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1、104探矿工程(岩土钻掘工程)2009年增刊基于无模型自适应算法的垂钻纠斜控制试验研究李运升,姚爱国,杨俊波,吴红建(中国地质大学(武汉)工程学院,湖北武汉430074)摘要:采用无模型自适应方法避免对地层各项参数和钻探纠斜过程中的耦合、时滞及非线性环节进行系统辨识。通过调整传感器姿态来模拟钻具的可能状态,对比分析了传感器倾角变化与控制算法响应的纠斜力变化的规律。当倾斜超出门限值(015°)时,纠斜力可快速做出响应;当倾斜较大或纠斜调整缓慢时纠斜力可持续增大;当倾斜变小或倾斜度较小时纠斜力可响应减小。讨论了试验中存在的不足
2、,并提出了有待进一步研究的问题。关键词:垂直钻井;纠斜控制;MFA中图分类号:P63417文献标识码:A文章编号:1673-2464(2009)S1-0104-041引言要根据钻前邻近地层情况人为确定,其设计和控制垂直钻井对于提高钻井效率、保证井下安全具主要依靠钻前地震资料、钻后测井或随钻测井有重要意义。随着导向钻井技术的发展,垂钻技术资料。[1]本文介绍一种基于无模型自适应(MFA)方也取得了较大发展。目前国外已有数家石油钻具公司形成了以VertiTrak、PowerV等为代表的系法的井下纠斜控制,避开对复杂多变的地层和
3、不可列垂钻工具,有效提高了工作效率和井眼轨迹的控预知情况的辨识,通过监测倾斜角的变化,根据调制精度;国内主要还是依靠传统钻具组合式防斜打整情况输出一个与地层造斜力相当的纠斜力,并通快技术或租用国外设备。过实验模拟来验证该控制方法的有效性。由于技术垄断,我们对国外产品的纠斜控制方2纠斜模型的建立法了解不详。国内方面已有部分院校和科研院所各在此系统中倾斜角反映了钻具的姿态,用以监自研制了有独立自主知识产权的自动控向装置。中测系统的控制效果,在控制过程中是可观的,为系国地质大学和武汉科技大学都在该领域进行了大量[3][4][5]
4、[7][8]统的输出;纠斜力是系统的控制对象,其控制效果基础研究理论实验。中石油勘探开发研要由传感器检测,在控制过程中应是可控的,需要究院研制的地质导向系统其指标已在实钻试验中满根据反馈来的倾角信息由控制律算法进行适当调[2]足设计要求,井斜控制在3°以内。另外中石化整,为系统的输入。依据侯忠生教授提出的无模型胜利石油管理局钻井工艺研究院研制的机械式自动[12]自适应理论,建立钻具纠斜的控制模型:垂直钻井工具,在生产中井斜控制精度也在310°α(k)=α(k-1)+φ(k)[6]以内。其纠斜原理是产生一个与地层造斜力相(R
5、(k-1)-R(k-2))(1)[4][5]当的纠斜力(F=kθsinβ)适时调整钻进方向;纠斜力的控制律为:也有相关文献分别提出了几种预测井斜和地层参数R(k)=R(k-1)=[9][10]的方法,并建立模型在各类钻井轨迹的设计λkφ(k){0-α(k)}(2)2中起到了较好作用。但目前尚无文献介绍一种关于α+‖φ(k)‖地层造斜力的直接有效的测定方法。式中参数k主其中α(k)为倾斜角,R(k)为纠斜力,φ收稿日期:2009-08-30基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)“电磁波随钻遥测式自动垂直钻进系统关键技
6、术研究”(2006AA06Z208)的部分成果作者简介:李运升(1982-),男,中国地质大学攻读博士学位,钻井工程专业,lys774n@1631com。2009年增刊探矿工程(岩土钻掘工程)105图1实验原理示意图（ｋ）为特征参量,α是小正数,λk是控制参数。只要过程是无源的(本身不产生能量或热量的过程),闭环MFA控制就是稳定的,过程可以是线[13]性/非线性、定常/时变等等。由上面建立的过程我们可以看到,在该控制回路中没有过程模型和辨识器,也就避免了对地层进行辨识;而且它的控制目标是产生一个输出,迫使过程变量α(k)
7、在设定值零附近变化,也有利于在扰动和过程动态特性改变的情况下跟踪设定值。试验示意图如图1所示。2实验与结果分析图2倾角与纠斜力P响应曲线关系图1本试验中设定倾斜角α的门限值为015°,即当钻具倾斜大于015°时程序开始纠斜;小于015°表2倾角与压力数据时认为钻具处于垂直状态。根据设计要求,调整图倾角/°P1/N1中传感器的姿态来模拟钻具可能的状态,MFA控919871838391制器根据传感器姿态控制输出,通过实验结果来验919871838280证MFA算法响应传感器变化的速度及对于纠斜、9198718312354防斜的
8、控制能力。试验过程和结果如下。9198718312482211纠斜变化试验9196215812355调整传感器姿态,尽量使纠斜力集中在一个支9195452912499脚(P1)上,然后滑动滑块使传感器从较大角度9194903612304(大于10°)逐渐趋于垂直,得到数据如下表1所81099365339
