指向式旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)角位置測量方法

張程光彭烈新馬 琰（.中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院，北京 006；.中國石油塔里木油田分公司，新疆庫爾勒 84000）

引用格式：張程光，彭烈新，馬琰.指向式旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)角位置測量方法［J］.石油鉆采工藝，2015，37（5）：1-4.

指向式旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)角位置測量方法

張程光1彭烈新1馬 琰2
（1.中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院，北京 102206；2.中國石油塔里木油田分公司，新疆庫爾勒 841000）

引用格式：張程光，彭烈新，馬琰.指向式旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)角位置測量方法［J］.石油鉆采工藝，2015，37（5）：1-4.

摘要：指向式旋轉(zhuǎn)導向工具在國內(nèi)的研究起步晚，許多技術(shù)環(huán)節(jié)還處于攻關階段。該系統(tǒng)鉆頭軸（或偏心軸）與鉆鋌的相對角位置測量是工具在導向過程中保持工具面相對大地穩(wěn)定的關鍵和前提，其精確度和實時性至關重要。在研究指向式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)工具結(jié)構(gòu)和工具面測量原理的基礎上，對利用旋轉(zhuǎn)變壓器的2種角位置測量方法——反正切法和鑒相法進行適用性對比分析，對2種算法進行了仿真，并優(yōu)選鑒相法開展實驗室平臺驗證。仿真及實驗結(jié)果證明，在電動機模擬井下轉(zhuǎn)動并受干擾的情況下，鑒相法比反正切法處理后的信號具有更強的穩(wěn)定性，能夠較好地實時跟蹤并高精度還原工具偏心軸相對于外部鉆鋌的轉(zhuǎn)動角度，為鉆頭軸工具面角的測量、導向控制以及整個工具的研制提供了基礎。

關鍵詞：旋轉(zhuǎn)導向鉆井；指向式；旋轉(zhuǎn)變壓器；角位置測量

旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術(shù)是20世紀90年代發(fā)展起來的一項尖端自動化鉆井新技術(shù)，它能夠在鉆柱旋轉(zhuǎn)鉆進時進行井眼軌道連續(xù)和實時導向［1］。與傳統(tǒng)的滑動導向鉆井相比，旋轉(zhuǎn)導向鉆井由于井眼凈化效果好、軌道控制精度高、位移延伸能力強，在海洋油氣資源勘探開發(fā)，以及在陸上復雜油氣藏超深井、高難度定向井、叢式井、大位移水平井等特殊工藝井中得到了廣泛應用，目前已成為一項主流技術(shù)［1-2］。

近年來，國際上陸續(xù)推出了推靠式、指向式以及復合式的旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具，并掌握了該項技術(shù)的工程應用和商業(yè)化服務市場，取得了明顯的經(jīng)濟效益［3-4］。從旋轉(zhuǎn)導向工具的發(fā)展和應用效果情況看，指向式和復合式工具種類約占目前商業(yè)化工具的70%，相比較推靠式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)，它不過于依賴于與井壁的接觸，不易受地層巖性影響，名義造斜率能達到15~17（o）/30 m（PowerDrive Archer和AutoTrak Curve），能適應更惡劣的井下工作環(huán)境，因此可視為未來旋轉(zhuǎn)導向工具的發(fā)展方向［5-8］。

國內(nèi)從90年代開始關注旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術(shù)的發(fā)展和進行理論研究，2000年開始進行推靠式樣機研制，目前中國海洋石油公司、勝利油田鉆井院、中石油川慶鉆探等研究單位已開展現(xiàn)場試驗［9］。而對于指向式旋轉(zhuǎn)導向工具，國內(nèi)雖進行過一些系統(tǒng)性的理論研究［10-12］，但由于基礎工業(yè)等限制，基本上沒有進行整體研制，以系統(tǒng)測量與控制為代表的多項關鍵技術(shù)還處于攻關階段。同時，由于國外技術(shù)封鎖，國內(nèi)自主研發(fā)可借鑒經(jīng)驗較少，只能在系統(tǒng)工作原理分析的基礎上，參考或集成已在其他領域驗證過的可靠技術(shù)，開展一系列基礎性的室內(nèi)實驗研究，形成一套具備在實鉆過程中獲取較高動態(tài)測量精度的角位置測量方法，以滿足指向式旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)對測量儀器的要求。

1　 指向式旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)工作原理及角位置測量

指向式旋轉(zhuǎn)導向工具的導向方式類似于傳統(tǒng)的彎殼體導向螺桿鉆具。不同的是，在鉆鋌的內(nèi)部由伺服電動機通過減速器帶動內(nèi)部偏心軸轉(zhuǎn)動［13］，使鉆頭軸與鉆鋌軸線形成一固定的傾角（圖1）。在導向鉆進時，鉆頭和鉆鋌正向旋轉(zhuǎn)，鉆頭軸和偏心軸被驅(qū)動以相同的速度反向旋轉(zhuǎn)，使鉆頭相對于鉆鋌的固定傾角指向一個預定的方位，保持工具面穩(wěn)定，達到增斜或降斜破巖的目的，工具最大造斜率8（o）/30 m。穩(wěn)斜時，鉆頭與偏心裝置間形成轉(zhuǎn)速差，使得鉆頭與鉆鋌的固定傾角相對于井眼以一定的速度旋轉(zhuǎn)，總體效果是鉆了一段井徑略微擴大的直井段。

圖1　 指向式旋轉(zhuǎn)導向工具結(jié)構(gòu)

從以上工作原理不難看出，指向式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)工作的基礎是對鉆頭軸工具面角的測量和控制。在地磁場環(huán)境下通過建模分析（圖2），磁工具面角λ可由以下公式計算

λ=θH-θR-θC（1）

其中 θH=arctan（-Hy/Hz）式中，θH為鉆鋌基準位置（磁力計y軸方向）到地磁場在鉆鋌橫截面上投影H*方向的轉(zhuǎn)角（圖中紅色），°；θR為鉆鋌基準位置到鉆頭軸指向方向（工具面方向）的轉(zhuǎn)角（圖中藍色），°；θC為校驗角，與當?shù)氐拇艃A角、磁偏角有關，°；Hy、Hz為磁力計y軸、z軸測量分量，t。

圖2　 工具面角計算模型

可見，θR的獲取是計算工具面角的關鍵，也是指向式旋轉(zhuǎn)導向工具測量與控制部分的關鍵環(huán)節(jié)。需對現(xiàn)有角位置測量方法進行優(yōu)缺點比較，得出最適合的測量方法。

電動機的定子安裝于鉆鋌本體，轉(zhuǎn)子驅(qū)動偏心軸和鉆頭軸旋轉(zhuǎn)，因此θR可視為電機轉(zhuǎn)子相對于定子的角位置。目前用來檢測該類角度的方式按傳感器原理的不同主要可以分為磁電式，光電式和感應電機式3類。前2種測量方式算法和處理電路簡單直觀，但精度不高，傳感器制作工藝復雜，抗干擾性差，不宜應用在條件惡劣的場合中。感應電機式角位移測量技術(shù)以旋轉(zhuǎn)變壓器為代表，內(nèi)部沒有任何電子元件，只有定轉(zhuǎn)子繞組，原理上相當于一個可以轉(zhuǎn)動的變壓器，將轉(zhuǎn)子的角位置信息轉(zhuǎn)換為相應的電信號，結(jié)構(gòu)上相當于一個兩極兩相繞組式異步電動機，結(jié)構(gòu)簡單，堅固耐用，受振動、溫度、油污等影響較小，性能穩(wěn)定，較適合在井下環(huán)境使用。

2　旋轉(zhuǎn)變壓器的角位置測量算法

2.1 反正切法

假定旋轉(zhuǎn)變壓器定子激勵線圈的輸入信號為cos（ω1t+φ1），轉(zhuǎn)子與定子間的夾角為α，則其兩路正交的輸出線圈信號分別為A1cosαcos（ω1t+φ1）和A2sinαcos（ω1t+φ1），其中A1和A2為兩組線圈的耦合系數(shù)。又經(jīng)過前置電路變換為

Y1=U1cosαcos（ω1t+φ1）（2）

Y2=U2sinαcos（ω1t+φ1）（3）

兩式相除，得到

Y=（U2/U1）tanα （4）

在理想狀態(tài)下，旋轉(zhuǎn)變壓器2個輸出繞組位置正交，參數(shù)一致，輸出信號前置電路參數(shù)也完全一致，則有U2=U1，于是得到角位置α。

反正切算法計算較為簡單，不需要專門的芯片，使用一般單片機即可實現(xiàn)。但要求兩路輸出線圈的嚴格正交，兩路輸出信號的前置電路一致性好，否則，將產(chǎn)生較大誤差，而且在轉(zhuǎn)子位置90°，270°附近時，微小的轉(zhuǎn)子角度變化會導致較大的正切值的變化，降低了角度測量的精度，需要換算成正弦來計算角度，從而增加了算法的復雜度。

2.2 鑒相法

將Y1、Y2兩路信號分別與cosθ、sinθ相乘，得

Y1′=U1cosαcos（ω1t+φ1）sinθ （5）Y2′=U2sinαcos（ω1t+φ1）cosθ （6）

進入差分放大器后的輸出信號為

Y= Y1′ – Y2′=U1sin（θ–α）cos（ω1t+φ1）（7）

該信號經(jīng)過解調(diào)，得到誤差信號sin（θ–α），用于控制壓控振蕩器VCO產(chǎn)生數(shù)字θ，當sin（θ–α）趨于0時的θ角就是旋轉(zhuǎn)變壓器的位置角。閉環(huán)算法系統(tǒng)通過自動調(diào)整，將總使θ–α趨于0。該算法具有精度高，對兩路信號的參數(shù)不一致、不敏感（相對反正切法）的優(yōu)點，但算法復雜，需要專用芯片來計算。

圖3　 鑒相法算法框圖

3　仿真驗證

為比較算法的優(yōu)缺點，分別使用理想調(diào)制信號和帶有高斯白噪聲的調(diào)制信號對2種算法進行仿真。圖4是采樣率為200 K的角度信號，經(jīng)過頻率為10 K的載波信號轉(zhuǎn)化為兩路正交的調(diào)制信號，分別經(jīng)過反正切算法和鑒相法計算，得到角度信號見圖5；在調(diào)制信號中疊加高斯白噪聲，再經(jīng)過反正切算法和鑒相法計算，得到的角度信號見圖6。

可以看出，在理想情況下，調(diào)制信號沒有畸變，也沒有受到干擾，使用反正切算法算出的角度與旋轉(zhuǎn)變壓器的角度完全吻合，而鑒相法相對原始角度有1個延遲，這是由于圖3中的積分器造成的，從圖中可以看出，其延遲不大于0.2 ms，該延遲對于井下環(huán)境中的工程參數(shù)測量及應用完全可以接受。在受干擾情況下，鑒相法解調(diào)后的角度與理想情況相比基本無變化，而使用反正切法解調(diào)的角度誤差很大，因此鑒相法比反正切法抗干擾能力更強。

圖4　 旋轉(zhuǎn)變壓器角度

圖5　 使用反正切法和鑒相法解調(diào)理想調(diào)制信號角度

圖6　 使用反正切法和鑒相法解調(diào)疊加噪聲的調(diào)制信號角度

4　實驗結(jié)果

利用指向式旋轉(zhuǎn)導向模擬臺架（圖7）對鑒相法算法下的工具角位置測量進行驗證。實驗臺架利用電機模擬鉆鋌驅(qū)動整個裝置旋轉(zhuǎn)，鉆頭軸中的小電機驅(qū)動鉆頭軸朝相反方向旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)模擬井下工作狀態(tài)（穩(wěn)斜、增斜）。與鉆頭軸相連的減速器上裝有旋轉(zhuǎn)變壓器，通過處理電路測量鉆鋌相對鉆頭軸的角位置。設置小電機約以100 r/s的轉(zhuǎn)速勻速轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號（圖8）進入測量電路，利用鑒相法計算出角位置和鉆頭轉(zhuǎn)動速度。測量數(shù)據(jù)見圖9。

從旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號（圖8）看出，由于電機的運行，信號存在較強的噪聲干擾。圖9中的第1路數(shù)據(jù)為角度測量數(shù)據(jù)，呈周期性的鋸齒波狀，表明控制電機勻速轉(zhuǎn)動；將角度測量數(shù)據(jù)進行SIN運算，進一步驗證了電機的勻速轉(zhuǎn)動（圖9第2路數(shù)據(jù)）。第3路是電機的轉(zhuǎn)動速率，測量結(jié)果與設置的轉(zhuǎn)速吻合。整個實驗表明了在電機模擬鉆鋌勻速轉(zhuǎn)動條件下，旋轉(zhuǎn)變壓器測量角度正確，電路設計合理，所選取的鑒相算法適用于指向式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)角位置測量，抗干擾能力強。

圖7　 模擬實驗臺架

圖8　 旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號

圖9　 測量電路的輸出數(shù)據(jù)

5　結(jié)論

（1）國內(nèi)對指向式、混合式旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)的自主研制還處于理論研究和關鍵技術(shù)攻關階段。

（2）指向式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)工作的基礎是對鉆頭軸工具面角的測量和控制，而由數(shù)學建模分析可知工具面角的計算關鍵是對旋轉(zhuǎn)變壓器測量角度的處理。仿真結(jié)果證明，在理想情況下，旋轉(zhuǎn)變壓器反正切法算出的角度與原始角度完全吻合，而鑒相法由于積分會產(chǎn)生一個延遲，該延遲產(chǎn)生影響在系統(tǒng)工作中可以忽略；在干擾情況下，鑒相法比反正切法處理后的信號具有更強的穩(wěn)定性。

（3）實驗室模擬臺架測試對電氣設計的參數(shù)和算法能起到了驗證作用。結(jié)果證明，在電動機模擬井下轉(zhuǎn)速和干擾的情況下，鑒相法較好地跟蹤和還原了工具角位置變化情況，精度高、具有較好的工程實用性，為旋轉(zhuǎn)導向工具的控制提供了基礎。

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（修改稿收到日期 2015-08-31）

〔編輯 薛改珍〕

Angular position measurement method for directional rotary steerable drilling system

ZHANG Chengguang1, PENG Liexin1, MA Yan2
（1. CNPC Drilling Research Institute, Beijing 102206, China; 2. CNPC Tarim Oilfield 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 method and phase discrimination method, which are two kinds of angular position measurement methods using resolver. Two corresponding algorithms are simulated and confirmatory tests are carried out for phase discrimination method in lab. The simulation and test results prove that, in the case of simulated downhole motor rotation and interference, phase discrimination method has higher stability in signals treated by arctangent method, 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

作者簡介：張程光，1983年生。2008年畢業(yè)于北京理工大學自動化專業(yè)，獲碩士學位，現(xiàn)主要從事井下隨鉆測量與控制工具研究，鉆井工程師。電話：010-59982670。E-mail：zcgdri@cnpc.com.cn。

基金項目：中國石油天然氣集團公司重大科技專項“重大工程關鍵技術(shù)裝備研究與應用”（編號：2013E-3801）。

doi:10.13639/j.odpt.2015.05.001

文章編號：1000 – 7393（2015）05 – 0001 – 04

文獻標識碼：A

中圖分類號：TE21