动态指向式旋转导向钻井技术代表当今世界钻井技术的最高水平,研究其控制系统的可靠性与安全性是保证导向钻井系统正常工作的关键。本文以自主研发的动态指向式旋转导向钻井工具原理样机为对象,采用基于解析模型的故障诊断方法对导向钻井系统实现在线实时故障诊断展开研究。主要研究内容如下:1.了解导向钻井技术国内外研究现状,分析各种故障诊断的工作原理,比较国内外导向钻井故障诊断方案,明确课题研究内容。2.介绍动态指向式旋转导向钻井工具整体结构及工作原理,优化原理样机硬件系统,实现测控系统与故障诊断系统并行工作;建立导向钻井工具系统模型;采用频域分析方法对导向钻井工具测控系统抗扰性能进行分析。3.分析导向钻井工具传感器常见故障类型,建立相应的故障数学模型;建立导向钻井工具的基于卡尔曼滤波的未知输入观测器,仿真验证观测器对导向钻井工具系统输出估计的准确性,并由观测器和导向钻井工具系统模型产生相应的残差。4.观测器与系统模型生成的残差采用加权平方和方法,实现导向钻井工具的故障检测,通过自适应阈值代替固定阈值,降低导向钻井工具故障诊断系统误诊率和漏诊率,通过仿真验证残差加权平方和与自适应阈值结合的故障检测方法有效性;分析和推导单传感器故障在残差中的传递特性,利用该特性通过阈值测试建立故障决策表,实现单故障分离;将Beard故障检测滤波器与未知输入观测器结合,使残差对传感器故障具有单一的故障方向,实现多故障分离。5.针对导向钻井工具两种工况,进行了原理样机模拟测试,分析在不同故障不同工况下故障诊断系统测试结果。结果表明:基于卡尔曼滤波的未知输入观测器故障诊断系统在导向钻井工具工作状态下可以实时在线进行故障诊断,当导向钻井工具发生故障时,故障诊断系统可以有效、快速进行故障检测,并依据故障决策表实现故障分离,判断故障发生的部位。由此导向钻井工具控制系统安全性显著提高,奠定了导向钻井工具控制系统的实用性基础。