调制式旋转导向钻井系统稳定平台控制原理及性能分析.pdf

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1、收稿日期:2004203222基金项目:国家“863”高新技术项目(2003AA602013)作者简介:韩来聚(1963-),男(汉族),山东昌邑人,教授级高工,博士研究生,从事钻井工艺技术研究及钻井工程管理的工作。文章编号:100025870(2004)0520049203调制式旋转导向钻井系统稳定平台控制原理及性能分析韩来聚1,2,王瑞和1,刘新华2,崔琪琳3(1.石油大学石油工程学院,山东东营257061;2.胜利石油管理局钻井工艺研究院,山东东营257017;3.西安石油大学电子工程学院,陕西西安710065)摘要: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

2、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。关键词:调制式旋转导向钻井系统;稳定平台;控制原理;性能分析中图分类号:P 634.5;TE 921.2 文献标识码:AControl principle and servo platform performance analysis ofmodulated rotary steerable drilling syst

3、emHAN Lai2ju1,2,WANG Rui2he1,LIU Xin2hua2,CUI Qi2lin3(1.College of Petroleum Engineering in the University of Petroleum,Dongying257061,China;2.Drilling Technology Research Institute of Shengli Oilf ield,Dongying257017,China;3.School of Electronic Engineering,Xian Petroleum University,Xian710065,Chin

4、a)Abstract:The control principle of the servo platform in modulated rotary steerable drilling system was studied.A controlsystem of servo platform composed of upper and lower turbo2dynamotors,platform control axis and electronic storehousewas designed.The theoretical analysis and analogue simulation

5、 results show that the platform could keep itself stabilized andhas good controllable and visible characteristics.Moreover,the system still has good tracing capacity and anti2jamming ca2pacity when the drilling parameters change in a wide range.Key words:modulated rotary steerable drilling system;se

6、rvo platform;control principle;performance analysis 旋转导向钻井技术是20世纪90年代发展起来的一种全新钻井技术,它具有机械钻速和井身轨迹控制精度高、井眼净化效果好、位移延伸能力强等特点,是导向钻井技术一次质的飞跃1,2。目前国际上许多著名的公司已开发出了自己的商业化产品。调制式旋转导向钻井系统由于其钻柱与井壁间不存在静止点,因此在钻井过程中更可体现旋转钻井的优越性。调制式旋转导向钻井系统通过控制井下偏置导向工具翼肋的支出达到控制井眼轨迹的目的。井下偏置导向工具的支出是由稳定平台闭环控制实现的,因此稳定平台的闭环控制是调制式旋转导向钻井系统的

7、关键3,4。1 稳定平台的结构及控制原理稳定平台安装于近钻头的无磁钻铤内,钻井过程中,在没有任何控制的情况下,它将随钻铤一起旋转,为了实现对井眼轨迹的控制,它首先必须保持自身稳定,并能随钻测量井斜及工具面角,从而实现对导向力大小及方向的控制。研究开发的调制式旋转导向钻井系统稳定平台主要由上、下涡轮发电机、平台控制轴及电子仓组成,其结构见图1。上涡轮发电机提供电子仓内的用电并提供一个逆时针转动力2004年 第28卷 石油大学学报(自然科学版)Vol.28No.5 第5期 Journal of the University of Petroleum,ChinaOct.2004矩;下涡轮发电机提供一

8、个顺时针旋转的可变力矩,通过控制电路使控制轴稳定到一个特定的工具面位置,稳定平台工具面的控制是通过改变下发电机负载电流来实现的,保证平台工具面角跟踪设定值。中间的电子仓为控制单元、检测单元及短程电磁波通讯电路。控制单元完成工具面的控制,包括工具面的稳定控制和转动控制;检测单元实现近钻头井斜与工具面的测量;短程电磁波通讯电路完成调制式旋转导向工具与随钻测量仪之间的信息传递,实时将近钻头井斜与方位信号上传地面。因此,平台为系统的被控对象,被控制量即为工具面角。下发电机负载电流作为系统操纵量,执行机构即是产生操纵量的MOS管及下发电机。当需要调整井斜、方位时,由稳定平台控制轴控制液压分配机构,使导向

9、系统伸缩翼肋在与所要调整的井斜(方位)相反的方向上依次伸缩,并由随钻测量仪器随时监测井眼轨迹。图1 稳定平台结构为使稳定平台能快速跟随设定的井斜角与工具面角,将稳定平台的控制轴稳定在所需工具面角位置,设计三环控制方法,即位置负反馈环、电流负反馈环及速度负反馈环。位置负反馈环通过比较加速度计的反馈信号,控制工具旋转使导向工具达到设计的工具面位置;电流负反馈环可保证下发电机产生的负载电流达到控制要求,从而使下发电机产生相应的力矩;速度负反馈环用陀螺检测反馈的方法保证稳定平台的工作状态。设计的发电机式稳定平台控制系统的闭环系统原理如图2所示。图2 稳定平台控制系统原理图 图中PID1,PID2,PI

10、D3分别为角度、速度和电流控制器,K,Kw,KI,KM,KL分别为加速度计转换系数、陀螺传感器转换系数、电流互感器转换系数、MOS管电流电压比例常数和发电机力矩电流系数。2 稳定平台控制系统传递函数的确定工具面角=arctan-GyGx,Gx,Gy分别表示两个重力加速度计在x、y方向上测得的重力分量,所示加速度计转换系数K=1。实验测得,陀螺传感器转换系数Kw=5.74 V/(rads),电流互感器转换系数KI=4 V/A,MOS管电流电压比例常数KM=3.44 A/V,发电机的力矩电流系数KL=0.22 Nm/A。由转矩方程Jddt+f=M,得稳定平台传递函数:(s)M(s)=Km1+Tms

11、,其中Tm=J/f,Km=1/f.式中,(s)为系统传递函数;J为稳定平台转动惯量,kgm2;f为稳定平台转动阻尼系数,根据机械设计手册取0.01 Nms;为稳定平台转动角速度,rad/s;M为转矩,Nm;Tm,Km均为时间常数。3 稳定平台控制系统性能分析3.1 原系统性能分析3.1.1 系统稳定性由系统传递函数可得原系统开环传递函数为G(s)=56.0297s2+99.8447s,闭环传递函数为G(s)=56.0297s2+99.8447s+56.0297,由传递函数可以求出系统的动态方程,即05石油大学学报(自然科学版)2004年10月?x=Ax+Bu,y=Cx+D,其中A=-99.84

12、47-56.02971.00000,B=10,C=056.0297,D=0.该系统的系数矩阵A的特征值为 E-A=+99.844756.0297-1.0000.解方程2+99.8447+56.0297=0,得1=-99.2803,2=-0.5644.1,2均具有负实部,根据李亚普诺夫稳定判据的第一方法可知,系统是稳定的。同时,由于方程的系数均为正,根据劳斯判据也可判断出该系统是稳定的5。3.1.2 系统的可控性及可观性根据系统状态方程中A,B的值,可得rankQc=rank BAB=2,rankQo=rank CTATCT=2,可见Qc,Qo均满秩,即随动稳定平台控制系统是可控的、可观的。3.

13、2 校正后系统性能分析系统单位阶跃下的闭环响应曲线如图3所示。图3 单位阶跃下的闭环响应曲线从图中可以看出,系统虽无超调,但响应时间太长,调节时间ts=14 s,无法满足系统对工具面角控制的要求。特别是其有一个极点与原点重合,系统抗干扰能力弱,所以必须对系统进行校正。由于主要针对该系统动态指标进行校正,所以采用相位超前校正。根据钻井过程中的实际情况,希望校正后系统的稳态误差在原有的基础上尽量小,超调量在5%左右,达到稳定的时间在4 s左右,通过计算可得 超 前 校 正 环 节 的 传 递 函 数 为Gc(s)=0.01785s+1.7850.5s+1。校正后系统开环传递函数为G0(s)=s+1

14、000.5s3+50.922s2+99.8447s;闭环传递函数为G(s)=s+1000.5s3+50.922s2+100.8447s+100.用同样的方法对校正后的系统进行分析,可以得出系统是稳定的、可控的和可观的。4 稳定平台闭环控制系统特性分析一个性能良好的系统,不仅能精确跟踪输入信号,而且应尽可能抑制扰动对系统的影响。在稳定平台控制系统中只有工具面角是系统的输入信号,其他参数变化均为扰动信号。4.1 系统跟踪特性钻井过程中,为了调整井斜或方位,需改变工具面角,在工具面角呈斜坡规律变化时,系统跟踪特性见图4。从图中可以看出,控制系统在1.5 s即能跟随输入信号变化,且稳态无误差。图4 校

15、正后闭环系统跟踪斜坡信号响应曲线及误差曲线4.2 系统抑制扰动特性由仿真结果可知,转盘转速在0120 r/min范围变化时,工具面角误差小于0.1%;钻井液排量在0.0160.038 m3/s范围变化时,工具面角误差小于1%;钻井液粘性系数有10%的变化时,工具面角误差小于0.1%,因此系统中钻井工艺参数扰动的影响可以忽略不计6。图5是转盘转速在60 r/min、钻井液排量为01035 m3/s、粘度系数为0.012 Pas、粘振0.1 s时系统的仿真结果。从图中可以看出,稳定平台能够及时响应钻具转速的变化,达到滚动稳定状态。钻井过程中会发生蹩泵现象,图6是蹩泵0.2 s时稳定平台的输出摆动速

16、度和工具面角的变化情(下转第60页)15第28卷 第5期 韩来聚等:调制式旋转导向钻井系统稳定平台控制原理及性能分析WU Hua and LIU De2ping.Research on drilling incliningprevention technique for the upper formation with big dipof the high and steep structure in East SichuanJ.Natu2ral Gas Industry,2003,23(5):64-65.3 管志川,靳彦欣,王以法.直井底部钻柱运动状态的实验研究J.石油学报,2003,24(

17、5):102-106.GUAN Zhi2chuan,J IN Yan2xin and WANG Yi2fa.Ex2perimental research on motion behavior of bottom drillingstring in straight holeJ.Acta Petrolei Sinica,2003,24(5):102-106.4 H2S Ho.Prediction of drilling trajectory in directionalwells via a new rock2bit interaction model R.SPE18658,1987.5 高德利

18、,刘希圣,徐秉业.井眼轨迹控制M.北京:石油工业出版社,1994.132-153.(编辑 陈淑娴)(上接第51页)况。从图中可以看出,稳定平台能够及时响应钻井液排量的变化,达到滚动稳定状态。图5 钻具粘振时稳定平台的输出摆动速度和工具面角图6 蹩泵时稳定平台的输出摆动速度和工具面角5 结 论(1)调制式旋转导向钻井系统导向力的大小和方向是由稳定平台控制的,稳定平台通过控制液压分配系统来控制井下偏置导向工具翼肋的支出,从而达到控制井眼轨迹的目的。(2)所设计的调制式旋转导向钻井稳定平台三环控制系统在一定的条件下不但可实现自身稳定,且具有可控性和可观性。(3)在较大范围内改变钻井参数时,系统仍具有

19、很好的跟踪特性及抗干扰能力。系统在转速、钻压改变,粘振、憋钻等现象出现时,仍然可以在短时间内实现稳定,能满足现场需求。参考文献:1BAR J D and RUSSELL M K.Steerable rotary drillingsystem P.Europe Patent:0520733A1.1992203202.2BAR J D and CLEGGJ M.Steerable rotary drilling withan experiment systemR.SPE 29382,1989.3 韩来聚,等.调制式旋转导向钻井系统工作原理研究J.石油机械,2002,30(3):7-9,35.HAN

20、 Lai2ju,et al.Principle of power drive rotary steer2ing drilling system J.China Petroleum Machinery,2002,30(3):7-9,35.4 狄勤丰.旋转导向井下闭环钻井技术M.西安:陕西科学技术出版社,1999.5 吴麒.自动控制原理 M.北京:清华大学出版社,1990.6 周静,等.调制式可控偏心器伺服平台的滚动稳定控制系统仿真J.控制理论与应用,2001,18(1):135-138.ZHOU Jing,et al.The roll stable control simulation of t

21、heservo platform in modular controllable stabilizerJ.ControlTheory and Applications,2001,18(1):135-138.(编辑 修荣荣)石油大学师生参加“第二届多相流、非牛顿流和反应流国际学术会议”“第二届多相流、非牛顿流和反应流国际学术会议”2004年9月10日至12日在杭州召开,来自美国、英国、俄罗斯、德国、日本以及中科院、清华大学、浙江大学、华东科技大学、石油大学等数十所研究机构、科研院所的教授、专家70余人与会进行了学术交流。石油工程学院博士生导师李兆敏教授被聘为“非牛顿流体流动”分会场会议主席并主持了会议。参加会议的7名师生交流了在泡沫流体流动、非牛顿流体温度场分布、聚合物在多孔介质中的流动规律、泡沫流体调剖机理等领域的研究论文,展示了石油大学在上述领域的最新研究成果。(摘自校园网)06石油大学学报(自然科学版)2004年10月