动态指向式旋转导向钻井系统的虚拟现实仿真.pdf

凰应用技术 动态指向式旋转导向钻井系统的虚拟现实仿真 李超于佐军 中国石油大学 华东 信息科学与控制工程学院 摘要在指向式旋转导向钻井系统的基础上，对基于双偏心环调节机构的动态指向式旋转导向钻井工具模 型进行 Ma t l a b虚拟现实仿真。利用 3 Dm a x软件，构建钻井工具的虚拟三维模型。在 Ma t l a b环境下，通过工具箱 中虚拟现实接 口，将钻井系统的控制模型与三维模型连接起来，改变各个参数的设置，观察钻井工具三维模型的 运动，为动态指向式旋转导向钻井系统的研究以及实现对钻井系统的最优设计打下理论基础。 关键词 虚拟现实；3 D m a x ；旋转导向钻井；S i m u l i n k O 引言 近几十年来，水平井、大位移井、多分支井等复 杂结构井和 “ 海油陆采 ”的迅速发展，以及钻井工艺 对提高效率、降低成本、提高在恶劣环境和复杂地质 条件下钻井能力等的要求，国内外纷纷开展对旋转导 向钻井技术的研究【 1 】 。目前已开发应用的旋转导向井 下工具按工作方式基本可 以分为静态偏置推靠钻头 式、动态偏置 调制式推靠钻头式和静态偏置指向 钻头式 3类[ 2 ] 。动态指向式旋转导向钻井系统作为一 种全新的设计理念， 代表 了当今世界钻井技术发展的 最高水平。由于国内在旋转导向钻井系统领域起步较 晚，且国外的技术垄断，导致国内相关领域的研究比 较落后。 动态指向式旋转导向钻井系统具有一系列优 点l 1旋转钻进，井眼光滑，适合于钻大位移井稳斜 段；2 机械钻速较高，可适用于较大钻压；3 可更 好地保证井身质量安全，己逐渐成为钻井技术研究热 点之一 。 Ma t l a b虚拟现实工具箱提供了一个能在三维虚 拟现实环境中， 进行可视化操作以及与动态系统进行 交互的有效方案，使用标准的 V R ML技术 ，可以利 用 Ma t l a b和 S i mu l i n k环境生成标准的虚拟场景 J 。 通 过 S i m u l i n k接 口在虚拟现实三维环境中观察动态系 统的模拟情况， 对模型对象之间的复杂关系有很好的 理解，能够加快建模和模型测试的过程。 由于钻井系统的三维模型复杂，用 V RML语言 编写，需要对该语言非常精通。为了降低直接编程的 难度，提高建模效率，前期可以借助 3 D ma x软件强 大的三维模型构建能力， 对动态旋转导向钻井系统的 模型进行前期建模，然后导出 V R ML 9 7格式。后期 用 Ma t l a b自带的V R e a l m B u i l d e r 2 ． 0编辑器对模型进 行修改。这样可以充分利用 3 Dma x的三维建模能力 和 S i mu l i n k系统建模、仿真及综合分析的能力， 大大 减少工作量。 l 工作原理 动态指 向式旋转 导向钻井系统大体可 以分为两 部分稳定平台和偏置机构。 1 ． 1 稳定平台 指 向式旋转导向钻井系统的稳定平 台是整个导 向工具的关键部位， 为偏置机构提供一个相对大地静 止的参考系，在参考系下确定井斜角和方位角。当外 筒旋转带动钻头转动时， 钻头指向也会围绕钻柱中心 线旋转，为保证钻头指向恒定不变，控制系统将会测 量钻柱旋转，给稳定平台一个相反的转速转动，使稳 定平台保持对地静止，从而保持钻头指向恒定不变。 1 ． 2 偏置机构一 双偏心圆环 偏置机构的作用是通过调节控制偏心环 的转动 达到所需的井斜角和方位角。 偏置机构是 由两个电机 带动的偏心环组成，内偏心环轴与外偏心环轴之间以 及外偏心环轴与中心轴之间存在 0 ． 5 。的夹角，通过 双偏心环之间的耦合获取所需的井斜角和方位角。 2 0 1 3 年 第3 4卷 第2 期 自动化与信息工程 3 7 郑海林 李青山 周文君基于 P OWE R LI N K的分布式电动机漏电保护节点设计 [ 6 ]刘兆庆， 潘邵武， 张毅刚． 基于D P 8 3 6 4 0的I E E E 1 5 8 8 应用研 究[ J ] 坝0 控技术， 2 0 1 2 ， 3 1 9 8 0 - 8 3 ． [ 8 】 黄育和， 佘鹏， 张立平． 基于 C A No p e n 协议多通道温度测量模 块的研发[ J ] 启 动化与信息工程， 2 0 1 1 , 3 2 5 3 6 3 9 ． 许洪华， 刘科． 确定性工业以太网 E t h e me t P o we r l in k [ J ] ． 冶金 自动化， 2 0 0 4 4 2 3 - 2 5 ． De s i g n o f Di s t r i bu t e d M o t o r Le a ka g e Pr o t e c t i o n No de Ba s e d o n POW ERLI NK Z h e n g Ha i l i n L i Qi n g s h a n Z h o u We n j u n T h e 2 8 t h R e s e a r c h I n s t i t u t e o f C h i n a E l e c t r o n i c s T e c h n o l o g y Gr o u p C o r p o r a t i o n Abs t r a c t Mo t o r l e a k a g e p r o t e c t i o n i s i mp o r t a n t t o g u a r a n t e e t h e s a f e o p e r a t i o n o f t h e mo t o r ． T h e d e s i g n o f t h e d i s t r i b u t e d mo t o r l e a k a g e p r o t e c t i o n n o d e b a s e d o n P OW ERLI NK i n d u s t r i a l E t h e m e t i s p r e s e n t e d ． T h e h a r d wa r e c o mp o s i t i o n ， c o mmu n i c a t i o n i n t e rfa c e a n d P OW E RLI NK c o mmu n i c a t i o n c o n fi g u r a t i o n are d e s c ri b e d i n the p a p e r ． Th e d e s i g n s o f t h e P OW ER LI NK i n t e r f a c e a n d t h e o b j e c t d i c t i o n a r y c o n fi g u r a t i o n a r e e mp h a s i z e d ． Th e l e aka g e p r o t e c t i o n n o d e c a n b e c o n n e c t e d wi t h h o s t n o d e t o b u i l d a d i s t r i b u t e d mo t o r l e ak a g e p r o t e c t i o n s y s t e m ． Ke y Wo r d s P OWE R L I NK； L e aka g e P r o t e c t i o n ； Ob j e c t D i c t i o n a r y 作者简介 郑海林，男，1 9 8 7年 1 1 月生，助理工程师，研究方向计算机控制和现场总线技术。E ma i l z h e n g h a i l i n 1 2 8 1 6 3 ． c o m 上接第 4 0页 The Vi r t ua l Re a l i t y S i m u l a t i 0 n 0 f Dyn a mi c Po i n t ． t he ． Bi t Ro t a r y St e e r a bl e Dr i l l i n g S ys t e m L i C h a o Y UZ u o j u n Ch i n a Un i v e r s i t y o f P e tro l e u m Ab s t r a c t T h e s i mu l a t i o n o f t h e d y n a mi c r o t a r y s t e e r a b l e d ri l l i n g s y s t e m b a s e d o n d o u b l e e c c e n t r i c r i n g a d j u s t me n t me c h a n i s m i s c o mp l e t e d i n t h i s p a p e r ． Us i n g t h r e e d i me n s i o n a l mo d e l o f t h e 3 Dma x s o f twa r e ， a v i r t u a l t h r e e d i me n s i o n a l mo d e l o f t h e d ri l l i n g t o o l C an b e b u i l d ． Un d e r the e n v i r o n me n t o f M a t l a b ， v i r t u a l r e a l i t y i n t e rfa c e o f t o o l b o x i n Ma t l a b C an l i n k c o n tr o l mo d e l wi t h t h r e e d i me n s i o n a l mo d e l o f t h e d r i l l i n g s y s t e m． W e c a n c h a n g e the s e t t i n g s o f t h e v a rio u s p a r a me t e r s a n d o b s e r v e t h e mo v e me n t o f t h e t h r e e d i me n s i o n a l mo d e l o f d r i l l i n g t o o l s t o s t u d y t h i s n e w d ril l i n g s y s t e m a s we l l a s t o l a y a t h e o r e t i c a l b a s i s f o r th e o p t i ma l d e s i gn o f t h e d r i l l i n g s y s t e m． K e y W o r ds Vi r t u a l Re a l i ty； 3 Dma x； Ro t a ry S t e e r a b l e Dr i l l i n g ； S i mu l i n k 作者简介 李超，男，1 9 8 9年生，山东人，硕士研究生，从事工业过程建模、控制与优化的研究。E - ma i l 4 9 3 7 9 5 4 4 2 q q ． c o m 于佐军，男，1 9 6 0年生，天津人，副教授，硕士生导师，从事工业过程建模、控制与优化的研究。 2 0 1 3 年 第3 4 卷 第2 期 自动化与信息工程 4 5