旋转导向工具导向模块部件组成及原理研究 徐月庆
摘要：本文主要对旋转导向钻井工具研发的关键技术之一导向模块的研究情况作了简要介绍，并对目前导向模块的机械设计结构、供电、通讯、控制系统的工作原理、非接触供电部分的试验设计做了详细的说明，确定了存在的技术难点及下一步我们要主攻的研究方向。
关键词：旋转导向工具 导向模块 非接触供电 电磁感应 定向控制
前言
从20世纪80年代后期，在国际上开始研究旋转导向钻井技术，到90年代初期多家公司形成了商业化技术。国内大部分油田相继进入开发后期，新探区苛刻的油藏地质条件，复杂结构井的不断增多和国外石油公司的竞争压力，使国内很多钻井院所也都在进行这一类工具的研发，但都因为多种困难，没有形成商业化产品。我院为了大庆定向井、水平井钻井技术的需要，也进行了这一世界尖端项目的研究探索。
1、技术现状
闭环旋转导向钻井是当今世界领先的定向钻井技术，是定向井工具发展的热点方向。贝克休斯、哈利伯顿、斯伦贝谢等世界著名的三大石油公司都相继研制出了具有自主知识产权的旋转导向钻井工具，其主要工具如下表1所示。
表1 国外公司主要旋转导向工具
公司 工具名称 原 理
Baker Hughes Auto Trak 采用固定静态式偏置机构，可以选择性地改变液动伸缩块与井壁的径向接触。
Schlumberger Powerdrive 具有自我稳定的泥浆动力和密封控制单元，通过旋转稳定传感器同步调整井眼走向。
Halliburton Geo-pilot 下部驱动主轴可在壳体内偏转成一定角度，可对井斜和方位进行改变。
2、导向头设计结构
我院研制的旋转导向钻井工具由双向通讯系统、LWD测井系统以及导向系统三部分组成。导向系统是其主要执行机构，是能否实现定向自动控制的重要部件。我院研发的导向头设计结构，如图1所示。
图1 导向头结构设计图
导向头从结构上分为中轴和非旋转外套两大部分。中轴从导向套中间穿过与钻头连接，带动钻头与钻柱一起旋转，导向套与中轴之间镶有金刚石耐磨片，以保证相对转动时产生较小的磨损。三个可伸缩菱块布置在导向套中，由地面大控制闭环或地下小控制闭环控制其伸缩量以进行方位和井斜的控制。
3、导向头各部件组成与工作原理
导向头部分由初级电路模块、非接触供电及通讯模块、次级电路及近钻头井斜工具面测量模块、液压模块等组成。其中初级电路模块、非接触供电的内套部分和中心轴一起旋转，而非接触供电的外套部分、次级电路及近钻头井斜工具面测量模块、液压模块置于非旋转导向套中。
初级电路模块
包括信号解调电路、DC/AC电流转化电路、信号与能量载波调制电路。它用于接收上部泥浆发电机向下传递的电能及地面给出的命令信号、LWD测量系统给出的轨道方位信号并经过处理后输出。信号解调电路用于将信号从30V直流电路中分离出来。DC/AC电流转化电路将30V直流电变换为50Hz的交流电，再通过信号与能量载波调制电路与命令信号、轨道方位信号进行相应的调制，输出给非接触供电及通讯模块。
非接触供电及通讯模块
用于在初级及次级电路之间传递电能及信号。由于在中轴和非旋转外套之间存在相对转动，无法用导线进行信号及电能的传递，必须使用其他方法进行连接。其中就包括滑环连接及感应连接。滑环连接其耐磨性及可靠性较差，一旦在高温高压、中轴与导向套高速相对转动及钻头的剧烈震动条件下密封不严，就会受到钻井液的侵蚀，很难适应长时间的井下施工需要，因而国外最新的技术手段都是选用感应连接。但感应连接由于其存在气隙、以及铜损、铁损等相应的问题，难以达到较高的传递效率。而传递效率是液压系统造斜能力的关键，同时传递效率低也会引起电路发热量高，元件容易烧坏等问题。
信号与电能的共同传递还会带来信号调制和双向同步传输能量与信号的问题。信号调制的关键是如何进行优化调制以达到最小的错码率。双向同时传输的主要问题是在一条通路上如何进行下传150W交流电能的同时上传控制信号。这些方面都需要进行深入的理论研究及实验。经过调研试验，项目组已经确定了应用感应式非接触供电及信号传递技术在初级电路和次级电路之间传递的可行性。非接触供电及信号传递系统包括内套和外套，其设计结构如下：
1、内套从内向外依次是钢套、线圈、聚醚醚酮(PEEK)树脂密封绝缘套。
2、外套从内向外依次是聚醚醚酮(PEEK)树脂密封绝缘套、线圈、壳体。
通过实验及理论计算，感应式非接触供电传递方式可以达到50%以上的传递效率。而导向设备所需电能需要传递效率达到70%以上。而传递效率与交流电的频率、铁芯材料、线圈之间的距离、结构、缠绕方式、直径等都有较大的关系，需要进一步实验。实验方法如下：
根据已知电压、频率条件确定铁芯截面积、初级、次级线圈匝数、漆包线线径。
1）计算铁芯截面积
根据小功率电磁感应装置铁心截面计算的经验公式
S=1.25* （P为总功率）-----S的单位是平方厘米。
据此计算，要达到200VA容量，截面要到18平方厘米。
2）计算线圈匝数
根据法拉第电磁感应原理：
式中， E=有磁芯的电感绕组的感应电压（V）；
N=绕组匝数；
磁芯截面面积（）；
dB=磁芯磁通变化（高斯）；
dt=磁通变化时间（s）。
假设条件：输入电源初级电压220V，频率50Hz；铁芯具有最高达20000GS的饱和磁感应强度的硅钢片，确定工作时最大磁感应强度小于10000GS。
内套初级线圈最少匝数＝660匝
假设条件：次级线圈输出电压220V,有效输出电流1A。
外套次级线圈最少匝数=1.1*=726匝
根据经验公式：伏匝数=50/S
内套初级线圈最少匝数=伏匝数*220V=611
外套次级线圈最少匝数=1.1*=672
3）计算漆包线线径
线径过小、电阻率较大容易引起线圈温度过高而烧毁，而且铜损较大，影响传递效率，线径过大又无法在有限的空间内缠绕足够的匝数，所以首先要计算最小线径，再根据内套的高度，通过实验调整合适的线径。
根据电磁感应装置线径计算经验公式：导线直径d=求得
初级线圈导线最小直径d1=0.92毫米，次级线圈导线最小直径d2=0.8毫米。
以上计算是在没有气隙的情况下根据理论经验计算得到的，是否能够达到足够的输出功率还需要进行试验。此外，铁芯材料、线圈材料、工作频率、匝数比等因素都能影响传递效率，无法进行定量计算，需要用过大量试验进行验证。
铁芯材料选择
可选材料及其特性如下：
1）纯铁：具有较低的饱和磁感应强度，需要较多的线圈；
硅钢片：具有最高达20000GS的饱和磁感应强度，能够较少线圈缠绕圈数，适用于低频、大功率设备。分为冷轧取向硅钢、无取向硅钢、硅钢薄板等；
2）铁氧体：电阻率高、频率范围广，适用于小功率开关电源。
非接触供电及通讯系统的设计组成如图2所示。
次级电路及近钻头井斜测量模块
包括信息解调电路、下传命令计算及小闭环控制单元、近钻头井斜测量单元。通过这一模块将下传信息进行解调，并输入给控制单元，同时三个正交排列的重力加速度计对三个推靠菱块的即时位置进行测量，测量参数传递给控制单元，在控制单元内换算成推靠菱块相对于井眼高边的旋转角度，控制单元内设计采用C51单片机对这些参数与命令信号进行计算后给出每个推靠菱块所需施加的对井壁的推力大小。此外三轴重力加速度计对近钻头井斜的测量数据也要传送给控制单元，用于实现井下小闭环的控制。
导向头的控制模式包括钻进模式和推靠菱块收缩模式。在钻进的过程中，也分为两种模式，定向模式和保持模式。共有5个参数和这些模式配合使用。
定向模式和传统的定向系统的相似之处是它通过确定一个工具面和一个设定的狗腿度值进行施工。定向模式使用参数为定向方向和定向力。工具在井眼高边为参考方向的条件下，在给定的方向上应用给定大小的定向力。定向模式在打三维井时非常有用，也就是，在复合工具运转的时候除了工具面要维持均匀变化外，还要保持狗腿度不变。它没有一个目标井斜，只有持续的在特定方向上施加定向力，直到下传命令发生变化。
保持模式允许使用向上/下或向左/右的力来达到定向的目的。参数“造斜力”用于上、下垂直方向，参数扭方位力用在左、右水平方向。保持模式就是利用造斜力增降斜，从而达到预设目标井斜的目的，达到目标井斜后稳斜钻进。在遇到方位漂移的时候，需要用到持续的纠方位力进行方位校正。在保持模式中发现了方位漂移时，为了确保能够有效的钻达靶点，首先计算有效的定向方向，所需要的造斜和扭方位的力会由控制系统自动计算并设定好。当出现了造斜力和扭方位力的矢量和大于仪器能够提供的最大力的时候，在目标方向上使用最大力，因此造斜率和方位变化率减小，原始的目标方向保持不变。保持模式使用参数造斜力，纠方位力和目标井斜。
菱块收缩模式下推靠菱块能够被弹簧片压缩而关闭。菱块收缩模式没有参数，在起下钻、划眼时使用。
选择什么模式取决于设计的井身剖面，导向模式主要应用于三维水平井施工，例如增降井斜以及扭方位。保持模式是通过造斜力以一定的井眼曲率来达到目标井斜，保持模式通常用于二维剖面。无论使用哪种模式，目标都是使用最少的命令来钻成设计轨道。
定向控制流程如图3所示，下传命令计算及小闭环控制电路模块用于控制三个独立的定向菱块内的液压压力，来给定向单元持续的提供一个给定的矢量合力。通过预设的定向参数和定向单元的实际位置来计算矢量合力。矢量合力会随工具位置的变化而自动改变。定向参数可以通过下传命令来改变。一个主要控制器存储了定向参数如力、方向和目标井斜。这个主控制器需要ADC控制器提供井斜和工具面信息。根据定向参数和工具位置，三个液压控制菱块所需的目标压力被计算出来，送到马达控制器。目标压力会随时更新。马达控制器通过压力传感器的反馈闭环控制三个独立的电马达。根据主要控制器的要求，它会保持目标压力不变。每个马达使用一个专门的驱动电路。ADC控制器通过A/D转换器和三轴重力加速度计来测量计算近钻头井斜和工具面，并提供给主控制器。
（4）液压模块
通过液压来驱动3个推靠菱块从而使底部钻具组合产生一个弯曲力。理论上推靠菱块伸出所产生力的大小，在实践中通常与产生的狗腿严重度有线性关系。外力的方向与系统的重力高边有关。液压模块包括可控马达、液压缸及推靠菱块。每个菱块都有其相对独立的推靠菱块液压装置。三个推靠菱块液压装置是由控制单元中非旋转部分的次级电路控制的。一旦其中一个液压装置失灵，整个工具仍然可以被其他两个液压装置控制。
4、结论及展望
1）导向模块的设计需要充分考虑井下恶劣的工况可能对工具产生的影响。
2）为了能在导向头有限的空间内放置非接触供电模块、近钻头测量模块、闭环控制模块、液压模块，需要进行精密的结构设计。
3）旋转导向系统的研制需要电子、机械、控制、材料、液压、钻井、通讯等多方面的知识，本设计方法在实现过程中还有很多需要改进的地方，在细节设计上需要进行大量的实验及专家论证。
参考文献
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