旋转导向钻井系统稳定平台测试台架设计.pdf

一 36 一 石 油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 0年第 3 8卷第 1 1 期 ●设计计算 旋转导 向钻 井系统稳定平台测试 台架设计 孙 峰 陈 1 ．中国石, r b 大学 华东石油工程学院 威 王义峰 2 ．胜利石油管理局钻 井3 “- 艺研究院 摘要 为了验证旋转导向钻井系统稳定平 台在旋转状态下井斜测量及控制的准确性，设计 了 一 种能够改变空间姿态并且模拟钻铤转速 变化及扭矩载荷波动的测试 台架。该测试 台架通过机 、 电、液一体化设计，实现了全程 自动化控制。现场应用表明，该稳定平 台测试 台架结构设计合理 ， 强度足够 ，其功能满足 了稳定平台测试 的需要。 关键词 测试 台架 起竖摇摆机构模拟载荷 旋转导向钻井系统 0 引 言 要完成复杂井眼轨迹 ，尤其是真正实现井下闭 环控制，传统的钻井工具已不能满足要求 ，必须研 制更加灵活的全方位可调的旋转导向井下工具 ，其 核心是能在旋转状态下按控制指令动作改变作用在 钻头上的合力或改变钻具偏 心程度的稳定平台装 置。稳定平台装置实际上是一个测控单元 ，含有磁 通门、重力加速度计 、速率陀螺 、微处理器以及相 关的各种电路。它可以检测接收各种信号 ，通过一 定的算法计算得 出正确的数据 ，并发出指令操纵执 行机构完成各种动作 。 目前，国内大的石油公司及院所都对旋转导向 钻井系统投人了大量人力和资金 ，为了保证系统研 制成功 ，减少不必要的损失 ，有必要通过模拟井下 仪器的运动状态 ，来验证旋转导向钻井系统稳定平 台的各项参数是否满足性能指标。而研制稳定平台 测试试验台架就是为了模拟旋转导向钻井系统稳定 平台的井下工作状况而设计的地面专用测试系统。 当试验台架水平或竖直放置时 ，电动机带动稳定平 台模拟钻铤和涡轮 以指定转速旋转 ，测试系统可以 将稳定平台的转角、转 速，控制轴的转角 、转速 、 输出扭矩以及试验台架的倾角等参数经过测量 、处 理并存储。然后根据所得到的参数对其性能进行分 析 ，以便于验证稳定平台中算法是否正确，各个传 感器是否灵敏以及电路是否工作正常 ，从而及时发 现并改正稳定平台中存在的问题。 l 总体结构设计及特点 稳定平台安装在钻铤内部 ，其空间姿态随钻井 过程而产生变化，当井斜发生时 ，稳定平 台在不停 钻的情况下测量实时井斜 ，并判断井斜值是否超过 设定值以控制执行机构动作 。为了验证稳定平台在 旋转状态下井斜测量及控制的准确性 ，要求测试台 架能够改变空间姿态即井斜角，同时模拟钻铤旋转 并为稳定平台提供模拟载荷。 如图 1 所示 ，稳定平台测试台架 由动力模拟电 动机、转角测量装置 、负载装置 、液压摆缸 、铝制 图 l 测试 台架三 维模型 1 一动力模拟 电动机 ；2 一稳定平 台；3 一转 角测 量装置 ； 4 一负 载装嚣 ； 5 一 液压摆 缸 ； 6～ 铝制 桁架 ； 7 一稳定 平 台旋转 电动 机。 基金项目园家 “ 8 6 3 ”计划项目 “ 自 动垂直钻井技术” 2 0 0 5 A A 6 0 2 2 6 0 ；中国石油化工集团公司重大攻关项目 J P 0 5 0 1 1 。 2 0 1 0年第 3 8卷第 l 1 期 孙峰等 旋转导 向钻井 系统稳定平 台测试 台架设 计 桁架 、稳定平台旋转 电动机等组成。该测试台架 的 特征是 通过动力模拟电动机与稳定平台输入轴连 接 ，实现稳定平 台的动力输入 ；通过稳定平 台旋转 电动机带动稳定平台以一定的转速旋转 ；通过转角 测量装置和负载模拟装置，测量稳定平 台的转角 ， 并监测稳定平 台的控制指令 控制轴转角和转速 输出状态 ；通过 液压摆缸使 铝制桁架具 备在 0～ 1 2 0 。 内摆动或精确定位的功能 。 通过对测试台架的精确控制，不但能够模拟稳 定平台的井下工作状态 ，而且能够验证稳定平台是 否稳定 、准确地工作。 2 台架不导磁和起竖摇摆机构 的实现 稳定平台内部装有磁通门等敏感元件 ，要求其 附近 1 m范围内不能有磁性材料，台架采用了铝制 桁架 ，但仍不能使用液压臂等常规方式来实现测试 台架的起竖和摇摆。设计中通过使用骑马螺栓和设 计带平面的回转轴实现回转轴与测试台架的可靠连 接后，采用 了在台架底部安装液压摆动缸的方式来 解决这一问题 ，如图 2所示。这样 ，磁性设备离被 测稳定平 台内的敏感元件较远 ，不会产生大 的影 响。液压摆动缸的工作原理是通过液压推动齿条作 往返直线运动，带动齿轮做左右方向的旋转，并输 出转矩。理论计算测试台架起竖时底部的最大弯矩 为 2 0 k N m，设计选用的液压摆动缸最大可 以提 供 2 9 k Nm 的扭矩 。采用这 种结构使 设备很 简 洁，并大大降低 了设备对试验场地 的要求。 图2液压摆缸安装 图 3 转角和转速的精确测量 稳定平台和控制轴转速信号的测角元件均采用 空心轴装配式的增量式光电编码器 ，后续的信号处 理电路也基本一样 ，只是 2个编码器的外形尺寸和 轴孔尺寸不同。空心轴轴孑 L 外有锁紧顶丝 ，外径边 缘有簧片与测试台架固定 。 这种光电编码器旋转 1 周可以输出 5 0 0 0个脉 冲。为了满足测量精度的要求 ，在后续的测量电路 中设计了电子细分电路 ，使用单片机对编码器的输 出信号进行逻辑处理 ，得到 了四倍频 的脉冲信号。 经过 四倍频之后 的电路 ，分辨率均达到 0 ． 0 1 。 。平 台 和 涡 轮 的转 角 测 量 的设 计 精 度 均 可 以 达 到 0 ． 0 2。 。 单片机内部的计数器对细分之后 的脉冲信号进 行计数 ，以精确计算平台转过的角度。编码器具有 绝对 0位 ，平台或涡轮每正转或反转过 0 ，计数器 就要清 0 ，即计数器只计算平 台在 1圈内转过的角 度。利用此转角值 ，在一定的时问间隔内，可以计 算出平 台的转速值 。 4 驱动和模拟载荷的实现 如图 3所示 ，把负载电动机通过扭矩传感器与 控制轴连接后 ，负载电动机轴随着控制轴的转向而 转动 ，即负载电动机属于被拖动电动机。同时，为 了使控制轴在试验条件下转速稳定 ，转矩恒定 ，负 载电动机必须始终提供阻转矩 ，并且这个阻转矩的 方 向要随着涡轮转 向的改变而变化 ，也就是说负载 电动机始终处于发电机状态。 图 3 转 角测 量装 置 图 在控制轴正转的试验条件下 ，通过软件设定 的 方法向负载电动机的驱动器发出指令，使负载电动 机提供反向的电磁转矩 ；在控制轴反转的试验条件 下，通过软件设定的方法向负载电动机的驱动器发 出指令 ，使负载电动机提供正向的电磁转矩。也就 是说 ，通过手动设置的办法使负载电动机的加载转 矩方向始终与驱动转矩相反，如图 4所示。 控制轴 lⅣ 、 I I扭矩传感器 l f 』3 7 门负载电动机 控制轴 厂 I扭矩传感器 l } ，， ， 负载电动机 图4 控制轴与 负载 电动机转向设 置 石 油机械 2 0 1 0年第 3 8卷第 1 1期 为了消耗负载电动机的电能，没计吸收电阻网 络 ，能够保证负载电动机所输 出的电能被有效可靠 地吸收 这 样就 相 当 于发 电机 具 有 _ _r能 量 释放 回 路 ，保证使片 j 要求下电动机的可靠运行 。 5 人机交互软件设计 软件设计主要包括 2方面内容，即设备控制和 设备状态 永 ．． 设 备控制主要包括平 台驱动、平台动力模拟输 入 涡轮驱动 、模拟负载驱动和测 试台架转动。 设备状态显示主要是将平 台、涡轮 、盘 阀和驱动电 动机等设备的运行状况参数通过传感器采集 ，经过 适当处理后显示给操作者。以工控机作为硬件基础 ， 采』 { j 面向对象的语言 V B ． n e t 进行编程，实现了上述 功能。其r f 1 ，平台驱动 、涡轮驱动 、模拟 负载驱动 的控制及反馈信号 由] 二 控机通过串行端 口发送和接 收；经处理电路加丁的传感器信号由并 口发送至工 控机，旱明给操作者；测试台架转动控制信号也是 通过并 口来实现传输的。软件客户端增加 r 动画的 表现形式，并形成简洁、美观和大方的风格。 6现场 应用 通过 下抱紧装置将稳定平台安装到测试台架 L，其输入轴与动力模拟电动机相连 ，输 出轴与负 载装置相 连 。 测试台架模拟内容井斜 9 0 。 ，精度 0 ． 5 。 ， 方位反转 ，转速 0～ 3 0 0 r ／ rai n ，精度 1 r ／ rai n 稳定平台测试台架 自2 0 0 7年 1 0月起，进行了 3 0余次的稳定平台测试工作。测 试过程巾，测试 台架能够准确模拟井斜的产生和变化以及钻铤的转 速变化 ，使稳定平台的缺陷提前在地而试验环节得 以发现并改进 ，节约了大量试验经费。 7 结 论 1 现场应用表 明，稳 定平 台测 试台架结构 设计合理 ，强度足够 ；其功能满足了稳定平台的测 试需 要 。 2 测试 台 架通过 机 、电、液一 体化 设计 ， 实现了全程 自动化控制。 3 采用铝制桁架 ，为稳定平 台提供了所需的 无磁环境 ，转角、转速测量系统以及负载模拟系统 为观察稳定平台输 出提供 了精确输 出窗 口，人机交 互软件提供的井斜 、方位以及转速等参数的动态显 示更大大提高了控制的精确性以及操作的方便性。 参考文献 张绍愧 ，狄勤丰 ．用旋转导 向钻井系统钻 大位移井 [ J ]．石油学报，2 0 0 0 ，2 l 1 7 6 8 0 ． 苏义腑 ，窦修荣 ，王家进 ．旋转 导 向钻井 系统的功 能 、特性和典型结 构 J ] ．石 油钻采 工艺 ，2 0 0 3 ， 2 5 4 57 ． 杨剑锋 ，张绍槐 ．旋转导 向闭环钻井 系统[ J ]．石 油钻采工艺 ，2 0 0 3 ，2 5 1 l 一 5 ． 韩来聚 ，_ _E 瑞和，刘新华 ，等 ．调制式旋 转导 向钻 井系统稳定平 控制原理及性能分析 [ J ]．石油大 学学报 自然科学版 ，2 0 0 4 ，2 8 5 4 9 5 1 ，6 0 ． 肖什红 ，梁政 ．旋转 导向钻井技术 发展现状及展 望 [ J ]．石油机械，2 0 0 6 ，3 4 4 6 6 7 O ． 第一作者简介 孙峰 ， T 程师 ，生 于 1 9 7 5年 ，2 0 0 4 年毕1 『 【， 于中同石油大学 华 东 石油 工程学 院 ，获硕十学 位 ，现 从事井下] - 具及测量仪器研究T作。地址 2 5 7 0 1 7 ⋯东省东营市 。Em a i l s u n n y u p e y a h o o ． c o in ． e n 。 收稿 日期 2 0 1 0 0 6 0 3 本文编辑赵连禄 E E 蔓 E 蔓 蔓 昱 芒 气 芒 曼 E 蔓 蔓 芒 芒 蔓 E 蔓 气 蔓 文 芒 _I 上接第 1 0页 [ 4 ] N i a m n u y C ，D e v a h a s t i n S ． E f t e t S o t g e o m e t r y a n d o p e r a t i n g e o ml i t i o n s o n t h e mi x i ng be ha vi m o t a l l i nl i ne i m p i n g i n g s t r e a m mi x e r[ J j． C h e m i c a l E n g i n e e r i n g S c i e li t e，2 0 05，6 0 1 7 01一l 7 08 ． [ 5 ] 关晖 ，吴锤结 ，涂善 东 ． Y形 冲击射 流做混 合器 流场结构和分割强度的数值模拟 [ J ]．华东理 I 二 大 学学报 自然科学版 ，2 0 0 8 ，3 4 3 4 3 8 4 4 6 ． [ 6 ] 隋树元，王树t l 1 ．终点效应学 [ M]．北京围防 T业 f { { 版社 ，2 0 0 0 ． 1 7 j A l l i s o n I _1 E ，V i t a l i R ． A F l e W m e t h o d f e o m p u t i n g p e n e t r a t i o n v a r i a b l e s f o r s h a p e dc h a r g e j e t s[ R ]． B a l l i s t i c He s e m’c h L a b o r a t o D , R e p o ， N o ． 1 1 8 4， 1 9 6 3 ． 第一作者简介 孑 L 捡涛 ，副教授 ，生于 1 9 6 9年 ，2 0 0 7 年毕业于郑州大学工程热 物理 专业 ，获 T学博 十学位 ，现 从事流体流动、石油装备方向的研究_T作。地址 4 0 1 3 3 1 重庆市沙 坪 坝 区。 电话 0 2 3 6 5 0 2 3 7 4 4 。Em a i l k s t t o m ．corn 。 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 2 2 本文编辑南丽华 ]J] J] ] J I二 寸_