定向钻井动力学与控制理论研究及应用

本书是十二五、十三五期间中海油研究总院有限责任公司进行井下动力钻具高效滑动导向钻井系统研究的部分成果总结。针对钻井系统大长细比钻柱、钻柱-井壁碰撞、钻进、钻井地面控制、导向工具控制等无法采用传统方法进行计算分析的难题，在多体动力学框架下建立了滑动导向钻井系统的刚-柔耦合动力学方程、约束方程与井眼轨迹延伸方程，采用向后差分法进行求解计算，得到了系统动力学响应特性。引入控制算法，实现了滑动导向钻井地面控制、井下动力钻具控制与系统动力学一体化的建模求解，并将其应用于工具面及轨迹的自动控制。油田现场应用结果表明，该理论方法应用后，钻井效率与安全性都得到了提高。

本书以石油定向钻井技术中滑动导向钻井方式为核心，针对定向钻井与轨迹监测与控制、系统多体动力学理论模型算法、工具面动态控制与轨迹闭环控制方法、动力学与控制一体化分析技术及室内实验、油田现场应用进行了总结和整理，旨在与国内相关研究及技术人员交流定向钻井自动化控制研究与应用方面的成果经验，为定向钻井的数字化、自动化、智能化提供参考和帮助。本书内容反映了中海油研究总院有限责任公司承担的国家重大科技专项的部分研究进展及成果。本书可供从事石油钻井工程力学、钻井自动化控制等相关专业的研究人员、工程技术人员参考使用，对高等院校相关专业的教师及研究生具有重要参考价值。

第1章绪论
1.1工程背景
1.2关键技术及难点
1.2.1关键技术
1.2.2技术难点
1.3技术现状
1.3.1动力学计算分析
1.3.2工具面与轨迹闭环控制
1.4本书主要内容
第2章井眼轨迹监测与控制
2.1实钻轨迹监测
2.1.1实钻轨迹测斜计算
2.1.2实钻轨迹偏差分析
2.1.3邻井防碰分析
2.2随钻轨迹控制
2.2.1主法线角与工具面角
2.2.2井眼方向控制
2.2.3井眼位置控制
2.2.4软着陆轨迹控制
第3章定向钻井系统动力学理论
3.1概述
3.1.1滑动导向钻井系统组成
3.1.2系统建模方法
3.2典型单元描述
3.2.1刚体
3.2.2lagrange几何准确梁
3.2.3ale几何准确梁
3.3全井段动力学模型
3.3.1常规钻柱组件
3.3.2mwd/lwd
3.3.3螺杆马达
3.3.4钻柱-井壁接触
3.3.5钻头-岩石作用
3.4分段动力学模型
3.4.1滑动钻进
3.4.2复合钻进
3.5系统方程与求解算法
3.6全井段钻柱动力学仿真
3.6.1起下钻
3.6.2顶驱空转
3.6.3划眼
3.6.4钻进
3.7bha快速动力学仿真
3.7.1滑动钻进仿真算例
3.7.2复合钻进仿真算例
第4章定向钻井自动控制方法
4.1概述
4.2工具面反馈控制
4.2.1专家pid控制
4.2.2模糊滑模控制fsmc
4.2.3自适应微分正反馈控制adpf
4.2.4顶驱扭摆减阻控制策略rock
4.3钻井前馈控制
4.3.1目标轨迹规划
4.3.2分段点控制量计算
4.3.3钻杆模型控制量计算
4.3.4顶驱初始转角校正
4.3.5钻具反扭角计算
4.3.6地层参数反演
4.4井眼轨迹闭环控制
4.4.1动态逆控制原理
4.4.2井眼轨迹闭环控制系统
4.4.3滤波器设计
4.4.4控制算法仿真验证
4.5动力学与控制一体化仿真
4.5.1钻井动力学与控制一体化分析软件
4.5.2井眼轨迹前馈控制仿真
4.5.3井眼轨迹闭环控制仿真
第5章高效滑动导向钻井系统试验应用
5.1室内缩比模型工具面控制实验
5.1.1室内实验装置
5.1.2顶驱定位
5.1.3顶驱速度运行
5.1.4顶驱扭摆
5.1.5专家pid控制
5.1.6fsmc控制
5.1.7专家pid+rock控制
5.1.8fsmc+rock控制
5.2油田现场应用
5.2.1工具面反馈控制
5.2.2滑动导向钻井前馈控制
5.2.3井眼轨迹闭环控制
参考文献