旋转导向钻井稳定平台控制系统仿真研究

深入分析了调制式旋转导向钻井系统稳定平台的控制原理,在MATLAB/SUMULINK中建立了其控制系统模拟模型。该模型充分考虑了井下复杂状况,引入了一系列影响控制系统的因素,如上下涡轮电机的相互影响、轴承对平台的摩擦扭矩、旋转的钻井液传递给平台的黏滞摩擦扭矩、盘阀系统传递给平台的摩擦扭矩等。采用传统的PID控制算法,即使在采用最优PID参数的情况下,仍然无法得到令人满意的效果。鉴于此,提出了一种采用偏差模糊控制和微调增量的新型模糊控制算法。模拟结果表明,所采用的模糊控制方法能够更快地跟随控制信号,并且超调量较小,提高了系统的抗干扰能力。

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。

旋转导向系统稳定平台自适应动态面控制

井下的多种干扰因素为旋转导向系统稳定平台的控制器设计增加了复杂性。为了应对未知摩擦力矩和建模误差对稳定平台的不良影响,提出一种自适应神经网络动态面控制方法,该方法使用RBF神经网络逼近摩擦及干扰力矩,设置状态观测器获取由于相关参数不确定导致的建模误差,并引入动态面方法避免传统反步控制带来的“微分爆炸”,最后使用李雅普诺夫法证明系统的稳定性。结果表明,该控制方法在稳定平台模型存在摩擦力矩、未知干扰和建模误差的情况下,仍能使工具面角准确、快速地跟踪输入指令信号,具有较好的自适应性和鲁棒性。

旋转导向钻井工具稳定平台控制功能试验研究

为了实现在全旋转状态下的钻井导向控制,在调制式旋转导向钻井工具内设置了一个可以自动调整和保持工具面角度的稳定平台。设计了基于角速度和角位置串级控制的惯导稳定平台功能的试验样机。通过以电动机为动力的齿轮驱动和全流量清水涡轮驱动的功能试验,对稳定平台的算法和控制参数进行了调试。在发电机转速为500～800r/min、下盘阀转速约为60r/min和摩擦扭矩为0.8～7.5N·m的工作条件下,系统阶跃响应调整时间约为3s,试验结果证明了系统设计和控制方案的可行性和有效性。

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工具稳定平台控制机构研究

深入研究了调制式旋转导向钻井工具中的稳定平台控制机构的结构原理和控制原理。介绍和分析了一种用井下涡轮发电机作为力矩发生器 ,通过调节其电磁力矩的方法来实现稳定平台控制的方法。在推导控制对象数学模型的基础上对控制系统进行了相应的计算机仿真 。

旋转导向钻井系统稳定平台变结构控制研究

通过构建旋转导向钻井系统稳定平台的数学模型和分析稳定平台的工作环境,提出了稳定平台变结构控制方案。验证了稳定平台控制系统对于变结构控制的不变性条件,构造了滑动模态。采用指数趋近率和柔化符号函数法,设计了大幅度削减振颤的控制律。对设计出的变结构控制系统进行了计算机仿真和地面模拟试验,结果表明,该控制算法鲁棒性强,控制精度比较高,跟踪速度快,具有良好的控制效果。

动态指向式旋转导向钻井工具稳定平台的控制

动态指向式旋转导向钻井工具是目前最先进的自动化钻井工具,而安装在工具内部的稳定平台控制的性能指标决定了动态指向式旋转导向钻井工具的导向能力和导向精度。基于动态指向式旋转导向钻井工具原理样机,分析了圆周角位置控制中存在的测量值周期性突变现象,提出了角位置预处理方法,解决了电机转向控制和测量值跳变的问题;结合理论建模与系统识别方法,获取了原理样机稳定平台的控制模型,搭建了稳定平台工具面角反馈-前馈仿真系统,针对井下黏滑工况进行了测试分析。分析结果表明:反馈-前馈仿真系统可以较好地抑制黏滑工况造成的工具面角波动,在黏滑度100%的情况下可将工具面角控制在±13°范围内,满足钻井过程中的技术要求。所得结论可以指导旋转导向钻井工具成功命中地质目标。

导向钻井稳定平台精确线性化控制

针对导向钻井稳定平台的强非线性、强扰动,致使传统控制算法难以实现高稳定性的角度输出问题,提出了一种基于反馈线性化的极点配置控制策略。首先,根据已知的平台非线性动力学方程,采用反馈线性化理论对该系统中的非线性因素进行精确线性化。其次,通过极点配置法设计期望极点,使系统动态性能达到期望效果。最后,在Matlab/Simulink环境中,搭建平台角度控制系统模型,对提出的控制算法进行仿真验证。仿真结果表明,上述控制算法相对传统PID算法有效的改善了系统角度稳定控制问题,并且在强扰动的作用下具有较强的鲁棒性,提高了系统的控制精度。

旋转导向钻井工具稳定平台单元机械系统的设计

稳定平台单元机械系统的设计是旋转导向钻井工具的关键和难点之一。其作用是保证在钻井时不受钻柱旋转的影响,配合旋转导向钻井系统的指令系统对导向工具的工具面角随钻实时调控,实现导向功能,并承担与MWD之间的测控信息无线传输。介绍了旋转导向钻井工具稳定平台的基本原理,展示了所设计的稳定平台单元机械结构图。指出了稳定平台单元机械系统设计的几个特点进行了稳定平台整体支承方案选择分析,确定了稳定平台整体重量上挂在稳定平台上主支撑座的上挂式方案;进行了轴承选型的对比分析,确定了滚动轴承结构的设计方案,为了提高其使用寿命特设计了轴承保护器;进行了稳定平台主轴控制转动时驱动力矩与阻力矩的分析,给出了所需扭矩的供需平衡的解决办法;进行了影响稳定平台主轴整体刚度的因素分析,提出了提高稳定平台整体刚度的办法;进行了稳定平台旋转主轴的静平衡和动平衡分析;说明了选择防磁材料的原因和轴向累计加工、安装误差的调整方法等。这些措施的实施从机械设计方面保证了整个稳定平台功能的实现。

旋转导向钻井工具稳定平台静力学有限元计算

稳定平台安装在旋转导向钻井工具的内部,时其外形尺寸有特殊要求,要求尽可能地细小,同时又要承载巨大的动态冲击载荷,所以旋转导向钻井工具稳定平台的刚度和稳定平台控制轴的强度直接关系到稳定平台能否正常工作及其寿命的长短。针对开发设计的稳定平台进行了静力学分析,分别建立了稳定平台刚度分析和控制轴强度分析的力学模型,利用有限元分析软件计算了稳定平台的刚度和控制轴的强度。从计算结果可以看出,稳定平台控制轴的最大应力不超过306 MPa,发生在靠近下轴承处,强度安全系数大于2．7,满足强度要求。发电机涡轮处最大横向位移为0．528 mm,刚度安全系数大于2．8,满足刚度要求。稳定平台最大挠度为3．321 mm,偏大,可能会影响稳定平台的动态平衡性能,有必要进一步采取措施,改进设计。

基于稳定补偿状态观测器的旋转导向钻井轨迹跟踪控制

旋转导向钻井是近年来应用于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。针对一种旋转导向钻井系统的井眼轨迹跟踪问题,分析了系统模型的渐近稳定性;实现了一种基于状态反馈的二维井眼轨迹跟踪控制器。为了克服滞后项所导致的状态观测器稳定问题,提出了一种基于稳定补偿的状态观测器设计方法。控制系统设计的整体思路是利用基于指数趋近律的积分滑模变结构方法实现稳定补偿控制,保证了状态观测器的渐近稳定性;同时为提高系统整体性能,进一步使用遗传算法对系统控制器和观测器参数进行了优化。通过对不同的给定钻井轨迹进行对比仿真实验,验证了所提的控制系统设计方法的有效性。

旋转导向钻井工具稳定平台振动模态计算

旋转导向钻井工具稳定平台的闭环控制是调制式旋转导向钻井系统的关键。巨大的动态冲击载荷引起的振动会严重影响稳定平台的正常工作和动力学性能。针对新开发设计的稳定平台,建立了振动模态分析的力学模型,利用有限元软件进行了稳定平台的振动模态分析,计算了其固有频率和振型。通过对计算结果的分析,认为应适当调整局部形状尺寸,尽量增大稳定平台刚度,为稳定平台的结构设计和动力学分析提供了理论依据。

旋转导向钻井系统及其控制方法研究进展

旋转导向钻井技术是一种新型的井身结构,可用于完井作业和水平井、大斜度井,实现井下导向和定向功能。旋转导向系统是旋转导向钻井技术的核心,其控制技术的发展直接关系到整个钻井工程的成败。介绍了旋转导向钻井系统的基本结构、工作原理,详细分析了基于不同类型控制方法的控制系统控制策略研究进展,并指出旋转导向钻井系统控制技术实际应用中存在的问题和不足,提出了未来我国旋转导向技术发展方向:完善现有的推靠式和指向式系统,开展混合式旋转导向系统地面监控,构建双向通讯、随钻测量子系统等。

旋转导向钻井工具稳定平台监控系统通信设计

提出采用无线通信方式来解决通信过程中需要多次停机的问题,及时、准确地将井下工具工作情况传输到PC机中,对现场进行监测,并通过组态软件对传输过程进行分析,同时对异常情况及时做出处理,实现对现场运行情况的实时控制。通信采用半双工异步传输的工作方式,通信协议采用Modbus协议。通信试验结果表明,单片机能将现场实时数据通过无线数传模块传输给PC机,并在MCGS制作的人机界面中显示出来,准确无误。

基于RBF网络滑模变结构控制的导向钻井稳定平台研究

针对摩擦问题对旋转导向钻井稳定平台存在影响,提出一种基于RBF神经网络滑模变结构控制方法。采用神经网络和滑模变结构相结合,能够提高稳定平台控制的精确性和抗干扰能力。实验结果表明,RBF神经网络滑模变结构控制方法能够有效的跟踪预设工具面角角位置,有较强的鲁棒性。

电控半程旋转导向钻井工具研制与现场试验

半程旋转导向钻井技术,是将下部钻具与上部钻具的扭矩进行分离,上部钻柱低转速旋转送钻,下部钻具进行常规滑动定向钻进,可低成本、大幅度提高导向钻井的井眼轨迹控制能力和水平段延伸能力。基于此技术,研制了电控半程旋转导向钻井工具。该工具在常规滑动定向钻井钻柱的近钻头端安放电控半程旋转导向钻井工具,由地面信号下传装置发送钻井液负脉冲序列指令,工具接收指令后执行钻柱扭矩分离和结合动作。需要指出的是,扭矩分离后对反扭矩进行控制是该工具的关键技术,通常用钻柱与井壁的摩擦扭矩对抗反扭矩,但当扭矩激增时无法平衡反扭矩。电控半程旋转导向钻井工具通过增设抗反扭扶正器和吸扭储能总成,有效抵抗反扭矩、稳定工具面。电控半程旋转导向钻井工具已开展4井次现场试验。试验结果表明,该工具可大幅缓解托压,降摩减阻,提高钻压传递效率,具备反扭矩控制能力,扭矩分离后工具面保持平稳,机械钻速有所提高,具有推广应用价值。

旋转导向钻井轨迹控制理论及应用技术研究

研究了调制式旋转导向钻井系统控制井眼轨迹的原理和方式,依据实钻轨迹和设计轨迹的偏差大小,给出了轨迹控制方法。根据控制原理,设计了一套从地面控制井下的工具,以实现轨迹控制的指令算法。基于所研究的理论和算法,开发了应用于导向钻井系统的地面监控软件系统,重点介绍了井眼轨迹控制系统的程序设计与实现方法。

旋转导向钻井工具控制轴刚度分析

基于旋转导向钻井工具中稳定平台控制轴的结构特点,建立了控制轴的力学模型和有限元模型,利用有限元软件对控制轴的横向和纵向刚度进行了分析,结果表明:在理论上该控制轴振动加速度应小于12．3g才能保证控制轴的正常工作,否则,必须进一步提高整个控制轴的抗弯刚度;最大位移点发生在下涡轮上端。通过分析,得出了旋转导向钻井工具的使用约束条件,并且为旋转导向钻井工具的结构改进提供了理论依据。

调制式旋转导向钻井工具控制阀力学模型及仿真分析

设计调制式旋转导向钻井工具控制阀的关键问题之一是上盘阀高压孔的设计。通过对调制式旋转导向钻井工具液压盘阀机构的工作原理、力学模型的理论和仿真分析,给出了上盘阀高压孔圆心角的最优设计参数;讨论了充液、泄液滞后时间对巴掌支撑力的影响,提出了调制式旋转导向钻井工具控制阀机械设计和控制的理论依据。