全球己进入能源紧缺时代,煤层气产业日益受到世界各国的重视。随着我国对煤层气产业支持力度日益增大,煤层气产业势必迎来跨越式发展。为了实现煤层气的科学开发与应用,越来越多的高新技术正应用于煤层气产业,其中,定向钻进技术是煤层气开采中应用得最广泛的一种技术。为了提高煤层气的产量,必须提高定向钻进过程和水平定向钻机的智能化水平。本文在研究和分析国内外水平定向钻机智能化水平的基础上,结合定向钻进工程的施工工艺特点,对定向钻进的智能化控向机理进行了研究,开发了定向钻进智能控向的离线编程系统,以水力纠偏钻具为例设计了钻具控制系统,初步实现了定向钻进时的智能控向。具体内容如下：本文利用MFC技术开发了离线编程系统,离线编程系统主要分为四个模块：设计轨迹读取模块、圆弧拟合模块、图形重绘模块、钻具控制程序生成模块。将轨迹CAD设计文件保存为DXF格式的文件。在轨迹读取模块中,实现了对DXF文件中的直线和圆弧等图形信息的提取、存储、优化和重绘等功能。在定向钻进设计轨迹中,造斜段通常用圆弧段来表示,但是在实际钻进工程中,由于钻杆材料的限制,钻杆只能承受微小的变形,故需要将设计轨迹中的圆弧段用若干直线段来拟合,将造斜段的变形平均分配给每一根钻杆,从而减小钻杆所承受的变形量。在圆弧拟合模块中,利用几何图形理论推导出圆弧拟合算法,求出了每一条拟合线段的起点坐标、终点坐标、拟合线段的井斜角和方位角,计算了拟合误差及在给定最大允许误差的条件下拟合直线的最大允许值。在定向钻进工程中,由于地下环境复杂恶劣导致钻头和钻杆受力不均衡,实际钻孔轨迹不可避免地会偏离设计轨迹,而且轨迹偏离方向和偏移量大小不确定。本文根据轨迹曲线的特性,计算出偏移量的可能最大值,从而计算出累计最大偏移量,确定了在允许最大偏移量H条件下的纠偏起始条件和纠偏轨迹,推导出造斜钻进的起始条件。在图形重绘模块中,将读取模块中提取的图形数据重绘在离线编程系统中,验证读取模块的正确性；将拟合后的图形数据进行重绘,对拟合前后的图形进行比较,验证拟合算法的正确性。在钻具控制程序生成模块中,以水力纠偏钻具为例,在分析钻具控制程序的总体流程、数据采集、处理及存储的流程、单片机A/D转换流程、串行通信流程、钻进模式选择流程、步进电机驱动与控制流程和上位机通信流程的基础上,结合已经生成的各个轨迹控制点的坐标值及方位角、井斜角和钻孔深度参数,生成了适用于水力纠偏钻具的控制程序。在钻具控制系统设计中,以水力纠偏钻具为例设计了硬件控制电路,包括单片机最小系统设计、水流压力检测模块设计、钻具状态检测模块设计(包括方位角、井斜角和钻孔深度的检测)、步进电机驱动与控制模块设计、串口通信模块设计及电源模块设计。在水力造斜钻进和水力纠偏钻进中,根据实际方位角与设计方位角的偏差值和实际井斜角与理论井斜角的偏差值确定射流象限,计算步进电机的旋转角度,驱动步进电机旋转一定的角度实现不同射流孔的导通,实现造斜钻进或纠偏钻进。综上所述,为了提高定向钻进工程的智能化水平,本文对智能控向机理进行了研究,开发了离线编程系统,设计了水力纠偏钻具控制系统,初步实现了定向钻进工程的智能控向。