自动控向垂钻系统试验研究
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摘要
自动控向钻井技术是在钻进时随钻测量钻孔的偏斜，发现孔斜后随即通过控制系统给出纠斜力，使得钻孔轨迹沿着设计的方向前进；而常规的纠斜方法是钻进一定的深度后，然后进行测斜，发现孔斜再进行纠斜，由于测斜、纠斜间隔周期较长，从而影响钻进效率的提高；特别在地层不稳定的地区钻进，往往还易引发无法预料的井内事故。因此对自动控向钻井技术的研究成为钻探技术发展总的趋势。目前国外在这个领域的研究有了很大的发展，但由于高科技研究的保密性，使得我国无法获取该技术。为了能够弥补我国在该领域技术上的空缺，促进我国钻探技术的发展，“微机自动控向垂钻”课题小组对自动控制钻进技术进行深入的研究，并且研制出了一套微机自动控向垂钻的样机。
该系统主要由测斜、信号传输、控制、钻具纠斜等4个基本的单元组成。测量单元用于测量钻孔的顶角与方位角等参数；信号传输单元将测量到的参数信息传送到控制中心，并接收控制指令；控制系统对接收到的信息进行处理和比较，检测实际倾角与垂直度的偏差，然后发出控制指令驱动纠斜机构；钻具纠斜单元按控制指令动作，给出一个适当的合力矢量指向高边，保持钻具向垂直方向钻进。四个部分紧密相连，任何一部分出现问题都将影响到整个系统的性能，因此必须对系统的各部分进行试验验证。另外由于对垂钻系统的研究是在没有任何的技术资料和理论指导下进行研制的，同时受我国加工技术水平的制约，使得必须对自动控向系统进行科学的、严格细致的分部试验、整体试验，从而来检测理论推导是否正确、设计的是否合理，加工是否满足系统的要求等等。总之，只有通过试验才能查找出系统中存在的问题，才能不断优化系统的设计，完善系统的各项技术参数。
对于自动控向垂钻系统而言，主要问题就是系统压力的稳定性问题。本课题从自动控向垂钻系统基本工作原理出发，主要分析液压系统中支撑力在信号作用下力是否会产生不稳定的压力脉动，研究引起系统不稳定的因素，同时研究系统中对液压泵的基本设计是否满足系统地要求，考察和分析了比例电磁阀信号与系统压力的关系以及瞬间电磁阀上信号的改变对系统压力波动产生的影响。通过试验分析研究，查找了系统压力不稳定的原因，设计了液压系统试验方案，并根据试验的内容和条件，建立室内液压试验台，从液压泵和比例电磁阀两个方面入手，深入的探讨了以下三个方面的问题：
1、当系统中给出一定的电压(模拟测斜信号)时，液压系统工作压力随时间的变化情况；
2、泵的输出流量瞬时变化时，测定液压泵的工作压力随时间变化的过程；
3、在一定的转速下，改变电信号的大小，测试比例电磁阀的压力变化情况。通过试验分析发现随着模拟测试信号的增大，液压系统中的工作压力波动越大，并且稳定性很差；在模拟试验台试验表明泵的工作压力在定额流量下，脉动不大，呈一定的规律性；在一定转速下，电信号的大小和比例电磁阀的压力呈比例关系。综合试验分析得知：系统中不稳定的原因主要是液压油油液的清洁度不高和油路的布局不合理。从试验分析中还发现系统的波动是客观存在的，我们只有通过某种方式来控制它，而不能完全消除，实际上
Automatic Directional Drilling aims to restrain the drilling path to the desirable track by imposing forces for well straightening through control system immediately when detecting the deviation of drilling hole through MWD (measurement while drilling). The conventional well straightening is done based on the deviational survey and the detection of the hole deviation after the hole has been drilled to a certain depth. The interval time between the detection and the straightening affects the drilling efficiency; unexpected well problems are frequent, particularly in the area with unstable strata. Hence Automatic Directional Drill has become a trend for the research on drilling technology, which has witnessed tremendous development in foreign countries while we are declined the access to due to the privacy policy. In the hope of filling the technological vacancy in this field and boosting the development of our drilling technology, the research group on "Computer-aided Automatic Vertical System" made great endeavors in in-depth research of the technology and has worked out a model machine.
The system is composed of four basic units respectively for deviational survey, signal transmission, control and well straightening. The deviational survey unit measures the parameters of the apex angle and the azimuthal angle of the bore hole; then the signal transmission unit send the parameters to the control unit and receives the control instructions; the control unit compares and process the message received, measure the deviation between the actual inclination angle and the verticality and send control instructions to drive the well straightening device, which then imposes an appropriate resultant force vector directing upward and keep the drilling tool moving in the vertical direction. The four units are integrated and dependent on each other. Problems with any unit will impair the performance of the whole system, which makes it quite necessary to test each of them. The absence of any technological and theoretical guidance and the limitation of our processing technology also justify the necessity of scientific and strict detail test and whole test of the system to check whether our theory and design are sound and the processed parts fit the system well. In all only through test can we find the existing problems and optimize the system design and the technological parameters.
The stability of system pressure is a key issue for the system. Based on the system's basic theory of operation, the causes of the system instability are explored by analyzing whether unstable pressure fluctuation occurs in the holding power of
该系统主要由测斜、信号传输、控制、钻具纠斜等4个基本的单元组成。测量单元用于测量钻孔的顶角与方位角等参数；信号传输单元将测量到的参数信息传送到控制中心，并接收控制指令；控制系统对接收到的信息进行处理和比较，检测实际倾角与垂直度的偏差，然后发出控制指令驱动纠斜机构；钻具纠斜单元按控制指令动作，给出一个适当的合力矢量指向高边，保持钻具向垂直方向钻进。四个部分紧密相连，任何一部分出现问题都将影响到整个系统的性能，因此必须对系统的各部分进行试验验证。另外由于对垂钻系统的研究是在没有任何的技术资料和理论指导下进行研制的，同时受我国加工技术水平的制约，使得必须对自动控向系统进行科学的、严格细致的分部试验、整体试验，从而来检测理论推导是否正确、设计的是否合理，加工是否满足系统的要求等等。总之，只有通过试验才能查找出系统中存在的问题，才能不断优化系统的设计，完善系统的各项技术参数。
对于自动控向垂钻系统而言，主要问题就是系统压力的稳定性问题。本课题从自动控向垂钻系统基本工作原理出发，主要分析液压系统中支撑力在信号作用下力是否会产生不稳定的压力脉动，研究引起系统不稳定的因素，同时研究系统中对液压泵的基本设计是否满足系统地要求，考察和分析了比例电磁阀信号与系统压力的关系以及瞬间电磁阀上信号的改变对系统压力波动产生的影响。通过试验分析研究，查找了系统压力不稳定的原因，设计了液压系统试验方案，并根据试验的内容和条件，建立室内液压试验台，从液压泵和比例电磁阀两个方面入手，深入的探讨了以下三个方面的问题：
1、当系统中给出一定的电压(模拟测斜信号)时，液压系统工作压力随时间的变化情况；
2、泵的输出流量瞬时变化时，测定液压泵的工作压力随时间变化的过程；
3、在一定的转速下，改变电信号的大小，测试比例电磁阀的压力变化情况。通过试验分析发现随着模拟测试信号的增大，液压系统中的工作压力波动越大，并且稳定性很差；在模拟试验台试验表明泵的工作压力在定额流量下，脉动不大，呈一定的规律性；在一定转速下，电信号的大小和比例电磁阀的压力呈比例关系。综合试验分析得知：系统中不稳定的原因主要是液压油油液的清洁度不高和油路的布局不合理。从试验分析中还发现系统的波动是客观存在的，我们只有通过某种方式来控制它，而不能完全消除，实际上
Automatic Directional Drilling aims to restrain the drilling path to the desirable track by imposing forces for well straightening through control system immediately when detecting the deviation of drilling hole through MWD (measurement while drilling). The conventional well straightening is done based on the deviational survey and the detection of the hole deviation after the hole has been drilled to a certain depth. The interval time between the detection and the straightening affects the drilling efficiency; unexpected well problems are frequent, particularly in the area with unstable strata. Hence Automatic Directional Drill has become a trend for the research on drilling technology, which has witnessed tremendous development in foreign countries while we are declined the access to due to the privacy policy. In the hope of filling the technological vacancy in this field and boosting the development of our drilling technology, the research group on "Computer-aided Automatic Vertical System" made great endeavors in in-depth research of the technology and has worked out a model machine.
The system is composed of four basic units respectively for deviational survey, signal transmission, control and well straightening. The deviational survey unit measures the parameters of the apex angle and the azimuthal angle of the bore hole; then the signal transmission unit send the parameters to the control unit and receives the control instructions; the control unit compares and process the message received, measure the deviation between the actual inclination angle and the verticality and send control instructions to drive the well straightening device, which then imposes an appropriate resultant force vector directing upward and keep the drilling tool moving in the vertical direction. The four units are integrated and dependent on each other. Problems with any unit will impair the performance of the whole system, which makes it quite necessary to test each of them. The absence of any technological and theoretical guidance and the limitation of our processing technology also justify the necessity of scientific and strict detail test and whole test of the system to check whether our theory and design are sound and the processed parts fit the system well. In all only through test can we find the existing problems and optimize the system design and the technological parameters.
The stability of system pressure is a key issue for the system. Based on the system's basic theory of operation, the causes of the system instability are explored by analyzing whether unstable pressure fluctuation occurs in the holding power of
引文
[1] 胡宝青，“旋转导向钻井系统”，世界石油工业，1998，6
[2] 李松林编译，自动垂直钻井系统VDS的形成与发展，国外石油机械，1994，4
[3] 刘广志译，“德国KTB主孔垂直钻进系统与钻探工艺”，探矿工程译丛，1996年第3期
[4] 刘华先译，“德国KTB超深钻技术”，探矿工程译丛，1996年第1期，
[5] 姚爱国，彭金龙，钻探技术新进展，地质与勘探，2000年，第36卷第2期，
[6] 张连山，“2010年世界石油钻机技术发展水平预测”，钻采工艺,1998年，第21卷，第3期，
[7] 李松林，王志军，“定向钻井工具的发展方向—自动旋转导向钻井工具”，世界石油工业，1999，6
[8] Hartmut Gruenhagen et al, Application of New Generation Rotary Steerable System for Reservoir Drilling in Remote Areas, IADC/SPE 74457, 2002
[9] 张绍槐，现代导向钻井技术的新进展及发展方向，石油学报，2003年，第24卷第3期，82-89
[10] Thomas Wong et al, Advanced Steerable Drilling System Raises Performance to New Levels,IADC/SPE 77218, 2002
[11] 苏义脑，关于井眼轨迹控制研究的新思考，石油学报，1993，4
[12] 王延军，自动控向垂钻系统的室内试验研究，2002，6
[13] 苏义脑，梁涛，井眼轨道自动控制系统设计的几个基本问题，石油学报，1999，1(20)
[14] 白家趾，苏义脑，井斜控制理论与实践，石油工业出版社，1990年4
[15] 苏义脑，导向钻具选型与总体设计的原则和方法，石油钻采工艺，1999，3(21)
[16] 周琴，姚爱国，自动控向垂钻系统的纠斜原理和液压技术的实现，矿山机械，2003，11，p7-9
[17] 凌更成，罗金堂，液压系统传动试验指导，机械工业出版社1990，11
[18] 鲁长耿，李金良，液压控制系统的分析与设计，煤炭工业出版社，1991，8，
[19] 苏义脑，季细星，井眼轨道控制系统控制原理分析，石油学报，1996，10
[20] 张赤诚，液压传动，地质出版社1995，6
[21] 张福学，传感器应用及其电路精选，电子工业出版社，1991，4
[22] 陈大钦等，模拟电子技术基础，武汉理工出版社，2001，4
[23] 薛学明，王志宏，稳定电源及其电路实例，中国铁道出版社，1990，6
[24] 扬威，张金栋，电力电子技术，重庆大学出版社，1995，3
[25] 贾正春，马志源，电力电子学，中国电力出版社，2001，6
[26] 张迎新，雷道振等，非电量测量技术基础，北京航空航天出版社，2002，8
[27] 庄效恒，李燕民，梁淼，刘蕴陶，电子技术，北京理工大学出版社，1996，9
[28] 苏义脑，陈元顿，连续控制钻井技术在我国的初步实践，石油钻采工艺，1995，1(17)
[29] 刘君华，基于Lab Windows／CVI的虚拟仪器设计，电子工业出版社，2003，1
[30] Geoff Downton et al., New Directions in Rotary Steerable Drilling, Oilfield Review, Spring 2000, 5
[31] StruartR．Ball，刘谦译，嵌入式微处理器模拟接口设计，电子工业出版社2004，6
[32] 顾永泉，机械密封实用技术，机械工业出版社2001．8
[33] 中国机械工程学会摩擦学学会《润滑工程》编写者，润滑工程，机械工业出版社1986，10
[34] 顾永泉，机械端面密封，石油大学出版社，1994，6
[35] 顾永泉，流体动密封，中国石化出版社，1990，3
[36] 广州机床研究所，密封胶及其应用，1976，8
[37] Tetsuo Yonezawa et al, Robotic Controlled Drilling: A New Rotary Steerable Drilling System for the Oil and Gas Industry, IADC/SPE 74458, 2002
[38] 姚爱国，《微机自动控向垂钻系统的研制与开发》，2000
[39] 张伟译，“为下一个千年设计的回转式闭环钻进”，探矿工程译丛1991，2
[40] Sandro Polietal, "Advanced tools for advanced wells: rotary closed-loop drilling system-results of prototype field testing", SPE Drilling & Completion, 1998, 6
[41] 王培良译，“旋转闭环钻井系统的样机现场实验结果”，国外石油机械，1998，4
[2] 李松林编译，自动垂直钻井系统VDS的形成与发展，国外石油机械，1994，4
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