煤田地质与勘探

作者：张楠, 任栢安, 李飞, 刘子琦, 吕方兴,

关键词：旋转导向系统, 闭环自动控制, 数字孪生模型, 半实物仿真平台, 井下自动化, 姿态控制,

目的针对旋转导向系统(rotary steerable system，RSS)传统人工手动控制模式存在的响应延迟、调控效率低下等问题，提出一种RSS的姿态闭环自动控制方法并通过半实物仿真实现。方法以指向式旋转导向系统钻井过程为研究对象，当系统实测姿态与目标姿态发生偏差时，闭环控制器根据偏差信号解算控制参数，驱动旋转导向执行机构进行轨迹修正，实际姿态输出通过测量单元反馈至系统输入端，形成闭环控制。为进一步验证控制算法的有效性，建立包含钻具运动模型与虚拟姿态传感器模型的数字孪生模型、实时仿真机以及真实旋转导向主控单元的半实物仿真平台，实现控制算法与钻具运动模型、虚拟姿态传感器模型的实时交互，在实验室环境下实现对井下复杂工况的高精度模拟。基于该仿真平台，开展手动钻井模式与自动钻井模式测试实验，并在稳斜段进行基于解析式与PID控制的抗扰性能测试。结果和结论(1)自动钻井模式较手动模式有更小的超调量、稳态误差及整定时间，井斜段超调量从手动模式的23.92%降低至1.96%，平均整定时间缩短了72.33%，方位段超调量由23.31%降至2.04%，平均整定时间缩短了53.45%。(2)为验证姿态自动控制方法的鲁棒性，在均值为0、方差0.2的方位扰动工况下，结合PID控制算法稳斜段整定时间减少18.9%，所提出的闭环自动控制方法在提升RSS姿态调控性能、提高钻井轨迹稳定性及响应效率等方面具有明显优势，为实现旋转导向系统井下自动化控制提供了可行的技术路径。(3)基于数字孪生体的半实物仿真平台为井下闭环控制算法的迭代优化提供了高效验证环境，有效规避井下真实环境测试的高成本与高风险，加速了旋转导向系统井下闭环自动控制算法的优化迭代与工程转化进程。

来源：2025年第11期

《煤田地质与勘探》期刊编辑部

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