新型静态偏置指向式旋转导向执行机构导向控制研究

作     者：李远志 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：牛文铁

授予年度：2014年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 082001[工学-油气井工程] 08[工学] 

主      题：旋转导向系统 导向执行机构 导向控制 联合运动仿真 控制系统 

摘      要：旋转导向钻井技术作为一项集机、电、液于一体的钻井新技术，具有钻井阻力小、时效高，钻进方向实时可调，机械钻速高和使用寿命长等突出优点，广泛应用于水平定向井、大位移井和三维多目标井等复杂井眼轨迹的开发，代表了当今世界石油开发技术的最高水平。针对国外石油公司对于旋转导向钻井技术的垄断和国内石油钻采行业对旋转导向钻井技术的迫切需求，深入开展对旋转导向钻井技术的研究具有十分重要的意义。旋转导向钻井技术是依靠导向执行机构的偏置作用实现钻头偏置的，因此，导向执行机构的研究是旋转导向钻井技术研究的关键。本文面向一种新型静态偏置指向式旋转导向执行机构，围绕其导向控制原理、导向运动控制、二维以及三维井眼轨迹导向控制和控制系统性能展开研究，主要工作如下： (1)导向原理分析。阐述了新型旋转导向执行机构的结构组成，分析了基于2自由度少齿差行星轮系及中空万向节的新型旋转导向执行机构的导向控制原理，建立了新型旋转导向执行机构输入与输出的数学模型。 (2)井眼轨迹导向控制分析。建立了新型旋转导向执行机构导向芯轴偏置点偏心位移矢量的数学模型，基于“三点定圆法建立了导向芯轴偏置点偏心位移矢量的幅值与二维井眼轨迹参数的函数关系;基于“最小曲率法建立了导向芯轴偏置点偏心位移矢量与三维井眼轨迹参数的函数关系。 (3)导向运动控制联合仿真。通过SolidWorks软件与LabVIEW软件的联合，对新型旋转导向执行机构进行了导向控制的联合运动学仿真，验证了新型旋转导向执行机构的导向控制方案设计、导向控制原理分析和井眼轨迹导向控制分析的正确性，为新型旋转导向执行机构实验设计奠定了基础。 (4)导向执行机构控制系统研究。建立了基于电流环、速度环和位置环控制的新型旋转导向执行机构三闭环PID控制系统模型，分析了双输入控制系统在每个单输入下控制系统的性能，并对控制系统进行了超前校正，从而使系统满足导向控制的快速性要求，为样机实验提供了指导。