垂直钻井系统中央控制器设计

夹 角， 它反 映 了钻具 前进方 向相对 于水 平面 的倾 斜程 度 ；工 具面 角位于 钻具轴 线垂 直 的平面 内，钻具 的斜
面法 线方 向与参 考方 向间的夹 角， 它反 映 了钻 具下 一 步钻 进的 造斜方 向＿。 ４ Ｊ 控 制策 略 的确 定和 液压 执行 器 的机械 结构 有 关， 目前 常用 的执行器 工 作方式 主要 有推靠 式和 指 向式 。
工 具 面 角 信 息 ，通 过 预 先 设 定 的 控 制 策 略 ，控 制 液 压 执 行 器 的 开 启 和 关 闭 ，从 而 实现 系 统 的 纠 斜 功 能 ；同 时 中 央 控 制 器具 有 记 录 井 下 数 据 、 同地 面 设 备 通 信 、 系统 自捡 和 现 场 调 试 等 功 能 。 下 井 实 验 证 明 了 中控 设 计 的合 理 性 。 关 键 词 ：垂 钻 系统 ；控 制 器 设 计 ；控 制 策 略 中 图 法 分 类 号 ：Ｔ ２ ３ Ｅ ４ 文 献 标 识 码 ：Ｂ 文 章 编 号 ： １０ ． １４２ １） １ ０ ５０ ０ ４９ ３ （０ ２０ － ０ —３ ０
态 ，手 动控 制液压 电磁 阀开启 关 闭；井下 部分 数据 需 要保 存 ［， 中控还 应 具有记 录井 下数 据 功能 ，井下 工 ３ ］ 作 中复杂 的震 动情 况 和垂 钻设备 的 工作状 态 、 井斜 和
高边工 具面 角和导 向块 之 间的 关系如表 １ 示 。 所
第一作者简介 ：吴文晋 ，男 ，１ ８ ９ ５年生，助理工程师，２ ｌ ＯＯ毕业于北京航空航 天大学机械电子专业，现在航天科技集 团第一研究 院第十八研 究 所从事电子控制器软硬件设计。邮编：１０ ７ ００６
斜模 块 和液压 执 行器 连接 在一 起 ， 利用 测斜模 块提 供 的井 斜 信息 ，控 制 液压 执行器 工 作 。根据 预先 设定 的 控制 策略来 控 制液压执行 器 的各个 电磁 阀的开启 和关 闭，电磁 阀开 启后 ，执行器 的 滑块在 液压 的压 力下 推 靠井 壁 ，改变 钻进 方 向，从 而实 现 纠斜功 能＿。同时 ２ Ｊ 中控 也 是垂钻 系统 和地 面设 备 交流 的核 心器件 。 系统 检 测 中， 中控 汇集 各个 电子 模 块 信 息 并传 送 给 上 位 机 ，用 于检 测各 个模 块 工作情 况 ；并 通过设 置 软件状
Ｖ ｒｔｋ等垂钻 系统 ， 但 由于 技术 保密 的需 要 ，一直 ｅｔｒ ｉａ 以来各 大 公司对 我 国仅提 供 技术服 务 ，价格 昂贵 …。 随着我 国石 油工 业 的发展 ， 国迫切 需 求拥有 自主知 我
识 产权 的垂 钻设 备 。
２ 控制策略
中控 的控 制策 略为依据 测斜模块 测量井斜 角和高 边 工 具 面角 ，确 定 合适 的液 压 执行 器 电磁 阀控 制状 态 ，从 而 给 出一 个 适 当 的合 力 矢量 指 向重 高边 工具 面 ，改变 钻进方 向，保 证 钻具 向垂直 方 向钻进 。井斜
石 ２ １ ０ ２年 第 ２ ６卷 第 １期
油
仪
器
ＰＥＴＲ ｏＬＥＵ Ｍ Ｉ ＳＴＲＵＭ ＥＮ Ｉ Ｎ Ｓ
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开 发设 计 ・
垂直钻井系统中央控制器设计
吴文晋 梁 军 白玉新 解 庆 张 博
北京） （ 天科技集 团第十八研究所 航
摘
要 ：石 油钻探 中 ，在 高陡 构造 、断层 、盐层 等地 质 情况下 ，容 易 出现 井斜 角过 大问题 。垂 直钻 井 系统是一 种具 有主
０ 引 言
垂 直钻 井 系统 （ 以下 简称垂 钻 系统 ）是石油 钻井
行 业 中新 兴发 展起 来 的 自动 纠偏 系统 ， 能够 在井 下钻 进 状态 下控 制 井斜 。国外近 年来研 制 了 Ｖ 、Ｓ ＤＳ ＤＤ、
高边工具面角信息需要实时保存，以便后续科研分 析 。中控 硬件 需要 能够经受 井 下恶劣环 境 ；软 件需 要 调 度 多 个 费 时 的功 能 顺序 执行 ，互 不 影 响 ，保 证通 信 、控 制功 能正确 执行 。
石
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油
仪
器
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ＰＥＴＲｏ ＬＥＵＭ Ｉ Ｓ Ｎ ＴＲ ＵＭ ＥＮ Ｉ Ｓ
斜模 块通信 得 到井斜 角和高 边工 具面 角信息 ， 如果 井 斜 角大 于设 定值பைடு நூலகம்（ 如 ０５） 中控 根据 高边 工具 面 例 ． ， 。
角 的定义 为 ：钻进 过程 中，钻具 轴线 与水平 面之 间的
１ 垂 直 钻 井 系统 简 介
垂直 钻井 系统 中央 控 制器 简称 中控 ， 是垂 钴 系统 的核心 部件 之一 。 钻系统 主 要 由电子 单元 和液压 执 垂 行器 组 成 ，电子单 元负 责测 量井 斜和控 制 功能 ，液压 执行 器 能够 推挤 井壁 ，实现 系统 纠偏功 能 。中控将 测
推靠 式是 指在导 向过程 中， 向块 伸 出推靠井 壁产 生 导
的钻 头侧 向力起 主要 导 向作 用 ； 向式 是指导 向块 的 指
伸 缩使 近钻 头处 与钻 头相连 的旋转 钻柱 弯 曲， 使旋 转 钻柱 的轴 线和井 眼轴 线之 间出现 夹角 ， 从而利 用钻 头
的转 角 实 现 的旋 转 导 向。此 外根 据 导 向块 的数 量 不 同， 又有三个 或者 四个 导 向块 的执 行机 构 。图 １ ５ Ｊ 为 三导 向块 推靠式 执行结 构 。 以导 向块 Ａ为 高边工 具 面 角零度 ，当井斜 角 大于设 定上 限角度 时，控制策 略 中
动防斜 能力的 自动化 井斜控 制 系统 ，将 井下 测斜和 纠 偏技 术结合 在一 起 ，实现钻 进过 程 中井斜 角 自动 测量和 纠偏 垂直 钻 井 系统 中央控 制 器，是 垂直 钻 井 系统 实现 井下 自动化控 制 的核 心 电子模 块 ，主要 功 能 包括 读取 测斜 模块 测量 的井斜 和 高边