捷联式自动垂直钻井稳定平台控制系统仿真研究.pdf

第 3 9巷 第 5期 2 O1 1年 9月 石 油 钻 探 技 术 I E 1 、 R I EUM I RI I I I N j TE CHNI QUES VoL 3 9 NO． 5 Se p ．。 2 11 钻 采机 械 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 0 8 9 0 ． 2 0 1 1 ． 0 5 ． 0 2 0 捷联 式 自动垂 直钻 井稳定 平 台控 制 系统仿真研究 孙 峰 ， 吕官云 ， 陈 威 ， 王义峰 1 ．中国石油大学 华东 石油工程学院 ， 山东青岛 2 6 6 5 5 5 ； 2 ．中国石 化胜利石油管理局钻井 工艺研究 院， 山东东营 2 5 7 O l 7 摘要 自动垂直钻井 系统是一种能够 自动 有效控制井斜 、 保证 钻头始终 沿垂 直方向钻进的机 电液一体化 集成 钻井装置， 可有效解决 高陡构造地层 防斜打快问题 。以胜利石 油管理局钻井工艺研 究院 自主研发 的捷 联式 自动垂直 钻井 系统为背景 ， 对其稳定平台的结构和工作原理进行分析 ， 在钻进和纠斜 2 种不同的Z - 作模式下稳定平 台采 用不 同 的控制结构 ， 并在 A n s o f t ／ S i mp l o r e r 环境中建立了控制 系统的仿真模型。仿真分析结果表明， 所设计的控制方法动 态跟踪 特性良好， 稳 态偏差较 小， 具有较强的抗干扰特性， 为捷联式稳定平台控制 系统的进一步开发和优化提供 了理论基础 。 关键词 垂直钻井 稳定平 台 井斜控制 数 学模 型 中图分类号 T E 2 1 文献标识码 A 文章 编号 l o o 卜0 8 9 0 2 O 1 1 0 5 ～ 0 0 9 卜O 5 Re s e a r c h o n St r a p Do wn Aut o ma t i c Ve r t i c a l Dr i l l i n g S y s t e m wi t h t h e S i mu l a t i o n o f S t a b l e Pl a t f 0 r m Co nt r o l Su n Fe ng ， Li i Gu a n y u n。 ， Ch e n W e i 。 ， W a n g Yi f e n g 1 ．C o l l e g e o f P e t r o l e u m En g i n e e r i n g， C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m Hu a d o n g ， Qi n g d a o ， S h a h ～ don g， 26 6 55 5， Chi n a； 2 ． D r i l l i n g Te c hno l o gy Re s e ar c h I n s t i t u t e， Si n o pe c She n gl i Pe t r o l e u m Admi ni s t r a～ t i o n， Do n gyi n g， Sha ndo n g， 2 57 0 1 7， Chi n a Ab s t r a c t The a u t oma t i c v e r t i c a l d r i l l i n g s y s t e m i s a hy dr o m e c ha t r o ni c s i nt e g r a t e d de vi c e， whi c h a ut o ma t i c a l l y k e e p s t h e d r i l l b i t t o d r i l l v e r t i c a l l y f o r c o n t r o l l i n g we l l d e v i a t i o n， i t i s t h e d e v e l o p i n g t r e n d o f c o n t r o l l i n g we l l b o r e i n c l i n a t i o n ． Ba s e d o n t h e s t r a p d o wn a u t o ma t i c v e r t i c a l d r i l l i n g s y s t e m d e v e l o p e d b y Sh e ng l i Dr i l l i ng Te c hn ol o g y Re s e a r c h I ns t i t u t e， t hi s p a pe r a n a l y z e d t h e s t r u c t ur e a n d p r i nc i pl e o f t he s t a bi l i z e d pl a t f o r m ， a nd e s t a bl i s he d t wo d i f f e r e n t c o nt r o l l i ng m e t ho ds a c c o r di ng t o t he wo r ki n g mo d e s b ot h US U a l dr i l l i n g a nd c o nt r o l l i ng o f we l l i nc l i n a t i o n r e s pe c t i v e l y ． A n s i m ul a t i o n mod e l f o r c o nt r ol s y s t e m ha s b e e n e s t a b l i s h e d b y me a n s o f An s o f t ／ S i mp l o r e r ， t h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e d e s i g n h a s a g o o d d y n a mi c t r a c k i n g f e a t u r e s ， s ma l l s t e a d y s t a t e e r r o r a n d s t r o n g a n t i j a mmi n g ． Th e r e s e a r c h o f t h i s p a p e r p r o v i d e s a t h e o r e t i c a l b a s i s f o r f u r t he r de v e l o p i ng t he s t a b l e pl a t f o r m wi t h s t r a p d o wn c o nt r ol s y s t e m． Ke y wo r ds ve r t i c a l dr i l l i ng； s t a bl e pl a t f o r m ； d e v i a t i o n c o nt r o l ； m a t he ma t i c a l m o d e l 高 陡构造 地层 的 防斜打 快是 国内 尚未 完 全解决 的一项技术难题。常规 的降斜防斜技术存在许多问 题 ， 如钟摆 钻具 组合 的降斜 能力 受钻压 的影 响较 大_ ] j ， 只能采取 吊打的方式 ， 是一种以牺牲钻 速换 取井眼质量的消极方法。从目前石油钻探技术发展 的状况来看 ， 自动垂直钻井技术[ 4 是解决该 问题的 一 种有效方法。 自动垂 直钻井 系统 是一种 能够 自 动控制井斜 、 保 证钻 头始终 沿垂直 方 向钻进 的机 电液一体化 钻井 装置 ， 特别 适用 于解决 高 陡构造 及 易井 斜 地 区 的 防斜 打 快 问 题 。其 特 点 和 作 用 具 收稿 日期 2 0 1 ]0 4 0 1 ； 改回 日期 2 0 1 1 0 7 一 O 4 。 作者简介 孙峰 1 9 7 5 ， 男， 山 东邹平人 ， l 9 9 7年毕 业于石油 大学 华 东 化机专业， 高级工程 师， 主要从事钻井工程井下工具 及仪 器方面的研 究工作 。 联系方式 1 3 5 6 1 0 5 3 0 2 1 ， s u n { e n g 2 7 1 ． s l y , s i n o p e c ． c o n l 。 基金项 目 国家高技 术研 究发展计 划 “ 8 6 3 ” 计 划 项 目“自动垂 直钻井技 术” 编号 2 0 0 9 A A0 9 3 5 0 1 和 中国石油化 工集 团公 司重大 攻 关 项 目“自动 垂 直 钻 井 系 统” 编号 J t 0 5 0 1 ] 部 分研 究 内容 。 石 油 钻 探 技 术 体表现在 1 释放钻压 ， 提高 机械钻 速 ； 2 井下 闭 环控制 ， 无需人工干预 ， 钻井效率 高； 3 狗腿度小 ， 钻柱摩阻／ 扭矩小 ， 钻井 风险低。 目前只有 国外少 数几家公 司掌 握 了该 项技术 1 ] ， 他们 对外 实施 技术保密 ， 而且租赁费用 昂贵 ， 使该项技术难 以在 我 国大 面 积推 广 应 用 。 为 了从 根 本 上 满 足 国 内油 气 勘 探 开 发 的需 要 ， 国 内各 石 油 科 研 机 构 开 展 了 自动 垂直 钻 井 技 术 研 究 ， 研 制 出 了具 有 自主 知 识 产 权 的 自动 垂 直 钻 井 系 统 ， 并 进 行 了 相 关 现 场 试 验 。胜利石油管理局 钻井工 艺研究 院 自主研发 的 捷联式 自动垂直钻井系统在宁深 1井现场 的成功 应用E l 4 1 5 ] ， 标 志着 国内 自动垂 直钻 井技术 获得 了 重 大突 破 。笔 者 对该 系 统 稳 定 平 台 结 构 及 工 作 原 理进行了分析 ， 建立其控制系统仿真模型 ， 并进行 了仿真研究 ， 验证其 自动垂直 钻井控 制系统 的有 效性 。 1 捷 联式稳 定平 台的结 构及 原理 捷联式是指将惯性敏感元 件直接捆绑在系统 的稳定平 台上 与钻铤 固联 ， 随钻铤 同步旋转 并完 成对井斜角与工具 面角 的测量 。捷联式稳定平 台 是 自动 垂 直钻 井 系 统 a u t o v e r t i c a l d r i l l i n g s y s t e m， AV DS 的核心口 ] ， 主要 由基 于旋转基 座 的测 控 短 节 、 电源 短节 、 伺 服短 节 和 防斜 纠斜 执 行 机 构 等 组 成 见 图 1 。 1捷联式稳定平台；2防斜纠斜执行机构；3叶轮；4电源短节；5测控短节；6伺服短节； 7 ． 盘阀；8翼肋；9钻头 图 1 捷联式 自动垂 直钻 井稳定平台结构示意 Fi g ． 1 S ke t c h of t he s t r uc t u r e f o r s t a b l e pl at f o r m wi t h a u t o ma t i c v e r t i c a l d r i l l i n g s y s t e m AV DS在 工作 过程 中 ， 过 滤 后 的钻 井 液 推 动 叶 轮旋转 ， 带 动 电源短节 工作 ， 为测 控短 节和伺 服短 节 提供电能。测控短节是测量控制单元 ， 含有微处理 器、 加速度计等惯性器件及相关的各种电路 ， 可以实 时检测、 接收各种传感器信号并进行相应的处理 ， 发 出相应的控制指令 ； 伺服短节 由旋转变压器 和无刷 力 矩 电机 组 成 。对 位 于 测 控 短 节 中 的 磁 通 门 等 传 感器件测得 的数 据进行处 理 ， 得 到动态 条件 下 的 井斜角、 方位角以及装置 的状态参数 ； 然 后将这些 信息传送 至微处 理器分 析判断 ， 如果 工作状 态与 设定值存在偏差 ， 就发 出控制指令给伺服短 节 ， 力 矩 电机作 为驱 动单元 ， 驱动执行 机构 中 的盘阀对 流过 的钻井液进 行控制 ， 利用 活塞驱 动翼肋 推靠 井壁 ， 产生具有纠斜作用 的侧 向推靠力实 现防斜、 纠斜 。力矩 电机 的输 出轴 直接控 制上 盘 阀， 与下 盘 阀组成开关 阀 ， 控制活塞 推靠井壁 提供 侧 向力 纠 斜 。 由以上 分 析 可知 ， 捷 联 式 自动 垂 直钻 井 系统 的 稳定平台结构及导 向原 理与 P o w e r Dr i v e r S RD系 统类似口 ， 均采用基于盘阀控制 的翼肋 支出结构 ， 同时支撑翼肋支出的动力均为钻井过程中自然存在 的钻 柱 内外 的钻 井 液压 差 。不 同之处 在 于 ， 捷 联 式 自动垂直钻井系统 的稳定平 台与钻铤固联在一起， 具有相同的运动状态 ， 机械结构简单 ， 易于实现 ； 同 时， 区别于 P o we r V 系统上下涡轮发电机式结构 ， AVDS系统采 用 上 涡 轮 发 电机 和 力 矩 电机 的稳 定 平 台结 构形 式 ， 上 盘 阀直 接通 过力 矩 电机 实现 控制 ， 不受上涡轮发电机力矩的影响， 具有控制简单 、 输出 转矩大的优点。 2 捷联式稳定平台控制系统 捷联 式稳定平 台上的测控系统由数据采集模 块、 定 向管理模块及伺服控制模块 3 部分组成， 其中 数据采集模块和定向管理模块合称为数据采集及处 理模 块 。测控 系统 在 井 下 为全 闭环 控制 ， 各模 块 间 通过工业用 C AN 总线进 行交互通信， 测控系统控 制框图见 图 2 。伺服控制模块 由 D C ／ D C电源控制 第 3 9卷 第 5期 孙 峰等． 捷联 式 自动垂直钻井稳定平 台控制 系统仿真研 究 电路、 功率开关电路 、 R DC接 口电路、 DS P控制单元 以及智能管理单元组成 ； 数据采集模块 由 ADC模 数控制芯 片、 D S P控制单 元和 相应 的存 储芯 片组 成。其中， 数据采集模块 1和数据采集模块 2采集 安装在载体上的磁通 门、 加速度及角速率陀螺等传 感器的信号 ， 根据建立的捷联数学模型 ， 求出钻铤实 时的磁工具面角、 井斜角及高边工具面角等信息， 并 通过 C AN总线发送至伺服控制模块 和定 向管理模 块 ； 定 向管理模块根据发送来 的井斜角信息确定 系 统工作模式 ， 并通过 C AN 总线控制伺服控制模块 实现 防斜 、 纠斜 功 能 。 发 电机及 整流 电路 CAN 总线 传输 丽 i v 控 制 i模 v块 厂, _ ] 接 R目 D 电 C 路 服电 机 控 制 模 块 厂 ] 接目 电 路 D S P 控制器l二 R D C 激磁 电源 伺服 电机 l 位 坦 旋转变压器 数 据 采 集 模 块 1 l 垡 适 笪 墨 望 崖 厂 一 D S P 控 制 器 I ’ 温 度、 角 速 率 等 信 号 I 磁 通 门 、 加 速 度、 1 温度、角速率等 泵 桑 蓦 巨 望 室 窒 箜 堕 三 l 传 感 器 D S P 控 制 器 l I 定向管理模块 l D S P 控制器I 图 2测 控 系 统 组 成 框 图 F i g ． 2 Th e bl o c k d i a g r a m o f me a s u r e me nt a nd c on t r o l s y s t e m 定向管理模块根据来 自数据采集模块 1和数据 采集模块 2的角度信息 ， 计算 出载体实时的纠斜工 具面角信息 ， 包括井斜角、 偏心轴的相对转角 、 偏心 轴的磁工具面角、 偏心轴的相对转速 、 偏心轴的相对 转角指令 、 偏心轴 的相对转速指令 。然后根 据这些 角度信息 ， 来确定稳定平 台的工作模式 ， 即纠斜模式 或钻进模式。 2 ． 1 纠 斜与钻 进模 式 井斜 角超 过 1 。 后 ， 系 统 转 入 纠 斜 模 式 。 根 据 井斜角 、 高边工 具面 角和钻铤 的转 动角 速度 等参 数 ， 确定纠斜工具 面角 。纠斜模式 下 ， 捷 联式稳定 平台通 过无 刷 力矩 电机 使偏 心 轴 隔离 钻铤 的转 动 ， 此时稳 定平 台控制 系统 的控制 目标 是控制 偏 心轴稳定在 纠斜 工具 面角上 ， 是一 个典 型 的位 置 伺服系统 ， 偏心轴 的空 问位置 角度 也就是磁 工具 面角 难 以通过惯性器件测 量得到 ， 因此需 要通过 电机定子 随钻铤一 起旋转 以及 电机定 子 、 转子 相 对转角来得 到偏 心轴 的实 际磁工 具面 角 。显然 ， 此时无刷力矩电机控制 系统是一个在动基 座上 的 反捷联跟踪 ， 即钻铤是 时刻旋转的 ， 对 于电机控制 系统来说 ， 其相对转 角指令 是时刻变化的 ， 是一个 典 型 的位 置 随 动 系 统 ， 需 要 电 机 具 有 良好 的 动 态 特性才能 够快 速跟踪 给定相 对转角 指令 。同时， 由于井下环 境 的变 化 以及 工作状 态的改 变， 钻 铤 转速会产生 一定程 度 的波动 ， 这 对于位 置随 动系 统来说 ， 是一个较大 的干扰 ， 会造成偏 心轴在纠斜 工具面上摆 动 。所 以必须增 加转 速跟踪 回路 ， 相 对转速紧紧跟 随相 对转 速指令 ， 才能使 相对转 角 跟上相对转 角指令 抑制摆 动 ， 达 到像 陀螺式单 轴 稳 定平 台一 样 的稳 定 效果 。 当井斜角小于 1 。 后， 系统转入钻进模式 。钻进 模式下 ， 捷联式稳定平 台使偏心轴相对钻铤匀速转 动 ， 不产生侧向力 ， 即要求电机定子、 转子始终保持 一 定 的转速 ， 此时电机控制系统是一个典型的速度 伺服系统 ， 需要克服钻铤转速波动的干扰 。 2 ． 2 无 刷力 矩 电机的数 学模 型 稳定平台采用低速永磁同步力矩电机。为便于 分析 ， 将其作如下假设 1 忽略转子铁心饱和 ； 2 不 计涡流和磁滞损耗 ； 3 永磁材料的电导率为零 ； 4 相 绕组 中感应电动势波形是正弦 。在 dq坐标系下 的数 学模 型为 U 一 R i L 等一 1 【 ， 一 R L d i q f 2 T e 一昔p f i 。 3 T 一 B T 4 式中 ， 分别为 d 、 q轴定子电压分量， V； i ， i 分 别为 d 、 q轴定子 电流分量 ， A； R为定子相 电阻， Q； L ， L 为L相电感 ， L 一 L 。 ， mH； P为转子极对数； 为 电角 速度 ， r a d ／ s ； 为机械 角 速度 ， 一 P ， r a d ／ s ； 为转 子磁通 量 ， Wb ； 丁 为 电磁转矩 ， N m； 丁 为负 载转 矩 ， N I T I ； J为转动 惯量 ， k g m。 。 电 机 负 载 主 要 包 括 滚 动 轴 承 对 平 台 的摩 擦 扭 矩、 钻铤旋转带动钻井液旋转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及钻井液 流过上下盘阀过孔导通时产生的切向液动力 。 2 ． 3 稳定 平 台控 制 系统 的仿 真 根据上述分析 ， 捷联式稳定平台控制系统在纠 斜工作模式时 ， 是一个位置伺服系统 ， 同时需克服来 自于负载的扰动以及钻铤转速的扰动 。为了提高抗 干扰性 ， 保证控制系统在运行过程中的稳定性 ， 采用 三 环 位 置环 、 速度 环 和 电流环 控 制结 构 见 图 3 。 这与旋转导 向系统稳定平台控制口 。 。 中的控制方法 类似 ， 外环为位置环 ， 相对转角指令即为定子、 转子 之间位置角度的给定， 相对转角位置 由旋转变压器 测得 。 位 置环 的偏 差 经过 位 置 调节 器 得 出速 度环 的 给定， 转速的反馈则由位置反馈的差分得到， 速度环 的偏差经过速度调节器得 出电流环 的给定 ， 电流环 的反馈 由霍尔电流传感器测得 ， 电流偏差经过 电流 调节器得 出功率变换器的 占空 比， 进而实现对 电机 的控制 。 图 3中 ， K 为 转 矩 常数 ， N m／ A； s 为 拉 普拉斯算子。 图 3 纠斜模式下稳定平台控制系统框 图 Fi g ． 3 Th e bl o c k di a g r a m o f t he c o nt r o l s y s t e m f o r s t a bl e pl a t f o r m u nd e r ho l e - s t r a i g ht e ni ng m。 d l 当稳定平 台运行 于钻井模式 时， 是一个速度伺 服系统 控制 系统框 图见 图 4 。 其干扰来 自于钻铤 转速的波动以及负载的扰动。 基于上述分析 ， 在 An s o ／ S i mp [ o r e r 环境中搭 钻铤转速波动 图 4 钻进模式下稳定平台控制系统框 图 Fi 昏 4 Th e b l o c k di ag r a m o f t he c o nt r o l s y s t e m f o r s t a bl e pl a t f o r m u n de r dr i l l i ng c 0n di t i 0 n 建仿真模型， 对其跟踪特性和抗干扰特性进行分析。 设纠 斜工具面角为4 0 。 f 4 0 。 一 o ． 6 9 8 r a d 1 ， 三环 、 ⋯ ， 控制算法均采用 P I D， 转速限速为 6 0 0 r ／ r n i n ， 电流环限 流为 1 3 A， 负载为恒定 6 N m， 钻铤转速为 6 0 r ／ ra i n ， 仿真结果如图 5 所示 ， 偏心轴能够快速稳定在纠斜工 具面角附近 ， 具有较小的稳态偏差， 同时电机控制系 统具有较好的随动跟踪特性。图 6 为 电机控制系统 在运行过程 中受到负载 3 N m 的扰动时定转子相 对转角位置的变化情况 ， 可以看出， 在受到负载扰动 时， 相对转角位置受到了一定的扰动 ， 但 系统能够在 较短时间内恢复到给定状态 ， 具有一定的抗干扰性 。 1 0 焉 叠 恒 o 5 擅 毒 堡 0 0 5 时间／ m s 图 5 纠斜模式下的跟踪 特性 Fi g ． 5 Th e t r a c i n g p r o p e r t y un d e r h ol e - s t r a i g h t e ni ng m o d e l