旋转导向钻井工具模型控制系统设计

摘要

随着国内大部分陆地油田进入开发后期，钻井地质条件日趋恶劣、井眼结构日益复杂增加了钻进难度以及成本，因此旋转导向钻井技术成为研究热点。国外已有相关商业产品，国内还处于理论研究及试验阶段。 本文以自主研发的动态指向式旋转导向钻井工具模型为基础，研究其单轴稳定平台控制系统的信号检测、硬件设计以及控制算法。 首先介绍了旋转导向钻井技术的国内外研究现状，滑模控制的基本原理、设计与应用方法。简要说明旋转导向钻井工具系统的工作原理，重点介绍自主研发的动态指向式旋转导向钻井工具模型稳定平台及导向偏置机构的工作原理与控制方案。利用Allan 方差法分析陀螺仪信号噪声源并进行量化；利用卡尔曼滤波器对陀螺仪信号进行滤波；通过温漂实验，对陀螺仪温漂进行补偿。进行了旋转导向钻井工具模型稳定平台控制系统的硬件设计，包括控制单元和姿态信息检测单元两部分。最后，针对钻井工具模型建立数学模型，进行滑模控制算法设计、仿真验证以及实验测试并与 PID 控制效果对比。实验结果表明滑模控制算法动态响应曲线比较理想，相比较 PID 具有较强的鲁棒性。

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