（油气井工程专业论文）旋转导向钻井地面监控系统的理论和方法研究.pdf

英文摘要 s u b j e c t s p e c i a l r y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： i n s t r u c t o r ： s t u d yo n t h et h e o r ya n dm e t h o do ft h eg r o u n dm o n i t o r i n g c o n t r o l l i n g s y s t e mo ft h er o t a r ys t e e r a b l ed r i l l i n g o i i g a sw e l le n g i n e e r i n g d uc h u n w e n ( s i g n a t u r e ) 盈丛厶缸趔弛以 l i q i ( s i g n a t u r e ) 。趁红 z h a n gs h a o h u a i ( s i g n a t u r e ) 蔓：丛；玉 、 a b s t r a c t r o t a r ys t e e r a b l ed r i l l i n gi san e wt e c h n o l o g yt os o l v ed r i l l i n gp r o b l e m so ft h ec o m p l e x s t r u c t u r e sw e l ls u c ha st h ee x t e n d e dw e l la n dt h em u l t i l a t e r a lw e l l ，w h i c hi sb e i n gw i d e l y r e s e a r c h e d a sa ni m p o r t a n tp a r to ft h er o t a r ys t e e r a b l ed r i l l i n gs y s t e m ，t h eg r o u n dm o n i t o r i n g c o n t r o l l i n gs y s t e mi st h ec o m m a n dc e n t e r f i r s t l y , t h ed e v e l o p i n gs t a t u so ft h et e c h n o l o g y b o t ha th o m ea n da b r o a da r er e v i e w e d ，i ti ss u g g e s t e dt h a ti ti si m p o r t a n ta n dn e c e s s a r yt o d e v e l o pt h et e c h n o l o g y ；t h e n ，b a s e do nt h ei n t r o d u c t i o no ft h es t r u c t u r ea n dt h ew o r k i n g p r i n c i p l eo ft h em o d u l a t er o t a r ys t e e r a b l et 0 0 1 t h eg r o u n dm o n i t o r i n g c o n t r o l l i n gs y s t e mi s d e s i g n e d ；t h ee m p h a s i so ft h ep a p e ra r ew e l lt r a j e c t o r ym o n i t o ra n dc o n t r o l ，t h ef o l l o w i n g sa r e c o v e r e d ：t h et r a j e c t o r y c o n t r o l p r i n c i p l e w i t ht h ed e v i a t i o nv e c t o ri s p r e s e n t e d ； a c c o r d i n gt ot h ec r i t e r i o no ft h ee n g i n e e r i n ga d m i s s i o nd e v i a t i o na n dt h em a x i m u ma d m i s s i o n d e v i a t i o n ，t h ec o n t r o la l g o r i t h mi sg i v e n ；t h ed o w n w a r ds i g n a lt r a n s m i t t a lm o d e sa r c s u m m a r i z e da n dt h ec o n t r o lc o m m a n d sa r ec o d e d c o r r e c t i o nd e s i g no ft h ew e l lt r a j e c t o r y w i t hi t e r i o nm e t h o di s i n t r o d u c e d ；t h er e l a t i v ep o s i t i o n s o f w e l lt r a j e c t o r i e sa n d v i s u a l i z a t i o na r e o f f e r e d f i n a l l y , as e to ft r a j e c t o r ym o n i t o r i n g & c o n t r o l l i n gs o f t w a r ei s d e v e l o p e dw i t hv i s u a lb a s i c r e s e a r c ht r e n d sa r ea l s os u g g e s t e d k e y w o r d s ：r o t a r ys t e e r a b l ed r i l l i n g m o n i t o r i n g c o n t r o l l i n gs y s t e mt r a j e c t o r y c o n t r o ld e v i a t i o nv e c t o rc o m m a n d s a p p l i c a t i o np r o g r a m t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y ( t h ep a p e ri s s u p p o r t e db yt h en a t i o n a lh i g ht e c h n o l o g y r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t p r o g r a mo f c h i n a ( 8 6 3p r o g r a m ) 2 0 0 1 a a 6 0 2 0 1 3a n d t h es i n o p e cp r o j e c tj p 0 1 0 0 5 ) 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担切相关责任。 论文作者签名日期：丝二! = ! 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名：身数 导师签名：，之垒旌 隅煎： 日期：盈噬：笸 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本论文研究的目的、价值和意义 2 0 世纪8 0 年代以来，国内外大部分油田相继进入开发后期，新探区块大部分处于 特殊环境，如海洋、滩海、沙漠等地区。另一方面，老油田为实现稳产，面临着大量的 边缘油气藏、独立小油气藏、复杂断块油气藏、超薄油气藏等难动用储量的开发问题。 勘探开发形势的需要推动着井型的演变与发展，大位移井、超薄油层水平井、多分枝井 等复杂结构井在油气田勘探开发中所占的比例越来越大。旋转导向钻井技术正是为了适 应这些复杂结构井钻井作业的需要而出现的一项高新钻井技术；是现代导向钻井的研究 重点和发展方向川。旋转导向钻井是在钻柱全旋转的条件下进行导向钻井的。它在钻头 上方装有一个可控偏心稳定器或可控制钻头侧向力( 导向力) 的旋转导向工具，并配有完 整的旋转导向钻井控制系统，在钻柱旋转钻进时能调控井身轨迹的技术。利用旋转导向 钻井技术进行钻井作业时，不需要频繁起下钻就可以实现三维井眼轨迹控制，且具有井 眼轨迹更光滑，延伸距离更大的优点；对保证井眼轨迹质量，提高钻井速度和效率，满 足钻复杂结构并的需求都有重要意义口j 。 但是，出于技术垄断需要，国外拥有旋转导向钻井技术的几家大的公司( 如 s c h l u m b e r g e r 公司、b a k e r h u g h e s 公司等) ，只进行高价技术服务( 日租金高达5 万美元， 需提前一年预约，预付1 0 0 万美元) d lo 因此，开展旋转导向钻井技术的攻关研究，研 发具有自主知识产权的旋转导向钻井系统，具有非常重大而深远的意义。国家科技部、 各大石油公司投巨资开展了这项工作。西安石油大学与胜利油田合作，联合承担了国家 “8 6 3 ”项目。本论文就是研究该系统的子系统一地面监控系统。 地面监控系统作为旋转导向钻井系统的神经中枢。其主要功能如下：( 1 ) 监测井下 工具的工作状态和轨迹的变化趋势；( 2 ) 按照几何导向或地质导向的要求给出控制指令： ( 3 ) 遥控井下工具按预定的轨迹钻进；( 4 ) 能够根据旋转导向钻井的要求进行轨迹的修 正设计：( 5 ) 能够直观形象的显示井眼轨迹。地面监控系统主要由三部分组成：数据采 集传输单元、地面计算分析模拟中心( g c a c ，g r o u n dc o m p u t a t i o n & a n a l y s i sc e n t e r ) 、 控制指令传输单元。数据采集传输单元主要采集地面各种传感器信号，并对信号进行分 析处理，获得相应的测量信息。再将这些信息向g c a c 传送；g c a c 主要完成控制指令 的产生，设计轨迹和实钻轨迹的动态显示，轨迹的修正设计、井下旋转导向工具工作状 态监测的功能；控制指令传输单元主要是通过一种合理的方式，将g c a c 产生的控制指 令实时的传递给井底控制单元，从而产生不同大小和方向的导向力，指引钻头向预定的 目标行进，达到轨迹控制的目的。 研发具有自主知识产权的旋转导向钻井系统，不但可以满足国内油气勘探开发形式 的需要，而且可以大大缩短国内钻井技术水平与世界先进水平之间的差距，打破国外先 进技术的垄断，提高国内钻井行业在国际市场的竞争力。 1 西安石油大学硕士学位论文 另外，世界钻井发展的趋势是向自动化、智能化钻井发展1 4 】。开展旋转导向钻井技 术的研究也正符合这一发展趋势的要求。在研究旋转导向钻井的基础上，进一步开展旋 转导向闭环钻井技术的研究，可以为将来实现自动化、智能化钻井打下坚实的基础。 1 2 国内外研究现状及趋势 世界上最早的定向钻井技术是采用槽式斜向器造斜配合氢氟酸测斜仪测量。美国于 1 9 3 2 年采用该导向技术钻成了第一口石油钻探定向井。此后，随着新的井下工具，测量 仪器及轨迹设计计算方法的出现，导向钻井技术逐步发展到了现代导向钻井阶段。现代 导向钻井的意义主要是科学地设计井身轨迹并在施工作业过程中，有控制的导引实钻井 身轨迹沿设计轨迹( 几何导向) 或沿目标油藏( 地质导向) 钻井。几何导向的任务是对 钻井井眼设计轨道负责，使实钻轨道尽量靠近设计轨道，以保证准确钻入设计靶区。在 地质导向技术问世之前，常规的井眼轨道控制技术均应属于几何导向范畴。对于地质导 向的定义，目前国际上尚无统一权威性表述，一般认为地质导向的任务就是对准确钻入 油气目的层负责，它具有近钻头地质参数( 电阻率、自然伽玛) 测量和工程参数( 井斜 角) 测量，用随钻测量仪器( m w d ) 或随钻测井仪器( l w d ) 作为信息传输通道、把 所测的井下信息( 部分) 传至地面处理系统，以及地面信息处理与导向决策三大功能。 现代导向钻井技术是几何导向与地质导向的结合，实现旋转自动导向闭环钻井。由原始 简单的定向钻井发展到现代导向钻井，经历了几个大的发展阶段。 2 0 世纪3 0 年代初，钻井工作人员开始用转盘钻井及简单工具打救灾、灭火等定向 井。钻井者利用地层自然造斜选择地面井位，而主要依靠钻井者的经验调整b h a 结构、 钻压、转速等参数来控制钻头造斜效果，即每钻进一段之后，需起钻改变b h a 结构和 变更钻压、转速，再钻进一段，再起钻测斜，这一时期由于测量工具( 主要是虹吸仪、 氟氢酸仪等) 的限制，对轨迹的测量都是一个事后测量，无法获得实时的轨迹参数的信 息，轨迹控制主要是定性控制。控制效果具有很大的随机性。 8 0 年代初，随着随钻测斜仪的出现，可以随钻将描述井身轨迹的重要参数( 井斜角、 方位角) 等信息实时传送到地面，给作业人员的及时决策提供了可靠的依据，但这时由 于还没有研发出可遥控的井下工具，对轨迹的控制仍旧通过起下钻柱后更换不同的钻具 组合来实现的，轨迹监测和控制仍旧是两个独立的过程。 8 0 年代中后期，随着井下遥控工具的成功开发，如井下变径稳定器，遥控可变角度 弯接头等，再加以计算机和三遥技术( 遥测、遥传、遥控) 的有机结合，把轨迹监测和 控制推向了一个新的高度，轨迹监、控做到了有机的统一。但在这一阶段导向钻井的作 业为滑动导向，作业时，钻柱不旋转，部分钻柱贴靠井壁，钻柱与井壁的摩阻很大，弯 角越大摩阻越大，钻进时整个钻柱向下滑动，使井身轨迹不平滑，井身质量不好。滑动 钻进井身轨迹质量和实时调整灵活性等方面无法满足较高的要求，还不能适应复杂结构 井和特殊工艺井钻井的要求。 第一章绪论 2 0 世纪9 0 年代前期b a l ( e rh u g h e si n t e q 公司先后与德国科学大陆探井k t b 项目 组和意大利a g i p 公司合作成功开发直井钻井系统，是钻井技术中的第一个闭环钻井系 统。与此同时，a n a d r i l l 公司开发成功综合钻井评价和测井系统( i d e a l ) ，把轨道控制 技术由几何导向推进到地质导向的水平。9 0 年代后半期，b a k e rh u g h e si n t e q 公司和 a n a d r i l l 公司分别开发出各自的旋转导向钻井系统a u t o t r a k 和p o w e r d r i v e ，在这两大系 统中，都有其各自的监控系统。 旋转导向钻井技术从2 0 世纪8 0 年代中期国际上开始研究，到2 0 世纪9 0 年代中期 投入现场应用并有多家公司形成商业化技术；该技术以其大大超过以前导向钻井技术的 位移延伸能力，精确的井眼轨迹控制精度和灵活性的特点，和大大提高钻井速度及钻井 效率的优势，很快代替了变径稳定器、遥控可调弯接头等导向工具，在高难度特殊工艺 井的导向作业中占据了主要市场，并在特殊油藏的开发中起到了无法替代的作用。 目前国外的a i t i o c ：| o 、b a k e rh u g h e si n t e q 、c a m b r i g ed r i l l i n ga u t o m a t i o n 、c a m c o 、 s c h l u m b e r g e r 、s p e r r y s u n h a l l i b u r t o n 、d d ds t a b l i z e r s 等公司在进行旋转导向钻井系统 及配套技术的研究与应用，已有几家大的石油公司形成了应用于现场的旋转导向钻井工 具、仪器和技术。 ( 1 ) p o w e r d r i v e 旋转导向钻井系统p o w e r d r i v e 由英国c a m c o 公司研制，1 9 9 4 年 在英格兰m o n t r o s e 地区井中试验s r d ( sl e e r i n gr o t a r y d r i l l i n g 旋转导向钻井) 【5 l 系统获 得成功。1 9 9 7 年，在英国w y t c hf a r m 油田m 一1 1 井钻成世界第一口水平位移超过一万米 的大位移井。1 9 9 8 年c a m e o 公司与s c h l u m b e r g e r 公司的a n a d r i l l 公司合并后，其s r d 系统注册为p o w e r d r i v e 。世界上3 口位移超过1 万米的大位移井中，有2 口应用了该系 统。2 0 0 0 年再次改进为p o w e r d f i v ex t r a 。 ( 2 ) a u t o t r a kr c l s ( r o t a r yc l o s e d l o o ps y s t e m ) 旋转闭环钻井系统1 9 9 3 年，意 大利a g i p 公司与美国b a k e rh u g h e s1 n t e q 公司合作在早期的v d s ( v e r t i c a ld r i l l i n g s y s t e m 垂直钻井系统) 1 6 】和s d d ( s t r a i g h th o l ed r i l l i n gd e v i c e 直井钻井装置) 口1 基础上 研制了r c l s 旋转闭环钻井系统。1 9 9 6 年在4 口井中试验获得成功，1 9 9 7 年，r c l s 系 统注册为a u t o t r a k ，正式推向市场。截止2 0 0 2 年7 月1 5 日，该系统已累积钻进超过 5 2 8 0 0 0 0 英尺f 约1 6 0 9 公里) ，每天在世界范围内高质量钻进6 5 0 0 英尺( 约2 公里) 以上。 其61 2 ”系统创下了单次下井工作9 2 小时，进尺2 9 8 6 米的世界纪录，81 4 ”系统创下了 单次下井工作1 6 7 小时，进尺3 6 2 0 米的世界纪录。 ( 3 ) g e o p i l o t 旋转导向自动钻井系统美国s p e r r y s u n 公司的c a m b r i g e r a d i a t i o n t e c h n o l o g y 公司】9 9 3 年研制了适合于转盘钻进的a g s ( a u t o m a t e dg u i d a n c es y s t e m 自动 定向系统) 是一种以人工智能算法为基础的旋转导向钻井系统1 8 j 。同年在英格兰w y t c h f a r m 油田首次进行商业应用。日本国家石油公司( j n o c ) 1 9 8 9 年开始研究r c d o s ( r e m o t e c o n t r o l l e dd y n a m i co r i e n t a t i n gs y s t e m 遥控动态定向系统) 眺”j 。1 9 9 9 年， s p e r r y s u n 公司与j n o c 合作，以其总公司h a l l i b u n o n 公司的名义推出了新一代 西安石油大学硕士学位论文 g e o p i l o t 旋转导向自动钻井系统，该系统1 9 9 9 年以来在美国墨西哥湾地区成功应用了 近5 0 口井，取得了较好的效果。 国内于1 9 9 4 年起，西安石油学院就开展了旋转导向井下闭环钻井技术r c l d 和井 下闭环可变径稳定器的理论研究与技术开发。西南石油学院、江苏石油勘探局、新星石 油公司等单位也先后进行了旋转导向钻井理论及相关工具的研究开发。国家高新技术研 究发展计划( 8 6 3 计划) 在2 0 0 1 年立项“可控( 闭环) 三维轨迹钻井技术”进行研究。 西安石油学院导向钻井研究所s d i ( s t e e r i n gd r i l l i n gi n s t i t u t e ) 与胜利石油管理局合作 进行旋转导向钻井技术的研究和开发，并申请到国家8 6 3 计划的“旋转导向钻井系统整 体方案设计及关键技术研究”( 2 0 0 1 a a 6 0 2 0 1 3 ) 项目及中石化集团公司的“旋转导向钻井 技术研究”( j p 0 1 0 0 5 ) 项目。 1 3 课题背景及本文主要工作 旋转导向钻井系统共包含五大部分，本论文的工作围绕地面监控这一子课题展开的， 重点是进行调制式旋转导向工具轨迹控制理论的研究，并开发相应的地面监控软件。通 过参加课题组的科研活动，确定以下几项主要工作任务： ( 1 ) 系统掌握所研究的调制式旋转导向工具的工作原理及结构组成； ( 2 ) 研究旋转导向钻井偏差矢量法控制原理，建立以工程允许偏差、最大允许偏差 为准则的轨迹监控算法； ( 3 ) 确定控制指令的下传方案，并进行控制指令的编码。 ( 4 ) 进行轨迹的修正设计； ( 5 ) 研究轨迹相互关系的描述及轨迹可视化； ( 6 ) 开发相应的地面监控系统的软件 1 4 本文的创新点 ( 1 ) 对偏差矢量进行了重新定义，详细论述了轨迹控制的原理，得出了用偏差矢量 法生成控制指令的软件算法，并开发了生成控制指令的地面监控软件模块： ( 2 ) 确定了控制指令的编码原则及下传方式，并进行了指令编码设计； ( 3 ) 给出了轨迹随钻修正设计的算法并开发了软件模块； ( 4 ) 开发了轨迹的图形显示和轨迹间相互关系计算的图形显示软件模块。 第二章旋转导向系统结构及工作原理 第二章调制式旋转导向系统结构及导向原理 2 1 调制式旋转导向系统的结构 2 1 1 调制式旋转导向系统的组成 调制式旋转导向系统主要由两大部分组成：一是井下部分，二是地面监控部分。井 下部分主要由测量系统、控制系统、井下调制式旋转导向工具( 井下执行机构) 组成。 地面监控系统主要由数据采集传输单元、g c a c 、指令下传单元组成。其系统组成的结 构框图如图2 1 所示： 1 i 地面部分 井下部分 圈2 1 调制式旋转导向结构框图 2 1 2 各单元系统简介 ( 1 ) 信息采集传输单元 信息采集传输单元负责接收井下测量系统传上来的数据并采集地面传感器的信号， 对接收到的数据和信号进行处理，并将数据传送到g c a c 。该单元主要由m w d 地面接 收设备、各种传感器( 如立管压力传感器、方钻杆压力传感器) 、前端接收机、信号处理 装置、信号传输装置等组成。 ( 2 ) g c a c g c a c 主要完成井下执行机构的状态观测( 如工具面角、井斜角、方位角) ，控制 过程的实时显示，轨迹间相互关系的描述、控制指令的生成等功能。该单元主要由工控 机、地面监控软件等组成。 ( 3 ) 指令下传单元 指令下传单元主要完成按照控制指令生成相应的脉冲信号，并将脉冲信号下传。主 要由脉冲发生器组成。 ( 4 ) 测量系统 测量系统主要由m w d 随钻测量系统和钻头空间姿态测量系统组成。m w d 系统主 西安石油大学硕士学位论文 要用来测量井眼的空问位置参数、并下钻压、温度、扭矩等，还接受由钻头空间姿态测 量系统传来的信息。钻头空间姿态测量系统主要用来测量近钻头处的井眼轨迹的空间姿 态( 并斜、方位) 。 ( 5 ) 控制系统 控制系统主要由涡轮发电机、稳定平台、控制盘阀等组成。控制系统的主要功能就 是接收地面的控制指令，让井下执行机构按指令动作。 涡轮发电机主要用来向测量系统和控制系统供电。涡轮发电机安装在稳定平台的两 端。稳定平台被同心地安装在无磁钻铤内的轴承上，它可绕钻铤的轴线自由地旋转。 控制盘阀机构包括上盘阀和下盘阀，上盎阀与稳定平台连接，随稳定平台旋转。下 盘阀与导向块连接，随外部钻柱旋转。上盘阀有一个弧形长孔与空心控制轴相连。控制 盘阀的结构示意如图2 2 所示。 高压孔液流通孔 图2 - - 2 控制盘阀结构示意图 ( 6 ) 井下执行机构 这里的井下执行机构即可调式旋转导向工具，它是旋转导向钻井系统的核心，主要 由三个伸缩巴掌( 伸缩翼肋) 以及控制系统的控制盘阀组成。主要功能是根据轨迹控制 的要求，向钻头提供不同大小和方向的侧向力。其结构示意图如图2 3 所示。 图2 3 井下执行机构结构示意图 到伸缩块 第二章旋转导向系统结构及工作原理 2 2 导向原理 可调式旋转导向钻井工具的导向原理，可以用图2 4 加以说明 圆弧 下张暂耍盘阀迥姆 图2 - - 4 导向原理图 在工作状态时，控制轴中的进液开关打开，钻井液进入上盘阀的圆弧型长孔。此时， 下阀盘随钻头一起旋转，当下盘阀的三个孔眼中的任一个与上盘阀的圆弧型长孔连通时， 与该孔相连的伸缩机构在高压钻井液的推动下，活塞向外伸出。与活塞固连在一起的巴 掌( 伸缩块) 与井壁接触，并给井壁一作用力，根据作用力与反作用力的原理，井壁就 对该工具一个反方向的反作用力，即给钻头施加一侧向力，即导向力。该作用力的方向 由上盘阀圆弧型长孔所在的位置决定。当圆弧型长孔的位置位于井眼高边方向时，导向 力则指向井眼的低边，井下执行机构处于全力降斜的状态。当圆弧型长孔的位置位于井 眼低边方向时，井下执行机构处于全力增斜状态。当圆弧型长孔处于2 7 0 。时，井下执 行机构处于9 0 。增方位状态。当圆弧型长孔处于9 0 。时，井下执行机构处于2 7 0 。降方 位状态。导向力的大小由控制轴进行控制。在最大的导向力时，控制轴在某一位置固定 不动。当不需要最大导向力时，控制轴处于随动状态。随动时间的长短决定着导向力的 大小。 在旋转一周的过程中，下盘阀的每一孔眼都与圆弧型长孔连通一次，连通时，巴堂 伸出。不连通时，在弹簧和井壁的作用下活塞缩回。 西安石油大学硕士学位论文 第三章地面监控系统设计 由上一章的介绍我们知道：地面监控系统主要由信息采集传输单元、g c a c 、地面 信号下传单元组成。其主要完成整个系统的监测与控制。因此，地面监控系统是一个综 合的地面信息处理系统。地面监控系统设计主要讨论的是g c a c 如何获取信息、如何加 工处理信息、如何向井底发送信息的问题。 3 1 地面监控系统信息的获取 地面监控系统要实现对井下工具和井眼轨迹的有效监控，必须先获取井下的相关信 息。目前，井下的信息一般是通过泥浆脉冲形式来传输的j ，当泥浆脉冲传输到地面上 的压力传感器后，压力传感器首先将压力信号转化为电流信号。然后由相应的解码装置 还原后，再将信息向g c a c 传输。 在由解码装置向g c a c 传输信息的过程中，目前有两种通信方式可供选择【i2 1 。一种 为并行通信( p a r a l l e lc o m m u n i c a t i o n ) ，另一种为串行通信( s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ) 。由于 并行通信一次的传输量为8 个位( 一个字节) ，而串行通信一个位( 即一个标准电位状态) ， 故并行通信传输的速度是串行通信的8 倍。但在并行通信的数据电压发送过程中，容易 因线路的因素( 如信号间互相串音) 而使标准电位发生变化，因而使发送的数据发生错 误。但由于目前井底的信息绝大部分是通过泥浆脉冲的方式向地面进行传输，而泥浆脉 冲传输信息的速率并不高，而且串行通信简单易用。所以，在由解码装置向监控g c a c 的信息传输中，选取串行通信的方式完全可以满足传输速率的要求。 对串行通信而言，常用的有两种，一种为r s - - 2 3 2 串行通信。另一种为r s 一4 8 5 串 行通信。r s - - 2 3 2 串行通信在进行数据传输时经常会受外界电器的干扰而发生数据错误， r s 一4 8 5 串行通信在一定程度上可以有效防止噪音的干扰。井场上各种噪音的干扰是无可 避免的。因此，建议选择r s - 4 8 5 串行通信作为解码装置与g c a c 的计算机之间的通信。 3 2 井眼轨迹的控制 地面监控系统的首要任务之一就是根据所获得的井底信息，通过g c a c 的处理，形 成相应的轨迹控制信息，并将该信息传到井底工具，控制工具，达到轨迹控制目的。要 能实现轨迹的有效控制，就需要首先研究旋转导向井眼轨迹的控制方式及原理。 3 2 1 轨迹控制的方式 在旋转导向钻井中，实现轨迹控制的方式主要有以下两种( 图3 1 ) ：一种是井下 闭环控制( 图中虚线环1 所示) ；另一种是具有井下一地面双向通信系统的大闭环控制或 地面监控系统控制( 图中实线环2 所示) 。对于前者，测量系统将检测出的轨迹参数( 实 钻轨道的井斜角、方位角、工具面角、井斜变化率、方位变化率) 与预置在井下微电脑 中的设计轨迹进行比较，得出相应的控制指令，并将指令传给控制系统以操纵井下调制 第三章地面监控系统设计 式旋转导向工具( 井下执行机构) ，达到轨迹控制的目的。对于后者，测试系统将被控制 量( 井斜角、方位角、工具面角) 等参数以脉冲信号方式直接传输到地面，地面采集单 元将脉冲信号转化为电信号，并进行解码，以获得被控制量的参数，并将此参数传至地 面监控中心，通过监控中心的计算机分析处理，形成控制指令，然后将控制指令下传给 控制系统来操纵调制式旋转导向工具，实现对轨迹的控制。 l 鉴h 兰茎h 掣j 、 玲z 毋 l 絮外 蘩梨l 飞l ，歹 、二- 上：( 劂 图3 - - 1 轨迹控制方式示意图 在这两种轨迹控制方式中，前者由于被控制量的分析处理均在井下完成，控制回路 较短，控制性能较好。但由于预置在井下微电脑的设计轨迹参数是井深的函数，而目前 还没有办法让井下仪器检测出当前井的深度，设计轨迹和实钻轨迹在井下也就无法进行 比较：后者由于设计轨迹参数是储存于地面监控计算中心的计算机中，当前井底的深度 在地面易于测量，也就便于实钻轨迹参数与设计轨迹参数的比较。但这需要地面与井下 之间的双向信息通讯。从控制的技术难度和目前我们设计调制式旋转导向系统整体方案 考虑，采用了第二种控制方式。 3 2 2 轨迹控制原理 3 2 2 1 控制原理 在钻井过程中，由于各种因素的影响，实钻轨迹往往偏离设计的井眼轨迹，该偏离 是既有距离大小又有方向( 含方位和井斜) 的空间几何偏离，将其定义为偏差矢量。 偏差矢量的方向就是导向工具控制合力( 偏置方向) 或工具面的方向。因此，通过计算 实钻轨迹与设计轨迹的偏差矢量，并在综合考虑偏差大小、方向以及轨迹控制要求的造 斜率和旋转导向钻井工具造斜能力的前提下，可以给出旋转导向钻井系统轨迹控制指令， 即导向力的方向和大小。井下旋转导向工具就是根据控制指令改变工具面位置和造斜率， 使实钻轨迹尽量向设计轨迹靠近。 旋转导向钻井控制井眼轨迹的过程是基于随钻测量来计算实时偏差矢量，是一个使 偏差矢量逐步减小的过程。该过程依托闭环信息系统来进行的。当偏差矢量的值小于控 制圆柱半径时，可以认为实钻轨迹与设计轨迹基本一致，以当前的井底位置继续沿设计 轨迹的路径钻进不会脱靶。按照设计轨迹的趋势给出控制指令。当偏差矢量的模大于控 制圆柱半径但小于工具的最大纠偏能力时，按偏差矢量法产生控制指令，使实钻轨迹尽 西安石油大学硕士学位论文 量靠近设计轨迹。当偏差矢量的模大于工具的纠偏能力时就必须采用两种强化措施：一 种是调整b h a 乃至更换井下工具，增大纠偏能力；另一种就是根据当前点和指定目标 点设计出新的修正轨迹，并在后续钻进时按照新设计的修正井身轨迹控制。 上述过程可以用图3 2 来具体说明。定义em a x 为有效控制偏差，em a n 的物理含 义是指当实际偏差超过此值时，工具无法实现纠偏；定义em i n 为工程允许偏差，或称 井眼控制圆柱半径。设计轨迹如图中虚线所示。设t o 时刻钻头位于设计轨迹上a 点，偏 差矢量为a b ，设旷”0 l b ( l c - - l b 的值不宜过大) 的点c ，该点的位置 参数( l c ，x c ，y c ，z e ) 和方向参数( ac ，m c ) 都是已知的。现在我们把a c 在偏差 平面上的投影a c 定义为实际要求的偏差矢量。t 一为a 点的切线方向，其单位切线矢量 可表示为： t = s i n 口“c o s 月i + s i n 口 s i n 妒 ，+ c o s k ( 3 - - 2 ) 过a 点与t a 垂直的平面定义为偏差平面，则其方程为： s i n c o s 。( x x ) + s i n a s i n ( y l ) + c o s a ( z z ) = 0 ( 3 3 ) 则a 点和c 点的偏差矢量为： e = ，一x 。) + ( r 一k ) j + ( z ，一z 。) ( 3 4 ) 偏差矢量的模为： e i = 似。一x 。) 2 + ( ，；一匕) 2 + ( z ，一z 。) 2 ( 3 5 ) 在控制系统的控制下，在钻头上施加一个侧向力f ，制止实钻轨迹与设计轨迹的偏 差进一步增大，并引导钻头向设计轨迹靠拢。用一函数关系表示这种对应关系，就有如 下形式： f = f ( )( 3 6 ) 在该控制过程中有两个基本因素影响到控制效果：f 的大小、f 的方向。设初始时 刻f 的大小和方向及偏差矢量e 的大小如图3 4 ( a ) 所示，则t 时间段后，调节f 实 施偏差矢量控制方式的不同，会出现图3 4 ( b ) ( d ) 所示的三种情况。 茜安石油大学硕士学位论文 新 ( b ) 只调节瑚太小r c ) 只调节瑚方向( d ) 同时调节瑚大小和方向 图3 4 用侧向力f 控制偏差矢量的原理 可见，偏差矢量法控制井眼轨迹有两种基本方法：一是同时调节f 的大小和方向， 二是只调节f 的方向。 由图3 4 知，只有当侧向力( f ) 的方向与偏差矢量( e ) 的方向一致时，并按照 偏差矢量的大小给出控制力时，才能使实钻轨迹以最快速度靠近设计轨迹。 3 2 3 控制指令的计算 3 2 3 1 按偏差矢量控制时控制指令的计算 由前面的分析可以发现，沿偏差矢量方向旖加空间三维控制力将能减小偏差，使实 际轨迹以最快速度靠近设计轨迹，因而该方向是最优控制力的方向。而在最优方向上纠 偏速度的快慢还取决于控制力的大小( 与之相应的是所能达到的井眼曲率) 。因此，只要 偏差矢量确定，偏置方向也就确定。这时，问题的关键是如何根据偏差矢量的大小确 定控制力的大小，这就要求首先确定在一定的地层环境中旋转导向钻井系统导向能力与 控制力大小之间的对应关系。事实上，这一点很难做到，原因在于地层环境的特点使得 无法准确找出井眼曲率与空间三维控制力大小的对应关系。在不同的地层中，井眼曲率 对空间三维控制力晌应是不一样的。钻井工程的实践经验表明：需要根据当前井底与整 个井身轨迹设计要求，对待钻井段的井身轨迹进行实时就地处理。而闭环信息流和闭环 连续控制是实时就地处理的最佳技术和必备条件。 调制式旋转导向钻井工具所产生的导向力的大小和方向依地面计算得出的控制井眼 轨迹所需的三维控制力的大小和方向而定。所以控制指令需给出工具面的方向和导向力 的比值，即工具面角6 9 的值和6 值。定义6 为导向工具的导向力f 与工具最大导向力f 。 之比，即： j ：上( 3 7 ) 瓦。 图3 5 表示工具面角的计算原理。旋转导向钻井的工具面角u 为偏差矢量a c 与a 点处井眼高边n n 的夹角： m ：靴o s 答! d ( 3 - - 8 ) c ”= a r o c o s 2 一 j i 彳卅- f 月。1 第三章地面监控系统设计 系式 图3 5 工具面角计算原理图 下面分别求出矢量a c 和i 1 a 的值。 c 点在偏差平面上的投影点c ( x c ，y c ，z c ，) 满足方程： s i n a c o s 妒c r ( 一) + s i n a 月s i n 妒( 1 一巧) + c o s 口( z ( 一z ) = 0 x ，一。i 一誓 ：生二互 ( 3 9 ) s i n 口c o s 妒s i n 口_ s i n 妒c o s 口。 从而偏差矢量a c 。为： a 6 = ( x 一一x 。) ? + ( 一k ) - ，+ ( 五一z ) k ( 3 - - 1 0 ) 由井眼高边的定义知，过n 一的平面i 与z 轴平行且与偏差平面垂直，即满足如下关 式中：f 为平面i 的单位法向矢量，t 为偏差平面的法向矢量。 从而有： ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) 联立( 9 ) 、( 1 0 ) 、( 1 1 ) 三式解得： r c c 叫丽毒x 等案器等z a 拱器，口，一。) 2 + ( t 一l ) 2 + 一) 2 - 仁2 + 6 2 ) b2 + 6 2 + c 2 ) 。 ( 3 1 3 ) 其中，a 点位置参数( l ，x ，y ，z ) 与方向参数( 口一，吼) 均为已知；a = s i n a c o s c p _ ， b = s i n a s i n t p ，c = c o s t z ：x c ，y c ，z c 三点由( 3 9 ) 式计算。 1 3 弦 6+ 、一p 一c6+，cd = 女c o、6 饵，口6 = 仃 西安石油大学硕士学位论文 3 2 3 2 按设计轨迹控制时控制指令的计算 如图3 1 所示，设当前井底位置为c 点，由于偏差矢量c d 较小，这时可以不纠偏， 并按照设计轨迹给出控制指令。控制指令仍包含两方面的内容：工具面角【i ) 的值和6 值。 点d 为当前井底在设计轨迹上的比较点，点f 为设计轨迹上欲钻达的目标点( d f 之间的距离不宜过大) ，则c 点参数已知，f 点的参数可以用插值法求得。 导向力的方向( 工具面角的方向) 可按下式求得： 当巾， 巾。时 当中 m 。时， c o s z = c o s 口( c o s 口，? + s i n ( ，s i n a c o s ( 矿? 一疵) ( 3 - - 1 4 ) c o s 国= ( c o s ( ，c o s y c o s 口。) ( s i n 畈s i n y ) ( 3 - - 1 5 ) 国：a r c c o s 竺坚；型；竺堕 ( 3 1 6 ) s i n 口fs i n ， m ：a r c c o s c o s o t c - c o s y _ - c o s a n ( 3 1 7 ) s i n 口rs i n ， 式中：a 。、n 分别为c 、f 两点的井斜角； 巾。、巾，一分别为c 、f 两点的方位角： y 狗腿角； c a ) 工具面角。 导向力的大小应该根据c f 段的曲率确定，c f 段的狗腿角可由( 3 1 4 ) 式求得，但 由于c f 段的长度未知，因此无法求得c f 段的曲率；由于c d 的距离较小，c f 段的长 度可近似取为d f 段的长度，所以c f 段的曲率为： k = 等( 3 - - 1 8 ) 假设工具的最大导向力与一定的造斜率相对应，在c f 段的曲率已知的情况下，即 可计算出6 。 3 2 4 控制指令产生流程 综上所述，在进行轨迹控制时，控制指令产生的流程如图3 6 所示： 第三章地面监控系统设计 图3 6 控制指令产生流程图 3 3 控制指令的下传 3 3 1 指令下传的方式 由g c a c 所产生的控制指令，需要及时的向井下传送，以达到轨迹控制的目的。地 面指令下传的实质就是地面与井下的通信。目前，地面与井下的通信的方法主要有以下 几种： ( 1 ) 电缆传输 电缆传输的最大优点就是传输可靠，单位时间传输的信息量大，并且可以实现井底 西安石油大学硕士学位论文 和地表设备的双向通讯，也可以通过电缆向井内传感器供电。不足之处是需要在钻具中 敷设电缆，使钻具成本比普通钻具的成本高出7 0 8 0 ，并增加了操作的复杂性。如 s h e l l 公司把导线做成钻杆的一部分，并采用特殊接头来实现导线间的连接。e x x o n 公司 采用的方法是在钻杆内下入电缆。该方法不需要电气插件，但在钻杆中存放电缆会引起 不少问题。 由于技术上的复杂性，电缆传输技术仅用于6 0 0 0 米以内的井。在深井或者超深并中， 采用电缆传输非常困难。 ( 2