垂直钻井系统纠斜机构脉宽调制控制研究.pdf
第 4 3卷第 2期 2 0 1 5年 3月 石 油 钻 探 技 术 P ETR0LE UM DRI LLI NG TECHNI QUES Vo 1 . 4 3 NO . 2 M a r ., 2 O1 5 . _ 钻采机械 d o i 1 0 . 1 l 9 1 1 / s y z t j s . 2 0 1 5 0 2 0 2 1 垂直钻 井系统纠斜机构脉宽调制控制研 究 王 燕 , 刘 白雁 ,王 科 1 . 东风康 明斯发动机有限公司, 湖北襄 阳 4 4 1 0 0 4 ; 2 . 武汉科技大学机械 自动化学院, 湖北武汉 4 3 0 0 8 1 摘要 为解决 自动防斜垂直钻井 系统在井下纠斜 时纠斜方位 难 以准确 控制 的 问题 , 开展 了垂直钻 井 系统 井 下纠斜力连续控制的研究。在不改变钻具组合、 元件和参数的前提下, 建立了钻具导向纠斜机构机 电液 系统的动 力学模型, 推导出控制元件二位二通电磁阀在钻杆一个旋转周期 内的通断时间与机构输 出纠斜力的幅值及钻杆转 速之间的函数关系; 根据钻杆转速确定脉宽周期 T, 再根据目标纠斜力计算出电磁阀的断电持续时间 , 在脉宽周 期 T内让电磁阀断电△ £ , 即可使纠斜机构输 出预期的纠斜力。结果表明, 试验模拟钻杆转速为 6 5 r / rai n , 在 1 个脉 宽周期 内对电磁 阀分别断电 5 O , 6 O或 7 0 ms时, 液压缸 目标控 制压力 即纠斜力 分别稳 定在 7 . 0 , 5 . 0和 3 . 5 SP a 左右。研究结果表明, 采用脉宽调制控制方法调节 自动垂直钻具的井下纠斜力, 能将纠斜力控制在稳定的 目标值。 关键词 自动垂直钻井 纠斜机 构 重力高边 脉 宽调 制 中图分 类号 T E 9 2 1 . 2 文献标 志码 A 文章编号 1 O 0 卜O 8 9 O 2 O 1 5 0 2 - 0 1 2 0 0 6 PW M Co nt r o l o f t h e Ant i - De v i a t i o n M e c h a n i s m i n t he Ve r t i c a l Dr i l l i ng S y s t e m W a ng Ya n ,Li u Ba i y a n 。,W a n g Ke 1 . Mo r k e t i n g De p a r t me n t , Do n g f e n g C u mmi s En g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n L i mi t e d, Xi a n g y a n g , Hu b e i , 4 4 1 0 0 4 , C i n a ; 2 . S c h o o l 0 f Ma c h i n e r y Au t o ma t i o n , W h a n U n i v e r s i t y 0 f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y, W h a n, Hu b e i , 4 3 0 0 8 1 ,C i n a Ab s t r a c t F o r a n a u t o ma t i c v e r t i c a l d r i l l i n g s y s t e m , i t i S d i f f i c u l t t o a c c u r a t e l y c o n t r o l t h e a n t i d e v i a t i o n a z i mu t h d o wn h o l e . Th e r e f o r e , a s t u d y wa s c o n d u c t e d o n t h e c o n t i n u o u s c o n t r o l o v e r d o wn h o l e a n t i - d e v i a t i o n f o r c e o f t h e d r i l l i n g t o o 1 . Th e d y n a mi c a l mo d e 1 o f t h e me c h a n i c a l h y d r a u l i c s y s t e m f o r t h e a n t i d e v i a t i o n me c h a n i s m wa s e s t a b l i s h e d , wi t h o u t c h a n g i n g t h e t o o l s t r u c t u r e , c o mp o n e n t a n d p a r a me t e r s .Us i n g t h e mo d e l 。 t h e f u n c t i o n r e l a t i o n s h i p b e t we e n t h e o n - o f f t i me o f t h e t WO p o s i t i o n t wo wa y s o l e n o i d v a l v e i n a mo me n t o f o n e r e v o l u t i o n o f t h e d r i l l p i p e . t h e a mp l i t u d e o f t h e o u t p u t a n t i ~ d e v i a t i o n f o r c e o f t h e me c h a n i s m a n d t h e r o t a r y s p e e d o f t h e d r i l l p i p e wa s d e r i v e d . To o b t a i n a n e x p e c t e d a n t i d e v i a t i o n f o r c e o u t p u t b y t h e a n t i d e v i a t i o n me c h a n i s m , t h e d u r a t i o n t i me At f o r s wi t c h i n g o f f t h e s o l e n o i d v a l v e wa s c a l c u l a t e d b y t h e t a r g e t a n t i - d e v i a t i o n f o r c e , a n d t h e p u l s e wi d t h c y c l e T t h a t d e t e r mi n e s t h e At wa s d e t e r mi n e d b y t h e r o t a r y s p e e d o f d r i l l p i p e . Ac c o r d i n g l y , t h e t a r g e t c o n t r o l p r e s s u r e o f t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r wa s r e s p e c t i v e l y s t a b i l i z e d a t 7 . 0 M P a , 5 . 0 M P a a n d 3 . 5 M[ P a i n t h e e x p e r i me n t wh e n t h e r o t a r y s p e e d o f t h e d r i l l p i p e wa s s e t t o 6 5 r / mi n a n d t h e s o l e n o i d v a l v e wa s s wi t c h e d o f f f o r 5 0 ms , 6 0 ms a n d 7 O ms r e s p e c t i v e l y i n o n e P W M c y c l e . Th e r e s u l t s s h o we d t h a t t h e d o wn h o l e a n t i d e v i a t i o n f o r c e o f t h e a u t o ma t i c v e r t i c a l d r i l l i n g s y s t e m c o u l d b e s t a b i l i z e d a t a n e x p e c t e d r a n g e b v PWM c o n t r o 1 . Ke y wo r d s a u t o ma t i c v e r t i c a 1 d r i l l i n g ; a n t i d e v i a t i o n me c h a n i s m ; h i g h g r a v i t y b o u n d a r y ; p u l s e wi d t h mo d u l a t i o n PW M 对于高陡构造 带的深井 、 超 深井钻井而 言, 自 动垂直钻井 工 具是 首选 钻具[ 1 - 4 3 。 自动垂 直钻 井 工具实施井下纠斜控制包括井 眼重力 高边 的检测 以及 产 生 与 重 力 高 边 对 应 的纠 斜 力 _ 5 ] 。国外 S c h l u mb e r g e r 公司开发的 P o we r V钻具 , 采用 与不 旋转电子测斜平台[ 2 0 ] 相连的纠斜方位控制机构, 锁定与重 力 高边 对应 的纠斜 方位 ; B a k e r Hu g h e s 收稿 日期 2 0 1 4 0 7 2 1 ; 改回日期 2 0 1 4 1 2 2 l 。 作者简 介 王 燕 1 9 8 7 ~ , 女 , 湖 北黄石人 , 2 0 1 0年毕业 于武汉 科技 大学机械 电子 工程专业 , 2 0 1 4年获武汉科 技 大学机械 电子工程 专业工学硕 士学位 , 现在 东风康 明斯发 动机 有 限公 司从事发 动机的 控 制研 究 工 作 。 联系方式 1 8 8 7 1 0 1 7 0 1 1 , 6 0 4 2 7 7 2 2 1 q q . C O Y I1 。 基金项 目 国家高技 术研 究发展计 划 “ 8 6 3 ” 计 划 重 大专项“自 动垂直钻井技 术” 编号 2 0 0 6 AA0 6 A1 0 2 和 国家 自然科 学基金项 目 “ 自动垂直钻井导向液压 系统设 计理论及技 术” 编 号 5 1 1 7 5 3 8 6 部 分研 究 内容。 第 4 3卷第 2 期 王 燕等. 垂直钻井系统纠斜机构脉宽调制控制研究 公司的 VT KE n ] 和 S ma r t Dr i l l i n g公 司的 Z B E通过 连续调节各 纠斜单 元输 出 的纠斜力 , 使 钻具 合成 纠斜力的方 向与井 眼重力高边一致 。国 内具有 自 主 知 识 产 权 的 自 动 防 斜 垂 直 钻 井 系 统 AAD DS [ 1 2 - 1 3 ] 因为受井 下 狭 小 空 间 以及 有 限 的 电池驱动功率 、 电能 的限制 , 其 纠斜 机构上 的控 制 元件电磁 阀只能采用 微小驱动功率 的二位二 通电磁换 向 阀, 导致 纠斜 机构输 出的纠斜 力不 能 连续调节 , 在 实 际井 下 纠斜 中也 不能 保证 钻具 合 成纠斜力 的方 向与 重力高 边一致 , 从 而影 响 了纠 斜效率 和井身质量 。这种 以单柱 塞泵为动 力源 的 开关型液控 系统 , 具有流量小且不连续 、 电磁 阀响 应速 度 较 慢 等 缺 点 , 导 致 纠 斜 力 的 脉 宽 调 制 P WM 控制难度较大 。因此 , 笔者在 分析 系统流 量一 压力特 性 的基础 上 , 探讨 了利用 P WM 技术对 其纠斜力进行连续控制的有效方法 。 垂直钻具纠斜力合成分析 AAD DS的导向装置 由液压纠斜机 构组成 , 镶 嵌在一浮动导 向套上 , 依靠 电磁 阀控制导 向块 向外 伸 出, 压靠井壁 以产生纠斜导向力。钻井时 , 首先将 3 个导向块全部伸出, 压靠在井壁上, 导向套与井壁 之间保持静止 , 钻杆处于井眼中心位置 ; 当监测到井 斜时, 则缩 回 1 或 2 个导向块 , 进行纠斜 。 采用外部推靠式纠斜 的垂直钻具, 基本上都是 在近钻头处沿径向对称布置 3 ~4个导 向纠斜 的执 行机构 , 文献E 1 4 ] 讨论 了采用 4个 导向纠斜机构且 各机构输出的纠斜力不可调时, 钻具合成纠斜力 即 导向集中力 的分布情况 , 指出通过 4 个导向块的协 调组合可使钻具沿井眼产生 8个不 同方 向的导向集 中力 , 2个相邻导 向力 的夹 角为 4 5 。 , 这意味着合成 纠斜力与重 力高边之 间的夹角最大 为 2 2 . 5 。 , 而对 于采用 3个导 向纠斜机构 的 AAD DS垂直钻 具 而 言 , 这个夹角为 3 0 。 见 图 1 。 当导 向块输 出力不可调时 , 可能产生 6 个不 同 方 向的合成 纠斜力 F1 一F 6 , 从 图 1可 以看 出, F , ,F 5 分别为 1 、 2 、 3号导 向块 所对应位置输 出 的 纠斜力 , F 2 , F 4 , F 6 分 别 由其相 邻 2个导 向块 的合 力生成 。因此 , 钻具 输 出合 成 纠斜力 的作 用 方位 是有限的 , 且不一定在井 眼高边位 置上 , 会 产生纠 斜误差 。 假定井 眼重力高边与 F 的夹角为 , 则 当导向 力可调时 , 可由 I 、 2号导 向块合成与重力高边一致 F 图 1 包含 3导向块的垂直钻具合成纠斜力分布示意 Fi g .1 Ant i - d e v i a t i o n f o r c e di s t r i bu t i o n o f t h e v e r t i c a l d r i l l i ng t o ol wi t h 3 g u i d e b l o c ks 的导 向纠斜力 F。F 和 F。 的幅值计算公式为 t a n 一 ㈩ 若要产生尽可能大的纠斜力 , 可令与重力 高边 夹角最小 的导 向块 输 出其最 大推力 , 对 于 图 1则 l F l 为导向块输 出的额定 推力 即最大推力 , 其 为 定值 1 F 一 1 , 2号块输 出的纠斜力幅值 l F 。 l 可 由式 1 计算得到。 由以上分析可知 , 只要导向块输 出的推力连续 可调 , 自动垂直钻具就可 以沿井眼进行全方位的准 确纠斜 。 2 AAD D S井下纠斜机构液压系统工 作原理及特点 AA DD S的导 向纠斜 机构 的液压 系统 工作 原 理 如图 2所示 。镶嵌在钻杆 上的偏心轴承将 钻杆 的转动转换 为平 动 , 在复位 弹簧 的配合下 实现 柱 塞泵 中柱塞 的往 复运动 , 并 在吸油单 向阀和排 油 单 向阀的共同作用下完成柱塞泵 的吸、 排油动作 ; 溢流阀用 于调 节 和 限制 纠斜 缸无 杆 腔 的控 制 压 力 ; 二位二通 电磁 阀 由井斜 控制器 输 出的控制 信 号控制 , 用 于 接通 和 断 开 油 泵 与 纠 斜 缸 之 间 的 油路 。 该液压系统具有 以下特点 1 油泵输出的流量 受钻杆转速 的限制, 钻杆 每转 一 圈, 油泵完成一次 吸、 排油动作 ; 2 油泵输 出的流量是断续 的, 其仅在 柱塞右移 的排油行程 约半个工作周期 才有油液输 出; 3 液压系统的有效容积非常小 。由于 3 套 纠斜 机构必须通过导向活套径向分布在井下的一个环形 区域 中, 并且该环形区域还要预 留出钻井时返程钻 石 油 钻 探 技 术 图 2 井下液压导向纠斜系统 F i g . 2 Pr i n c i p l e o f t h e d o wn h o l e h y d r a u l i c g u i d e a n t i - d e v i a t i o n s y s t e m 1 .浮动油箱 ; 2 .吸油单 向阀 ; 3 .偏心 轴承 ; 4 .柱塞缸 ; 5 .排油单 向 阀; 6 .纠斜液压缸; 7 .电磁开关阕 ; 8 。溢流阀; 9 .推力块 井液的通道[ 1 2] , 所以可以供纠斜机构使用的空间区 域十分狭小 , 4 3 1 1 . 1 1 T l l fi井眼的导 向活套可用环形 空间宽度仅约 7 0 1 T I LT 1 。液压 系统的有效容积小 , 导 致柱塞泵因排量小而输出的流量也较小, 同时因为 纠斜缸的容积较小 , 使 纠斜缸无杆腔的控制压力对 进出纠斜缸流量的变化十分敏感。 根据系统 的执行机构具有低通滤波特性这一特 点 , 可以通过脉宽调制对液压系统实现连续控制 , 这 也意味系统应具有足够 的连续流量 , 电磁阀的开关 频率足够高。而井下纠斜机构液压系统中的电磁阀 并不是专门的开关电磁 阀, 且 系统的流量很小且不 连续 , 因此对井 下纠斜 机构 液压 系统实施 常规 的 P WM 控制具有较大 的难度。 3 井下液压导向纠斜系统 P WM 控制 机理分析 由图 2可 知 , 当钻 具 需要 纠 斜 时 , 电磁 阀通 电, 柱塞缸在钻杆 上偏心 轴承推 动下输 出压力 油 进入纠斜缸 的无杆腔 , 推力 块伸 出顶 向井 壁并 使 纠斜力不断增 加直 至溢流 阀开启 , 机构输 出的纠 斜力 F达到最大 F 一 , 显然 可 由溢流 阀调 定 。 从理论上讲, 在钻具纠斜过程中, 对机构中电磁阀 的通断进行适当控制 , 就可以将其输出的纠斜力 F 稳定在某个定值 F c 。显然 0 F c , 这意 味着 此时溢流阀将处 于不工 作状态 , 柱塞 缸输 出 的压 力油将全部通过排油 单 向阀进入到纠斜缸或经 电 设与 F 对应 的纠斜缸无杆腔控制压力为 P , 钻杆旋转周期 为 T, 在周期 T内电磁 阀进行 一次 断一 通电操作 即电磁 阀的脉宽调制周期与钻杆旋转 周期一致 , 且断电持续时间为 , 则在一个脉宽周 Q v 一 l p为液压油密度 , k g / m。 ; t 。为电磁阀在周期 T内的 断电时刻 , S ; A t 为电磁阀断电持续时间, S 。 漏 实际上可忽略 , 设 、 分别为纠斜缸和柱塞 可维持纠斜缸中的 P 为某一定值 , 可确定电磁阀在 At≈ 垒 3 c aA √ 式中 P 为纠斜缸无杆腔控制压力, P a ; A 。 为油泵 时间仅与所要求的纠斜缸控制压力 P 或纠斜力 F c 利用电磁 阀对纠斜机构进行 P WM 控制 的另一 图 3中的脉宽调制周期 为 1 s 对应钻杆转速 第 4 3卷第 2期 王 燕等. 垂 直钻 井 系统纠斜机 构脉宽调制控制研 究 1 2 3 时间/ s a 位于 吸油区 间 时间/ s b 位于排油区间 图 3井下 纠斜机构 液压 系统脉宽调制仿真结果 Fi g .3 PW M s im u l a t i o n o f t he h y dr a u l i c s t e m o f d own ho l e a nt i - de vi a t i on me c h a ni s m 控制时可能出现的几种情况 1 t 。∈ T / 2 , T , 即电磁阀在油泵 吸油 阶段开 始断电。其又分 为 2种情况 其一是 T/ 2 t 。 A t ≤T, 则在 内经 电磁 阀排 出的油均来 自纠斜缸 , 导 致纠斜缸压力下降 ; 其二是 T A t TA t , 则 在电磁阀断电前期为油泵吸油 阶段 、 后期 为排油 阶 段 , 由于后期经电磁 阀排 出的油 中除 了来 自纠斜缸 的, 还有来 自油泵 的, 因此将 导致 纠斜缸压力下降 , 但下降的幅度较第一种情况小 。此后 , 电磁 阀重新 通电后, 油泵输出的压力油全部进入纠斜缸, 使纠斜 缸经电磁阀排出的油得以补充 , 使纠斜缸 的控制压力 回升到原来的压力 P , 图 3 a 所示为第二种 睛况。 2 t 。∈ o , T / 2 , 即电磁阀在油泵排油 阶段 开 始断电。在 0 , t 。 期 间, 油泵排 出的油将直接进入 纠斜缸 , 导致控制压力 升高; 在 , t 。 A t 期 间, 油 缸和油泵均会通过 电磁阀排出油 , 此时纠斜缸压力 会下降 ; 在 A t , T / 2 期 间, 油泵 的油又进入纠斜 缸 , 导致缸内压力升至 。t 。 4等不 同情况下 , 其所对应 的纠斜压力波动幅度 是不 同的, 当 t 。 ≈T/ 4时, 。 的波动幅度最小 , 如图 3 b 所 示 。 由图 3可看出 1 尽管纠斜缸控制压力 P 在电 磁阀断电泄油期 间是变化 的, 但其变化 的范围有限 图 3中最大约 0 . 1 MP a , 因此在一个脉宽调 制周 期 T内, 可以由式 4 根据所要求 的纠斜缸控 制压 力 P 计算得到电磁阀断电持续时间A t ; 2 在一个脉 宽调制周期 T内, 电磁阀断电时刻 t 。 的取值对于系 统 P WM 控制的效果有一定影响 , 表现为 。 波动幅 度大小不同, 但均能够对 。 即导 向机构的纠斜力 进行连续调节 , 因此在实钻 中对导 向纠斜机构进行 P WM 控制时 , 可以不考虑 t 。 的位置。 由以上分析可知, 在一个脉宽调制周期或钻杆 旋转周期 T中, 仅需对纠斜机构 中的电磁阀进行一 次开关操作 , 因此 , 即使钻 杆 以 2 4 0 r / mi n转速转 动 , 电磁阀的开关频率也仅为 4 Hz , 普通 的电磁 阀 即可胜任纠斜机构的脉宽调制工作 , 下面通过试验 进行验证说明。 4 试验分析 纠斜机构液压系统的P WM控制实际上分为 3 个阶段 第一阶段 , 电磁 阀通 电, 纠斜缸推力块 伸出 直至顶到井壁 , 这时纠斜缸产生的纠斜力达到最大 ; 第二阶段 , 电磁阀断电△ , 通过释放纠斜缸中适量的 压力油 , 使 纠斜缸 中的控制压力 由原来的最 大值 降 至所要求 的 目标控制压力 。 ; 第三阶段 , 为系统控 制压力的脉宽调制 阶段 。 为检验 以上 理论 和仿 真分 析 的结果 , 进 行 了 AAD DS钻具上的纠斜集成块 P WM 控制 的试 验分 析 。试验 中模 拟钻 杆 的转速 约 6 5 r / rai n , 对 应 的 P WM 控制周期为 0 . 9 1 S 。设纠斜缸 目标控制压力 分别为 7 . 0 , 5 . 0和 3 . 5 MP a , 由 4 式计算所得到的 对应 的电磁 阀断 电持续 时间△ £ 分别 为 5 0 . 0 , 6 0 . 0 和 7 0 . 0 ms , 试验结果分别如图 4 一图 6 所示。 试验结果表 明, 只要根据钻杆的转速确定系统 的脉宽调制周期 T, 就可以根据式 3 预先计算 出电 磁阀的断电持续时间 , 以 T为周期让电磁阀断电 ,即可使纠斜机构输 出预期 的纠斜力。尽管 由于 存在液压系统内部泄漏、 电磁阀通电延时以及摩擦 、 纠斜缸的动态特性等诸多难以准确预估的因素, 纠 斜缸的控制压力存在一定波动, 但其波动幅度并不 大 , 在工程误差允许的范围内_ 1 。 j 2 4 石 油 钻 探 技 术 2 0 1 5年 3月 9 8 重 7 6 蓦s 4 喜 s 爨 z 1 0 时间/ s a 纠斜缸无杆腔压力P WM控制的完整过程 时间/ s b 纠斜缸压力P WM控制效果 局部放大 图 4 A t 0 . 0 5 S w P ----7 . 0 MP a 液压导 向纠斜机构 P WM 控制试验 曲线 F i g . 4 P WM c o n t r o l l i n g t e s t c u r v e o f t h e h y d r a u l i c g u i d e a n t i - d e v i a t i o n me c h a n i s m A t 0 . 0 5 S , P ---- - 7 . 0 MP a O 5 1 0 1 5 2 O 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 O 时间/ s a 纠斜缸无杆腔压力P WM控制的完整过程 时 间/ s b 纠斜缸压力P WM控制效果 局部放大 图 5 A t 0 . 0 6 s 。 P 5 . 0 MP a液压导 向纠斜机构 P WM 控制试验 曲线 F i g . 5 P WM c o n t r o l l i n g t e s t c l l r v e o f t h e h y d r a u l i c g u i d e a n t i - d e v i a t i o n me c h a n i s m A t O . 0 6 S , P 5 . 0 MP a 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 O 3 5 4 0 4 5 5 O 时间/ s a 纠斜缸无杆腔压力P WM控制的完整过程 皇 \ 出 甜 嬉 出 艇 时间/ s b 纠斜缸压力P wM控制效果 局部放大 图 6 A t 0 . 0 7 s 。 P ----3 . 5 MP a液压导 向纠斜机构 P WM 控制试验 曲线 F i g . 6 P WM c o n t r o l l i n g t e s t c u r v e o f t h e h y d r a u l i c g u i d e a n t i - d e v i a t i o n me c h a n i s m A f 0 . 0 7 s , P ---- - 3 . 5 MP a J 5 结论 1 详细讨论了由单柱塞泵、 阀、 液缸所构成的 AA DD S自动防斜垂直钻具井下纠斜机构的液控系 统通过 P WM 实现纠斜力连续控制的基本原理和方 法。该方法 的基本思想就是利用纠斜液控系统上的 电磁阀通过实施主动泄油 , 使纠斜缸在某一 目标控 制压力下的油液体积达到动态平衡 , 从 而输 出指定 的纠斜力。 2 脉宽调制控制方法可避免压力油 中的微小 颗粒在 电磁阀口长期堆积而导致 电磁 阀堵塞 , 有利 于提 高系统的可靠性 。 3 利用控制理论与技术 , 将电气、 机械 、 液压等 ∞ \ R 越 培 日 鲁乏R 趄 罐蹬 9 8 7 6 5 4 3 2 1 B d \ 出翟 培坦艇 9 8 7 6 5 4 3 2 1 日 \ R蹬型靶 培坦艇 第 4 3卷第 2期 王 燕等. 垂 直钻 井 系统纠斜 机构脉宽调制控制研 究 1 2 5 元件有机地 结合在一起 开发 出新型 的井 下控制机 构 , 是井下控制工程学的一项重要研究 内容 。 参考文献 Re f e r e nc e s [ 1 ] C a l d e r o n i A, S a v i n i A, Tr e v i r a n u s J , e t a 1 . 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