【论文摘要】对可变径稳定器作了初步分析。指出井眼轨道控制系统执行机构设计的理论基础是井下控制机构设计学。针对可变径稳定器类执行机构，按照控制形式、控制信号和结构形式作了分类阐述，从控制论的观点给出两种控制形式的定义，总结出目前用于变径稳定器中的几种控制信号。对所介绍的3种典型的变径稳定器的控制原理、结构特征作了分析比较。还对可变径稳定器的设计及今后的发展方向提出几点建议，认为应研制开发适合我国油田现场需求的机液型开环遥控和闭环自控变径稳定器，同时要加强对井下各种控制信号的理论研究。
井眼轨道控制技术是井下控制工程学的重要内容，属多学科的交叉应用技术领域［1］。作为钻井自动化技术的先导，它已成为近年来国内外石油工程界的研究热点之一。 井眼轨道自动控制系统是一个典型的机电液一体化系统。从控制论的角度看，它是在可调BHA（控制系统的执行机构）的基础上，增设反馈环节，实现对井眼轨道的自动控制。井眼轨道控制系统示意图如图1所示［2］。 目前，井眼轨道控制技术的研究主要集中在控制理论、系统设计以及系统执行机构（井眼轨道控制工具）的研究上。
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图1 井眼轨道控制系统框图
可变径稳定器
1.理论基础
控制系统的执行机构是整个系统中的关键环节，在很大程度上决定了系统的结构形式。其技术基础是井下控制机构设计学［1］，即对适用于井下控制的各种控制信号，设计出相应的信号发生、传输和放大执行机构，确定这些机构的典型结构，并建立各种类型信号控制机构的结构库和特性仿真库，以达到模块化的设计水平。
2.执行机构的类型
从工作原理上看，可调执行机构可分为：
(1) 可变径稳定器类, 包括井下动力钻具与可变径稳定器组合及转盘钻井用可变径稳定器；
(2)可调结构弯角类,包括井下动力钻具与可变弯接头组合及可控弯壳体动力钻具。
以上述两类执行机构为基础，即构成井眼轨道自动控制工具。笔者主要针对可变径稳定器类执行机构进行分析探讨。
在旋转钻井情况下，可通过调节稳定器的外径来控制井斜。因此，研制适合水平井、超深井和大位移井等现代钻井工艺需求的可变径稳定器，已成为井眼轨道控制工具的研究重点。变径稳定器可分为下述几种。
从控制形式上分，有开环遥控和井下闭环自控两种。开环遥控即根据井眼轨道的测量结果，在井口发出遥控信号以改变可变径稳定器的外径大小，从而使BHA变成所要求的增斜或降斜组合［3］；井下闭环自动控制即用井下微处理器采集和处理实钻轨道参数，并与预先输入的设计轨道比较，根据偏差发出指令，驱动造斜机构使实钻轨道回到设计轨道。该系统通过某种遥测线路与地面实现双向通讯。
从结构形式上分，主要有机械式、机液式和机电液一体三大类。目前国际上许多石油工具公司致力开发的自动闭环定向钻井系统就是典型的机电液一体化系统。
另外，也可根据控制信号对变径稳定器分类。控制信号是指使变径稳定器改变直径的命令。目前在可变径稳定器中使用的控制信号有钻压、排量、重力、弹性波、反压差、钻井泵开停泵时间等。
典型的可变径稳定器
下面介绍三种典型的可变径稳定器。
1.自动井斜角控制器
自动井斜角控制器(AIC)由信号发生机构、信号接收与传递机构（油压传动装置）和信号执行机构（液控柱塞伸缩式变径稳定器）组成短节，装在钻头上方，其结构见图2。 |
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图2 自动井斜角控制器结构简图
1—可调件；2—稳定器本体；3—主活
塞；4—柱塞；5—主弹簧；6—端盖
当实钻井斜角大于或小于设计井斜值时，AIC即发出两种不同信号，造成密闭油路内的油液换向，然后通过特殊设计的阀组使油缸活塞杆产生轴向伸缩运动，由此使主活塞同步运动，从而导致可变径稳定器的柱塞组作径向伸缩和锁位，通过改变钻具组合的力学特性来控制井斜角。
AIC用于水平井水平段和定向井稳斜段的井斜控制。下井前只要把AIC的角度整定机构调至标定井斜值，即可在井下把实钻井斜值自动控制在标定值的领域以内，而不需要配备测斜仪器，所钻的实钻轨迹就是一条沿设计轨迹上下小幅度变化的波浪线，非常接近设计轨迹。
可以看出，AIC实现了钻井过程中对设定目标（即标定井斜角）的井下闭环自动控制，可在钻进中省掉SST和MWD等测斜仪器，节省测量时间和大量费用。作为机液装置，AIC未采用任何电子元件，而且其液压系统油路与钻井液完全隔离，从而可保证该控制工具在井下工作的可靠性。
2.排量控制式变径稳定器
这是一种遥控变径稳定器。通过改变钻井泵排量，遥控改变井下变径稳定器的外径尺寸，从而实现造斜、降斜、稳斜等作业。其原理与结构特征为：主轴沿轴向开有数道环槽，上部连接凸轮轴，当排量为正常排量时，主轴处于上位，通过斜面与之接触的柱塞组复位内缩；当需要扩径时，调整钻井泵排量，由于节流嘴的作用产生压降，迫使主轴下行，在行程终了时锁定位置，主轴同时推动柱塞组外伸，达到稳定器扩径的目的。
3.Halliburton公司的自动闭环钻井系统
近年来，大位移井已成为国际上最有吸引力最先进的技术之一，在近海油田及复杂环境中可实现“海油陆采”，节省平台，大幅度降低钻井和油田开发成本等。而大位移井的井眼轨道控制难度远大于常规水平井，采用滑动钻进方式，会产生摩阻大和井眼清洗困难等问题。若在大位移井的大斜度稳斜段，采用可变径稳定器类井斜控制执行机构，在工艺上以转盘钻进为主，就可克服上述困难。
为此，Halliburton公司研制了多位变径稳定器HVGS，并已投入商业化使用。这种装置代表了目前旋转钻井轨道控制系统的水平和国外可变径稳定器的发展方向。
HVGS是一套先进的机电液一体化装置，主要由三个功能部件组成，即下部的动力段、上部的控制段和一个正脉冲发生器。下部的动力段为可径向伸出的稳定器翼片，由稳定器处环空内外压差启动，停泵时翼片缩进，开泵后翼片伸出。
与传统的机液可变径稳定器相比，HVGS具有以下特点：
(1)采用钻井液脉冲遥控技术、电子及液压技术调节稳定器外径，稳定器直径的位置数可根据需要选择；
(2) 扩大了稳定器的径向调整范围，215.9mm变径稳定器直径调节范围为184.2～215.9mm，钻井液通过稳定器的压力损失大约为517.1kPa；
(3)通过MWD向地面通报稳定器的工作状态，其控制指令是钻井液序列，示位指令是MWD发出的钻井液脉冲信号。
据文献报道，由HVGS组成的旋转导向系统已成功应用于英国北海Wytch Farm油田M-2、M-3和M-4大位移井的钻井施工中，其中在M-2井创造了1603m垂直深度下的水平位移6732m的世界纪录，M-3井的实钻结果更是打破了M-2井水平位移的世界纪录，证明这种系统在大位移井钻井作业中具有广阔应用前景［4］。
几点认识和建议
(1)井眼轨道自动闭环控制系统被认为是钻井技术的一场革命，是大位移井钻井必不可少的技术；而闭环控制工具是未来钻井工具的发展趋势，是机电液一体化的高技术产品，国内应统筹规划，组织力量进行技术攻关。
(2)旋转导向钻井系统是未来钻井发展的方向，要实现旋转导向，必须具有井下实时可控或地面可遥控的井下旋转导向工具。因此，井眼轨道控制系统执行机构应该采用可调稳定器类机构。可变径稳定器可克服可调结构弯角类导向工具滑动方式钻进的缺点，并且在旋转钻井期间精确地控制井斜；在需要同时控制井斜和方位时，可变径稳定器与井下钻井液马达一起使用，可实现旋转导向。
(3)可变径稳定器是水平井和大位移井井眼轨道控制技术的关键工具，其发展趋势是要求稳定器的直径调节范围大，钻井液通过稳定器的压力损失小。
(4)由于MWD等测斜仪器在我国尚未普及，开发机液型开环遥控、井下闭环自控变径稳定器，适合中国国情，可满足我国陆上石油钻井要求。同时由于开发周期短，工具成本较低，在井下工作可靠性高，因此值得研究发展。
(5)应开展井下机构设计学的研究［1］。研究井下各种控制信号的性质和相应执行机构的结构特征，将是今后井眼轨道控制系统研究中的重要课题。
刘英辉,生于1970年,1997年毕业于石油勘探开发科学研究院,获工学硕士学位,现为该院油气钻井工程专业博士研究生.地址:(100083)北京市学院路.电话:(010)62098338.
刘英辉（石油勘探开发科学研究院钻井所）
苏义脑（石油勘探开发科学研究院钻井所）
刘旭辉（江汉石油学院机械系）
参 考 文 献
［1］苏义脑.正在兴起的井下控制工程学.中国科学报，1995-03-20
［2］苏义脑,梁 涛.井眼轨道自动控制系统设计的几个问题.石油学报，1999，20(1)：67～72
［3］苏义脑.关于井眼轨道控制的新思考.石油学报，1993，14(4)：117～123
［4］Odell A C,Payne M L，Cocking D A.Application of a Highly Variable Gauge Stabilizer at Wytch Farm to Extend the ERD Envelope. SPE 30462 |
