地質(zhì)鉆探垂鉆定向糾偏控制的工程實(shí)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)分析

張 典，杜 勝，陸承達(dá)，陳略峰，曹衛(wèi)華，吳 敏*

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.復(fù)雜系統(tǒng)先進(jìn)控制與智能自動(dòng)化湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；3.地球探測智能化技術(shù)教育部工程研究中心，湖北 武漢 430074）

0 引言

地質(zhì)鉆探是地質(zhì)勘探的重要手段，其對于地質(zhì)資源開采具有重要意義［1］。在地質(zhì)鉆探領(lǐng)域，由于設(shè)備、成本、鉆進(jìn)取心工藝以及深部地層勘查任務(wù)等原因，垂直孔往往是最佳選擇，而垂直鉆進(jìn)作業(yè)是鉆成垂直孔的重要手段［2-3］。

為獲得高質(zhì)量垂直孔，在垂鉆作業(yè)中需保證鉆進(jìn)軌跡沿井口鉛垂線向下延伸。由于地層傾向、巖性軟硬交替、鉆進(jìn)設(shè)備、控制工藝以及人為等因素，在垂鉆過程中容易造成鉆進(jìn)軌跡的偏斜［4］，垂直鉆進(jìn)過程定向糾偏控制是解決鉆進(jìn)軌跡偏斜的重要技術(shù)手段［5-6］。

目前實(shí)際工程中垂鉆軌跡糾偏控制主要依靠人工經(jīng)驗(yàn)控制井斜［7-8］。為提升糾偏效果，學(xué)者們對糾偏控制方法進(jìn)行了大量研究，其中模型預(yù)測控制因其良好的工程應(yīng)用效果［9-10］，近幾年成為了鉆進(jìn)糾偏控制的研究熱點(diǎn)。Zhao 等［11］將MPC 控制器與方位校正控制器組合以實(shí)現(xiàn)三維軌跡跟蹤控制。Demirer 等［12］在MPC 的實(shí)際應(yīng)用中取得了突破，鉆探過程的控制約束在他們的工作中得到了高度重視。同時(shí)也有學(xué)者將非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)問題作為反饋延遲特性進(jìn)行處理，從而達(dá)到控制目的。Georgiou 等［13］考慮測量延遲、參數(shù)不確定性以及在不可預(yù)知的環(huán)境中存在的干擾問題，提出了一種魯棒模型預(yù)測控制方法，用于解決旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)軌跡跟蹤控制問題。筆者也針對糾偏控制方法有豐富的理論研究成果［14-17］。

理論提出的糾偏方法需反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方可應(yīng)用于實(shí)際工程，然而垂鉆糾偏控制過程復(fù)雜，操作難度大，所需時(shí)間和資金龐大，這使得鮮有研究能夠應(yīng)用于實(shí)際工程。Arbatani 等［18］基于有限元與有限元和有限段方法建立計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，研究定向鉆孔中軌跡延伸的動(dòng)態(tài)過程。Tervydis 團(tuán)隊(duì)［19］開發(fā)了一套計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)，用于解決非開挖水平鉆進(jìn)過程軌跡規(guī)劃問題。現(xiàn)階段有關(guān)糾偏控制的研究已較為豐富，然而其應(yīng)用卻十分少見，多停留在計(jì)算機(jī)仿真階段，因此發(fā)展與研究定向糾偏控制工程實(shí)現(xiàn)技術(shù)十分必要。

本文以地質(zhì)鉆探鉆進(jìn)過程定向糾偏控制的工程實(shí)現(xiàn)為導(dǎo)向，首先分析并給出實(shí)際糾偏工藝過程以及糾偏控制的特點(diǎn)與目標(biāo)；然后總結(jié)基于模型預(yù)測控制的糾偏控制問題與優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)合筆者早期的一些糾偏控制理論研究，分別闡述不同糾偏工況下的糾偏控制方法；其次開發(fā)定向糾偏控制系統(tǒng)，用于集成糾偏控制算法，使得算法能夠應(yīng)用于實(shí)際工程；最后設(shè)計(jì)糾偏控制實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證糾偏控制算法的工程適用性，為糾偏控制算法的工程實(shí)現(xiàn)邁出重要一步。

1 定向糾偏過程描述

定向糾偏主要依靠鉆機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其中與定向糾偏相關(guān)的主要結(jié)構(gòu)包括井底鉆具組合、鉆桿、鉆頭、測量系統(tǒng)和井上系統(tǒng)。其中井上系統(tǒng)包括司鉆滑輪、游車、轉(zhuǎn)盤、主絞車和泥漿泵等，其主要用于提供鉆進(jìn)所需的鉆壓、轉(zhuǎn)速與泵量。測量系統(tǒng)由打撈絞車和測斜儀組成，其主要用于定點(diǎn)測斜。

由于鉆進(jìn)成本和井眼口徑限制，基于滑動(dòng)導(dǎo)向的糾偏工藝仍然是現(xiàn)如今地質(zhì)鉆探領(lǐng)域的主流工藝，而滑動(dòng)導(dǎo)向主要通過基于螺桿鉆具的井底鉆具組合實(shí)現(xiàn)定向鉆進(jìn)。如圖1 所示，該井底鉆具組合主要由穩(wěn)定器、井下馬達(dá)總成、傳動(dòng)軸總成、萬向軸總成以及上部接頭組成，負(fù)責(zé)為鉆機(jī)系統(tǒng)提供造斜能力，可以說井底鉆具組合正是定向糾偏的核心部件。

圖1 定向糾偏鉆進(jìn)系統(tǒng)Fig.1 Direction drilling deviation correction system

基于上述介紹，定向糾偏過程可描述為：在鉆進(jìn)到一定深度時(shí)，鉆進(jìn)將會(huì)停止，由打撈絞車從中空鉆桿內(nèi)部下放測斜儀至井底，靜態(tài)測量井底處的井斜角與方位角；結(jié)合歷史測斜數(shù)據(jù)，可計(jì)算整條井眼軌跡，同時(shí)確定當(dāng)前井底的偏斜參數(shù)；由工程師設(shè)定下一井段的糾偏控制量；啟動(dòng)鉆進(jìn)，通過轉(zhuǎn)盤和井底鉆具組合的配合，依據(jù)控制量實(shí)現(xiàn)定向造斜，鉆進(jìn)一定深度，再次對井下軌跡進(jìn)行測斜；通過一段又一段的測斜與控制，實(shí)現(xiàn)垂鉆軌跡的糾偏。另外糾偏的前提是系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)正常的鉆進(jìn)，其主要通過井上系統(tǒng)的配合，為系統(tǒng)提供必要的鉆進(jìn)參數(shù)，即鉆壓、轉(zhuǎn)速和泵量，從而實(shí)現(xiàn)正常鉆進(jìn)。

關(guān)于定向糾偏中定點(diǎn)測量的具體工藝特點(diǎn)描述如下：由于測斜儀的使用限制，工程中一般采用靜態(tài)的方式對鉆進(jìn)軌跡進(jìn)行測斜，即每鉆一定距離停鉆測斜一次，一般為1 根鉆桿的長度。同時(shí)由于地層等因素影響，鉆進(jìn)過程中鉆速并非一成不變，這也使得測斜的時(shí)間間隔并非固定。目前測斜儀測量所得井下測斜參數(shù)主要包括井眼軌跡的井斜角與方位角，井深參數(shù)由井上測量得到。將這3 個(gè)參數(shù)輸入到井眼軌跡計(jì)算模型中，可獲取井眼軌跡的其他參數(shù)，包括井底坐標(biāo)和水平偏移等，典型的井眼軌跡計(jì)算模型為最小曲率法。

垂鉆糾偏控制目標(biāo)是在保證井斜角較小的同時(shí)，提高鉆進(jìn)軌跡的垂直精度，其中垂直精度主要通過井斜角與水平偏移來描述，水平偏移即鉆進(jìn)軌跡上離井口鉛垂線的水平距離。另外鉆進(jìn)軌跡的調(diào)整主要依靠轉(zhuǎn)盤與井底鉆具組合的配合來實(shí)現(xiàn)，而操作依據(jù)的工程參量稱為工具面向角與導(dǎo)向率，其分別對應(yīng)著糾偏過程中對鉆進(jìn)方向與鉆進(jìn)曲率調(diào)整的大小。

文獻(xiàn)［20］給出了最終的垂鉆軌跡延伸模型如式（1）所示。

其中模型中主要用到的狀態(tài)量為2 個(gè)水平偏移狀態(tài)參數(shù)sx和sy以及2 個(gè)井斜角分量αx和αy。另外，sz為垂深，α為井斜角，φ為方斜角，r為額定造斜率。定向糾偏的主要過程是依據(jù)控制量工具面向角與導(dǎo)向率ωSR調(diào)節(jié)井底鉆具組合的造斜狀態(tài)，改變鉆進(jìn)軌跡延伸走向。

另外使用wx與wy作為2 個(gè)過程噪聲，分別指2個(gè)水平方向上地層干擾對工具造斜率的影響。從文獻(xiàn)［17］的分析可知，鉆具過程中地層造成的造斜率的波動(dòng)近似服從均值不為零的正態(tài)分布或者一個(gè)在尺度和幅值上調(diào)整了的伽馬Γ(3，2)分布。即過程噪聲可表示為如式（2）所示，其中Wk=[wx，wy]T。

其中θW為確定隨機(jī)分布概率密度函數(shù)的相關(guān)參數(shù)。隨著井孔深度的不斷增加，井內(nèi)溫度與壓力也開始緩緩上升，孔內(nèi)環(huán)境逐漸變得惡劣，測量不可避免地具有一定噪聲［21］。而垂直鉆進(jìn)過程中需保持較低井斜角，糾偏控制的精度往往對這種測量噪聲十分敏感，因此在這種情況下，測量噪聲不能被忽略。我們設(shè)定帶有測量噪聲的測量值如式（3）所示，其中Vk為測量噪聲，其服從參數(shù)為θV的正態(tài)分布。

由于系統(tǒng)噪聲可以被提前預(yù)測與整定，因此這里主要討論測斜儀中的隨機(jī)噪聲。測斜儀中隨機(jī)噪聲主要由加速度計(jì)和磁通門傳感器的熱噪聲以及其他環(huán)境噪聲組合而成，噪聲分布一般服從正態(tài)分布［22-23］。因此在這里，我們假定Vk的分布特性服從一個(gè)均值為零的正態(tài)分布。

2 垂鉆糾偏模型預(yù)測控制方法

為構(gòu)建基于模型預(yù)測控制的糾偏控制方法，需首先對式（1）進(jìn)行離散線性化，然后構(gòu)建預(yù)測方程。依據(jù)文獻(xiàn)［15］得到離散狀態(tài)空間方程如式（4）所示：

式中：sx(k)、sy(k)、αx(k)、αy(k)——第k井段處軌跡的狀態(tài)量；L——定點(diǎn)測量的間隔井深長度；pa——離散化參數(shù)；E(μx)、E(μy)——反饋校正參數(shù)。

為了獲得穩(wěn)定可靠的反饋效果，設(shè)定E(μx)和E(μy)為擾動(dòng)量μx和μy的幅值的數(shù)學(xué)期望，這里采用混合高斯模型（Gaussian mixture model，GMM）計(jì)算這2 個(gè)數(shù)值，計(jì)算流程如圖2 所示。

圖2 基于混合高斯模型的干擾幅值期望評估Fig.2 Mathematical expectation estimation of disturbance based on GMM

依據(jù)模型預(yù)測控制理論，首先設(shè)定sx(k+1|k)指依據(jù)第k井段處軌跡的狀態(tài)量sx(k)預(yù)測到的第k井段處軌跡的狀態(tài)量sx(k+1)，其他狀態(tài)量類似。

由定義可知sx(k|k) 與sx(k) 相等。 另外，ωx(k+1|k)指模型預(yù)測控制器在第k井段處預(yù)測用于第k+1 井段的控制量ωx(k+1)。預(yù)測方程有如下形式：

式中：x(k|k)——第k井段處軌跡的狀態(tài)量，其定義為[sx(k)，αx(k)，sy(k)，αy(k)]T；Y(k)——預(yù)測值序列，其定義為[x(k+1|k)，…，x(k+p|k) ]T；U(k)—— 控制量序列，其定義為[ωx(k|k)，ωy(k|k)，…，ωx(k+c|k)，ωy(k+c|k) ]T；p——預(yù)測域長度；c——控制域長度。

將式（4）代入式（5），同時(shí)設(shè)定控制器預(yù)測域長度p與控制域長度c相等，可計(jì)算得式（5）的2 個(gè)系數(shù)矩陣為：

其中G和H矩陣分別為式（4）中的另2 個(gè)系數(shù)矩陣，G為狀態(tài)系數(shù)矩陣，H為控制系數(shù)矩陣。

考慮工程約束，在垂直鉆進(jìn)過程中，會(huì)對井斜有一定限制，一般需保持井斜角小于一個(gè)定值αmax，因此我們的糾偏控制系統(tǒng)需要在保證井斜角＜αmax的情況下完成鉆進(jìn)軌跡的糾正。同時(shí)對于任何造斜工具，都有其造斜極限，糾偏系統(tǒng)需要保證所求控制量不會(huì)超過造斜工具的能力極限。結(jié)合上述分析和約束條件，針對糾偏控制系統(tǒng)，我們選取如下優(yōu)化目標(biāo)作為模型預(yù)測控制器的滾動(dòng)優(yōu)化目標(biāo)方程：

最后通過求解該優(yōu)化問題，可得到最終控制序列，取序列的第一組結(jié)果作為下一井段的控制輸出。

而面對存在較大測量噪聲的糾偏控制問題，可設(shè)計(jì)粒子濾波器，用于實(shí)時(shí)評估估計(jì)真實(shí)狀態(tài)，其定義為基于此修正離散狀態(tài)空間方程如式（7）所示：

粒子濾波器設(shè)計(jì)方法由文獻(xiàn)［17］給出。最終代入式（5）與式（6）求解糾偏控制問題，從而能夠有效解決因測量噪聲帶來的糾偏控制問題。

3 糾偏控制方法的工業(yè)實(shí)現(xiàn)

3.1 糾偏控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

當(dāng)前主流地質(zhì)勘探領(lǐng)域所用交流變頻鉆機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 鉆機(jī)控制系統(tǒng)硬件連接示意Fig.3 Hardware structure of the semi-physical experimental system

實(shí)際鉆機(jī)控制系統(tǒng)主要分布在司鉆房與電控房之中，其中司鉆房主要負(fù)責(zé)顯示數(shù)據(jù)以及人機(jī)交互，電控房主要負(fù)責(zé)控制變頻器和采集傳感器數(shù)據(jù)。司鉆房一般放置于鉆機(jī)一層平臺(tái)上，其中主要包括1臺(tái)數(shù)據(jù)交換機(jī)、1 臺(tái)工控機(jī)和1 臺(tái)PLC。司鉆工主要通過工控機(jī)查看鉆機(jī)各項(xiàng)參數(shù)，同時(shí)完成鉆機(jī)的基礎(chǔ)控制，包括對轉(zhuǎn)盤和井底鉆具組合的綜合調(diào)控。電控房中的核心器件是1 臺(tái)PLC 與幾臺(tái)變頻器，電控房中的PLC 主要通過數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)交換機(jī)相連接，從而獲得司鉆工設(shè)定的鉆機(jī)鉆進(jìn)參數(shù)，然后依據(jù)這些參數(shù)調(diào)節(jié)變頻器輸出功率。電控房中的PLC還負(fù)責(zé)采集鉆機(jī)上各種傳感器的測量值，綜合后返送至工控機(jī)進(jìn)行顯示。最后，測斜儀主要通過打撈絞車進(jìn)行下放與回收，測斜數(shù)據(jù)主要通過手動(dòng)輸入方式導(dǎo)入到系統(tǒng)內(nèi)部。

為了能夠增加定向糾偏控制系統(tǒng)的移植性，在實(shí)際應(yīng)用中，我們采用新增1 臺(tái)工控機(jī)的方式將我們的系統(tǒng)植入現(xiàn)有鉆機(jī)系統(tǒng)，在不影響現(xiàn)有鉆機(jī)系統(tǒng)的情況下，增設(shè)我們的糾偏控制功能，所加位置如圖3 所示。糾偏控制系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)線接入到數(shù)據(jù)交換機(jī)中，從而完成與原有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。由于現(xiàn)場定向糾偏工藝繁瑣且復(fù)雜，定向糾偏控制系統(tǒng)并不直接參與鉆機(jī)的控制，而是通過算法計(jì)算出合理的控制量，然后由現(xiàn)場司鉆與工人師傅通過工控機(jī)完成后續(xù)轉(zhuǎn)盤和井底鉆具組合的調(diào)控。

3.2 糾偏控制軟件設(shè)計(jì)

定向糾偏控制系統(tǒng)的軟件架構(gòu)如圖4 所示。WinCC 負(fù)責(zé)與用戶進(jìn)行交互，獲得用戶指令與軌跡數(shù)據(jù)。核心算法由VC 實(shí)現(xiàn)，其中主要包括2 部分，軌跡的測算用于通過軌跡測量值測算出整條軌跡，它的核心算法包括本文構(gòu)建的垂鉆軌跡延伸模型以及最小曲率算法。垂鉆定向糾偏控制集成本文所提三大算法，用于定向糾偏控制中控制量的計(jì)算。所有過程參數(shù)都可以保存到本地?cái)?shù)據(jù)庫，方便后續(xù)算法的評定。

圖4 定向糾偏控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)Fig.4 Software structure of the deviation correction control system

值得一提的是，定向糾偏控制系統(tǒng)主要通過數(shù)據(jù)點(diǎn)位與PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，在實(shí)際應(yīng)用中，只需依照實(shí)際鉆機(jī)系統(tǒng)中PLC 點(diǎn)位信息更新WinCC 的點(diǎn)位信息表，即可實(shí)現(xiàn)定向糾偏控制系統(tǒng)的移植，因此在實(shí)驗(yàn)室中所使用的系統(tǒng)與實(shí)際所用系統(tǒng)完全一致。

定向糾偏控制系統(tǒng)界面如圖5 所示。在界面左上方，通過軌跡參數(shù)示意圖顯示了糾偏過程中主要的4 個(gè)參數(shù)的實(shí)際物理意義。其右面3 個(gè)部分分別通過圖形化形式和數(shù)字化形式顯示當(dāng)前垂鉆軌跡的4 個(gè)參數(shù)。界面左下方通過曲線形式顯示完整糾偏過程軌跡參數(shù)的變化。其右面2 個(gè)部分為交互接口，通過測量輸入部分界面可將測斜儀所得井斜角與方位角導(dǎo)入系統(tǒng)內(nèi)部，通過單擊糾偏計(jì)算按鈕可獲得下一段井段的控制量，并輸出到界面右下角顯示，供現(xiàn)場鉆進(jìn)工程師參看。

圖5 定向糾偏控制系統(tǒng)界面Fig.5 User interface of the deviation correction control system

4 應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)分析

垂鉆糾偏控制過程復(fù)雜，操作難度大，所需時(shí)間和資金龐大，直接將所提糾偏算法放到現(xiàn)場調(diào)試是不可取的。為此在實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一套控制系統(tǒng)與現(xiàn)場一致的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖6 所示。由于其用計(jì)算機(jī)模型加實(shí)際設(shè)備相結(jié)合的方式完整模擬現(xiàn)場實(shí)鉆過程，且其控制系統(tǒng)與現(xiàn)場完全一致，因此在此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上可有效驗(yàn)證算法的工程適用性。

由圖6 可看出，左上部分即為鉆機(jī)主體與軌跡系統(tǒng)，其中由于室內(nèi)高度限制，這里將垂鉆改為了平躺鉆進(jìn)，并將相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了轉(zhuǎn)換。軌跡系統(tǒng)主要設(shè)有5 個(gè)測點(diǎn)，用于顯示最靠近井底的5 個(gè)井段。另外為了更加清晰地展現(xiàn)井底鉆具組合的姿態(tài)，為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)增設(shè)了1 臺(tái)三軸轉(zhuǎn)臺(tái)，它與軌跡系統(tǒng)都是通過模型計(jì)算的參數(shù)共同用于復(fù)現(xiàn)實(shí)際井下軌跡與鉆具狀態(tài)。

圖6 糾偏控制半實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.6 Semi-physical experimental system for deviation correction

其實(shí)驗(yàn)流程為：首先設(shè)定模型參數(shù)，確定模擬的鉆進(jìn)過程類型和干擾類型；用測斜儀測量軌跡參數(shù)，通過WinCC 界面上測量輸入導(dǎo)入測量的軌跡參數(shù)；單擊糾偏計(jì)算按鈕，系統(tǒng)會(huì)通過相應(yīng)的糾偏控制算法計(jì)算下一井段的控制量，包括導(dǎo)向率與工具面向角；系統(tǒng)根據(jù)所計(jì)算控制量與垂鉆軌跡延伸模型模擬實(shí)際鉆進(jìn)過程，計(jì)算下一井段軌跡參數(shù)，通過實(shí)際微鉆與軌跡系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)鉆孔軌跡；反復(fù)重復(fù)以上過程，直至糾偏結(jié)束。

4.1 基于混合高斯模型的垂鉆糾偏模型預(yù)測控制

基于混合高斯模型的垂鉆糾偏模型預(yù)測控制方法主要針對存在單一方向?qū)悠备蓴_的垂鉆軌跡糾偏控制問題，提出一套合理有效的解決方案。本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹饕獏?shù)設(shè)定如下：本次實(shí)驗(yàn)仍然設(shè)定額定造斜率r為6°/30 m，最大軌跡井斜角約束αmax為3°左右，其中需保持鉆進(jìn)井斜角＜αmax。一旦超過αmax，鉆進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先降低井斜角，以保證鉆進(jìn)軌跡的質(zhì)量。另外設(shè)定糾偏過程中存在單一方向地層偏斜干擾，其值服從均值非零的高斯分布，即μx，μy～N(0.001571，0.000698)。其他控制參數(shù)如文獻(xiàn)［15］所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果在圖7 給出。

圖7 基于混合高斯模型的垂鉆糾偏模型預(yù)測控制Fig.7 Correction results of the model predictive control based on GMM

基于混合高斯模型的垂鉆糾偏模型預(yù)測控制在水平偏移的校正方面，垂鉆軌跡在500 m 處已被校正至參看軌跡附近，雖然在500 m 后軌跡由于地層干擾存在小幅波動(dòng)，但軌跡并未出現(xiàn)較大的超調(diào)。另外井斜角也基本控制在約束范圍以內(nèi)，整體控制效果良好。

從應(yīng)用結(jié)果可以看出，基于混合高斯模型的垂鉆糾偏模型預(yù)測控制能夠有效解決存在單一偏斜地層干擾下的糾偏控制問題。其主要原因是該方法并未直接將預(yù)測誤差用于修正預(yù)測模型，而是通過混合高斯模型找到主要地層偏斜方向和干擾的期望值，從而獲得相對穩(wěn)定的反饋校正量來改善預(yù)測精度，最終獲得了比較穩(wěn)定的控制效果。

4.2 基于粒子濾波器的垂鉆糾偏模型預(yù)測控制

本實(shí)驗(yàn)采用基于粒子濾波器的垂鉆糾偏模型預(yù)測控制方法作為控制算法，該方法主要針對具有較大測量噪聲的糾偏控制問題，提出一套合理有效的解決方案。本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹饕獏?shù)設(shè)定如下：設(shè)定額定造斜率r為6°/30 m，井斜角約束αmax為3°，其中需保持鉆進(jìn)井斜角＜αmax。一旦超過αmax，鉆進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先降低井斜角，以保證鉆進(jìn)軌跡的質(zhì)量。其他控制參數(shù)如文獻(xiàn)［17］所示。

在半實(shí)物仿真中需要模擬存在測量噪聲的垂鉆糾偏控制過程，這類問題一般需要在深井高溫高壓環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。而在所構(gòu)建的半實(shí)物實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中難以復(fù)現(xiàn)井下高溫高壓環(huán)境，因此主要通過計(jì)算機(jī)將測量數(shù)據(jù)中添加1 個(gè)隨機(jī)誤差，該誤差依據(jù)前述分析，主要服從正態(tài)分布，通過改變其均值與標(biāo)準(zhǔn)差，可以模擬不同鉆進(jìn)環(huán)境下的測量誤差。本次實(shí)驗(yàn)中測量誤差設(shè)定為N(0，0.64)，相較于前述仿真更大，同時(shí)設(shè)定過程噪聲為0.5×(Γx-6)/6，其中Γx～Γ(3，2)。最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示。

圖8 基于粒子濾波器的垂鉆糾偏模型預(yù)測控制Fig.8 Correction results of the model predictive control based on the particle flter

在基于粒子濾波器的模型預(yù)測控制糾偏控制實(shí)驗(yàn)中，整個(gè)糾偏過程鉆進(jìn)720 m，共經(jīng)歷90 次糾偏計(jì)算。其中可以看出水平偏差在450 m 被糾正至參考軌跡附近，但與之前實(shí)驗(yàn)不同的是垂鉆軌跡井斜角在控制過程中波動(dòng)并不大，整體變化較為平穩(wěn)，最大井斜≯3.5°。另外從軌跡系統(tǒng)中導(dǎo)出的實(shí)際軌跡看出，實(shí)際軌跡的控制也較為理想，如圖9 所示，實(shí)際軌跡偏差并未出現(xiàn)因測量不準(zhǔn)而出現(xiàn)增大的情況。

圖9 糾偏控制實(shí)際鉆進(jìn)軌跡Fig.9 Real trajectories of the deviation correction test

從上述實(shí)驗(yàn)可以看出，本文所提系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)的有效傳遞，能夠清晰反映糾偏過程的各個(gè)狀態(tài)和實(shí)際糾偏軌跡，清晰地顯示糾偏系統(tǒng)的應(yīng)用效果與算法優(yōu)劣，總體算法使用流程符合現(xiàn)場工藝要求，數(shù)據(jù)交互方式符合現(xiàn)場實(shí)際情況，這也驗(yàn)證了所開發(fā)的糾偏控制系統(tǒng)的工程適用性。

5 結(jié)論

本文主要構(gòu)建垂鉆糾偏控制半實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以便于驗(yàn)證糾偏控制算法的工程適用性。分析并給出實(shí)際糾偏工藝過程以及糾偏控制的特點(diǎn)與目標(biāo)；然后總結(jié)基于模型預(yù)測控制的糾偏控制問題與優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)合筆者早期的一些糾偏控制理論研究，分別闡述不同糾偏工況下的糾偏控制方法；其次開發(fā)定向糾偏控制系統(tǒng)，用于集成糾偏控制算法，使得算法能夠應(yīng)用于實(shí)際工程；最后設(shè)計(jì)糾偏控制實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證糾偏控制算法的工程適用性。從實(shí)驗(yàn)可以看出，本文所提系統(tǒng)能夠清晰反映糾偏過程的各個(gè)狀態(tài)和實(shí)際糾偏軌跡，清晰地顯示糾偏系統(tǒng)的應(yīng)用效果與算法優(yōu)劣，從而驗(yàn)證了所開發(fā)的糾偏控制系統(tǒng)的工程適用性。

下一步工作是尋找應(yīng)用了定向糾偏工藝的鉆進(jìn)現(xiàn)場，將所開發(fā)定向糾偏系統(tǒng)安裝于現(xiàn)場司鉆房，完成定向糾偏系統(tǒng)的最終應(yīng)用。此外，本文描述是針對x和y兩維進(jìn)行的，三維的分析研究將是我們今后進(jìn)一步研究的工作。