WDRSS-I型旋轉導向控制系統(tǒng)和執(zhí)行機構研究

李曉軍，王德國，江 波，穆總結，姜建勝

（1.中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，北京 102249；

2.中國石油西部鉆探鉆井工程技術研究院，新疆克拉瑪依 834000）①

WDRSS-I型旋轉導向控制系統(tǒng)和執(zhí)行機構研究

李曉軍1，2，王德國2，江 波2，穆總結1，2，姜建勝1

（1.中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，北京 102249；

2.中國石油西部鉆探鉆井工程技術研究院，新疆克拉瑪依 834000）①

導向控制系統(tǒng)和導向執(zhí)行機構是旋轉導向鉆井技術的關鍵。設計了靜止推靠式旋轉導向控制系統(tǒng)和執(zhí)行機構，分析了其工作原理和主要結構。室內試驗結果表明，該技術達到了預期目標。

導向控制系統(tǒng)；執(zhí)行機構；液壓模塊；導向肋板

1 工作原理和主要結構

1.1 工作原理

WDRSS-I型靜止推靠式旋轉導向控制系統(tǒng)和執(zhí)行機構全部安裝在1段不隨上部鉆柱旋轉的外筒上，如圖1所示。導向執(zhí)行機構由液壓模塊和導向肋板構成，其中液壓模塊是獨立的液壓系統(tǒng)，共有3個，周向均勻分布在不旋轉外筒上。控制系統(tǒng)控制不同的液壓模塊產生特定的壓力，液壓模塊上的活塞推動導向肋板推靠井壁。在摩擦力的作用下不旋轉外筒不隨鉆柱旋轉，同時，井壁的反作用力將對鉆頭產生1個側向力合力。通過控制3個液壓模塊的液壓力大小，即可控制合力的大小和方向，從而控制鉆井方向。當液壓模塊停止工作后，在其外部的導向肋板回收，將液壓模塊活塞壓回原位。

圖1 WDRSS-I型導向執(zhí)行機構的結構

1.2 導向控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)安裝在不旋轉外筒上，位于液壓模塊的左側。其組成部分和內部關系如圖2所示，由1塊主控電路板、1塊電源管理板和3塊電機驅動板構成。電源管理板接收旋轉導向系統(tǒng)分配的電能，經過變換、分配，分別為液壓模塊電機、液壓模塊傳感器、主控電路板和電機驅動板提供差異化的電能。主控電路板內部寫入旋轉導向控制力分配軟件和軌跡偏差矢量計算分析軟件，可根據(jù)外部輸入的井眼軌跡數(shù)據(jù)自動計算井眼軌跡的偏差情況，或根據(jù)地面發(fā)送的干預指令，編碼成相應的控制指令，并發(fā)送給3個電機驅動板。電機驅動板控制與其相對應的液壓模塊電機的轉速，進而控制3個液壓模塊產生不同的液壓力。3個液壓力合力形成特定方向和大小的推靠力。在此過程中，電機驅動板實時接收電機反饋信號和液壓模塊內部壓力傳感器的壓力信號，并將接收到的壓力和轉速信號通過CAN通訊發(fā)送給主控電路板。主控電路板根據(jù)反饋的壓力和轉速信息來驗證發(fā)出的指令是否得到正確的執(zhí)行，以及液壓模塊工作是否平穩(wěn)。

圖2 導向控制系統(tǒng)結構

1.3 導向執(zhí)行機構

1.3.1 液壓模塊

導向執(zhí)行機構由液壓模塊和導向肋板構成，液壓模塊是獨立于鉆柱內壓力和環(huán)空壓力的液壓體系。如圖3所示，液壓模塊內部設有電機、液壓泵、閥門組、傳感器、壓力補償系統(tǒng)、工作液缸等設備和結構。液壓模塊工作時，電機帶動液壓泵將液壓油泵入工作液缸，工作液缸內的閥門組使液壓油產生一定的壓力，帶壓液壓油推動活塞伸出，傳感器測得液缸內的工作壓力。

圖3 液壓模塊結構

由于井眼尺寸的限制，液壓模塊總體積很小。因此，液壓模塊的主要難點在于需要在有限的空間內將整個循環(huán)系統(tǒng)的液壓管路、電子設備、液壓執(zhí)行機構等合理布局，并且要保證液壓模塊的整體強度和密封能力；并且還要完成電機電源線、電機霍爾線、傳感器信號線的布置及液壓模塊外部測試孔的布置、液壓模塊與控制系統(tǒng)的線路連接與密封、壓力補償裝置的設計等；此外，液壓模塊在井下嚴苛的工作環(huán)境下（125～175℃的高溫、138 MPa的高壓、20 g的高強度振動等）對液壓模塊的性能提出了更高的要求。液壓模塊相對于旋轉導向的其他子系統(tǒng)或零件是結構最復雜、機電液一體化程度最高、易損件最多的結構，因此液壓模塊的性能和壽命直接決定整個旋轉導向系統(tǒng)的工作表現(xiàn)。

1.3.2 導向肋板

導向肋板結構如圖1所示，安裝在不旋轉外筒上，位于液壓模塊外側，作用是保護液壓模塊并直接推靠井壁，承受井壁的反作用力和摩擦力，其上含有自動回收裝置，在液壓模塊停止工作時肋板回收并將液壓模塊活塞壓回初始位置。由于導向肋板承受井壁的摩擦力，因此需要在其外側鑲嵌1組硬質合金塊，以保證導向肋板的抗磨能力和工作壽命。

2 室內聯(lián)調試驗

在完成WDRSS-I型導向控制系統(tǒng)和執(zhí)行機構的設計和加工任務后，在室內對其進行了聯(lián)合調試。室內聯(lián)調分2步：第1步進行控制系統(tǒng)和單個液壓模塊的調試，試驗的主要目的是測試液壓模塊的工作狀況、工作參數(shù)，檢測液壓模塊可能存在的問題；第2步進行控制系統(tǒng)和整個導向執(zhí)行機構的聯(lián)調，目的是測試控制系統(tǒng)、3個液壓模塊和導向肋板的聯(lián)動情況，檢測導向執(zhí)行機構是否能順利按照控制系統(tǒng)預設的推靠力指令動作。

2.1 控制系統(tǒng)和單個液壓模塊的室內聯(lián)調

2.1.1 單個液壓模塊的室內試驗方案

試驗方式如圖4所示，將液壓模塊引出的電機電源線、霍爾信號線、傳感器電源線和信號線接入控制系統(tǒng)中的電機驅動板上。將PC和主控電路板間用CAN盒連接，以便進行雙向通訊，通過PC控制并監(jiān)測液壓模塊工作情況。

圖4 液壓模塊試驗方案

通過以PC機為控制系統(tǒng)中的主控電路板指定某一轉速，主控電路板控制電機驅動板帶動液壓模塊中的電機旋轉，由于液壓模塊中的液壓泵為定量泵，因此在轉速一定的條件，泵排量隨即確定，在室內試驗過程中所有液壓模塊均使用統(tǒng)一的液壓油。因此，確定泵排量即可確定液壓模塊的工作壓力，在工作壓力和活塞截面積已知的情況下即可得到推靠力的大小。在試驗過程中可通過PC監(jiān)控界面實時監(jiān)測液壓模塊壓力值、電機轉速波動等反饋信息。

2.1.2 試驗參數(shù)

電機轉速3 000 r／min；試驗時間2 h；試驗介質為35＃航空液壓油；試驗環(huán)境：室內，常溫，空氣中。

2.1.3 試驗結果

液壓模塊開始工作時壓力為28 MPa，外部電源的電流為3.1 A，電機轉速波動為±10 r／min（如圖5所示），隨后液壓模塊壓力值和外部電源的電流值緩慢下降，液壓模塊的溫度緩慢上升，1 h后液壓模塊壓力降為21 MPa，電源電流降為1.5 A，液壓模塊溫度從20℃上升為80℃。之后壓力、電流、溫度均保持相對穩(wěn)定。

圖5 單個液壓模塊試驗結果統(tǒng)計

2.2 控制系統(tǒng)和導向執(zhí)行機構整體的室內聯(lián)調

在完成單個液壓模塊室內測試的基礎上，將控制系統(tǒng)、3個液壓模塊和導向肋板全部按圖1的方式組裝起來。然后連接PC機和控制系統(tǒng)中的主控電路板，通過PC機監(jiān)控液壓模塊的工作參數(shù)和狀況，同時觀察導向肋板的動作情況。

2.2.1 試驗方案

通過PC機給主控電路板發(fā)送推靠力合力指令，主控電路板接到指令后通過內置的導向力分配軟件計算出分配給3個液壓模塊的液壓力，然后向3個電機驅動板發(fā)送相應的指令。電機驅動板接到指令后控制對應的液壓模塊電機工作，電機帶動液壓泵加壓產生需要的壓力。

2.2.2 試驗結果

各液壓模塊可根據(jù)控制系統(tǒng)發(fā)出的指令流暢地工作，工作過程中3個液壓模塊的壓力分配準確合理，液壓模塊內部電機工作平穩(wěn)，測得的壓力值沒有大幅波動現(xiàn)象。隨著試驗時間的推移，當液壓力出現(xiàn)下降趨勢時，控制系統(tǒng)會自動增加電機轉速，提高液壓泵排量來維持預先分配的壓力值。在液壓模塊停止工作后，肋板回收順暢，完全達到預定的試驗效果。

3 結論

1） 聯(lián)調試驗在室內、常溫、空氣中進行，試驗結果表明，導向控制系統(tǒng)和執(zhí)行機構完全達到了預期的設計目標。

2） 為進一步檢驗導向控制系統(tǒng)和執(zhí)行機構的性能，接近井下實際工況，下一步將進行控制系統(tǒng)的高溫和振動試驗以及液壓模塊的高溫、高壓試驗。

3） 試驗過程中液壓模塊的壓力會隨著液壓油溫度的升高而下降，因此需要選擇對溫度不敏感的液壓油。

［1］ 趙金海，唐代緒，朱全塔，等.國外典型的旋轉導向鉆井系統(tǒng)［J］.國外油田工程，2002，18（11）：33-36.

［2］ 陳若銘，穆總結.?311垂直鉆井系統(tǒng)的研制［J］.石油鉆采工藝，2010，32（1）：31-33.

［3］ 艾才云，穆總結.?311mm垂直鉆井系統(tǒng)的工作原理與現(xiàn)場應用［J］.鉆采工藝，2010，33（3）：40-42.

［4］ Ai Cai yun，Mu Zong jie.?311 Automatic Vertical Drilling System［C］.／／Beijing：Technical Papers for 2010 CNPC International Wellbore Technology Seminar，2010：100-105.

Research of WDRSS-I-type Rotary Steering Control Systems and Actuators

This guide and the guide actuator control system is the key technology of rotary steerable drilling.This design pushes against the stationary rotary steering control systems and actuators，and analyzes its working principle and the main structure，and its indoor test，laboratory test results show that the technology to achieve the desired goals.

oriented control system；implementing agency；hydraulic module；guide ribs

TE921.2

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.09.012

2014-04-11

“十一五”國家科技重大專項“窄密度窗口安全鉆完井技術及裝備”之課題21-3“控壓鉆井技術、地層壓力預測與實時監(jiān)測技術現(xiàn)場試驗研究”（2008ZX05021-003）

李曉軍（1968-），男，甘肅武威人，博士研究生，高級工程師，主要從事鉆井機械及工藝研究。和執(zhí)行機構，本文對其進行探討。

1001-3482（2014）09-0044-04

隨著油田勘探開發(fā)難度的不斷加大，特別是針對油藏特性的大位移井、長距離水平井的數(shù)量逐漸增多，傳統(tǒng)的鉆井方式已經不能滿足油田開發(fā)的需求，利用旋轉導向鉆井技術進行油藏開發(fā)已經成為一種趨勢。旋轉導向鉆井系統(tǒng)一般由地面監(jiān)控系統(tǒng)、供電通訊系統(tǒng)、井下數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)、導向控制系統(tǒng)、導向執(zhí)行機構5大部分構成。其中導向控制系統(tǒng)和導向執(zhí)行機構密不可分，無論地面人工干預鉆進還是井下閉環(huán)鉆進都要靠二者的共同作用來完成，它們是一套機、電、液高度一體化的井下工具，結構復雜，工況復雜，承受的載荷復雜，其性能和壽命直接決定旋轉導向系統(tǒng)的優(yōu)劣，是旋轉導向鉆井系統(tǒng)最核心的部分。

旋轉導向鉆井工具的作用原理分為推靠式和指向式。推靠式導向執(zhí)行機構距離鉆頭較近，直接給鉆頭施加側向力，鉆頭在側向力的作用下側向切削地層進而改變井眼軌跡。推靠式旋轉導向工具根據(jù)其導向執(zhí)行機構是否與上部鉆柱同步旋轉，又可分為旋轉推靠式和靜止推靠式2類。指向式的導向執(zhí)行機構距離鉆頭較遠，可以使連接鉆頭的下部鉆柱或柔性桿彎曲，導致鉆頭朝向與井眼軸線產生1個傾角，鉆壓通過下部鉆柱或柔性桿直接加在鉆頭指向方向，進而完成導向作業(yè)。國內各研究機構普遍認為研制推靠式旋轉導向執(zhí)行機構較為容易取得技術突破［1-4］，西部鉆探工程公司鉆井工程技術研究院研制出WDRSS-I型靜止推靠式旋轉導向控制系統(tǒng)①