井下控制工程學(xué)概述及其研究進(jìn)展

蘇義腦

（中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，北京 102206）

0 引言

石油是當(dāng)代人類社會的主要能源和戰(zhàn)略物資，影響國計民生和國防安全。要把深埋在地下數(shù)百米乃至數(shù)千米的原油和天然氣開采出來，就要進(jìn)行鉆井和建井作業(yè)，以形成溝通地下儲集層和地面的油氣通道。因此，油氣井工程是石油工業(yè)上游業(yè)務(wù)的重要組成部分，是一個集鉆井、完井（含固井）、測井、測試、采油、井下作業(yè)及增產(chǎn)改造等多個工藝環(huán)節(jié)、多學(xué)科和多專業(yè)交叉的技術(shù)領(lǐng)域，而井下控制工程學(xué)則是研究井下控制問題和技術(shù)的分支學(xué)科。本文闡述井下控制工程學(xué)產(chǎn)生的技術(shù)與學(xué)術(shù)背景，論述井下控制工程學(xué)的學(xué)科框架、基本問題和主要研究內(nèi)容，總結(jié)井下控制工程學(xué)30年來在中國的研究進(jìn)展，并對井下控制工程學(xué)的未來發(fā)展做出展望。

1 井下控制工程學(xué)的性質(zhì)、目的和任務(wù)

1.1 井下控制問題的普遍性

在石油開采中，很多工程問題，如勘探、鉆井、完井、測井、采油、修井等均與油井有關(guān)。各種井下生產(chǎn)與作業(yè)過程都普遍存在控制問題。僅以鉆井作業(yè)的井下控制為例，就涉及到安全控制、質(zhì)量控制和成本控制等3方面的多種控制問題（見圖1）。針對每一個控制問題，都可以研發(fā)一種或多種控制方式的控制工具或系統(tǒng)。這些均屬于井下控制工程學(xué)的研究范疇。

圖1 鉆井作業(yè)的井下控制分類示意圖

1.2 井下控制問題的特征和難點(diǎn)

井下控制問題有其固有的特征和難點(diǎn)，這是由油氣井結(jié)構(gòu)、井下作業(yè)環(huán)境和載荷性質(zhì)所決定的。

①徑向尺寸小。油氣井是一個細(xì)長孔，從地表開始向下其長度可達(dá)數(shù)千米，但直徑往往在半米以內(nèi)，且隨著井深逐級縮小，最小的井眼直徑可在0.1 m以下。由于人無法抵達(dá)井底并參與操作過程，因此這種控制問題表現(xiàn)為遙控或閉環(huán)自動控制，特別是徑向尺寸的限制使得井下工具或系統(tǒng)在設(shè)計和制造中存在困難。

②井下存在多種工作媒體。以鉆井為例，井下存在固體（鉆柱）和液體（鉆井液），實(shí)際工作過程中的鉆井液又是由非牛頓流體、固相顆粒甚至氣泡（在泡沫鉆井條件下）組成的多相介質(zhì)。多體耦合作用下的井下系統(tǒng)具有十分復(fù)雜的物理特性。

③工作環(huán)境惡劣。以鉆井為例，鉆柱工作在高溫（最高可達(dá) 200 ℃以上）、高壓（最高可達(dá) 100 MPa以上）、強(qiáng)振（最大沖擊可達(dá) 500g（重力加速度）以上）、重載（最大軸向拉力負(fù)荷可達(dá)近千噸）和有沖蝕、腐蝕的條件下，因此在地面控制設(shè)備中可以使用的元器件和控制技術(shù)通常無法直接應(yīng)用于井下控制問題。

井下控制問題的特殊性使得在其他行業(yè)及地面工程中可以有效應(yīng)用的控制系統(tǒng)、機(jī)構(gòu)、元器件以及常規(guī)的成熟的方法很難簡單地照搬到井下控制中來。井下控制工程學(xué)必須研究這些特殊問題，從而形成一套特殊的設(shè)計方法和工藝方法。

1.3 井下控制工程學(xué)的基本問題

1.3.1 定義

井下控制工程學(xué)是用工程控制論的觀點(diǎn)和方法，去研究和解決油氣井井下工程控制問題的有關(guān)理論、技術(shù)手段的一個學(xué)科分支。它是油氣井工程井下工藝問題與工程控制論相結(jié)合的產(chǎn)物，是一個多學(xué)科交叉的應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。從工程性質(zhì)上看，它涉及到鉆井、完井、試井、測井、采油、修井等一切與油氣井井下工藝有關(guān)的施工作業(yè)過程；從控制方式上看，它涉及到開環(huán)遙控和井下閉環(huán)自控。

1.3.2 研究對象、目的和性質(zhì)

井下控制工程學(xué)的研究對象是涉及油氣井井下各種作業(yè)過程的所有工程控制問題。

研究井下控制工程學(xué)的目的是從理論上認(rèn)清井下控制問題的物理性質(zhì)和控制過程的基本規(guī)律，從實(shí)踐上開發(fā)和提供行之有效的控制系統(tǒng)、工藝和手段，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上最優(yōu)地解決有關(guān)工程問題。

油氣井的特殊結(jié)構(gòu)和井下的惡劣工況決定了井下控制問題的難度、復(fù)雜性和特點(diǎn)，也決定了井下控制工程學(xué)這一分支學(xué)科的研究性質(zhì)，即它是一個理論性和實(shí)踐性都很突出的多學(xué)科交叉的應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。

1.3.3 學(xué)科特點(diǎn)

井下控制工程學(xué)是集理論研究、產(chǎn)品開發(fā)和實(shí)驗(yàn)研究于一體的應(yīng)用性技術(shù)領(lǐng)域。多專業(yè)多學(xué)科交叉是其主要特點(diǎn)，可概括為：以井下為對象，以控制為目標(biāo)，以力學(xué)為基礎(chǔ)，以機(jī)械為主體，以流體為介質(zhì)，以計算機(jī)為手段，以實(shí)驗(yàn)為依托。

1.4 井下控制工程學(xué)的學(xué)科框架

作為一個學(xué)科分支，井下控制工程學(xué)由以下 4個基本部分組成。

1.4.1 理論基礎(chǔ)研究

井下控制工程學(xué)這一學(xué)科分支的理論基礎(chǔ)是井下系統(tǒng)動力學(xué)和控制信號分析理論。由于井下系統(tǒng)是一個多體耦合作用的復(fù)雜系統(tǒng)，必須建立一系列的理論模型，來描述井下系統(tǒng)的動力學(xué)特性，以確定一些重要物理參數(shù)（如速度、加速度、應(yīng)力、位移、壓強(qiáng)、振幅、頻率等）的分布規(guī)律和變化特性，即建立井下系統(tǒng)動力學(xué)的基本理論。對井下系統(tǒng)的控制信號有一定的特殊要求，必須研究其發(fā)生、傳輸過程，確定其動態(tài)品質(zhì)和穩(wěn)定性指標(biāo)，進(jìn)一步用于對控制信號進(jìn)行優(yōu)選。

1.4.2 技術(shù)基礎(chǔ)研究

井下控制工程學(xué)這一學(xué)科分支的技術(shù)基礎(chǔ)是井下控制機(jī)構(gòu)與系統(tǒng)設(shè)計學(xué)及井下參數(shù)采集與傳輸技術(shù)。對適用于井下控制的各種實(shí)用控制信號，要設(shè)計出相應(yīng)的信號發(fā)生、傳輸、放大和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，要確定這些機(jī)構(gòu)的典型結(jié)構(gòu)，并建立各種類型信號控制機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)庫和特性仿真庫，以達(dá)到模塊化的設(shè)計水平。井下參數(shù)可分為狀態(tài)參數(shù)和控制參數(shù)。狀態(tài)參數(shù)是描述井下系統(tǒng)工作邊界與工作過程特征的各種幾何參數(shù)和物理參數(shù)，在控制過程中要用到很多狀態(tài)參數(shù)。要研究不同種類井下狀態(tài)參數(shù)和控制參數(shù)的測量方法和手段，以及這些參數(shù)信號在井下對井下短傳、井下對地面雙向傳輸?shù)姆椒ê蛯?shí)用技術(shù)。

1.4.3 產(chǎn)品開發(fā)

這一學(xué)科分支的應(yīng)用目標(biāo)是要研制和開發(fā)不同井下作業(yè)過程所需要的各種控制工具和控制系統(tǒng)，以解決實(shí)際生產(chǎn)問題。機(jī)電液一體化往往是這種井下控制系統(tǒng)的基本特征。它是井下控制機(jī)構(gòu)設(shè)計技術(shù)的綜合應(yīng)用。由于產(chǎn)品開發(fā)的多樣性和實(shí)用性，決定了井下控制工程學(xué)必將具有針對性很強(qiáng)的專業(yè)應(yīng)用范圍，能產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，并可望以此為基礎(chǔ)形成一種新的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。

1.4.4 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和實(shí)驗(yàn)方法研究

相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室是井下控制工程學(xué)的依托。理論分析結(jié)果需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)有時要靠實(shí)驗(yàn)加以確定，特別是涉及到真實(shí)流體系統(tǒng)的系數(shù)只有通過實(shí)驗(yàn)才能選定。因此，在井下系統(tǒng)動力學(xué)和信號分析理論研究、井下控制機(jī)構(gòu)設(shè)計學(xué)研究、井下參數(shù)采集與傳輸技術(shù)研究、產(chǎn)品開發(fā)中，實(shí)驗(yàn)研究具有不可忽視的作用。

以上 4個部分的關(guān)系為：產(chǎn)品開發(fā)是井下控制工程學(xué)研究的主要目的，而技術(shù)基礎(chǔ)研究是產(chǎn)品開發(fā)的基礎(chǔ)，理論基礎(chǔ)研究又是技術(shù)研究的基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和實(shí)驗(yàn)研究則是開展理論基礎(chǔ)研究、技術(shù)基礎(chǔ)研究和產(chǎn)品開發(fā)的重要手段和依托。開展理論和技術(shù)基礎(chǔ)研究的實(shí)際意義在于形成一種模塊化的設(shè)計方法，根據(jù)上述硬件結(jié)構(gòu)庫和特性仿真庫，使沒有從事過理論和技術(shù)基礎(chǔ)研究的產(chǎn)品開發(fā)人員也能夠按“搭積木”的方式完成產(chǎn)品的設(shè)計和開發(fā)。這將減小產(chǎn)品開發(fā)難度，提高設(shè)計水平，擴(kuò)大井下控制工程學(xué)的應(yīng)用范圍。

2 井下控制工程學(xué)的產(chǎn)生背景

井下控制工程學(xué)這一概念從提出至今只有 20多年。它從解決油氣鉆井的井眼軌道控制成功率和精度問題開始，逐步發(fā)展成為油氣鉆完井中的一個新領(lǐng)域，最近10多年來在其他井下專業(yè)中也獲得了日益廣泛的應(yīng)用。因此，為了深入認(rèn)識井下控制工程學(xué)產(chǎn)生的技術(shù)與學(xué)術(shù)背景，有必要回顧百年來油氣鉆井技術(shù)特別是井眼軌道控制理論和技術(shù)的發(fā)展過程。

2.1 百年來鉆井技術(shù)的發(fā)展

鉆井工程起源于公元前 3世紀(jì)的中國，當(dāng)時中國古代的先民們就在四川自貢鉆井采鹵并形成一定的生產(chǎn)規(guī)模[1-2]。近代油氣鉆井工程發(fā)展于西方，19世紀(jì)國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家就采用頓鉆方式鉆油氣井，為20世紀(jì)現(xiàn)代石油工業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[3]。19世紀(jì)末和20世紀(jì)初，在世界范圍內(nèi)，旋轉(zhuǎn)鉆井取代沖擊鉆井成為主要的鉆井方式，20世紀(jì)30年代發(fā)明了井下動力鉆具，促進(jìn)了定向井技術(shù)在50年代到60年代的快速發(fā)展[4-5]。此后工程力學(xué)、計算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的引入，以及材料科學(xué)和井下工具的進(jìn)步，進(jìn)一步推動定向井技術(shù)向水平井、大位移井不斷發(fā)展。當(dāng)代石油鉆井工程技術(shù)已形成一個包括鉆前、鉆進(jìn)、完井和油氣測試等多個環(huán)節(jié)的綜合性系統(tǒng)工程，涉及到地面裝備、井下工具、井眼軌道控制、鉆井液與儲集層保護(hù)、測量與測試、完井與固井等多個方面，是一個機(jī)械、力學(xué)、化學(xué)、控制等幾個專業(yè)交叉的應(yīng)用技術(shù)學(xué)科。

2.1.1 井型的發(fā)展

井型的發(fā)展演變能清楚地反映百年來油氣鉆井工程技術(shù)的發(fā)展歷程，即直井→定向井（斜井）→叢式井→水平井→大位移井→其他特殊工藝井（如側(cè)鉆水平井、分支井、倒叢式井等）。

20世紀(jì) 50年代以前世界范圍內(nèi)的油氣鉆井基本上都是以直井為目標(biāo)。由于技術(shù)條件的限制，只能采用直井開采淺層油氣。

20世紀(jì)50年代至70年代是國際上定向井和叢式井技術(shù)迅速發(fā)展并推廣普及的時期。鉆定向井主要是為了解決地面障礙、土地租賃權(quán)、救險滅火等方面的問題及利用地層自然造斜規(guī)律進(jìn)行鉆井。叢式井的發(fā)展則是為了節(jié)約占地面積、減少環(huán)境污染范圍、提高鉆井效率和降低鉆井成本，在一塊井場上按一定的規(guī)劃和設(shè)計鉆成多口定向井（或直井）。

水平井是最大井斜角為 90°左右并在儲集層內(nèi)有一段水平延伸長度的特殊定向井。在從定向井向水平井的過渡發(fā)展過程中，經(jīng)歷了大斜度井這一技術(shù)階段。大斜度井是最大井斜角超過60°的定向井。由于水平井在儲集層內(nèi)的穿越長度是常規(guī)直井及定向井的幾倍乃至上百倍，因此水平井的產(chǎn)量可以是常規(guī)直井及定向井的幾倍甚至10倍以上。另外水平井可以解決水氣錐進(jìn)等問題，可以大幅度地提高單井產(chǎn)量和油氣采收率，從而達(dá)到少井高產(chǎn)的效果。鉆定向井是為了解決地面問題和鉆井工程本身的問題，鉆水平井則是為了解決地下問題即提高產(chǎn)量和采收率的問題。

真正的水平鉆井開始于20世紀(jì)50年代，但在80年代才開始大規(guī)模發(fā)展，90年代得到進(jìn)一步推廣應(yīng)用。其間有20余年的停滯期，準(zhǔn)確地說應(yīng)是一種“審視期”，就像定向井從最初的嘗試到大規(guī)模發(fā)展間有 20余年“審視期”一樣。這種“審視期”是人們對新生技術(shù)的一種冷靜分析和審查，一種精細(xì)的經(jīng)濟(jì)評價，一種基本理論的研究和多種配套技術(shù)的開發(fā)和積累。推而廣之，很多新興技術(shù)尤其是重大工藝技術(shù)進(jìn)步都存在這種“審視期”。這是一個規(guī)律。

大位移井是大斜度井的發(fā)展，其特點(diǎn)是有很長的大斜度穩(wěn)斜段和很大的水平位移，其發(fā)展趨勢是與水平井技術(shù)結(jié)合而形成大位移水平井。大位移井技術(shù)開始于20世紀(jì)70年代末的海洋平臺鉆井，其目的是盡量擴(kuò)大控油面積以減少平臺數(shù)量。20世紀(jì)80年代特別是90年代以來，大位移井技術(shù)發(fā)展迅速?，F(xiàn)在世界上已經(jīng)鉆成了水平位移超過10 km的大位移井[6]，而且應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大到陸地，用大位移井實(shí)現(xiàn)“海油陸采”，進(jìn)一步降低開發(fā)成本。

側(cè)鉆井和分支井（又稱多底井）等特殊工藝井鉆井技術(shù)正呈現(xiàn)日益蓬勃發(fā)展的趨勢。老井側(cè)鉆技術(shù)與水平井技術(shù)相結(jié)合形成的老井側(cè)鉆短半徑和中短半徑水平井，可以明顯地提高采收率并大幅度降低鉆井成本。分支井實(shí)現(xiàn)了一井多層開采，正日益受到關(guān)注。此外，美國和加拿大把采礦（金屬礦、煤礦）技術(shù)與石油鉆井技術(shù)相結(jié)合，用大口徑豎井和井底人工巷道方式向上鉆多口“倒叢式井”，利用重力來采特稠油并取得成功。

目前直井鉆井技術(shù)還在發(fā)展，重點(diǎn)在于復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件下的深井和超深直井。世界上已有相當(dāng)數(shù)量直井的井深超過了7 000 m，中國還鉆成了井深為8 408 m的塔深1井。德國為研究大陸地殼的物理和化學(xué)問題而設(shè)立KTB（德國大陸深鉆項(xiàng)目）工程，計劃鉆1口深1×104m的超深井，實(shí)際鉆了9 001 m；前蘇聯(lián)在克拉半島鉆成了1口深12 262 m的超深井Сг-3井，歷時17年，現(xiàn)已成為研究地殼構(gòu)造的全球性開放實(shí)驗(yàn)室[3]。

與20世紀(jì)初相比，油氣鉆井的地面裝備、井下工具、鉆井液等方面都發(fā)生了顯著的變化和變革，而且從無到有建立了井眼軌道的測量、控制和油氣層保護(hù)、完井等技術(shù)環(huán)節(jié)，使鉆井工程成為了現(xiàn)代化的工程技術(shù)學(xué)科。

從 100多年來鉆井工程技術(shù)的發(fā)展過程可以得出以下幾點(diǎn)認(rèn)識：①油氣勘探開發(fā)的需求始終是推動鉆井技術(shù)進(jìn)步的最大動力。②井型的演變表明鉆井技術(shù)早已擺脫“單純?yōu)橥瓿梢粭l油氣通道”的局限，日益成為提高勘探鉆遇率和開發(fā)采收率的重要途徑。③今后鉆井技術(shù)的發(fā)展趨勢是，為降低噸油成本和提高總體效益，鉆成滿足勘探開發(fā)需要的井眼，沿儲集層鉆進(jìn)和單井鉆穿多個地下油氣目標(biāo)將成為重要技術(shù)方向[6-7]。④滿足鉆井工程需求的關(guān)鍵在于提高井眼軌道控制技術(shù)的水平。

2.1.2 井眼軌道控制技術(shù)的發(fā)展

井眼軌道控制是鉆井工程技術(shù)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。油氣勘探開發(fā)的需求推動著井型的演變與發(fā)展，井型的發(fā)展促進(jìn)了井眼軌道控制理論與技術(shù)的發(fā)展，井眼軌道控制技術(shù)的發(fā)展又是井型進(jìn)一步發(fā)展的基礎(chǔ)。

現(xiàn)代井眼軌道控制理論與技術(shù)體系是在融匯了鉆井工程、工程力學(xué)、機(jī)械、控制、計算機(jī)、儀器儀表等多個專業(yè)的基礎(chǔ)上形成的。從19世紀(jì)80年代到20世紀(jì)90年代，井眼軌道控制技術(shù)的發(fā)展可以大致劃分為如下幾個階段[3]。

①“摸著鉆”，即主要靠經(jīng)驗(yàn)鉆井，這一階段是20世紀(jì)50年代以前。20世紀(jì)20年代，人們開始認(rèn)識到鉆直井時產(chǎn)生的井斜問題及其嚴(yán)重性[8]。1928年首次在鉆井中使用穩(wěn)定器。一些學(xué)者和鉆井工作者嘗試?yán)勉@鋌重量來減少井斜，并用梁的彈性理論來分析直井中鉆柱的彎曲和穩(wěn)定問題，以探索“防斜打直”的技術(shù)途徑，但沒有大的突破。

②“算著鉆”，即通過理論分析提供用于井斜控制的圖版和軟件。這一階段大約為1950年至20世紀(jì)80年代初。1950年，美國著名學(xué)者Lubinski A提出了直井中鉆柱彎曲的力學(xué)模型[9]。這是井眼軌道控制研究歷史上的重要里程碑。此后產(chǎn)生了多種理論算法，按其力學(xué)模型可分為微分方程法[9]、有限元法[10]、能量法[11]和縱橫彎曲法[8,12]等4類代表性方法，相應(yīng)的計算圖版和軟件為現(xiàn)場應(yīng)用提供了理論和技術(shù)支持。在這一階段，鉆井工程由“工藝”發(fā)展為“科學(xué)”，下部鉆具組合的受力與變形分析、地層與鉆頭的相互作用分析和井眼軌道預(yù)測構(gòu)成了這一“科學(xué)”內(nèi)容的3大方面，計算機(jī)應(yīng)用是其外部特征。以下部鉆具組合受力與變形分析為例，除了解法的多樣性外，研究問題由一維發(fā)展到三維，由靜態(tài)發(fā)展到動態(tài)，由小變形發(fā)展到大變形[8-9]。在這一階段，井眼軌道控制的對象由直井發(fā)展到定向井、叢式井乃至水平井，控制目標(biāo)由單一的井斜控制發(fā)展到對全角變化率、造斜率與方位變化率的控制。

③“看著鉆”，即根據(jù)隨鉆測量儀器提供的測量信息及時控制井眼軌道。這一階段大約為20世紀(jì)80年代初至90年代。井眼軌道的測量儀器經(jīng)歷了從氟氫酸瓶測斜儀、單點(diǎn)測斜儀、多點(diǎn)測斜儀、有線隨鉆測斜儀到無線隨鉆測斜儀的發(fā)展。隨鉆測斜儀使井眼軌道控制進(jìn)入“看著鉆”的階段，大大提高了軌道控制決策的準(zhǔn)確性。目前最先進(jìn)的隨鉆測斜儀是無線隨鉆測斜儀，它克服了有線隨鉆測斜儀只能用于“滑動鉆井”狀態(tài)的缺點(diǎn)，可用于“旋轉(zhuǎn)鉆井”狀態(tài)。配置高的無線隨鉆測斜儀的測量參數(shù)可達(dá)10種以上，不僅包括井斜、方位、工具面等方向參數(shù)，還有井下鉆壓、井下扭矩、井下振動、環(huán)空溫度等工況參數(shù)，以及自然伽馬、地層電阻率、密度和中子孔隙度等地質(zhì)參數(shù)。這種儀器系統(tǒng)通稱為隨鉆測井儀。

2.2 井眼軌道控制技術(shù)的新問題及其思考

從“摸著鉆”到“算著鉆”，是井眼軌道控制技術(shù)的一大進(jìn)步，是工程力學(xué)和計算機(jī)技術(shù)引入鉆井工程的結(jié)果。但是，僅靠力學(xué)模型和計算軟件還不能徹底解決井眼軌道控制技術(shù)中存在的一些問題和難點(diǎn)，原因有以下幾點(diǎn)[13]。

①多種BHA（Bottom Hole Assembly，井底鉆具組合）受力分析模型均建立在一些簡化、假設(shè)基礎(chǔ)上，計算結(jié)果與實(shí)際存在偏差。例如，假設(shè)井眼內(nèi)壁為規(guī)則光滑的圓柱體，但實(shí)際上并非如此，這就影響鉆柱與井壁的接觸狀況并可能影響側(cè)向力的計算值。一些BHA動態(tài)力學(xué)分析雖然考慮了扭矩和鉆壓變化的影響，但其簡化載荷頻譜與實(shí)際情況尚有差距。此外，BHA受力分析模型的一些輸入?yún)?shù)僅具有名義性質(zhì)，如鉆壓和扭矩，目前一般均用地面指重表上顯示的鉆壓和轉(zhuǎn)盤扭矩代替。但在定向井、水平井中，由于摩阻問題突出，鉆頭上的實(shí)際鉆壓和扭矩與其名義值相差甚遠(yuǎn)，這就必然影響鉆頭側(cè)向力的計算結(jié)果。嚴(yán)格地說，每種模型和方法求出的側(cè)向力都只有名義性質(zhì)。

②確定地層巖石各向異性指數(shù)的模擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)際的井下巖石狀況存在一定差異，如圍壓情況、巖石各向均勻連續(xù)假設(shè)等。此外，一些測定鉆頭橫向切削指數(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置未消除摩擦力的影響也使計算結(jié)果產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。

③現(xiàn)有的控制方式基本上是依靠 BHA的受力分析來確定所用的鉆具組合。一旦鉆具組合下井，整個鉆井系統(tǒng)的特性大體已經(jīng)確定，只能進(jìn)行局部調(diào)控，如變更鉆壓、改變轉(zhuǎn)速或調(diào)整工具面。如果對BHA的力學(xué)特性估算不準(zhǔn)，或因地層和其他隨機(jī)因素的影響造成實(shí)鉆軌道較大地偏離設(shè)計軌道時，則必須起鉆更換鉆具組合。尤其是對軌道要求嚴(yán)格的薄油層水平井，往往需要頻繁起下鉆更換鉆具組合，導(dǎo)致鉆井成本增加。

力學(xué)模型誤差、測量參數(shù)誤差、某些重要計算參數(shù)在實(shí)際施工中難于獲取、BHA結(jié)構(gòu)和特性不可變更以及傳統(tǒng)的控制方法，嚴(yán)重制約了井眼軌道控制技術(shù)的有效性和控制精度，使其難以滿足超薄油層和復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的井眼軌道控制的精度和效率要求。

如何在實(shí)鉆過程中克服BHA受力分析模型帶來的誤差？如何在不能準(zhǔn)確預(yù)知的參數(shù)條件下實(shí)施高精度的控制？如何在實(shí)鉆過程中及時改變BHA的固有結(jié)構(gòu)和固有力學(xué)特性？如何在目標(biāo)位置發(fā)生變化（由地質(zhì)誤差引起）的情況下鉆入靶區(qū)？如何使鉆頭能在地下靈活地改變軌道從而準(zhǔn)確鉆入油氣層？這些重要問題在20世紀(jì)80年代中后期引發(fā)了筆者及同行們的深入思考。

考慮到鉆井技術(shù)的每一次重大進(jìn)步都是其他學(xué)科和新技術(shù)引入并結(jié)合的結(jié)果，再考慮到鉆頭與飛行器在姿態(tài)和軌道控制方面的共性以及工程控制論在導(dǎo)彈制導(dǎo)中的成功應(yīng)用[14]，筆者產(chǎn)生了把工程控制論和飛行器制導(dǎo)技術(shù)引入油氣鉆井工程以發(fā)展井眼軌道控制理論與技術(shù)的想法。在經(jīng)過一段時間的類比、分析和較深入的研究工作之后，1988年筆者提出井眼軌道制導(dǎo)控制理論與技術(shù)這一新的研究方向，寄希望于“井下閉環(huán)控制”和“用手段解決問題”。開始的路走得艱難而又謹(jǐn)慎，從問題性質(zhì)的判斷到新概念的引入或建立，從對新領(lǐng)域內(nèi)涵的思索和界定到一系列研究課題的分解，從系統(tǒng)模型、方程、邊界條件的推演和確定到某項(xiàng)專利方案的構(gòu)思和設(shè)計，無不伴隨著反復(fù)的徘徊、反思、自我詰問和自我驗(yàn)證，并且基本上是以“業(yè)余”方式進(jìn)行和完成的。1991年末，筆者從技術(shù)消息報導(dǎo)中發(fā)現(xiàn)國外一些同行也在或開始在致力于這一方向的研究并也采用了“閉環(huán)控制”的思路和提法，進(jìn)一步堅定了繼續(xù)這一研究方向的信心。

3 井下控制工程學(xué)的提出

20世紀(jì) 80年代末筆者提出井眼軌道制導(dǎo)控制理論與技術(shù)這一新的研究領(lǐng)域，并預(yù)測井眼軌道控制技術(shù)在繼“摸著鉆”、“算著鉆”和“看著鉆”的發(fā)展過程之后，將進(jìn)入“變著鉆”和“自動鉆”的新階段，其背景在于：從需求方面看，國際鉆井技術(shù)正在大力發(fā)展水平井和大位移井，迫切需要進(jìn)一步提高井眼軌道控制能力和水平；從技術(shù)方面看，MWD（隨鉆測量）、LWD（隨鉆測井）等技術(shù)的進(jìn)步為其準(zhǔn)備了必要的基礎(chǔ)；國外少數(shù)鉆井技術(shù)服務(wù)公司相繼研發(fā)了遙控變徑穩(wěn)定器和遙控可變彎接頭等產(chǎn)品，證明賦予井下執(zhí)行工具可調(diào)結(jié)構(gòu)和特性即實(shí)現(xiàn)“變著鉆”是可行的。但是當(dāng)時的技術(shù)還無法實(shí)現(xiàn)“自動鉆”。此外，當(dāng)時的井下執(zhí)行工具一般是開環(huán)遙控的，且儀器和工具各自分離，還未組成完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

20世紀(jì)80年代末期和90年代初期，井眼軌道控制技術(shù)開始向閉環(huán)化、系統(tǒng)化發(fā)展。美國、法國、英國、挪威、德國等5個國家的8家公司先后開始研制用于井眼軌道自動化控制的實(shí)際系統(tǒng)。在國內(nèi)，1988—1990年，筆者先后完成“井眼軌道制導(dǎo)控制理論與技術(shù)”的可行性研究、概念性設(shè)計和課題分解，把這一領(lǐng)域的研究劃分為基礎(chǔ)研究、產(chǎn)品開發(fā)和實(shí)驗(yàn)方法3部分，并完成和申報了“自動井斜角控制器”發(fā)明專利[15-16]。在此基礎(chǔ)上，鑒于以下幾點(diǎn)考慮，筆者于1992—1993年間又進(jìn)一步提出了“井下控制工程學(xué)”這一新的概念，把研究范圍由原來的鉆井井眼軌道控制問題擴(kuò)展到油氣井井下各個專業(yè)的所有工程控制問題：①國外在這一領(lǐng)域的研究主要集中在幾種典型的系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)并互設(shè)壁壘，有關(guān)理論和方法研究結(jié)果鮮見報道；②產(chǎn)品的深層開發(fā)需要針對油氣井井下特點(diǎn)的共性的基礎(chǔ)理論和設(shè)計方法作指導(dǎo)，由此可帶來更大程度的創(chuàng)新，而當(dāng)時未見有關(guān)研究成果報道；③國外的這些產(chǎn)品都局限于鉆井過程中井眼軌道的自動控制，而其原理和方法可擴(kuò)展到井下其他作業(yè)過程的控制問題，并用于相關(guān)新工具、新系統(tǒng)的開發(fā)；④在新的理論研究成果基礎(chǔ)上進(jìn)一步開展控制機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計方法的研究，并形成模塊化設(shè)計方法，可以使沒有從事過有關(guān)基礎(chǔ)研究工作的設(shè)計人員根據(jù)需要用給定的方法進(jìn)行創(chuàng)新和創(chuàng)造，成功率更大。

井下控制工程學(xué)的提出推動了鉆井及其他井下專業(yè)技術(shù)研究的進(jìn)展。以鉆井為例，在經(jīng)歷了“摸著鉆”、“算著鉆”和“看著鉆”等階段后，鉆井技術(shù)開始進(jìn)入“變著鉆”階段并向“自動鉆”階段發(fā)展。

4 井下控制工程學(xué)的主要研究內(nèi)容

井下控制工程學(xué)的主要研究內(nèi)容包括以下4個方面。

4.1 井下系統(tǒng)動力學(xué)與控制信號分析方法研究

具體包括：井下系統(tǒng)（鉆柱-管內(nèi)液柱-管外環(huán)空系統(tǒng)）的動力學(xué)模型；井下系統(tǒng)在不同情況下的載荷性質(zhì)和模型的初始、邊界（井底、井壁狀態(tài)）條件；井下系統(tǒng)幾種物理場（壓力場、速度場、流速場、力場）的定量描述；井下控制信號動態(tài)分析和穩(wěn)定性評價方法；井下控制信號的傳輸過程、傳遞函數(shù)和頻譜特性分析；井下實(shí)用控制信號的篩選。

4.2 井下控制機(jī)構(gòu)與系統(tǒng)設(shè)計學(xué)和井下參數(shù)采集與傳輸技術(shù)研究

具體包括：信號發(fā)生、傳遞、執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計方法和原則；各種實(shí)用控制信號的發(fā)生、傳遞、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計和分析；各種實(shí)用控制信號的發(fā)生、傳遞、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的計算機(jī)仿真；井下控制系統(tǒng)總體設(shè)計方法和原則；不同控制信號的系統(tǒng)綜合與模塊化設(shè)計方法；井下控制系統(tǒng)智能化基本算法和系統(tǒng)仿真；井下控制系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)試方法和技術(shù)評價；各種控制信號的子系統(tǒng)（機(jī)構(gòu)）的結(jié)構(gòu)模塊庫與仿真軟件庫；各種參數(shù)采集方法和裝置（傳感器）設(shè)計方法；提高參數(shù)傳輸特性（頻率與品質(zhì)）的方法。

4.3 井下控制工程的產(chǎn)品開發(fā)

關(guān)于產(chǎn)品開發(fā)，應(yīng)結(jié)合各種井下作業(yè)過程（如鉆井、完井、試井、測井、采油、修井等）對控制的要求來研制所需的控制工具和系統(tǒng)。例如對鉆井過程而言，目前主要是針對井眼軌跡的幾何導(dǎo)向和地質(zhì)導(dǎo)向研制開發(fā)各種開環(huán)遙控型井下工具和閉環(huán)自控型工具與儀器系統(tǒng)。

4.4 實(shí)驗(yàn)方法研究與實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

實(shí)驗(yàn)室應(yīng)具備檢驗(yàn)上述各種理論研究結(jié)果、確定關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸、組裝和統(tǒng)調(diào)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)等功能。由于油氣井結(jié)構(gòu)和工況的特殊性，需要研究相應(yīng)的行之有效的實(shí)驗(yàn)方法，形成相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和操作規(guī)程；還要根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求在必要的情況下自行設(shè)計和開發(fā)特種實(shí)驗(yàn)裝備。

5 井下控制工程學(xué)的主要研究進(jìn)展和技術(shù)發(fā)展趨勢

自1988年以來，筆者及研究團(tuán)隊在井下控制工程學(xué)方面開展基礎(chǔ)性研究和技術(shù)攻關(guān)，在井下系統(tǒng)動力學(xué)研究、可控信號分析、井下控制系統(tǒng)與機(jī)構(gòu)設(shè)計、前沿技術(shù)研發(fā)、實(shí)驗(yàn)方法研究和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)等工作中取得若干成果和進(jìn)展，擇要列舉如下。

研究確定了井眼軌道控制系統(tǒng)的性質(zhì)。該系統(tǒng)屬多目標(biāo)、多干擾的復(fù)雜系統(tǒng)，就目前認(rèn)識程度而言，仍屬灰色系統(tǒng)，因此很難用一個確定性模型完全描述，需加控制環(huán)節(jié)（閉環(huán)自控或開環(huán)遙控）。研究確定了該系統(tǒng)中的控制對象、被控量、給定量、操作量和擾動量。例如把鉆井過程中的地層變化及其他隨機(jī)干擾視為擾動量，為建立系統(tǒng)的分析和控制模型提供了可能。

研究了可用于井下控制的多種信號，提出了一些新的概念和方法。列舉并研究了 4類（機(jī)械類、水力類、幾何類、其他類）共22種以上控制信號，并從中分析篩選可控信號。針對井下控制系統(tǒng)的特殊性，進(jìn)一步提出了可控信號、閉環(huán)控制、控制鏈與主控信號等概念和術(shù)語，有助于系統(tǒng)和機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計工作。掌握了多種可控信號的品質(zhì)、特性和發(fā)生方法。

提出了井下系統(tǒng)動力學(xué)的概念和研究方法，以作為井下控制系統(tǒng)分析和建模的理論基礎(chǔ)。其特點(diǎn)是把基于固體力學(xué)的管柱力學(xué)和基于流體力學(xué)的井下環(huán)空水力學(xué)結(jié)合起來，把鉆柱（或其他管柱，如套管柱、作業(yè)管柱等）、管內(nèi)流體和環(huán)空流體作為一個系統(tǒng)進(jìn)行分析和建模，實(shí)現(xiàn)“流固耦合”，有別于傳統(tǒng)的管柱力學(xué)與環(huán)空水力學(xué)各自分析、互不相連的分析方法，因而能更準(zhǔn)確地反映井下系統(tǒng)的物理特性。用多種方法建立井下系統(tǒng)動力學(xué)的基本方程，從操作工藝和設(shè)備特點(diǎn)上抽象提出切合實(shí)際的邊界條件，因而使求解結(jié)果更具有普適性。在此基礎(chǔ)上，針對具體的工藝過程，該基本方程可簡化為相應(yīng)的力學(xué)方程：若只研究鉆柱而忽略環(huán)空，則可由此得出鉆柱動力學(xué)方程；若只研究環(huán)空而忽略鉆柱，則基本方程可演變?yōu)榄h(huán)空水動力學(xué)方程。因此，傳統(tǒng)的井下管柱動力學(xué)和環(huán)空水動力學(xué)均為井下系統(tǒng)動力學(xué)的特例。

油氣井井下控制系統(tǒng)特別是鉆井過程動力學(xué)分析的基本問題就是要確定鉆頭在井底工作時的真實(shí)載荷頻譜和特性。鑒于國內(nèi)外在這一方面研究工作的匱乏，組織開展了鉆進(jìn)中鉆頭載荷變化的理論研究和實(shí)驗(yàn)研究，研發(fā)專用數(shù)據(jù)采集短節(jié)，海量采集實(shí)驗(yàn)臺架和實(shí)際鉆井中的相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析和辨識，總結(jié)規(guī)律，從而使鉆井系統(tǒng)的力學(xué)分析建立在堅實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上。

運(yùn)用井下系統(tǒng)動力學(xué)的分析方法，針對鉆井起、下鉆這兩種基本工況，開展了鉆柱和液柱耦合系統(tǒng)條件下鉆柱縱向振動問題研究，建立了該固-液耦合系統(tǒng)的縱振方程和邊界條件，用差分法求解。定量分析了起、下鉆時的波動壓力和反壓差的影響因素，闡明了井下鉆柱所受載荷與大鉤載荷變化規(guī)律，為井下工況預(yù)測、井下事故原因分析及井眼軌道控制系統(tǒng)控制信號的確定提供了理論依據(jù)。

開展了信息傳輸通道和信息傳輸規(guī)律的理論研究和實(shí)驗(yàn)研究。針對從井下到地面、從地面到井下和從井下到井下的信息傳輸要求，開展了液體脈沖、電磁波、聲波等多種傳輸方式的物理建模和理論分析，并輔之以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究結(jié)果為信道設(shè)計、脈沖發(fā)生器研制和信息編碼提供了理論依據(jù)。

開展了井眼軌道遙控系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)的目標(biāo)、基本結(jié)構(gòu)與設(shè)計原則的研究。給出了井眼軌道遙控系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)的目標(biāo)及其數(shù)學(xué)描述，并根據(jù)系統(tǒng)的功能分配，提出了系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)以及控制方法，闡明了控制系統(tǒng)的基本設(shè)計原則。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了開關(guān)控制、模糊控制、自適應(yīng)控制等多種方法在井下控制中的應(yīng)用特點(diǎn)，從而為系統(tǒng)設(shè)計研發(fā)提供了依據(jù)。

針對井下控制器這一井下閉環(huán)智能鉆井系統(tǒng)中的核心部件，分析了井下控制器的功能結(jié)構(gòu)、硬件模塊組成和軟件結(jié)構(gòu)模式及其設(shè)計的原則和方法，為井下控制器的物理設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

提出了井下控制系統(tǒng)和機(jī)構(gòu)設(shè)計學(xué)的概念和模塊化設(shè)計方法。針對油氣井井下特殊的作業(yè)環(huán)境和特點(diǎn)，研究確定了井下控制機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)的設(shè)計原則。研究了多種井下控制機(jī)構(gòu)的主控信號和結(jié)構(gòu)形式，如液控分流機(jī)構(gòu)、液動跟隨機(jī)構(gòu)、排量控制機(jī)構(gòu)、重力信號機(jī)構(gòu)、重力尋邊機(jī)構(gòu)、行程控制變徑機(jī)構(gòu)、井下變角機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)變徑機(jī)構(gòu)、銷槽機(jī)構(gòu)、鎖位機(jī)構(gòu)、傘狀變徑機(jī)構(gòu)、反壓差機(jī)構(gòu)等。確定了這些實(shí)用機(jī)構(gòu)中的信號發(fā)生、放大、傳遞和執(zhí)行環(huán)節(jié)的特性和傳遞函數(shù)，建立了這些機(jī)構(gòu)的硬件結(jié)構(gòu)庫和仿真軟件庫。運(yùn)用筆者提出的控制鏈和模塊化設(shè)計方法，可把有關(guān)機(jī)構(gòu)有序組合，產(chǎn)生多種可達(dá)同一控制目的的技術(shù)方案并進(jìn)行比較、評價和優(yōu)化，從而形成設(shè)計方案，為技術(shù)開發(fā)提供了理論基礎(chǔ)和保障。該庫集硬件和軟件于一體，并具有開放性，是設(shè)計人員從事技術(shù)創(chuàng)新的有力工具，降低了制造廠和現(xiàn)場技術(shù)人員的使用門檻，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。

開展了井下若干種工程參數(shù)和地質(zhì)參數(shù)的測量研究，如井斜、方位、工具面、鉆壓、扭矩、溫度及振動等工程參數(shù)和電阻率（近鉆頭電阻率、方位電阻率）、自然伽馬、中子孔隙度等地質(zhì)參數(shù)。研究這些井下參數(shù)的測量方法、模型和實(shí)驗(yàn)方法，并形成實(shí)用技術(shù)（工藝、裝置與軟件）。

開展了井下無線短傳技術(shù)的研究，從建立模型到形成實(shí)用技術(shù)并應(yīng)用于工具系統(tǒng)。

研究了提高井下信息上傳速率的方法，包括脈沖發(fā)生器的設(shè)計方法、技術(shù)開發(fā)和編碼方法，提出一種組合碼編碼方法并用于實(shí)際儀器系統(tǒng)。開展了鉆井液連續(xù)壓力波信號的特性分析與處理方法研究，包括編碼調(diào)制規(guī)則、信號數(shù)學(xué)模型、頻譜特性、傳輸特性、檢測與處理方法、壓力相移鍵控信號的解調(diào)與解碼等，為連續(xù)波傳輸技術(shù)的研究提供了理論基礎(chǔ)。

開展了井下發(fā)電機(jī)設(shè)計，開發(fā)的井下發(fā)電機(jī)用于實(shí)際工具系統(tǒng)，為井下測量和控制提供了電源保證。

開展了井下控制實(shí)驗(yàn)方法研究，建立了井下控制工程實(shí)驗(yàn)室。為配合連續(xù)波傳輸技術(shù)的研發(fā)，設(shè)計建造了長風(fēng)洞、短風(fēng)洞等實(shí)驗(yàn)裝置。

在基礎(chǔ)理論、設(shè)計方法研究和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的基礎(chǔ)上，筆者及研究團(tuán)隊進(jìn)一步致力于井下控制工具和系統(tǒng)的研發(fā)工作，如遙控可變徑穩(wěn)定器、正脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)、近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)、隨鉆壓力測量系統(tǒng)、無線電磁波隨鉆測量系統(tǒng)、連續(xù)波無線隨鉆測量系統(tǒng)、自動垂直鉆井系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)、工程用隨鉆測量系統(tǒng)、隨鉆地震系統(tǒng)、中子孔隙度測量工具和遙控分層配采系統(tǒng)等。這些具有自主知識產(chǎn)權(quán)的控制工具和系統(tǒng)獲得多項(xiàng)國家發(fā)明專利授權(quán)，其中一部分已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化并得到規(guī)模應(yīng)用，取得顯著的技術(shù)效果和經(jīng)濟(jì)效益，另一部分正在由樣機(jī)向產(chǎn)品轉(zhuǎn)化。這些科研成果豐富和擴(kuò)展了井下控制工程學(xué)的技術(shù)內(nèi)涵和應(yīng)用范圍。

當(dāng)前，作為石油天然氣工程中的一個新領(lǐng)域和一個新興的學(xué)科分支，井下控制工程學(xué)正在向更大的廣度和深度發(fā)展，這是由當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展趨勢、油氣井井下控制問題的普遍性和相關(guān)工藝工程對控制技術(shù)的要求所決定的。

控制論、信息論和系統(tǒng)論的產(chǎn)生與發(fā)展推動了控制技術(shù)的快速發(fā)展及其在諸多領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用，極大地豐富了相關(guān)工程技術(shù)的內(nèi)涵和水平。概括而言，控制論改善了工程技術(shù)的功能，系統(tǒng)論提高了工程技術(shù)的整體性，信息論提升了工程技術(shù)的精度。它們與計算機(jī)技術(shù)、工程力學(xué)和機(jī)械科學(xué)的交叉和融合則為油氣井井下控制技術(shù)的發(fā)展提供了保障。井下控制工程學(xué)的發(fā)展方向和趨勢為：①井下控制技術(shù)正在從鉆井領(lǐng)域向其他井下工藝領(lǐng)域擴(kuò)展應(yīng)用，如完井、采油、測井、測試、井下作業(yè)和儲集層改造等；②控制技術(shù)正在從單體工具或儀器向高度集成化、系統(tǒng)化和特殊作業(yè)化發(fā)展；③控制系統(tǒng)正在向?qū)崟r化、自動化和智能化方向發(fā)展；④井下控制系統(tǒng)的工作特點(diǎn)正在向高性能指標(biāo)（如高溫、高壓、大容量、高傳輸速率等）、高可靠性、長工作壽命和強(qiáng)適應(yīng)性方向發(fā)展；⑤井下控制技術(shù)與油氣勘探開發(fā)的結(jié)合將更加緊密，逐漸成為提高勘探發(fā)現(xiàn)率、開發(fā)采收率和單井產(chǎn)量的直接手段，目標(biāo)是降低噸油成本。

6 結(jié)語

回顧井下控制工程學(xué)的提出背景和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展過程，再一次說明了理論創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新的重要性、作用與價值。在需求引領(lǐng)和創(chuàng)新驅(qū)動下，通過相關(guān)學(xué)者的不斷努力，井下控制工程學(xué)這一學(xué)科分支必將日趨完善，井下控制技術(shù)也將成為有廣闊應(yīng)用前景的高新技術(shù)，為石油井下工程乃至勘探和開發(fā)提供重要的技術(shù)支持和手段保證，從而產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)和社會效益，為提升中國石油工程技術(shù)的核心競爭力做出貢獻(xiàn)。