旋转导向系统三翼肋偏置位移矢量控制方案_程载斌

能力也越来越强 。 国内研制成功具有自主知识产权的 RST 样机[ 8-10] , 对其控制方案进行了研究[ 11-13] 。由于偏 置力工作方式存在控制“盲区”[ 14] , 调制式 RST 的动态 冲击力易使井眼扩大 , 且导向稳定性较差[ 1] , 而微型电
机方案研制周期长 , 因此选择偏置位移工作方式 、不旋 转外套和泥浆压差驱动的 RST 进行研制更符合国情 。
这样 , 单个翼肋的最大伸缩位移量只与控制平面 内 RST 截面直径和井眼直径相关 。 以初始位置为基 准 , 单个翼肋最大伸缩位移量均为
Dmax
=
1 2
(A
D0
- Ds)
(1)
式中 :D0 和 Ds 分别为井眼直径和 RST 外径 ,m ;A 为井
眼扩大系数 ;Dmax 为控制平面内单个翼肋最大伸缩位移
量, 也是 RST 截面中心的最大偏置位移量 , m 。在工具研
制时 , 单个翼肋的最大伸出位移量应为(AD0 -Ds)。
1.2 偏置位移矢量合成与分解
以初始位置为基准 , RST 外套不旋转时 , 3 个均布
翼肋的位移伸(负向)、缩(正向)方向是确定的 , 相当于
控制平面内 6 个分位移矢量的方向固定 , 将控制平面
|D 3|sin(240°+θ0 )
(3)
式中 :B1 为已知 D 的幅值 , m ;β1 为已知 D 与 x 轴正
向的夹角 ,(°)。
在不考虑工程实际要求时 , 式(3)有两个方程 , 但
存在 3 个未知量 , 其数学解有无穷多种 。以上标 n 表
示解的个数 , 则有
(|D1|, |D 2|, |D3|)∈ (|D1|1 , |D2|1 , |D3|1 ),
(|D 1|2 , |D 2|2 , |D 3|2 ), …, (|D1|n , |D2|n , |D3|n )
(|D 1|n )2 +(|D2|n)2 +(|D3|n)2 -|D1|n |D2|n |D1|n |D3|n -|D2|n |D 3|n ≥0 (n =1 , 2 , 3 , …)
(1.T echnology Research Center , C NOOC Research Institute , Bei jing 100027, China;2.K ey L aboratory for Petroleum Engineering o f the Ministry o f Education , China University o f Petroleum , Beij ing 102249 , China )
Abstract :The contro l method fo r biasing displacement vector w as studied by the use o f three-pad sta tic biasing rota ry steerable too l. T he co ntrol method was simplified as re sulta nt and resolution of vecto rs in the co ntrol plane .By combinatio n of the actual needs o f e nginee ring , the prox imity and the minimum ene rgy principles w ere propo sed .T he quantitative calculation method for component displacement vecto rs was proposed, and the pro gr am co ntrol w as implemented.T he spin ang ular of non-r otating sleeve in actual drilling was conside red in the calculation me tho d.T he contro l prog ram wa s embedded into the do wnhole micr oprocessor .A larg e closed-loo p co ntrol system can be co mpo sed by the do wnhole micr opro cessor , measurement w hile drilling (M WD)sy stem and surface monito ring sy stem .T he de tailed application method o f the closed-loo p contro l sy stem w as given .T he contro l scheme can pro vide theo ry basis and g uida nce for development and field applicatio n o f ro tary stee rable too l. Key words:ro ta ry steer able too l;sta tic bia sing device ;three-pad;biasing displacement v ecto r ;calculatio n me tho d;co ntrol system
|D1 |≤Dmax , |D2 |≤Dmax , |D3 |≤Dmax
(2)
式中 : D 、 D1 、 D2 和 D3 分别为对 应矢量的幅
值 , m ;β为 D 与 x 轴正向的夹角 , (°)。 由式(2)可知 , 通过改变 D1 、D2 和 D3 , 可以得到
控制平面内任意方向的 D 。 θ0 恒定时 , D 的幅值和方 向仅与 D 1 、D2 和 D 3 的幅值有关 。 当分位移矢量确 定 , D 的方向只与 θ0 有关 。因此 , 要保持 D 方向不变 , θ0 须保持恒定 , 即不旋转外套必须保持静止 。在理想 状态下 , 外套相对旋转芯轴是静止的 , 但实际钻进时 , 外套与旋转芯轴连接的轴承之间不可避免地存在摩擦 和扭矩作用 , 芯轴旋转会带动外套做缓慢的旋转运动 。 目前外套转速可控制在约 2 r/ h 。
1 偏置位移矢量合成与分解
偏置位移式 RS T 通过偏心执行机构实现井眼轨 迹控制 。 在钻井过程中 , 根据导向需要确定偏置合位 移矢量 , 并在控制平面内将其分解为 3 个翼肋分位移 矢量 , 分别由独立的驱动 液缸和传递机构双 向控制 。
基金项目 :国家高技术研究发展计划(863)重点项目“ 旋转导向钻井系统工程化技术研究”(2007A A 090801)资助 。 作者简介 :程载斌 , 男 , 1978 年 8 月生 , 2008 年获中国科学院力学研究所博士学位 , 现为 中国石油大学(北京)和中海油 研究总院联合培 养博士后 , 主
第 31 卷 第 4 期 2010 年 7 月
文章编号 :0253-2697(2010)04-0676-04
石油学报
AC T A PET ROLEI SINICA
V o l.31 N o.4
J u ly
2 01 0
旋转导向系统三翼肋偏置位移矢量控制方案
程载斌1 ,2 姜 伟1 蒋世全1 高宝奎2
=||DD11||csoi ns
θ0 θ0

+|D +|D
2|sin(120°+θ0 )+ 2|cos(120°+θ0 )+
※
→
|D3|sin(240°+θ0 ) |D3|cos(240°+θ0 )
|D1 |2 +|D2 |2 +|D3 |2 -|D1 ||D2 |-
|D1 ||D3 |-|D2 ||D3 |≥0 ,
分为 6 个控制区 。在控制平面内建立如图 2 所示的数
学模型 , D 为偏置合位移矢量 , D1 、D2 和 D3 分别为 3
个翼肋分位移矢量 , θ0 为初始装置角 。
图 2 偏置位移矢量合成与分解 Fig.2 Resultant and resolution of biasing displacement vector
Control scheme for displacement vector of three-pad biasing rotary steerable system
C HEN G Z aibin1 , 2 JIA N G Wei1 JIA NG Shiquan1 G A O Bao kui2
(1.中海油研究总院技术研发中心 北京 100027 ; 2.中国石油大学石油工程教育部重点实验室 北京 102249)
摘要 :利用三翼肋静态偏置式旋转导向工具 , 研究了偏置位 移矢量 控制方 法 , 将 其简化 为控制 平面内 位移矢 量的合 成与分解 。 结 合工程实际要求 , 提出了分位移矢量计算的就 近原则和最小能量原则 。 考虑 到外套旋 转角速 度和翼 肋动作 到位时 间 , 提 出了分 位 移矢量计算方法 , 并实现了编程控制 。 将控制 程序嵌 入井下 微处理 器中 , 与随钻 测量系 统 、地 面监 控系统 构成 信息 大闭环 控制 系 统 , 给出了具体应用方法 , 为旋转导向工具研制及现场应用提供理论依据和指导 。 关键词 :旋转导向工具 ;静态偏置机构 ;三翼肋 ;偏置位移矢量 ;计算方法 ;控制系统 中图分类号 :T E928 文献标识码 :A
由图 2(a)可知 , 对同一偏 置合位移矢量 , D1 、D2 和 D 3 不能唯一确定 。分析图 2(b), 偏置合位移矢量 的幅值及其方向为
|D|(|D1|, |D2|, |D3|)=
|D1|2 +|D2|2 + |D3|2 -|D1||D2|-
|D1||D3| -|D2||D3|