被动保径面积越小,工具造斜能力越强;钻头被动保径刀翼越窄,工具造斜能力越强;当钻头保径总长一定时,随着主动保径与被动保径面积比值变小,工具造斜能力呈先增加后减小,存在最佳主动保径与被动保径比例使推靠式旋转导向工具造斜能力达到最大;模型井斜趋势角的预测值与试验值基本一致,最大误差仅为6.71%,验证了本文所建立模型的准确性。     

现代井下钻井工具及旋转导向闭环钻井系统

大位移井和复杂井眼轨迹的控制须实现连续旋转井下闭环导向钻井 ,这一需求推动了井眼轨迹控制手段的提高 ,为此 ,探讨了适用于旋转导向闭环钻井的井下工具的发展概况 ,提出了比较可行的井下钻井工具发展和研究方向。研究结果表明 ,应重视旋转导向闭环钻井技术的发展 ,静态式可调偏量机构是井下闭环控制的主要方式 ,应采用直接侧向力法控制钻头轨迹。     

旋转导向推靠控制系统研发及实验

为了研制推靠式旋转导向工具,研发了一套推靠控制系统。该系统由单总线电路、非接触单元、测量单元、液压单元和主控电路五部分组成,能通过单总线接收电能并与井下中控双向通信,基于电磁感应原理实现旋转部分与非旋转部分之间的非接触电能传输与信号传输,按照地面系统下传的指令利用力矢量分解原理计算三个翼肋油缸液压力大小,使用压力传感器测量翼肋油缸中的实际液压力并对液压力进行闭环控制。对研制的推靠控制系统进行了初步实验,验证了该系统的电能信号传输功能、推靠控制功能、耐高温及抗振性能等。研制的推靠控制系统达到设计目的,满足进一步实验的需求。     

旋转导向系统现状及关键技术分析

旋转导向系统是一种具有高科技含量自动化钻井新技术,对石油天然气钻井提高井眼轨迹精确度和钻进能力、降低钻柱摩阻等方面具有重要作用.针对当前旋转导向系统研究的热点和问题,总结分析了中外旋转导向背景意义、技术组合、工作原理和发展水平等,并对典型旋转导向系统重点做了详细阐述,具体阐明了推靠式旋转导向技术的难点和关键点.为了获得...     

调制式旋转导向系统导向力"等力合成模型"的建立与分析

导向力的形成机理是研制旋转导向工具的核心。在深入研究国外旋转导向工具的基础上,参考导弹制导原理,提出了调制式旋转导向工具新的导向方式,建立了导向力"等力合成模型",并对其影响规律进行了分析。结果表明,这种导向方式与PowerDriveSRD导向系统相比,有其独特的优点。控制面不稳定程度对合导向力的影响并不很大,在控制面摆动度达14°时,合导向力仅下降1%。这为调制式旋转导向工具稳定平台的研制提供了宽松的约束条件。     

调制式旋转导向钻井系统稳定平台控制原理及性能分析

对调制式旋转导向钻井系统稳定平台的控制原理进行了研究,设计了由上、下涡轮发电机、控制轴及电子仓组成的三环控制稳定平台。对稳定平台性能的理论分析和仿真模拟结果表明,国内首创设计的发电机式稳定平台控制系统不但具有良好的稳定性、可控性和可观性,而且当钻井参数在较大范围内发生变化时,系统仍然具有很好的跟踪特性、抑制扰动特性、随动稳定特性及很强的抗干扰能力。     

调制式旋转导向钻井系统稳定平台控制原理及性能分析

对调制式旋转导向钻井系统稳定平台的控制原理进行了研究,设计了由上、下涡轮发电机、控制轴及电子仓组成的三环控制稳定平台。对稳定平台性能的理论分析和仿真模拟结果表明,国内首创设计的发电机式稳定平台控制系统不但具有良好的稳定性、可控性和可观性,而且当钻井参数在较大范围内发生变化时,系统仍然具有很好的跟踪特性、抑制扰动特性、随动稳定特性及很强的抗干扰能力。     

基于支撑向量机的井眼轨迹预测新方法

提出了一种利用支撑向量机(SVM)进行井眼轨迹预测的新方法,它基于小样本统计学习理论,通过对一口或几口已钻井的轨迹数据进行学习训练支撑向量机,建立井眼轨迹的支撑向量机预测模型。对多口井的实验结果分析表明,该方法估计精度高且易于现场推广使用。     

旋转导向钻井稳定平台的RBF网络滑模变结构控制

针对旋转导向钻井稳定平台存在的摩擦问题带来的不确定性,提出一种基于RBF神经网络的自适应滑模变结构控制方法,以提高稳定平台控制的精确性和抗干扰能力。使用RBF神经网络对稳定平台模型中的不确定性进行逼近,通过设计RBF网络节点的唤醒与激活阈值来减少网络规模,同时设计权值调整的自适应律,并结合滑模控制增强系统的鲁棒性。分别采用一般滑模变结构控制方法和RBF神经网络滑模变结构控制方法进行仿真实验,结果表明,RBF神经网络滑模变结构控制方法能够有效地逼近控制对象模型,有较强的鲁棒性。     

用可控偏心器控制井眼轨迹的方法研究

井控轨迹自动控制技术是钻井行业急待解决的最前沿课题,用可控偏心器可以实现井眼轨迹自动控制,提高井眼轨迹控制精度,降低钻井成本。可控偏心器是一种井下可调的、可采用转盘钻进方式的井下寻向工具,它由翼片体转轴、翼片体、翼片和测控总成组成,在钻井过程中,通过随时调节可控偏心器翼片对井壁的作用力或伸缩来实现对井眼轨迹的控制。在使用可控偏心器进行钻井作业时,不需要频繁起下钻就可以在井下实现对井眼轨迹的控制,这对高难度密集丛式井、各种曲率斜井、水平井、加密井和抢险井等在完成各自的钻井目的方面有重大意义和极其宽广的应用前景。     

旋转导向钻井工具试验台主轴驱动液压系统的稳定性

旋转导向钻井工具试验台的研究与应用对旋转导向钻井工具的研制和开发具有重要意义。为实现旋转导向钻井工具试验台主轴的精确稳定旋转,设计了一种试验台主轴驱动液压系统。根据液压系统工作原理建立了该系统的数学模型,得到了输入电压与液压马达输出转速之间的传递函数;利用Routh判据和Bode图判定该系统不稳定,当给系统加入动压反馈回路适当增加系统阻尼后,系统达到了稳定性要求;通过Matlab/Simulink对该系统进行了仿真分析,分析结果表明：该系统在PID控制下,当无负载干扰时,试验台主轴转速度能被精确控制;当对系统加入0~1 500 N.m的随机负载干扰时,该系统也能快速达到稳定状态。可见该系统的控制精度达到了试验台主轴稳定旋转的设计要求,可以作为试验台主轴驱动液压系统的指导参数。     

导向钻井系统导向钻进水平井段的理论与实践

导向技术的研究与试验在胜利油田取得了圆满成功,获得了较好的试验效果,推广的300余口井初步统计节约成本上亿元,经济效益十分显著。在水平井井眼轨迹控制施工中,导向钻井系统在斜井段和水平段的施工中均获得了显著的技术经济效益。在对导向钻井技术研究和指导水平井井眼轨迹控制现场施工过程中,对水平井段导向钻井进行了探索,应用加权残值法编制了导向钻具受力分析软件并着重对复合钻进增斜力进行了初步研究。在理论研究和现场实践中得到了一些有价值的结论,提出了单弯单稳型导向钻具导向钻进水平段的优化措施。     

井下闭环导向钻井工具双环积分滑模控制研究

带有双偏心环偏置机构的旋转导向钻井工具在导向钻进时,由于旋转外套传递的钻压以及复杂的井下工况等不确定性及非线性因素,造成钻井工具的轨迹精确度难以控制,为此,提出了一种轨迹跟踪控制理论——双环积分滑模控制。首先,对一种旋转导向钻井工具中的双偏心环偏置机构进行模型简化,将其简化为二自由度的连杆机构;其次,对机构模型进行分析,构建其运动学方程和动力学模型;然后,设计了双环积分滑模控制器,并用Lyapunov函数证明了所设计的控制系统的稳定性;最后,利用MATLAB软件进行仿真分析,证实了该控制方法有较好的抗干扰能力和控制精度。     

旋转导向钻井工具姿态参数的模拟解算

根据旋转导向钻井工具姿态参数的求解需要,结合Taylor中值定理,提出一种模拟解算方法,分析了三角函数的展开式及其逼近表达式,并应用模拟乘法/除法器和负反馈电路设计了正弦函数拟合求解和姿态参数角直接解算电路.通过数值仿真和试验结果的对比分析,验证了解算电路的可行性,可以降低实时参数解算对计算机采集速度的要求,提高系统的动态控制性能.