Анализ роторных управляемых систем

В данной статье дается обзор систем роторного управляемого бурения и методов управления. Представлены классификация и принцип направленности. Перечислены основные методы и алгоритмы управления, применяемые в роторной управляемой системе.

Ключевые слова: роторная управляемая система, системы управления, гибридный тип, современная стратегия управления, стратегия интеллектуального управления, стратегия сложного управления.

This article gives an overview of the rotor steerable system and control methods. The classification and the principle of direction are presented. Listed the basic methods and algorithms of control applied to the rotary steerable system.

Keywords: rotary steerable system, control systems, hybrid type, modern control strategy, intelligent control strategy, complex control strategy.

За последние годы представлено много новых технологий бурения нефтяных скважин, таких как наклонно-направленное бурение, вертикальное бурение, ультразвуковое бурение, лазерное бурение и т. д. [1–5], которые могут сократить период бурения, повысить точность бурения и увеличить скорость проходки.

Роторная управляемая система (РУС) представляет собой новый автоматический способ наклонно-направленного бурения, разработанный в конце 1980-х годов [6], который в основном состоит из компоновки низа бурильной колонны (КНБК) и наземного центра мониторинга. РУС может автоматически регулировать угол наклона и азимут и поддерживать стабильность скважинной системы во время бурения. Скважинный рулевой инструмент, закрепленный на буровой установке, является ключевой частью КНБК для осуществления движения ствола скважины и управления траекторией бурения [7]. В настоящее время крупные нефтесервисные компании последовательно разрабатывают методики РУС [9].

Конструкция системы управления играет важную роль в РУС, которая в основном используется для управления величиной и направлением поперечной силы, чтобы направить буровое долото на желаемое направление [8].

В практической роторной управляемой системе на производительность бурения влияют литология, угол наклона, тип бурового долота, конфигурации и размеры КНБК, скорость вращения, нагрузка на долото, кривизна скважины и так далее. Трудно построить математическую модель системы и точно предсказать ее состояние из-за того, что внутрискважинные условия работы содержат многочисленные сильные нелинейности, колебания во времени и другие неизвестные возмущающие факторы. Поэтому для реализации точного управления РУС внедряются усовершенствованные алгоритмы и стратегии управления, которые в значительной степени решают проблемы в скважине, такие как низкая точность управления, плохой эффект управления и так далее.

Некоторые типичные РУС в технике бурения нефтяных скважин приведены в табл.1 [8, 17].

Таблица 1

Из этой таблицы видно, что большинство инструментов управления бурением РУС на ранней стадии относится к типу долота, например, PowerDrive SRD от Schlumberger, Auto-Trak RCLS от Baker Hughes и так далее. РУС в большинстве случаев могут эффективно выполнять задачу наклонно-направленного бурения, при этом необходимо решить несколько проблем. Например, выдвижные опоры, соединенные с гидравлическими цилиндрами, могут вызвать сильную крутильную вибрацию устойчивой платформы, даже вызвать спиралевидное движение ствола скважины и затруднить цементирование и заканчивание скважины. Для того, чтобы преодолеть эти недостатки были разработаны PowerDrive Xceed от Schlumberger и GeoPilot от Halliburton.

В последние несколько лет некоторые исследователи изучают новый гибридный тип с преимуществами как push-the-bit, так и point-the-bit. Ярким примером является PowerDrive Archer от Schlumberger [10, 11].

Роторная управляемая система регулирует параметры процесса бурения в соответствии с заранее определенными процедурами для выполнения задачи управления траекторией и направлением ствола скважины.

Точное управление траекторией бурения представляет собой сложную и трудную задачу, поскольку она связана с многочисленными сильными нелинейностями, временными вариациями и другими неизвестными возмущающими факторами. Чтобы получить лучший эффект направленного управления, в систему управления РУС было введено множество стратегий управления, помимо традиционного управления без обратной связи.

Современная стратегия управления в основном используется для решения сложной многопараметрической изменяющейся во времени системы управления на основе модели состояний пространства. Некоторые проблемы управления РУС, такие как управление траекторией ствола скважины, могут быть преодолены путем применения некоторых современных стратегий управления, таких как надежное управление, оптимальное управление, адаптивное управление, прогнозирующее управление, управление скользящим режимом и так далее.

Сун и др. [12] предложил адаптивный регулятор, основанный на схеме быстрой оценки, которая в основном состоит из предиктора состояния, адаптивного закона и закона управления. При скоординированной работе этих трех компонентов контроллер может компенсировать погрешности в системе и управлять выходными данными системы, чтобы отслеживать выходные данные стабильной эталонной системы, что приводит к однородной гарантированной производительности, как в переходном, так и в установившемся режиме.

Кремерс и др. [13] представили основанный на модели надежный подход синтеза контроллера, который позволяет бурить скважины сложной геометрии, предотвращая спиралевидность ствола скважины.

Ван де Ваув [14] предложил управление наклоном с обратной связью по выходу для решения той же проблемы надежного отслеживания.

Чжоу [15] и Дай [16] представили ступенчатую общую стратегию прогнозирующего управления и метод дискретного прогнозирования, основанный на расширенном минимальном пространстве состояний для стабилизированной платформы соответственно.

Стратегия интеллектуального управления представляет собой синтез искусственного интеллекта, автоматического управления, оперативных исследований и теории информации. Это класс методов управления, в которых используются различные подходы к интеллектуальным вычислениям, такие как нечеткая логика, нейронные сети, байесовская вероятность, машинное обучение, эволюционные вычисления и другие.

Выводы

Согласно этому обзору, можно сделать вывод, что роторная управляемая система получила большое развитие благодаря напряженной работе исследователей. В этой статье представлены классификация, принцип направления, а также несколько передовых методов управления.

Литература:

1. W. Jiang, S. Jiang, X. Fu and P. Chen. «Application of Rotary Steering Drilling Technology and Its Research Progress,» China Natural Gas Industry, 2013, 33(4): 75–79.
2. L. Wang et al. «Discusses of Rotating Ultrasonic Drilling Mechanism and Analysis of the Compound Horn Synchronous Vibration,» Proceedings of 2012 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation, 2012:1282–1285.
3. Y. Xu, L. Zhou, H. Qian and P. Song. «The Study of Laser Rock Breaking Method and Its Application in Well Drilling,» China Petroleum Drilling Techniques, 2010, 38(4): 129–134.
4. C. Ketata, M. G. Satish, and M. R. Islam. «Expert System Knowledge Management for Laser Drilling in the Oil and Gas Industry,» Computational Intelligence for Modelling, Control and Automation, 2005 and International Conference on Intelligent Agents, Web Technologies and Internet Commerce, International Conference, 2005: 930–938.
5. W. Chen and T. Huang. «Present State and Developing Trend of Casing Drilling Technology,» China Petroleum Drilling Techniques, 2002, 30(1): 16–19.
6. J. Yang and S. Zhang. «Rotary Closed-loop Steerable Drilling System». China Oil Drilling & Production Technology, 2003, 25(1): 1–5.
7. S. Li, Y. Wang, L. Zhang and Y. Xu. «Analysis and Optimization of Static Push-the-Bit Rotary Steering Control Scheme,» Oil Drilling & Production Technology, 2015, 37(4): 12–15.
8. J. Lei, G. Yang, T. Liang, and C. Hu. «Steering Principles of Rotary Steerable Drilling Systems in China and Abroad,» China Exploration Engineering (Rock & Soil Drilling and Tunneling), 2012, 39(9): 53–58.
9. Q. Xue, Q. Ding and L. Huang, «The Latest Progress and Development Trends of Rotary Steering Drilling Technology;» China Petroleum Machinery, 2013, 42(7): 1–6.
10. M. Wang and X. Guang. «Advanced and Trend of Directional Drilling Technology,» China Petroleum Machinery, 2015, 43(7): 12–18.
11. E. Felczak and A. Torre. «The Best of Both Worlds——A Hybrid Rotary Steerable System,» Oilfield Review, 2011/2012, (4): 26–44.
12. H. Sun, Z. Li, N. Hovakimyan, T. Basar and G. Downton. «L1 Adaptive Controller for a Rotary Steerable System,» IEEE International Symposium on Intelligent Control, 2011: 1020–1024.
13. N. A. H. Kremers, E. Detournay and N. Van de Wouw. «Model-Based Robust Control of Directional Drilling Systems,» IEEE Transaction on Control System Technology, 2015, 6(11): 226–239.
14. N. van de Wouw, N. A. H. Kremers and E. Detournay. «Output- feedback Inclination Control of Directional Drilling Systems,» International Federation of Automatic Control, 2015.
15. J. Zhou, A. Huo, Y. Wang and F. Zhu. «Study on Generalized Predictive Control for Rotary Steering Drilling Stable Platform,» China Computer Simulation, 2015, 3(3):304–409.
16. C. Dai, A. Huo, Y. Wang, N. Tang and W. Cheng. «Discrete Model Predictive Control of Stabilized Platform Based on Augmented Minimal State-Space Method,» Journal of Xi’an Shiyou University (Natural Science Edition), 2013, 1(1): 84–87.
17. C. Zhang, W. Zou, N. Cheng (2016). Overview of rotary steerable system and its control methods. 2016 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation. doi:10.1109/icma.2016.7558796