旋轉導向工具雙軸綜合標定系統研究與設計

引言
旋轉導向鉆井系統（Rotary Steerable Drilling）是目前世界最先進(jìn)、高效的石油定向鉆井工具，能夠在鉆具旋轉模式下實(shí)現三維復雜井眼軌跡的鉆進(jìn)作業(yè)和控制；能夠實(shí)時(shí)接受地面控制指令，重新規劃和變更井眼軌跡，通過(guò)與隨鉆測井系統（MWD/LWD）掛接、配合，能夠進(jìn)一步實(shí)現精確的地質(zhì)導向功能。

COTAS（Cybernetic Oil-well Tracking Alignment System）系統是中海油田服務(wù)股份有限公司歷時(shí)4年自主研發(fā)的RSD系統，以可靠的電機泵結構和精準的導向力矢量控制技術(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，能夠實(shí)現井斜、方位的全自動(dòng)閉環(huán)鎖定控制，并可通過(guò)統一的系統總線(xiàn)接口與SPOTE隨鉆測井系統無(wú)縫銜接。

COTAS系統工作原理為推向式旋轉導向工具，具備工具高邊角測量和導向力矢量自動(dòng)控制功能。為了能在實(shí)驗室測試和驗證功能性能，須對相關(guān)試驗方法進(jìn)行專(zhuān)門(mén)研究，并設計實(shí)現專(zhuān)用測試設備。雙軸綜合標定系統，能夠為標定、測試近鉆頭慣性測量模塊提供井斜角和工具高邊角基準；同時(shí)，能夠利用三相測力儀精確測量工具所產(chǎn)生的導向力矢量。

系統工作原理
雙軸綜合標定系統的設計目的是解決COTAS工具測試中的兩個(gè)問(wèn)題。其一，如何在試驗室模擬兩個(gè)角度變化；其二，如何精確測量導向力矢量的幅值和角度變化。為此設計了如圖1中的系統架構。整套系統包括兩軸精密轉臺、三相測力儀、嵌入式處理系統和采集處理系統四大部分。

圖1 雙軸綜合標定系統架構圖

其中，兩軸轉臺加持被測試導向工具模擬姿態(tài)（井斜角、工具高邊角）的變化。三相測力儀測量工具3個(gè)推靠臂輸出推力，輸出給采集處理系統。嵌入式采集系統完成對測量信號的AD采集，將數字測量信號以無(wú)線(xiàn)方式發(fā)送至測試軟件。工作站中的測試軟件系統根據測量分力數據，自動(dòng)計算合力矢量的幅值、相角；同時(shí)，讀取兩軸轉臺的感應同步器角度測量數值，作為工具姿態(tài)角基準。

兩軸精密轉臺
系統中的雙軸精密轉臺性能指標如表1所列。

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

圖2 雙軸精密轉臺外觀(guān)裝配圖

三相測力儀
三相測力儀技術(shù)指標如表2所列。

為增加測力儀在導向工具上的調整移動(dòng)距離，并進(jìn)一步增強其剛度而設計了圖3中的圓錐形測力儀結構。
其中測力傳感器采用中國航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院應變式測力傳感器，測量精度為±0.05%FS。

圖3 三相測力儀結構圖

信號采集系統
采集處理系統由測力傳感器的濾波放大模塊、A/D轉換模塊、嵌入式處理系統、電源模塊、無(wú)線(xiàn)路由器和無(wú)線(xiàn)USB網(wǎng)卡以及工控機組成。性能指標如表3，圖4為數據采集處理流程圖。

圖4 數據采集處理流程圖