彎角馬達工具面動態控制系統研制及試驗*

曹硯鋒 何保生 武廣璦 李漢興 路英杰 周建良 劉書杰 李峰飛 程載斌

(1. 中海油研究總院 北京 100028； 2. 海洋石油高效開發國家重點實驗室 北京 100028；3. 中國海洋石油國際有限公司 北京 100027； 4. 清華大學 北京 100084)

彎角馬達工具面動態控制系統研制及試驗*

曹硯鋒1,2何保生3武廣璦1,2李漢興1,2路英杰4周建良1,2劉書杰1,2李峰飛1程載斌1,2

(1. 中海油研究總院 北京 100028； 2. 海洋石油高效開發國家重點實驗室 北京 100028；3. 中國海洋石油國際有限公司 北京 100027； 4. 清華大學 北京 100084)

曹硯鋒,何保生,武廣璦，等.彎角馬達工具面動態控制系統研制及試驗[J].中國海上油氣，2016,28(6)：77-81.

Cao Yanfeng,He Baosheng,Wu Guang’ai,et al.Development and testing of a dynamic control system for bent-housing motor tool-face[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(6):77-81.

常規方法調整彎角馬達工具面時作業效率低,易發生工具面漂移、托壓等復雜情況?；陧旘尯蚆WD系統研制了一套彎角馬達工具面動態控制系統，該系統可自動判斷工具面偏移情況并發送指令至頂驅定位系統，實現連續滑動鉆進過程中對工具面的實時監測和自動控制。仿真測試及現場試驗結果表明，所研制的彎角馬達工具面動態控制系統具有良好的快速響應及穩定性，滑動鉆進時工具面可控制在目標值±10°范圍內，具有較好的現場應用價值。

彎角馬達；工具面；動態控制；頂驅；滑動鉆進；現場試驗

目前井眼軌跡的控制可采用彎角馬達或旋轉導向工具來進行[1-2]。彎角馬達應用歷史長，價格低廉，在難度較低的井眼內已得到廣泛應用。采用彎角馬達鉆井的關鍵控制參數之一是工具面角，在非穩斜段須采用滑動鉆進方式，容易導致工具面漂移、托壓等一系列問題，而相應的調整工作對現場人員經驗要求較高，作業效率難以保證[3-8]。旋轉導向工具技術含量高，一般在軌跡控制難度大的井段才考慮使用，但該技術基本為國外公司所壟斷，價格高昂。因此，研究一套自動控制系統，實現在滑動鉆進過程中實時監控并動態調整工具面，從而改變傳統的“停鉆-調整-開鉆”這一低效做法，將有利于提高鉆井效率，降低鉆井成本。筆者基于頂驅和MWD系統，研制了一套彎角馬達工具面動態控制系統，該系統可以通過自反饋控制系統實時測量分析井下工具面情況，自動發出指令控制頂驅旋轉，實現工具面的自動調整。目前所研制的彎角馬達工具面動態控制系統已取得較好的礦場試驗結果，具有較好的現場應用價值。

1 彎角馬達工具面動態控制系統研制

1.1 系統構成

彎角馬達工具面動態控制系統基于常規鉆井系統開發，在常規鉆井系統基礎上增加了一套控制程序，并改進了頂驅的控制方式。系統總體結構示意圖如圖1所示。

圖1 彎角馬達工具面動態控制系統總體結構示意圖

鉆進過程中，系統對工具面的自動控制原理如圖2所示，主要步驟如下：

1) 井下隨鉆測量系統(MWD)實時測量工具面信號并上傳至控制程序；

2) 控制程序將實際工具面與設計值對比，并進行邏輯判斷：若兩者之間的差別處于設定閾值內，則不作調整，并繼續鉆進；否則，通過自適應控制算法得出頂驅所需調整角度，發送控制指令至頂驅角度精確定位系統；

3) 頂驅角度精確定位系統調整頂驅角度至設定值，鎖止頂驅；

4) 繼續鉆進，循環1)～3)操作步驟。

圖2 彎角馬達工具面動態控制系統原理示意圖

1.2 控制程序

1.2.1 程序架構

彎角馬達工具面動態控制系統主要包括井上機電系統、主控程序系統和MWD系統等3個部分，如圖3所示。

1.2.2 控制算法

彎角馬達工具面動態控制系統控制算法流程如圖4所示。

1) 反饋控制模塊的輸入量包括工具面測量值Tc和工具面設定值Te，反饋控制模塊的輸出量為頂驅轉動角度u。反饋控制模塊首先對工具面測量值Tc進行判斷和處理，剔除錯誤的工具面數據(在MWD誤碼的情況下，輸出頂驅定位轉動角度u=0)。

圖3 彎角馬達工具面動態控制系統程序架構

圖4 彎角馬達工具面動態控制系統控制算法流程

2) 工具面偏差定義為設定值與測量值的差值，即e=Te-Tc。如果工具面偏差的絕對值小于閾值，即|e|

3) 在工具面偏差絕對值小于閾值的情況下，PID控制包括比例項kp和積分項ki，PID控制輸出的頂驅轉動角度u為

(1)

式(1)中：ei為第i步的工具面偏差；kp為比例項系數；ki為積分項系數。

4) 在工具面偏差絕對值大于閾值的情況下，如果e<0，為避免頂驅大角度反轉，使用頂驅正轉代替反轉。

5) 如果頂驅定位轉動角度大于一定閾值，即|u|>uT，則等待一定時間Tw，以使井下工具面調整到位，并且MWD采集到新工具面數據上傳到井上，調整結束。

2 仿真測試及現場試驗分析

2.1 仿真測試

為了驗證主控程序控制工具面的有效性，優化PID控制參數以提高系統響應速度和控制精度，依靠建立的多體動力學仿真平臺對本文所研制的彎角馬達工具面動態控制系統進行了仿真測試。以渤海某定向井為例，該井滑動鉆進井段起始井深730 m，井斜50°，仿真結果如圖5所示。從圖5可以看出，在過程2的起始時刻I，鉆頭接觸井底，工具面急劇逆時針轉動，主控程序逐步調整頂驅使其正轉，將工具面調至設定值50°左右，整體耗時約180 s；過程3中工具面保持穩定；在過程4的起始時刻III，增加鉆壓20 kN，主控程序隨即調整頂驅正轉，工具面角在鉆具慣性作用下有所超調，隨著慣性作用消失又恢復至設定值范圍，隨后的滑動鉆進過程中工具面保持穩定。由此可見，在主控程序的控制指令下，工具面可以較快達到設定值并保持穩定，在鉆壓等參數變化的情況下工具面也可以自動調整并保持在設定值附近，說明本文研制的彎角馬達工具面動態控制系統具有較好的快速響應性能及穩定性。

圖5 彎角馬達工具面動態控制系統仿真結果

2.2 現場試驗

在室內仿真測試基礎上，分別在四川盆地試驗井A和延長油田生產井B進行礦場試驗，在實際鉆井作業中驗證主控程序的響應速度和控制精度，取得了良好試驗效果。以四川盆地試驗井A為例對試驗結果進行分析。該試驗井位于四川盆地川西坳陷德陽向斜南坡，滑動鉆進采用的鉆具組合為：φ215.90 mmPDC鉆頭+φ171.45 mm螺桿馬達(1.5°)+轉換接頭+浮閥+φ171.45 mm無磁鉆鋌×1根+φ171.45 mmMWD+轉換接頭+φ171.45 mm無磁鉆鋌×1根+轉換接頭+φ127.00 mm加重鉆桿×20根+φ158.75 mm震擊器+φ127.00 mm鉆桿。

2.2.1 滑動鉆進工況分析

滑動鉆進工況下，A井初始井深825.3 m，井斜9°，工具面設定值10°，作業過程中工具面、頂驅角度及游車位置情況如圖6所示。從工具面位置圖可以看出，初始時刻工具面為-150°,150 s后鉆頭接觸井底，導致工具面偏轉-40°以上；隨后主控程序逐步調整頂驅角度，并在525 s時將工具面控制到設定值10°，自鉆頭觸井底至糾偏到位共耗時375 s。從頂驅角度位置圖可以看出，滑動鉆進過程中頂驅角度在220°～240°范圍內連續調整，使得工具面始終穩定在10°左右，偏差約±10°。從游車位置圖可以看出，在3 700 s左右時進行了短起下作業活動鉆具，工具面在短暫波動后(±20°)迅速被主控程序穩定至設定值附近。由此可見，該井整個鉆進過程中彎角馬達工具面動態控制系統在控制指令下響應迅速，且穩定性良好。

2.2.2 托壓工況分析

托壓工況下，A井初始井深798.6 m，井斜6°，工具面設定值0°，作業過程中工具面、頂驅角度及游車位置情況如圖7所示。在本段鉆進過程中，鉆遇地層較差，鉆具沿程摩阻很大，托壓現象嚴重。為了防止鉆具粘卡，順利施加鉆壓，滑動鉆進過程中共短起下6次，導致工具面波動劇烈(圖7)。彎角馬達工具面動態控制系統在主控程序作用下對頂驅角度自動調整多次，使得工具面基本控制在設定值附近±20°范圍內，整個鉆進過程中工具面沒有發散(圖7)。托壓工況試驗結果表明，所研制的彎角馬達工具面動態控制系統能夠在鉆進工況復雜的情況下對工具面進行有效調整，滿足鉆進要求。

圖6 滑動鉆進工況下試驗井A滑動鉆進試驗結果

圖7 托壓工況下試驗井A滑動鉆進試驗結果

3 結論

基于頂驅和MWD系統，研制了一套彎角馬達工具面動態控制系統，從而實現了采用彎角馬達自動控制工具面的鉆井方法。仿真測試及現場試驗結果表明，所研制的彎角馬達工具面動態控制系統能夠在滑動鉆進及托壓等復雜工況下對工具面進行有效控制調整，響應速度及穩定性較好，具有較好的現場應用價值。

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(編輯：孫豐成)

Development and testing of a dynamic control system for bent-housing motor tool-face

Cao Yanfeng1,2He Baosheng3Wu Guang’ai1,2Li Hanxing1,2Lu Yingjie4Zhou Jianliang1,2Liu Shujie1,2Li Fengfei1Cheng Zaibin1,2

(1.CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China; 2.StateKeyLaboratoryofOffshoreOilExploitation,Beijing100028,China; 3.CNOOCInternationalLimited,Beijing100027,China; 4.TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

Conventional drilling operation with bent-housing motor is likely to be affected by tool-face drifting which can lead to low efficiency and complexes such as backing pressure. A new type of dynamic control system for tool-face is designed based on the conventional TDS and MWD system to overcome the problem. The new system can judge the severity of tool-face shifting and send instructions to adjust TDS’s angle automatically, and thus realizes real-time monitoring and automatic control of the tool-face during continuous sliding drilling operations. Simulation and field tests showed that the system has good performance in sliding drilling operations with quick response and favorable stability, and the tool-face can be controlled within the target angle ±10° in the pilot test. The control system presented in this paper has great potential and applications in the future.

bent-housing motor; tool-face; automatic control; top drive; sliding drilling; field test

1673-1506(2016)06-0077-05

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.06.013

曹硯鋒，男，高級工程師，2001年畢業于中國石油大學(華東)石油工程學院油氣井工程專業，獲碩士學位，主要從事海上油氣田鉆完井方案設計和技術研究工作。地址：北京市朝陽區太陽宮南街6號院(郵編：100028)。E-mail：caoyf@cnooc.com.cn。

TE243

A

2015-12-20 改回日期：2016-05-09

*“十二五”國家科技重大專項“多枝導流適度出砂技術(編號：2011ZX05024-003)”部分研究成果。