孔锦炜

中国石油集团长城钻探工程有限公司钻井技术服务公司 辽宁 盘锦 124010

旋转导向钻井技术应用的目的是通过测量井眼轨迹，实现对井下钻具的导向与控制，是一种能够实现井下定向和方位控制的新型井下工具。该技术可用于完井作业，也可用于水平井、大斜度井的钻井施工中。旋转导向钻井系统由导向工具、井眼轨迹测量仪器和旋转导向钻井系统三部分组成。导向工具主要包括导向钻柱和钻头，作用是向井眼提供一种导向力，使钻头沿特定方向旋转；井眼轨迹测量仪器主要包括测量装置、数据处理器、井眼轨迹模拟软件、信号传输电缆和钻柱控制软件等[1]。

1 旋转导向系统的基本结构

旋转导向系统的结构主要包括钻柱、导向工具、钻井仪器、井下控制软件和地面控制软件等。

钻柱：是旋转导向钻井系统的核心部件，是将钻头和井壁紧密结合在一起的构件，同时也是旋转导向钻井系统的动力来源，由导向工具、导向钻具、套管等组成。

导向工具：主要由井口装置和钻井仪器组成，其作用是将钻头与井壁紧密结合在一起，根据测量结果调整井眼轨迹，并对井下钻具进行控制。主要分为扭矩控制型和力/电反馈型两类。

钻井仪器：主要包括数据采集系统、数据处理系统、实时监控系统和控制软件等，主要用于将钻井仪器测量到的井眼轨迹数据进行实时显示、处理和分析。

井下控制软件：主要是为了满足实时监测、控制和管理的需要，是旋转导向钻井系统的控制中枢。

地面控制软件：主要负责接收、分析和显示井眼轨迹数据，同时对井下工具进行控制。

地面设备：是旋转导向钻井系统中的辅助设备，包括钻机、测斜仪、测量工具等。

2 旋转导向钻井系统控制类型

2.1 静态推靠式

静态推靠式旋转导向钻井系统在钻进过程中通过施加扭矩来控制导向钻头，并根据钻进轨迹实时地调整钻井液的流动方向和速度，从而使钻头始终沿着设计轨迹行进。当钻头到达预定位置后，通过施加扭矩来控制钻井液的流动方向和速度，从而实现钻井过程中的自动纠偏功能[2]。

2.2 动态推靠式

被动推靠式旋转导向钻井系统，当井眼在主动推靠式旋转导向钻井系统的前方一定距离处，主动钻杆产生一个轴向推力，迫使导向工具的工具面朝上，使钻具与地面之间保持一个较小的轴向距离，当井眼在被动推靠式旋转导向钻井系统的后方一定距离处，主动钻杆产生一个轴向推力，迫使导向工具的工具面朝下，使钻具与地面之间保持一个较小的轴向距离，当井眼在被动推靠式旋转导向钻井系统的后方一定距离处，主动钻杆产生一个轴向推力，迫使导向工具的工具面朝上，使钻具与地面之间保持一个较小的轴向距离，从而使钻头在井眼中始终处于定向状态。

2.3 静态指向式

在静态指向式控制中，转位机构一般采用固定转位机构或者随动机构。固定转位机构的优点是结构简单、制造成本低，但其存在机械传动精度较差、转位精度难以保证等问题；随动机构的优点是可以实现机械传动与电子控制相结合，可实现更高精度的位置控制，但其存在机械传动精度低、制造成本高等问题[3]。

2.4 动态指向式

动态指向式控制分为直接和间接两种，直接控制主要包括电机驱动控制和机械传动控制，间接控制主要包括基于磁阻传感器或基于传感器反馈的主动磁浮驱动控制以及基于振动传感器反馈的被动振动驱动控制。

2.5 混合式

混合式控制方式是在传统旋转导向系统基础上，通过增加一个随动控制模块，实现了与地面系统的融合。该方法由随动控制模块和导向控制模块两部分组成。

随动控制模块由两个电涡流传感器和一个微型伺服驱动器构成，前者负责接收井筒中的力信号，并将其转换成电信号，通过电压耦合传递给随动控制模块；后者负责向随动控制模块发送指令信号，以调节井筒中的力平衡。与传统的随动控制方式相比，混合式的优势在于能够解决传统随动控制系统中存在的两个问题：（1）惯性力、摩擦力等造成的位移滞后问题。（2）随钻测斜过程中出现的井斜和方位变化引起的偏差问题[4]。

3 旋转导向系统控制策略进展

3.1 现代控制

（1）自动控制是根据实际情况的需要，选择适当的输入、输出变量，在给定条件下实现目标的自动控制。自动控制是在被控对象中，根据被控对象的性能指标，用预先设计的控制器对系统进行控制，以实现系统的性能要求。自动控制的主要优点是：能连续地、稳定地实现目标；能够克服系统中存在的不确定性和时变性；可以较好地适应系统中存在的各种干扰。

（2）状态反馈是对系统中可能存在的不确定因素（干扰）或不稳定因素进行估计和补偿，从而提高系统性能的一种控制策略。状态反馈控制的优点是：不需要建立精确的数学模型，不受被控系统的物理限制，对复杂的系统具有较强的鲁棒性；对控制对象具有较好的适应性，对噪声有较强的鲁棒性，而且它能有效地降低控制系统中存在的不确定性和不确定因素。

（3）输出反馈是将输出误差或误差变化率作为输入的反馈形式，通过反馈到控制器中实现对输出的校正。输出反馈控制的优点是：克服了状态反馈控制的不确定和时变性，提高了控制系统的稳定性；可以实时地调整控制参数，适应系统的变化；克服了传统控制方法中采用“纯滞后”环节进行补偿带来的问题。

3.2 智能控制

智能控制是一种以计算机为基础的、基于学习的、有很强的自适应能力、自组织能力和自学习能力，能够根据系统输入信息自动调整控制参数的一种新型控制策略，在信息获取、信息处理和决策方面具有很大的优势。智能控制不依赖于系统模型，根据实际输入和输出数据来辨识系统的性能，从而调整控制器参数，以获得最优的控制效果。在实际应用中，智能控制经常被用于复杂控制系统，例如机器人、伺服控制器等。在旋转导向钻井系统中也可以用来提高旋转导向钻井系统的性能[5]。

3.3 复合控制

复合控制是在智能控制的基础上发展起来的一种新型控制策略。它不仅能够提高旋转导向钻井系统的控制精度，而且还可以提高其抗扰能力，从而延长其使用寿命。复合控制策略是在智能控制和复合控制两种理论基础上发展起来的，其原理是：通过设计输出反馈控制器，利用反步控制器提高旋转导向钻井系统的抗干扰能力，再利用前馈控制器来提高旋转导向钻井系统的响应速度；通过设计反馈控制器，对输入信息进行补偿和校正，进而提高旋转导向钻井系统的输出信号质量；利用设计输出反馈控制器的方法对输入信息进行补偿和校正，进而提高旋转导向钻井系统的抗扰动能力。

4 我国未来旋转导向技术的发展方向

4.1 完善现有的推靠式和指向式系统，落实导向技术、双向通信、井下闭环控制

国外的旋转导向系统在导向技术、双向通信、井下闭环控制等方面已经非常成熟，而国内的旋转导向系统在导向技术面还存在着一定差距。国外的旋转导向技术在导向力的设计和控制上，为了实现更高的钻井效率，同时能满足对地层更深入的了解，采用了先进的计算方法来预测钻头与井壁之间的距离，并将其反馈到控制器中进行修正。而国内的旋转导向系统由于缺少导向力计算方法，仅采用了与国外类似的方法来设计钻头与井壁之间的距离。因此，提高旋转导向系统导向力计算方法和导向能力是我国旋转导向技术未来发展的关键。

4.2 开展混合式旋转导向系统地面监控，构建双向通讯、随钻测量子系统

井下闭环控制的核心是控制系统的地面监控，由于井下复杂多变的工作环境以及传感器信号的非平稳性，地面监控系统与井下反馈系统之间的信息传输尤为重要，主要包括：（1）传感器信号、钻具振动、旋转导向控制器工作状态、控制命令等。（2）井下仪器采集到的现场信息，如井眼轨迹变化、扭矩和扭矩变化等。（3）对井下仪器数据进行实时分析，通过数据对比及时发现问题，对现场操作人员进行实时指导和修正。

双向通讯是井下控制系统的关键，其核心是随钻测量子系统，通过井下仪器实时传输的信息对地面控制系统进行修正，保证井下轨迹与地面控制系统保持一致，因此开展随钻测量子系统研究，对保证旋转导向钻井技术在复杂地层中的应用具有重要意义。

4.3 针对钻井环境多样化，控制能力精细化和控制需求智能化等诸多挑战

为适应钻井环境多样化，实时、准确、精细地控制井下钻具组合，必须实现旋转导向系统与随钻测井系统的一体化集成设计。但由于钻井过程中井眼轨迹不规则，随钻测井系统测量的井下信息有限，导致旋转导向控制技术应用存在诸多困难。（1）由于钻井环境的多变性，导致现有旋转导向系统控制理论模型无法满足实际要求，需深入研究不确定条件下的复杂钻井环境下的非线性耦合动态井眼轨迹控制问题。（2）钻井过程中井眼轨迹不规则，导致现有控制理论不能满足井眼轨迹控制要求，需进一步研究复杂地质条件下的井眼轨迹控制技术[6]。

5 结束语

旋转导向钻井系统控制技术是整个钻井过程中最复杂的环节之一，也是难度最大的环节之一。要实现对旋转导向钻井系统的控制，必须首先要了解其工作原理和基本结构。目前，我国在该领域的研究工作还处在起步阶段，从总体上看，还存在着很多需要解决的问题。①旋转导向钻井系统控制方法主要集中在基本理论研究和关键技术攻关上，缺乏基础理论、关键技术和标准规范体系；②现有的旋转导向钻井系统控制方法大多是基于理想模型或近似模型的控制方法，缺乏对实际情况的考虑，实际应用效果差；③我国旋转导向钻井系统在理论研究方面已经取得了很大进步，但在产品应用方面仍存在着较大差距。④我国旋转导向钻井系统在国外具有一定的研究基础，但在设计制造、数据处理、工程应用等方面还存在着较大差距。