旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具雙軸綜合標(biāo)定系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

引言
旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)（Rotary Steerable Drilling）是目前世界最先進(jìn)、高效的石油定向鉆井工具，能夠在鉆具旋轉(zhuǎn)模式下實(shí)現(xiàn)三維復(fù)雜井眼軌跡的鉆進(jìn)作業(yè)和控制；能夠?qū)崟r(shí)接受地面控制指令，重新規(guī)劃和變更井眼軌跡，通過(guò)與隨鉆測(cè)井系統(tǒng)（MWD/LWD）掛接、配合，能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)精確的地質(zhì)導(dǎo)向功能。

COTAS（Cybernetic Oil-well Tracking Alignment System）系統(tǒng)是中海油田服務(wù)股份有限公司歷時(shí)4年自主研發(fā)的RSD系統(tǒng)，以可靠的電機(jī)泵結(jié)構(gòu)和精準(zhǔn)的導(dǎo)向力矢量控制技術(shù)為特征，具備優(yōu)異的地層造斜能力、軌跡控制精度和完井井身質(zhì)量，能夠?qū)崿F(xiàn)井斜、方位的全自動(dòng)閉環(huán)鎖定控制，并可通過(guò)統(tǒng)一的系統(tǒng)總線接口與SPOTE隨鉆測(cè)井系統(tǒng)無(wú)縫銜接。

COTAS系統(tǒng)工作原理為推向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，具備工具高邊角測(cè)量和導(dǎo)向力矢量自動(dòng)控制功能。為了能在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和驗(yàn)證功能性能，須對(duì)相關(guān)試驗(yàn)方法進(jìn)行專門研究，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)專用測(cè)試設(shè)備。雙軸綜合標(biāo)定系統(tǒng)，能夠?yàn)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/標(biāo)定">標(biāo)定、測(cè)試近鉆頭慣性測(cè)量模塊提供井斜角和工具高邊角基準(zhǔn)；同時(shí)，能夠利用三相測(cè)力儀精確測(cè)量工具所產(chǎn)生的導(dǎo)向力矢量。

系統(tǒng)工作原理
雙軸綜合標(biāo)定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是解決COTAS工具測(cè)試中的兩個(gè)問(wèn)題。其一，如何在試驗(yàn)室模擬兩個(gè)角度變化；其二，如何精確測(cè)量導(dǎo)向力矢量的幅值和角度變化。為此設(shè)計(jì)了如圖1中的系統(tǒng)架構(gòu)。整套系統(tǒng)包括兩軸精密轉(zhuǎn)臺(tái)、三相測(cè)力儀、嵌入式處理系統(tǒng)和采集處理系統(tǒng)四大部分。

圖1 雙軸綜合標(biāo)定系統(tǒng)架構(gòu)圖

其中，兩軸轉(zhuǎn)臺(tái)加持被測(cè)試導(dǎo)向工具模擬姿態(tài)（井斜角、工具高邊角）的變化。三相測(cè)力儀測(cè)量工具3個(gè)推靠臂輸出推力，輸出給采集處理系統(tǒng)。嵌入式采集系統(tǒng)完成對(duì)測(cè)量信號(hào)的AD采集，將數(shù)字測(cè)量信號(hào)以無(wú)線方式發(fā)送至測(cè)試軟件。工作站中的測(cè)試軟件系統(tǒng)根據(jù)測(cè)量分力數(shù)據(jù)，自動(dòng)計(jì)算合力矢量的幅值、相角；同時(shí)，讀取兩軸轉(zhuǎn)臺(tái)的感應(yīng)同步器角度測(cè)量數(shù)值，作為工具姿態(tài)角基準(zhǔn)。

兩軸精密轉(zhuǎn)臺(tái)
系統(tǒng)中的雙軸精密轉(zhuǎn)臺(tái)性能指標(biāo)如表1所列。

由于導(dǎo)向工具不僅重量大，而且長(zhǎng)度達(dá)2m。如果裝夾在兩軸轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面上，傾斜軸力矩太大，所以須自行設(shè)計(jì)。在總體方案上，轉(zhuǎn)臺(tái)軸采用中空形式，將導(dǎo)向工具穿入后在轉(zhuǎn)臺(tái)前后兩端固定，降低了臺(tái)體的高度，并且易于實(shí)施靜平衡，使傾斜軸力矩大大減小。

圖2 雙軸精密轉(zhuǎn)臺(tái)外觀裝配圖

三相測(cè)力儀
三相測(cè)力儀技術(shù)指標(biāo)如表2所列。

為增加測(cè)力儀在導(dǎo)向工具上的調(diào)整移動(dòng)距離，并進(jìn)一步增強(qiáng)其剛度而設(shè)計(jì)了圖3中的圓錐形測(cè)力儀結(jié)構(gòu)。
其中測(cè)力傳感器采用中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院應(yīng)變式測(cè)力傳感器，測(cè)量精度為±0.05%FS。

圖3 三相測(cè)力儀結(jié)構(gòu)圖

信號(hào)采集系統(tǒng)
采集處理系統(tǒng)由測(cè)力傳感器的濾波放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、嵌入式處理系統(tǒng)、電源模塊、無(wú)線路由器和無(wú)線USB網(wǎng)卡以及工控機(jī)組成。性能指標(biāo)如表3，圖4為數(shù)據(jù)采集處理流程圖。

圖4 數(shù)據(jù)采集處理流程圖