指向式旋转导向钻井系统角位置测量方法.pdf

第 37 卷 第 5 期 2015 年 9 月 石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING 2. CNPC Tarim Oilfi eld Company, Korla 841000, China） Abstract The study of directional rotary steerable drilling tool started relatively late in our country and many key parts are still in research stage. The measurement of relative angular position of bit axis eccentric shaft and drill collar of the system is the key and prerequisite for drilling tool maintaining a relatively large stable tool face during steering, so its accuracy and instantaneity are very critical. Based on the research on tool structure and tool face measurement principle of directional rotary steerable drilling system, contrastive analysis was conducted to the applicability of arctangent and phase discrimination , which are two kinds of angular position measurement s using resolver. Two corresponding algorithms are simulated and confirmatory tests are carried out for phase discrimination in lab. The simulation and test results prove that, in the case of simulated downhole motor rotation and interference, phase discrimination has higher stability in signals treated by arctangent , and can track in real-time and reduce in high precision the rotation angle of tool eccentric shaft relative to drill collar, providing basis for tool face angle measurement, steering control and development of the entire tool. Key words rotary steerable drilling; directional; resolver; angular position measurement 基金项目中国石油天然气集团公司重大科技专项“重大工程关键技术装备研究与应用” （编号2013E-3801） 。 作者简介张程光， 1983 年生。2008 年毕业于北京理工大学自动化专业， 获硕士学位， 现主要从事井下随钻测量与控制工具研究， 钻井 工程师。电话010-59982670。E-mailzcgdri。 旋转导向钻井技术是 20 世纪 90 年代发展起来 的一项尖端自动化钻井新技术， 它能够在钻柱旋转 钻进时进行井眼轨道连续和实时导向［1］。与传统的 滑动导向钻井相比， 旋转导向钻井由于井眼净化效 果好、 轨道控制精度高、 位移延伸能力强， 在海洋油 气资源勘探开发， 以及在陆上复杂油气藏超深井、 高 难度定向井、 丛式井、 大位移水平井等特殊工艺井中 得到了广泛应用， 目前已成为一项主流技术［1-2］。 近年来， 国际上陆续推出了推靠式、 指向式以及 复合式的旋转导向钻井工具， 并掌握了该项技术的 工程应用和商业化服务市场， 取得了明显的经济效 益［3-4］。从旋转导向工具的发展和应用效果情况看， 石油钻采工艺 2015 年 9 月（第 37 卷） 第 5 期2 指向式和复合式工具种类约占目前商业化工具的 70， 相比较推靠式旋转导向系统， 它不过于依赖于 与井壁的接触， 不易受地层岩性影响， 名义造斜率能 达到 1517 （） /30 m（PowerDrive Archer 和 AutoTrak Curve） ， 能适应更恶劣的井下工作环境， 因此可视为 未来旋转导向工具的发展方向［5-8］。 国内从 90 年代开始关注旋转导向钻井技术的 发展和进行理论研究， 2000 年开始进行推靠式样机 研制， 目前中国海洋石油公司、 胜利油田钻井院、 中 石油川庆钻探等研究单位已开展现场试验［9］。而对 于指向式旋转导向工具， 国内虽进行过一些系统性 的理论研究［10-12］， 但由于基础工业等限制， 基本上没 有进行整体研制， 以系统测量与控制为代表的多项 关键技术还处于攻关阶段。同时， 由于国外技术封 锁， 国内自主研发可借鉴经验较少， 只能在系统工作 原理分析的基础上， 参考或集成已在其他领域验证 过的可靠技术， 开展一系列基础性的室内实验研究， 形成一套具备在实钻过程中获取较高动态测量精度 的角位置测量方法， 以满足指向式旋转导向钻井系 统对测量仪器的要求。 1 指向式旋转导向钻井系统工作原理及角位 置测量 指向式旋转导向工具的导向方式类似于传统的 弯壳体导向螺杆钻具。不同的是， 在钻铤的内部由 伺服电动机通过减速器带动内部偏心轴转动［13］， 使 钻头轴与钻铤轴线形成一固定的倾角（图 1） 。在导 向钻进时， 钻头和钻铤正向旋转， 钻头轴和偏心轴被 驱动以相同的速度反向旋转， 使钻头相对于钻铤的 固定倾角指向一个预定的方位， 保持工具面稳定， 达 到增斜或降斜破岩的目的， 工具最大造斜率8 （ ） /30 m。 稳斜时， 钻头与偏心装置间形成转速差， 使得钻头与 钻铤的固定倾角相对于井眼以一定的速度旋转， 总 体效果是钻了一段井径略微扩大的直井段。 图 1 指向式旋转导向工具结构 从以上工作原理不难看出， 指向式旋转导向系 统工作的基础是对钻头轴工具面角的测量和控制。 在地磁场环境下通过建模分析（图 2） ， 磁工具面角 λ 可由以下公式计算 λθH-θR-θC （1） 其中 θHarctan（-Hy/Hz） 式中，θH为钻铤基准位置（磁力计 y 轴方向）到地 磁场在钻铤横截面上投影 H* 方向的转角（图中红 色） ， ；θR为钻铤基准位置到钻头轴指向方向（工 具面方向） 的转角（图中蓝色） ， ；θC为校验角， 与 当地的磁倾角、 磁偏角有关， ；Hy、 Hz为磁力计 y 轴、 z 轴测量分量， t。 图 2 工具面角计算模型 可见， θR的获取是计算工具面角的关键， 也是指 向式旋转导向工具测量与控制部分的关键环节。需 对现有角位置测量方法进行优缺点比较， 得出最适 合的测量方法。 电动机的定子安装于钻铤本体， 转子驱动偏心 轴和钻头轴旋转， 因此 θR可视为电机转子相对于定 子的角位置。目前用来检测该类角度的方式按传感 器原理的不同主要可以分为磁电式， 光电式和感应 电机式 3 类。前 2 种测量方式算法和处理电路简单 直观， 但精度不高， 传感器制作工艺复杂， 抗干扰性 差， 不宜应用在条件恶劣的场合中。感应电机式角 位移测量技术以旋转变压器为代表， 内部没有任何 电子元件， 只有定转子绕组， 原理上相当于一个可以 转动的变压器， 将转子的角位置信息转换为相应的 电信号， 结构上相当于一个两极两相绕组式异步电 动机， 结构简单， 坚固耐用， 受振动、 温度、 油污等影 响较小， 性能稳定， 较适合在井下环境使用。 2 旋转变压器的角位置测量算法 2.1 反正切法 假定旋转变压器定子激励线圈的输入信号为 cos（ω1tφ1） ， 转子与定子间的夹角为α， 则其两路 正交的输出线圈信号分别为 A1cosαcos（ω1tφ1）和 A2sinαcos（ω1tφ1） ， 其中 A1和 A2为两组线圈的耦合 系数。又经过前置电路变换为 Y1U1cosαcos（ω1tφ1） （2） Y2U2sinαcos（ω1tφ1） （3） 两式相除， 得到 3张程光等指向式旋转导向钻井系统角位置测量方法 Y（U2/U1）tanα （4） 在理想状态下， 旋转变压器 2 个输出绕组位置 正交， 参数一致， 输出信号前置电路参数也完全一 致， 则有 U2U1， 于是得到角位置α。 反正切算法计算较为简单， 不需要专门的芯片， 使用一般单片机即可实现。但要求两路输出线圈的 严格正交， 两路输出信号的前置电路一致性好， 否 则， 将产生较大误差， 而且在转子位置 90 ， 270 附近 时， 微小的转子角度变化会导致较大的正切值的变 化， 降低了角度测量的精度， 需要换算成正弦来计算 角度， 从而增加了算法的复杂度。 2.2 鉴相法 将 Y1、 Y2两路信号分别与 cosθ、 sinθ相乘， 得 Y1U1cosαcos （ω1tφ1） sinθ （5） Y2U2sinαcos （ω1tφ1） cosθ （6） 进入差分放大器后的输出信号为 Y Y1 – Y2U1sin （θ–α） cos （ω1tφ1） （7） 该信号经过解调， 得到误差信号 sin（θ–α） ， 用于 控制压控振荡器 VCO 产生数字θ， 当 sin（θ–α） 趋于 0 时的θ角就是旋转变压器的位置角。闭环算法系 统通过自动调整， 将总使θ–α趋于 0。该算法具有 精度高， 对两路信号的参数不一致、 不敏感（相对反 正切法） 的优点， 但算法复杂， 需要专用芯片来计算。 图 3 鉴相法算法框图 3 仿真验证 为比较算法的优缺点， 分别使用理想调制信号 和带有高斯白噪声的调制信号对2种算法进行仿真。 图 4 是采样率为 200 K 的角度信号， 经过频率为 10 K 的载波信号转化为两路正交的调制信号， 分别经 过反正切算法和鉴相法计算， 得到角度信号见图 5； 在调制信号中叠加高斯白噪声， 再经过反正切算法 和鉴相法计算， 得到的角度信号见图 6。 可以看出， 在理想情况下， 调制信号没有畸变， 也没有受到干扰， 使用反正切算法算出的角度与旋 转变压器的角度完全吻合， 而鉴相法相对原始角度 有 1 个延迟， 这是由于图 3 中的积分器造成的， 从图 中可以看出， 其延迟不大于 0.2 ms， 该延迟对于井下 环境中的工程参数测量及应用完全可以接受。在受 干扰情况下， 鉴相法解调后的角度与理想情况相比 基本无变化， 而使用反正切法解调的角度误差很大， 因此鉴相法比反正切法抗干扰能力更强。 4 实验结果 利用指向式旋转导向模拟台架（图 7） 对鉴相法 算法下的工具角位置测量进行验证。实验台架利用 电机模拟钻铤驱动整个装置旋转， 钻头轴中的小电 机驱动钻头轴朝相反方向旋转， 实现模拟井下工作 状态（稳斜、 增斜） 。与钻头轴相连的减速器上装有 旋转变压器， 通过处理电路测量钻铤相对钻头轴的 角位置。设置小电机约以 100 r/s 的转速匀速转动， 旋转变压器的输出信号（图 8） 进入测量电路， 利用 鉴相法计算出角位置和钻头转动速度。测量数据见 图 9。 从旋转变压器的输出信号（图 8） 看出， 由于电 图 4 旋转变压器角度 图 5 使用反正切法和鉴相法解调理想调制信号角度 图 6 使用反正切法和鉴相法解调叠加噪声的调制信号角度 石油钻采工艺 2015 年 9 月（第 37 卷） 第 5 期4 机的运行， 信号存在较强的噪声干扰。图 9 中的第 1 路数据为角度测量数据， 呈周期性的锯齿波状， 表 明控制电机匀速转动；将角度测量数据进行 SIN 运 算， 进一步验证了电机的匀速转动 （图9第2路数据） 。 第 3 路是电机的转动速率， 测量结果与设置的转速 吻合。整个实验表明了在电机模拟钻铤匀速转动条 件下， 旋转变压器测量角度正确， 电路设计合理， 所 选取的鉴相算法适用于指向式旋转导向系统角位置 测量， 抗干扰能力强。 5 结论 （1） 国内对指向式、 混合式旋转导向钻井系统的 自主研制还处于理论研究和关键技术攻关阶段。 （2） 指向式旋转导向系统工作的基础是对钻头 轴工具面角的测量和控制， 而由数学建模分析可知 工具面角的计算关键是对旋转变压器测量角度的处 理。仿真结果证明， 在理想情况下， 旋转变压器反正 切法算出的角度与原始角度完全吻合， 而鉴相法由 于积分会产生一个延迟， 该延迟产生影响在系统工 作中可以忽略；在干扰情况下， 鉴相法比反正切法 处理后的信号具有更强的稳定性。 （3） 实验室模拟台架测试对电气设计的参数和 算法能起到了验证作用。结果证明， 在电动机模拟 井下转速和干扰的情况下， 鉴相法较好地跟踪和还 原了工具角位置变化情况， 精度高、 具有较好的工程 实用性， 为旋转导向工具的控制提供了基础。 参考文献 ［1］ YONEZAWA T, CARGILL E J, GAYNOR T M, et al. 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