基于人工智能控制的旋转导向系统

基于人工智能控制的旋转导向系统
旋转导向系统是一种具有高科技含量自动化勘探新技术，在地底勘探中对钻井提高井眼轨迹精确度和钻进能力、降低钻柱摩阻等方面具有重要作用。

基于人工智能控制的旋转导向系统主要应用于PDC钻头，被广泛应用于各类工程领域，结合时代科技创新理念，专家提出人工智能PDC钻头，在确保切削与刀翼工作效率最优化的条件下，将自主定向测井技术结合在一起。

一、研究现状
旋转导向技术作为一种新型的勘探技术，越来越受到学者们的关注，这是迈向智能化和自动化钻井的重要标志，特别是适宜于恶劣环境下的一种高端技术。

在传统技术基础之上，利用智能和自主系统实现转型，推广并完善人工智能控制的PDC钻头将是勘探行业一大进步，积极推动勘探行业追赶时代科技前沿，完成技术革新，实现资源开采重大突破。

相较于传统的钻探技术，旋转导向系统从设计上避免许多缺陷，技术特点更为突出。

设备的简化提高了整体控制的效率，实现钻探需求的同时提高整体性能。

考虑到将地质层的自然降斜与增斜能力有机结合，科学完善组合旋转机组，使得钻头在走向的同时能随时应对地层的影响。

除此之外，根据具体要求适时调整旋转导向机组的状态，避免钻柱形变，控制钻孔扭曲程度的监控，更好的解决处理传统钻进技术深度限制问题。

人工智能旋转导向PDC钻头优化钻齿钻进体系，结合自主定位钻井智能，达到改善钻头性能，实现实时共享数据、行动状态、自行调节能量并绘制行动蓝图、提供全方位服务并进行流体分析。

二、智能系统：synapse旋转导向系统
synapse旋转导向系统又称Synapse钻头内置振动测量仪-忠实记录”战斗”的“战地记者”。

Synapse传感器模块安装于钻头接头部位，用于收集钻头钻进过程的各项振动数据。

它的无磁组件可防止钻具组合内部的磁干扰，且不增加钻具组合总长。

入井前根据实际工况预设置睡眠模式+钻进模式+加密测量模式，使数据采集更加高效、更有针对性。

Synapse数据解释和钻井性能优化服务使用钻头内置测量仪收集到的数据来评估钻井系统的性能。

根据客户的要求，可以对数据进行快速处理，以更好地了解井下事件并确定钻进性能限制因素。

通过Synapse数据，专家可以评估BHA钻井效率，并在24-48小时内反馈综合数据解释报告。

据此可快速制定和调整参数，提高作业的整体效率。

图1 复合式旋转导向示意图
（一）旋转导向技术原理剖析
旋转导向装置的使用更好的控制钻孔的轨迹，保证了钻探作业顺利进行。

与传统钻井技术最大的区别是，旋转导向采用了MWD几何导向工具与LED地址导向工具确保钻孔过程的平稳运行。

钻探的同时对钻孔走向随时监测，大幅度降低钻探风险，经济高效。

旋转导向技术原理：当钻头钻探的同时，保持旋转导向功能，为解决井下钻探部分会产生轴线偏心，将横向力施加在钻头上，完成控制钻探轨迹的功能。

根据不同的轴线夹角，钻压朝不同方向分散。

由于
侧向力的作用，水平侧向力根据偏心装置在钻孔中的位置而不同，而偏心装置可通过偏心控制装置的使用来布置。

因此自由调节偏心装置，可实现垂直剖面的360°内有效地控制每个方向上的横向力，实现钻孔轨迹的高效把控。

（二）旋转导向系统下行通讯接收
旋转导向下行通讯系统（亦称“下行通讯”）作为旋转导向系统必不可少的组成部分，承担着向作业工具发送地面控制指令的工作，并将作业状态实时传输到地面上，同时现场工程师根据轨迹控制的需要，利用地面控制系统实时地向控制单元部件发送控制指令，用以实现参数的调节。

在旋转导向系统中，导向控制命令是由地面监控装置通过系统的下行通讯通道向作业导向工具发送地面命令，发送装置将指令转换成一定脉宽的钻井液排量变化，用5位指令码表示相应的导向力级别和工具面角。

在井下导向工具中设计了下行通讯接收装置，由装置的数据采集部分检测反映钻井液脉冲变化的井下泥浆电机的输出电压或频率经数据处理和解释。

以信号阈值判断和脉宽识别为核心，由5个指令码的脉冲宽度时间和顺序计算得到正确的下传导向命令字。

下行通讯井下接收系统由信号检测系统与信号分析系统两部分组成。

信号检测系统将传输至井底的钻井液负流量脉冲信号转化为电信号，信号分析系统分析处理信号检测系统中采集的电压信号，还原地面所发的控制信息。

地面指令信息被输入至地面软件系统中，经编码模块转化为二进制信号，经过调制模块转化为下行通讯地面装置中开关阀的开关使能指令信号，经过驱动模块转化为方波电压信号，控制下行通讯地面装置产生钻井液负流量脉冲信号。

该信号沿着钻柱中的钻井液向下传播到达井底旋转导向工具中，经涡轮转化为涡轮转
速信号，经与涡轮直连的发电机转化为母线电压信号，经过AD采集模块将电信号转化为数字信号，该数字信号经过信号分析系统滤除噪声、提取有用信号，并经过解调模块转化为二进制信号，再经过解码模块，还原地面指令信息。

三、结论
（一）通过Synapse服务定制收集数据的方案和可视化的数据解释，以更好地了解井下事件并确定参数局限性。

通过数据解释结果可识别粘滑的严重程度，冲击和震动水平，以及有效参数，量化了Shock Sub减震器的减震范围，提出了参数改进意见，并验证减震工具的有效性，为后期BHA改型提供数据支撑。

（二）钻井液脉冲编码方式是实现旋转导向系统下行指令信号传输的一种简单可行的方法。

导向工具中的下行指令接收功能可以在作业工具中的控制电路部分由相应的软硬件实现。