CN110513043B - 一种基于自动导向钻具的垂直钻进过程纠斜控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于自动导向钻具的垂直钻进过程纠斜控制方法，包括：首先建立钻具运动的二维模型和三维模型；然后将模型线性化与离散化，并设计纠斜控制器；输入井斜角偏差量、方位角偏差量、闭合距偏差量、参考钻具面向角和参考导向率至纠斜控制器；伺服驱动模块驱动钻头垂钻；计算初步井斜角、方位角和闭合距；计算最终井斜角、方位角和闭合距；计算井斜角、方位角和闭合距偏差量；将上述偏差量反馈至纠斜控制器，形成闭环控制；本发明提供的技术方案带来的有益效果是：在现有垂钻纠斜控制概念匮乏的情况下，进行了钻具运动二维和三维建模，并设计纠斜控制器，能够提高垂钻轨迹的垂直精度，与纠斜控制系统的工程适用性。
Description
技术领域
本发明涉及钻井先进控制领域，尤其涉及一种基于自动导向钻具的垂直钻进过程纠斜控制方法。
背景技术
国家的经济发展离不开矿产资源的供应。近年来中国经济的腾飞使矿产能源的开采量飞速增长，随着矿产资源的不断开采，我国浅层及露天矿产资源正日渐枯竭。然而目前已有信息表明，我国大陆深部蕴藏着潜力巨大的矿产资源，埋深在1000米以下的煤炭资源占53％，其中褐煤和低变质程度烟煤占55％。我国深层石油资源约占剩余石油资源的40％，深层天然气资源约占剩余天然气资源的60％。为了近一步实现对矿产资源的利用，深部矿产地质勘探成为了现代研究的一个重要方向，将目标着眼于深部地区，逐渐实现对深部地区矿产资源的开采利用，这对我国经济稳定发展有着重要意义。
然而由于地层倾向、层状结构、各向异性、岩性软硬交替、下部钻具受力与弯曲变形以及人为因素，工程中容易造成钻进轨迹偏斜。当井斜过大时，会使得现场施工和初始设计方案有较大的偏差，从而打乱地质资源勘查方案，甚至会漏掉矿层，降低地质资源采收率。同时过大的井斜角与方位角还容易形成严重的“狗腿度”，使起下钻困难，钻柱工作条件恶化，还会造成粘附卡钻、键槽卡钻等复杂问题，严重影响钻井效率与安全性。
垂直钻进过程纠斜控制的本质是对钻进轨迹的控制，即通过合理控制手段保持钻进轨迹沿着井口铅垂线行进。基于传统工艺的纠斜控制系统往往只注重对井斜角的控制，依靠被动防斜技术和人工经验控制井斜。然而这种纠斜控制系统虽然能够保证向下钻进的大趋势不变，但钻成轨迹却并不能被有效调整到预定的垂直轨迹，使得钻头位置有可能偏离垂线水平距离愈来愈远，或者围绕铅垂线螺旋向下，尤其在钻遇复杂地层，不确定因素急剧增加，使得钻进轨迹的垂直精度难以得到保障，严重影响钻孔质量。新的纠斜控制方法与系统有待进一步开发，一方面需保证井斜角能够满足工程要求，另一方面需提高垂钻轨迹的垂直精度，保证垂钻井眼轨迹的质量。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于自动导向钻具的垂直钻进过程纠斜控制方法，一种基于自动导向钻具的垂直钻进过程纠斜控制方法，主要包括以下步骤：
S101建立钻具运动的二维模型和钻具运动的三维模型；
S102：将所述二维模型和所述三维模型分别进行线性化和离散化处理，得到离散化后的二维模型和离散化后的三维模型；
S103：根据所述离散化后的二维模型和所述离散化后的三维模型，设计适用于所述钻具的纠斜控制器；
S104：将井斜角偏差量、方位角偏差量、闭合距偏差量、参考钻具面向角和参考导向率输入至所述纠斜控制器，得到输出钻具面向角增量和输出导向率增量；其中，所述井斜角偏差量、所述方位角偏差量和所述闭合距偏差量的初始值为参考井斜角、参考方位角和参考闭合距；且所述参考井斜角、所述参考方位角、所述参考闭合距、所述参考钻具面向角和所述导向率均为预设值；
S105：伺服控制器根据所述输出钻具面向角增量和输出导向率增量，驱动伺服电机带动钻具垂直钻进；同时，所述伺服电机采集所述钻具的实际钻具面向角和实际导向率；
S106：所述伺服电机将所述实际钻具面向角和所述实际导向率输入至所述二维模型和所述三维模型，得到初步井斜角、初步方位角和初步闭合距参数；
S107：井下测量变送单元将所述初步井斜角和所述初步方位角传送至井上测量系统；井上测量系统根据井上测量的井深及所述初步井斜角和所述初步方位角，采用井眼轨迹计算模型计算出最终的井眼轨迹参数；其中，所述井眼轨迹参数包括：最终井斜角、最终方位角和最终闭合距；
S108：井上测量系统将所述最终井斜角、最终方位角和最终闭合距与所述参考井斜角、参考方位角和参考闭合距分别对应相减，得到井斜角偏差量、方位角偏差量和闭合距偏差量；
S109：判断步骤S108中计算得到的井斜角偏差量、方位角偏差量和闭合距偏差量是否都为0？若是，则到步骤S110，否则，返回步骤S104，并利用步骤S108中计算得到的井斜角偏差量、方位角偏差量和闭合距偏差量对步骤S104中的井斜角偏差量、方位角偏差量和闭合距偏差量进行更新；
S110：伺服电机停止，纠斜程序结束。
步骤S101中，所述钻具运动的二维模型和钻具运动的三维模型的建立步骤，具体如下：
S201：建立钻具运动二维模型坐标系及钻具运动的三维模型坐标系；其中，二维模型坐标系的Z轴为铅锤线方向，向下为正方向，X轴与Z轴垂直，设定工具面始终指向Z轴；三维模型坐标系的Z轴为铅锤线方向，向下为正方向，X轴指向正东方向，Y轴指向正北方向；
S202：根据所述二维模型坐标系，建立钻具运动的二维模型，如式(1)所示：
上式中，v为钻具的钻速，为预设值；ω为导向率；α为井斜角，为输出；Sx为钻具在X轴的位移；vx和vz分别为钻速v在x方向和z方向的分速度；
建立三维钻具运动模型如式(2)、(3)和(4)所示：
上式中，α为井斜角，β为方位角，v为钻具的钻速，αx与αy分别为井斜角α在XOZ平面和YOZ平面上的投影，Sx和Sx分别为钻具在X轴与Y轴上的位移，ω为导向率，
为钻具面向角，通过直接测量得到；vx、vx和vz分别为钻速v在x方向、y方向和z方向的分速度。
步骤S102中，将所述二维模型和所述三维模型分别进行线性化和离散化处理，得到离散化后的二维模型和离散化后的三维模型；具体如下：
对所述钻具运动的二维模型进行线性化与离散化如公式(5)所示：
上式中，所述参考井斜角、参考方位角和参考闭合距组成参考轨迹，最终井斜角、最终方位角和最终闭合距组成实钻轨迹；k为离散化后的时间量，Se(k)为钻具当前时刻k实钻轨迹相对于参考轨迹的横向位移，Se(k+1)为钻具下一时刻k+1实钻轨迹相对于参考轨迹的横向位移，ae(k)为当前时刻k实钻轨迹相对于参考轨迹的井斜角，ae(k+1)为下一时刻k+1实钻轨迹相对于参考轨迹的井斜角；v为钻具的钻速；T为控制周期；ωe(k)为相对于参考导向率的控制增量；
对所述钻具运动的三维模型进行线性化与离散化如公式(6)所示：
上式中，Sex(k)与Sey(k)分别为钻具实钻轨迹相对于参考轨迹的在X轴与Y轴的横向位移，aex(k)与aex(k)分别为实钻轨迹相对于参考轨迹的井斜角在XOZ与YOZ平面上的投影，v为钻速，ωex(k)与ωey(k)为XOZ与YOZ两个平面上实钻轨迹相对于参考导向率的控制增量。
在步骤S103中，所述纠斜控制器的具体表达式如下：
S301：建立钻具运动预测方程，如式(7)所示：
公式(7)是公式(6)的另一种表达形式；其中，x(k+1|k)为当前k时刻预测的k+1时刻状态量x的值；其中：
Ck为单位矩阵；
S302：计算钻具运动预测方程如公式(8)所示：
Y(k)＝ψkx(k|k)+ΘkU(k) (8)
上式中，各矩阵由下面公式(9)、(10)描述：
上式中，U(k)为输出，为参考导向率的控制增量；Y(k)为实钻轨迹相对于参考轨迹的状态偏差；控制系统约束条件为：参考井斜角小于3°、参考导向率不超过钻具的极限值，且所述极限值根据所使用的钻具不同而不同，具体参考所使用钻具的使用手册；结合所述控制系统约束条件，选取如下优化目标：
其中α为参考井斜角，ω为参考导向率，将(8)式代入(11)式，整理得(12)式：
J(Y(k),U(k))＝x(k|k)T*H*x(k|k)+fT*x(k|k)+ff (12)
上式中各矩阵由公式(13)描述：
上式中，R和Q均为的常数对角矩阵；实际控制量为ureal(k)＝u(k)+uref(k)，其中uref(k)为输入的参考钻具面向角和参考导向率矩阵，u(k)为控制器输出的钻具面向角和导向率增量矩阵。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：在现有垂钻纠斜控制概念匮乏的情况下，结合钻进轨迹与姿态进行了钻具运动建模，并设计纠斜控制器，能够提高垂钻轨迹的垂直精度，解决大控制周期离散最优化控制问题，并提高纠斜控制系统的工程适用性。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中一种基于自动导向钻具的垂直钻进过程纠斜控制方法的流程图；
图2是本发明实施例中纠斜控制系统控制框图的示意图；
图3是本发明实施例中二维钻具运动模型的示意图；
图4是本发明实施例中三维钻具运动模型的示意图；
图5是本发明实施例中二维纠斜控制仿真的示意图；
图6是本发明实施例中三维纠斜控制仿真的示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明的实施例提供了一种基于自动导向钻具的垂直钻进过程纠斜控制系统及方法；其中，一种基于自动导向钻具的垂直钻进过程纠斜控制系统包括：纠斜控制器、伺服控制器及伺服电机、钻具运动模型、测量变送单元、井眼轨迹计算；
所述纠斜控制器用于输出控制量钻具面向角和导向率，其中钻具面向角和导向率用于调整钻头钻进方向与钻进曲率，从而保证在钻进过程中，钻头不会倾斜；所述伺服控制器及伺服电机，为控制系统内环，直接控制钻头运动，其输出参数为导向率，为纠斜控制器输出的反馈量，其用以驱动钻头精确地执行纠斜控制器发出的控制指令；所述钻具运动模型，代表钻进过程中的钻进轨迹，主要由三个参数表示，分别为井斜角、方位角、闭合距，它们为系统的实际输出量，井斜角、方位角、闭合距都由钻具运动模型初步计算，；所述测量变送单元，应用于井下测量系统，它将钻进运动模型输出的测量的参数包括井斜角与方位角通过无线方式传输给井上系统；所述井眼轨迹计算，为一个计算模型，根据井斜角、方位角、井深可计算出最终精确的井深、方位角、闭合距；
请参考图1，图1是本发明实施例中一种基于自动导向钻具的垂直钻进过程纠斜控制方法的流程图，具体包括如下步骤：
S101建立钻具运动的二维模型和钻具运动的三维模型；
S102：将所述二维模型和所述三维模型分别进行线性化和离散化处理，得到离散化后的二维模型和离散化后的三维模型；
S103：根据所述离散化后的二维模型和所述离散化后的三维模型，设计适用于所述钻具的纠斜控制器；
S104：将井斜角偏差量、方位角偏差量、闭合距偏差量、参考钻具面向角和参考导向率输入至所述纠斜控制器，得到输出钻具面向角增量和输出导向率增量；其中，所述井斜角偏差量、所述方位角偏差量和所述闭合距偏差量的初始值为参考井斜角、参考方位角和参考闭合距；且所述参考井斜角、所述参考方位角、所述参考闭合距、所述参考钻具面向角和所述导向率均为预设值；
S105：伺服控制器根据所述输出钻具面向角增量和输出导向率增量，驱动伺服电机带动钻具垂直钻进；同时，所述伺服电机采集所述钻具的实际钻具面向角和实际导向率；
S106：所述伺服电机将所述实际钻具面向角和所述实际导向率输入至所述二维模型和所述三维模型，得到初步井斜角、初步方位角和初步闭合距参数；
S107：井下测量变送单元将所述初步井斜角和所述初步方位角传送至井上测量系统；井上测量系统根据井上测量的井深及所述初步井斜角和所述初步方位角，采用井眼轨迹计算模型计算出最终的井眼轨迹参数；其中，所述井眼轨迹参数包括：最终井斜角、最终方位角和最终闭合距；
S108：井上测量系统将所述最终井斜角、最终方位角和最终闭合距与所述参考井斜角、参考方位角和参考闭合距分别对应相减，得到井斜角偏差量、方位角偏差量和闭合距偏差量；
S109：判断步骤S108中计算得到的井斜角偏差量、方位角偏差量和闭合距偏差量是否都为0？若是，则到步骤S110，否则，返回步骤S104，并利用步骤S108中计算得到的井斜角偏差量、方位角偏差量和闭合距偏差量对步骤S104中的井斜角偏差量、方位角偏差量和闭合距偏差量进行更新；
S110：伺服电机停止，纠斜程序结束。
步骤S101中，所述钻具运动的二维模型和钻具运动的三维模型的建立步骤，具体如下：
S201：建立钻具运动二维模型坐标系及钻具运动的三维模型坐标系；其中，二维模型坐标系如下：Z轴为铅锤线方向，向下为正方向，X轴与Z轴垂直，设定工具面始终指向Z轴；
三维模型坐标系如下：Z轴为铅锤线方向，向下为正方向，X轴指向正东方向，Y轴指向正北方向；
S202：根据所述二维模型坐标系，建立钻具运动的二维模型，如式(1)所示：
上式中，v为钻具的钻速，为预设值；ω为导向率；α为井斜角，为输出；Sx为钻具在X轴的位移；vx和vz分别为钻速v在x方向和z方向的分速度；
对于一般钻进过程，需考虑井眼轨迹变化。由此得到三维模型如式(2)、(3)所示：
其中α为井斜角，β为方位角，v为钻速，Sx与Sy分别为钻具在X轴与Y轴上的位移，为ω为导向率，θtf为钻具面向角。(2)式反映了钻具圆周运动对X轴与Y轴位移的影响，(3)反映了钻具姿态的变化规律。
在实际工程中，当井斜角小于3度时，高边工具面角难以检测，而(3)式仅适用于高边工具面角，因此需要适当调整三维钻具运动模型。将井斜角分解到XOZ与YOZ平面内，将三维问题分解为两个二维控制问题，依据角度间的三角函数关系与向量分解公式，重新对式(2)和(3)进行调整：
其中α为井斜角，β为方位角，v为钻速，αx与αy分别为井斜角α在XOZ平面与YOZ平面上的投影，ω为导向率，
为钻具面向角；vx、vy和vz分别为钻速v在x方向、y方向和z方向的分速度。(4)式反映了模型变换前后的角度关系。
步骤S102中，将所述二维模型和所述三维模型分别进行线性化和离散化处理，得到离散化后的二维模型和离散化后的三维模型；具体如下：
对于二维运动学模型，其状态量ξ为井斜角α与钻具在X轴的位移Sx，控制量u为导向率ω；对模型在参考轨迹的任意一点(ξr,ur)进行泰勒展开，保留一次项，忽略高次项，得(7)式：
其中Jξ为f相对于ξ的雅克比矩阵，Ju为f相对于u的雅克比矩阵。由于
整理(7)式，得(8)式：
其中
将二维模型带入式(8)得二维钻具运动线性化模型。由于工程中随钻测量系统并非动态测量轨迹参数，而是每钻一定距离停钻测量一次，一般为一根钻杆的长度，即9米，因此该模型并不能直接用于控制器设计，对模型进行离散化，并利用差商代替微商，整理后，得到二维线性离散状态空间方程为(9)式：
上式中，所述参考井斜角、参考方位角和参考闭合距组成参考轨迹，最终井斜角、最终方位角和最终闭合距组成实钻轨迹；k为离散化后的时间量，Se(k)为钻具当前时刻k实钻轨迹相对于参考轨迹的横向位移，Se(k+1)为钻具下一时刻k+1实钻轨迹相对于参考轨迹的横向位移，ae(k)为当前时刻k实钻轨迹相对于参考轨迹的井斜角，ae(k+1)为下一时刻k+1实钻轨迹相对于参考轨迹的井斜角；v为钻具的钻速；T为控制周期；ωe(k)为相对于参考导向率的控制增量；
对于三维运动学模型，其状态量ξ为井斜角αx与αy与钻具在X轴与Y轴的位移Sx与Sx，控制量u为导向率ω与钻具面向角
将三维钻具运动模型带入(8)式，并离散化得三维线性离散状态空间方程为(10)式：
上式中，Sex(k)与Sey(k)分别为钻具实钻轨迹相对于参考轨迹的在X轴与Y轴的横向位移，aex(k)与aex(k)分别为实钻轨迹相对于参考轨迹的井斜角在XOZ与YOZ平面上的投影，v为钻速，ωex(k)与ωey(k)为XOZ与YOZ两个平面上实钻轨迹相对于参考导向率的控制增量。
在步骤S103中，所述纠斜控制器的具体表达式如下：
S301：根据离散化模型完成纠斜控制器设计；建立钻具运动预测方程，上述线性离散模型可表示为式(11)：
公式(11)是公式(10)的另一种表达形式；其中，x(k+1|k)为当前k时刻预测的k+1时刻状态量x的值；
Ck为单位矩阵；
S302：根据上述离散模型，计算预测方程；假设系统预测时域为p，且控制时域为c，可得到k时刻的预测方程(12)：
Y(k)＝ψkx(k|k)+ΘkU(k) (12)
各矩阵由下面公式(13)、(14)描述：
上式中，U(k)为输出，为参考导向率的控制增量；Y(k)为实钻轨迹相对于参考轨迹的状态偏差；控制系统约束条件为：参考井斜角小于3°、参考导向率不超过钻具的极限值，且所述极限值根据所使用的钻具不同而不同，具体参考所使用钻具的使用手册；结合所述控制系统约束条件，选取如下优化目标：
其中α为井斜角，ω为导向率，将(12)式代入(15)式，整理得(16)式：
J(Y(k),U(k))＝x(k|k)T*H*x(k|k)+fT*x(k|k)+ff (16)
其中各矩阵由公式(17)描述：
上式中，R和Q均为的常数对角矩阵；实际控制量为ureal(k)＝u(k)+uref(k)，其中uref(k)为输入的参考钻具面向角和参考导向率矩阵，u(k)为控制器输出的钻具面向角和导向率增量矩阵。
请参考图2，图2是本发明实施例中纠斜控制系统框图的示意图，包括：纠斜控制器、伺服控制器及伺服电机、钻具运动模型、测量变送单元、井眼轨迹计算；
请参考图3，图3是本发明实施例中二维钻具运动模型的示意图，其中Z轴为铅锤线方向，向下为正方向，X轴与Z轴垂直。设定工具面始终指向Z轴；
请参考图4，图4是本发明实施例中三维钻具运动模型的示意图，其中Z轴为铅锤线方向，向下为正方向，X轴指向正东方向，Y轴指向正北方向；
请参考图5，图5是本发明实施例中二维纠斜控制仿真的示意图，针对二维纠斜控制，假设参考直井轨迹与实际起始点的水平偏差为5m，起始井斜角为0°。同时考虑设计参考轨迹，其设计轨迹的起始点与实际起始点一致，参考轨迹包括三段：增斜段、稳斜段与降斜段，增斜段与降斜段的参考造斜率为1.5°/30m。由图5所示，蓝色虚线为参考轨迹，红色实线为实钻轨迹，无论直井还是设计轨迹，纠斜控制器都能够在满足工程约束的同时，消除偏差，达到纠斜目的。
请参考图6，图6是本发明实施例中三维纠斜控制仿真的示意图，针对三维纠斜控制，假设参考直井轨迹与实际起始点在XOZ平面的水平偏差为-3m，在YOZ平面的水平偏差为5m，起始井斜角为0°。同时考虑设计参考轨迹，其设计轨迹的起始点与实际起始点一致，参考轨迹包括三段：增斜段、稳斜段与降斜段，增斜段与降斜段的参考造斜率为2.12°/30m,方位角保持为135°不变。由图6所示，蓝色虚线为参考轨迹，红色实线为实钻轨迹，无论直井还是设计轨迹，纠斜控制器都能够在满足工程约束的同时，消除偏差，达到纠斜目的。
本发明的有益效果是：在现有垂钻纠斜控制概念匮乏的情况下，结合钻进轨迹与姿态进行了钻具运动建模，并设计纠斜控制器，能够提高垂钻轨迹的垂直精度，解决大控制周期离散最优化控制问题，并提高纠斜控制系统的工程适用性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于自动导向钻具的垂直钻进过程纠斜控制方法，应用于一种基于自动导向钻具的垂直钻进过程纠斜控制系统中；所述一种基于自动导向钻具的垂直钻进过程纠斜控制系统包括：井下测量子系统和井上测量子系统；其中，井下测量子系统包括：钻具，用于钻井；伺服电机，用于控制钻具转动；伺服控制器，用于控制伺服电机；井下测量变送单元，用于处理井下测量数据的处理和传输；井上测量系统用于测量井深和对井下测量变送单元传输的数据进行处理；其特征在于：
所述一种基于自动导向钻具的垂直钻进过程纠斜控制方法，包括以下步骤：
S101建立钻具运动的二维模型和钻具运动的三维模型；
S102：将所述二维模型和所述三维模型分别进行线性化和离散化处理，得到离散化后的二维模型和离散化后的三维模型；
S103：根据所述离散化后的二维模型和所述离散化后的三维模型，设计适用于所述钻具的纠斜控制器；
S104：将井斜角偏差量、方位角偏差量、闭合距偏差量、参考钻具面向角和参考导向率输入至所述纠斜控制器，得到输出钻具面向角增量和输出导向率增量；其中，所述井斜角偏差量、所述方位角偏差量和所述闭合距偏差量的初始值为参考井斜角、参考方位角和参考闭合距；且所述参考井斜角、所述参考方位角、所述参考闭合距、所述参考钻具面向角和所述参考导向率均为预设值；
S105：伺服控制器根据所述输出钻具面向角增量和输出导向率增量，驱动伺服电机带动钻具垂直钻进；同时，所述伺服电机采集所述钻具的实际钻具面向角和实际导向率；
S106：所述伺服电机将所述实际钻具面向角和所述实际导向率输入至所述二维模型和所述三维模型，得到初步井斜角、初步方位角和初步闭合距参数；
S107：井下测量变送单元将所述初步井斜角和所述初步方位角传送至井上测量系统；井上测量系统根据井上测量的井深及所述初步井斜角和所述初步方位角，采用井眼轨迹计算模型计算出最终的井眼轨迹参数；其中，所述井眼轨迹参数包括：最终井斜角、最终方位角和最终闭合距；
S108：井上测量系统将所述最终井斜角、最终方位角和最终闭合距与所述参考井斜角、参考方位角和参考闭合距分别对应相减，得到井斜角偏差量、方位角偏差量和闭合距偏差量；
S109：判断步骤S108中计算得到的井斜角偏差量、方位角偏差量和闭合距偏差量是否都为0，若是，则到步骤S110，否则，返回步骤S104，并利用步骤S108中计算得到的井斜角偏差量、方位角偏差量和闭合距偏差量对步骤S104中的井斜角偏差量、方位角偏差量和闭合距偏差量进行更新；
S110：伺服电机停止，纠斜程序结束。
2.如权利要求1所述的一种基于自动导向钻具的垂直钻进过程纠斜控制方法，其特征在于：步骤S101中，所述钻具运动的二维模型和钻具运动的三维模型的建立步骤，具体如下：
S201：建立钻具运动二维模型坐标系及钻具运动的三维模型坐标系；其中，二维模型坐标系的Z轴为铅锤线方向，向下为正方向，X轴与Z轴垂直，设定工具面始终指向Z轴；三维模型坐标系的Z轴为铅锤线方向，向下为正方向，X轴指向正东方向，Y轴指向正北方向；
S202：根据所述二维模型坐标系，建立钻具运动的二维模型，如式(1)所示：
上式中，v为钻具的钻速，为预设值；ω为导向率；α为井斜角，为输出；Sx为钻具在X轴的位移；vx和vz分别为钻速v在x方向和z方向的分速度；
建立三维钻具运动模型如式(2)、(3)和(4)所示：
上式中，α为井斜角，β为方位角，v为钻具的钻速，αx与αy分别为井斜角α在XOZ平面和YOZ平面上的投影，Sx和Sx分别为钻具在X轴与Y轴上的位移，ω为导向率，
为钻具面向角，通过直接测量得到；vx、vx和vz分别为钻速v在x方向、y方向和z方向的分速度。
3.如权利要求1所述的一种基于自动导向钻具的垂直钻进过程纠斜控制方法，其特征在于：步骤S102中，将所述二维模型和所述三维模型分别进行线性化和离散化处理，得到离散化后的二维模型和离散化后的三维模型；具体如下：
对所述钻具运动的二维模型进行线性化与离散化如公式(5)所示：
上式中，所述参考井斜角、参考方位角和参考闭合距组成参考轨迹，最终井斜角、最终方位角和最终闭合距组成实钻轨迹；k为离散化后的时间量，Se(k)为钻具当前时刻k实钻轨迹相对于参考轨迹的横向位移，Se(k+1)为钻具下一时刻k+1实钻轨迹相对于参考轨迹的横向位移，ae(k)为当前时刻k实钻轨迹相对于参考轨迹的井斜角，ae(k+1)为下一时刻k+1实钻轨迹相对于参考轨迹的井斜角；v为钻具的钻速；T为控制周期；ωe(k)为相对于参考导向率的控制增量；
对所述钻具运动的三维模型进行线性化与离散化如公式(6)所示：
上式中，Sex(k)与Sey(k)分别为钻具实钻轨迹相对于参考轨迹的在X轴与Y轴的横向位移，aex(k)与aex(k)分别为实钻轨迹相对于参考轨迹的井斜角在XOZ与YOZ平面上的投影，v为钻具的钻速，ωex(k)与ωey(k)为XOZ与YOZ两个平面上实钻轨迹相对于参考导向率的控制增量。
4.如权利要求3所述的一种基于自动导向钻具的垂直钻进过程纠斜控制方法，其特征在于：步骤S103中，所述纠斜控制器的具体设计如下：
S301：建立钻具运动预测方程，如式(7)所示：
公式(7)是公式(6)的另一种表达形式；其中，x(k+1|k)为当前k时刻预测的k+1时刻状态量x的值；其中：
Ck为单位矩阵；
S302：计算钻具运动预测方程如公式(8)所示：
Y(k)＝ψkx(k|k)+ΘkU(k) (8)
上式中，各矩阵由下面公式(9)、(10)描述：
上式中，U(k)为输出，为参考导向率的控制增量；Y(k)为实钻轨迹相对于参考轨迹的状态偏差；控制系统约束条件为：参考井斜角小于3°、参考导向率不超过钻具的极限值，且所述极限值根据所使用的钻具不同而不同，具体参考所使用钻具的使用手册；结合所述控制系统约束条件，选取如下优化目标：
其中α为参考井斜角，ω为参考导向率，将(8)式代入(11)式，整理得(12)式：
J(Y(k),U(k))＝x(k|k)T*H*x(k|k)+fT*x(k|k)+ff (12)
上式中各矩阵由公式(13)描述：
式(11)中，R和Q均为的常数对角矩阵；实际控制量为ureal(k)＝u(k)+uref(k)，其中uref(k)为输入的参考钻具面向角和参考导向率矩阵，u(k)为控制器输出的钻具面向角和导向率增量矩阵。
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7546209B2 (en) * | 2004-10-28 | 2009-06-09 | Williams Danny T | Formation dip geo-steering method |
| CN202157760U (zh) * | 2011-07-29 | 2012-03-07 | 中国石油集团川庆钻探工程有限公司 | 一种降低滑动导向钻进粘阻的钻具组合 |
| CN105114059A (zh) * | 2015-08-03 | 2015-12-02 | 中国地质大学（武汉） | 一种三维定向井轨迹设计及控制参数判别方法 |
| CN108829133A (zh) * | 2018-06-25 | 2018-11-16 | 北京仿真中心 | 一种存在扰动三维环境下的分布式编队控制系统和方法 |
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7546209B2 (en) * | 2004-10-28 | 2009-06-09 | Williams Danny T | Formation dip geo-steering method |
| CN202157760U (zh) * | 2011-07-29 | 2012-03-07 | 中国石油集团川庆钻探工程有限公司 | 一种降低滑动导向钻进粘阻的钻具组合 |
| CN105114059A (zh) * | 2015-08-03 | 2015-12-02 | 中国地质大学（武汉） | 一种三维定向井轨迹设计及控制参数判别方法 |
| CN108829133A (zh) * | 2018-06-25 | 2018-11-16 | 北京仿真中心 | 一种存在扰动三维环境下的分布式编队控制系统和方法 |
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