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作者： 尚捷 賈建波 蔣荻楠 菅志軍 引言 旋轉導向鉆井系統（Rotary Steerable Drilling）是目前世界最先進、高效的石油定向鉆井工具，能夠在鉆具旋轉模式下實現三維復雜井眼軌跡的鉆進作業和控制；能夠實時接受地面控制指令，重新規劃和變更井眼軌跡，通過與隨鉆測井系統（MWD/LWD）掛接、配合，能夠進一步實現精確的地質導向功能。 COTAS（Cybernetic Oil-well Tracking Alignment System）系統是中海油田服務股份有限公司歷時4年自主研發的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為特征，具備優異的地層造斜能力、軌跡控制精度和完井井身質量，能夠實現井斜、方位的全自動閉環鎖定控制，并可通過統一的系統總線接口與SPOTE隨鉆測井系統無縫銜接。 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控制功能。為了能在實驗室測試和驗證功能性能，須對相關試驗方法進行專門研究，并設計實現專用測試設備。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，能夠利用三相測力儀精確測量工具所產生的導向力矢量。 系統工作原理 雙軸綜合標定系統的設計目的是解決COTAS工具測試中的兩個問題。其一，如何在試驗室模擬兩個角度變化；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（井斜角、工具高邊角）的變化。三相測力儀測量工具3個推靠臂輸出推力，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線方式發送至測試軟件。工作站中的測試軟件系統根據測量分力數據，自動計算合力矢量的幅值、相角；同時，讀取兩軸轉臺的感應同步器角度測量數值，作為工具姿態角基準。 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，并且易于實施靜平衡，使傾斜軸力矩大大減小。
圖2 雙軸精密轉臺外觀裝配圖 三相測力儀 三相測力儀技術指標如表2所列。
為增加測力儀在導向工具上的調整移動距離，并進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力技術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、無線路由器和無線USB網卡以及工控機組成。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 系統需采集兩個轉角、3個分力、3個液壓缸壓力、兩個姿態角的測量輸出值，處理計算合力矢量的大小和角度，并實時顯示和儲存，其中： 1) 兩個轉角 轉臺2軸的轉角，為圓形感應同步器，其輸出信號由RS232串口傳輸至工控機。 2) 3個分力和3個缸壓 推力傳感器和缸壓傳感器輸出模擬測量信號進行濾波放大處理，調理模擬信號再輸入NI-9205模塊進行A/D轉換，轉換后的數字信號輸入cRIO嵌入式處理系統。 3) 兩個姿態角 慣性測量模塊的輸出經RS232串口也進入cRIO嵌入式處理系統。 嵌入式處理系統與工控機間采用802.11g無線通信協議傳輸采集數據。工控機完成處理計算，實時顯示全部信息并進行儲存。
圖5 基于cRIO的嵌入式處理系統 傳感器濾波放大模塊對輸入信號差動放大，轉換為單邊信號，再濾波去除高頻噪聲。其放大倍數設計后為417.7倍。圖6為其電路原理圖和完成圖。
圖6 測力傳感器輸出濾波放大模塊 系統軟件要求能夠精確測量、檢驗和校正整個導向力控制機構和控制算法，圖7為軟件顯示與操作界面。實現的具體功能包括： 1) 導向力控制算法驗證； 2) 近鉆頭慣性測量模塊顯示、校正、標定； 3) 轉臺參數測量、顯示、對比； 4) 標定參數、實時控制參數、工程測量參數記錄； 5) 導向工具姿態數據以3D鉆頭姿態顯示。
圖7 測試系統軟件界面 系統應用與結論 應用雙軸綜合標定測試系統，在COTAS系統驗證過程中進行了大量測試試驗，試驗獲得： 1) COTAS工具液壓缸壓強/液壓力間擬合關系式； 2) 慣性測量模塊安裝誤差角標定修正參數矩陣； 3) 導向力矢量幅值、相位控制精度測試結論； 4) 高邊角自動補償功能驗證與效果測試結論。 綜上試驗中使用效果表明，該系統集兩軸精密轉臺和測力儀于一體，能夠精確地夾持旋轉導向工具模擬井斜和高邊角變化，并實時測量導向力矢量。可以實現對導向力控制機構和閉環反饋算法的測試和檢驗，也可用于對近鉆頭慣性測量模塊的標定。 系統為COTAS系統的研制工作提供了不可或缺的技術基礎和測試手段。此外，在未來的產業化過程中，仍將繼續提供必須的標定和檢驗功能服務。 |
