旋轉導向推靠控制系統研發及實驗

米金泰， 王章波， 張 衛， 朱祖揚

(1.中國石化石油工程技術研究院，北京 100101；2.中船航海科技有限責任公司，北京 100070)

近年來，旋轉導向工具越來越廣泛的應用在定向井鉆井作業中[1]，并且需求量越來越大，在西南某些頁巖氣區塊甚至出現了井等工具的情況。目前在中國市場上提供旋轉導向工具鉆井服務的公司主要有國外的斯倫貝謝和貝克休斯等[2-3]，其工具售價貴、服務日費高，在風險高的區塊還可能拒絕提供服務，因此，中國各油公司、科研機構、油服企業都在加緊旋轉導向工具的研發。

目前，中海油服研制的推靠式旋轉導向工具目前最接近商業化，現在已經用于中海油海上鉆井作業；中石油川慶鉆井院研制的推靠式旋轉導向工具于2019年上半年實鉆成功[4]；其余單位研制的旋轉導向工具仍處于實驗階段。據了解，中國旋轉導向工具在井下實驗、實鉆過程中，受到高溫、高壓、振動等的影響[5-7]，其推靠機構有時會出現推靠力不足、翼肋伸縮失控等問題，直接影響定向鉆井，并且這些問題至今還未得到徹底解決。

旋轉導向工具的推靠機構是一套復雜的機電液系統[8]，任何一個環節出現故障都可能引起上述問題。為了解決上述問題，旋轉導向工具的研發分成了不同的階段，在各階段均對推靠機構或其組成部分進行測試，測試合格后才進行下一步研發。首先，研制推靠機構的控制系統(包括單總線電路、非接觸傳輸單元、液壓單元、主控電路及測量單元等)及機械結構，并對控制系統進行實驗室測試，驗證控制系統的電能信號傳輸功能、推靠控制功能、耐高溫及抗振性能等；其次，裝配導向短節(包括推靠機構、上主軸、非旋轉套等)并進行地面測試，驗證推靠機構的抗振性能以及在高溫高壓環境中的密封能力、推靠功能等；最后，對旋轉導向工具進行整體裝配，調試成功后進行井下測試(模擬井測試、實鉆實驗等)，驗證推靠機構在井下作業時的可靠性。

為了對推靠機構的控制系統進行實驗室測試，并為后續地面測試、井下測試做準備，研發了一套旋轉導向推靠控制系統，并對其進行高溫、振動測試，驗證其推靠控制功能。

1 推靠控制系統設計

旋轉導向工具主要由導向短節、井下中控系統、地面系統等組成，定向鉆井作業時，井下中控將旋轉導向工具的姿態信息發送給地面，地面根據井下姿態信息分析是否、如何對當前鉆井軌跡進行調整，然后給井下中控發送指令，井下中控通過單總線將指令傳遞給推靠控制系統，推靠控制系統根據指令計算液壓單元中三個翼肋油缸需要達到的液壓力值并控制推靠機構產生足夠的推靠力，從而實現旋轉導向工具定向鉆井的閉環控制。

如圖1所示，單總線電路將接收的電能及指令傳遞給非接觸單元，由非接觸單元為液壓單元、測量單元和主控電路提供電能并將控制指令傳遞給主控電路，主控電路根據控制指令以及測量單元測量的參數計算液壓單元中三個翼肋油缸需要產生的液壓力值，然后通過控制液壓單元中的電機的轉速進而實現對液壓力的控制。

圖1 推靠控制系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of the pushing control system

1.1 單總線電路

推靠控制系統與井下中控之間通過一根導線傳遞電能和信號，并將旋轉導向工具外殼作為電能和信號的公共地，即采用單總線(1-wire bus)的傳輸方式。單總線結構簡單、傳輸穩定、數據可靠[9]。單總線電路的作用是用來接收井下中控傳送的信號，并將該信號解調輸出給主通信電路，同時對單總線輸入的電流濾波、整流，輸出+36 V直流電給主電壓變換電路；以及接收主通信電路的信號，調制后通過單總線傳送給井下中控。

單總線電路使用頻移鍵控(FSK)信號調制方式對信號進行編解碼[9]，發送信號時選擇f1和f2兩種頻率，并規定f1代表“1”，f2代表“0”，然后根據二進制信號源生成含有頻率f1和f2的載波信號；接收信號時單總線電路對收到的載波信號進行解調，將頻率值f1和f2還原成二進制信號，從而實現信號的雙向傳輸，如圖2所示。

圖2 載波信號與二進制信號之間的調質與解調Fig.2 Modulation and demodulation between carrier signal and binary signal

如圖3所示，單總線的電流進入單總線電路之后，經過濾波、整流，生成的+36 V直流電進入主電壓變換電路。同時，對單總線輸入的電流電容隔直，生成載波信號，然后由功率放大器對載波信號進行放大，之后用鎖相環CD4046對信號進行解調生成二進制信號，該二進制信號經過功率放大器放大后，使用施密特觸發反向器74LVC1G14對其進行反向整形處理，最終獲得較理想的高低電平二進制信號，傳輸給單片機。單片機對輸入的信號進行處理，然后通過RS485傳遞給主通信電路。

圖3 信號調制與解調原理Fig.3 Principles of signal modulation and demodulation

鎖相環CD4046的設計要滿足以下條件：鑒頻頻率設置為f1，鎖相環輸出高電平；對于頻率f2，鎖相環失鎖，輸出低電平；鎖相環的最大鑒頻帶寬大于f1-f2，并且壓控振蕩器(VOC)振蕩頻率包含f1和f2。當鎖相環輸入信號的頻率為f1時，輸出高電平，當頻率為f2時，輸出低電平，從而完成載波信號的解調。

單總線電路經由單總線給井下中控發送信號時，如圖3所示，單片機根據由主通信電路輸入的信息進行處理，生成不同脈寬的脈沖寬度調制(PWM)信號，該信號經電阻-電容(RC)濾波生成包含頻率f1和f2的載波信號，再由功率放大器對載波信號進行放大，最后輸出到單總線上。

1.2 非接觸單元

旋轉導向工具導向鉆井時，井下中控、單總線以及推靠控制系統中的單總線電路隨鉆頭旋轉；而推靠控制系統中的液壓單元、主控電路及測量單元則固定在導向短節的非旋轉套內部，隨非旋轉套以非常慢的轉速旋轉(相對于鉆頭的旋轉速度，非旋轉套近似于不旋轉)。因此單總線電路與液壓單元、主控電路及測量單元之間存在相對轉動，在兩部分之間傳遞電能和信號時，需要利用非接觸傳輸技術[10]。

如圖1所示，非接觸單元由主電源電路、主電壓變換電路、主通信電路、次電源電路、次電壓變換電路、次通信電路以及磁機構組成。

主電壓變換電路與單總線電路相連，將單總線電路輸出的+36 V直流電轉變成±12 V和+5 V直流電，輸出給主電源電路、主通信電路和單總線電路。同時，將+36 V直流電輸出給主電源電路。

主電源電路利用LC振蕩電路產生頻率約為100 kHz的正弦波交流電，然后經功率放大器放大，進入磁機構的線圈中，利用電磁互感效應，將電能傳遞給次電源電路。次電源電路將磁機構線圈感應出的交流電進行濾波、整流，產生+36 V直流電，輸出給次電壓變換電路和液壓單元。

次電壓變換電路的作用是將+36 V直流電轉變成±12 V和+5 V直流電，輸出給次通信電路、主控電路、測量單元以及液壓單元。

信號的非接觸傳輸過程如圖4所示，主通信電路通過RS485接收單總線電路傳遞的數字信號，由D/A轉換芯片轉換成模擬信號，然后經功率放大器放大后，進入磁機構線圈。利用電磁感應原理，次通信電路會收到磁機構線圈中的模擬信號，模擬信號經濾波、功率放大之后，由A/D轉換芯片轉換成數字信號，通過RS485傳遞給主控電路。次通信電路給主通信電路傳遞信號的過程為上述逆過程。

圖4 信號傳輸過程Fig.4 Transmission process of signals

1.3 液壓單元

液壓單元包括液壓系統、電機驅動電路、壓力傳感器、霍爾傳感器等。液壓系統由電機、柱塞泵、節流閥、溢流閥、翼肋油缸、活塞等組成，翼肋油缸內的液壓力升高時，推動活塞，使翼肋伸出。液壓系統的工作原理是電機帶動柱塞泵轉動，驅使液壓油進入翼肋油缸，同時在液壓回路出口處安裝節流閥，提高翼肋油缸內部的液壓力。電機旋轉越快，翼肋油缸內液壓力就越大，因此通過控制電機轉速就可以控制翼肋油缸的輸出壓力。

電機驅動電路用于驅動電機旋轉，霍爾傳感器用于測量電機的實際轉速以便監測電機工作狀態是否正常，壓力傳感器用于測量翼肋油缸中的實際液壓力。

1.4 主控電路及測量單元

主控電路的主要功能有：與次通信電路通信收發系統指令，接收測量單元輸出的井斜角和翼肋的工具面角，計算液壓單元中各翼肋油缸中的液壓力，計算各電機轉速并輸出相應的PWM控制信號，采集液壓單元中各傳感器的測量數據(電機轉速、翼肋油缸中實際壓力)等。

測量單元主要包括采集運算電路和三軸加速度計(由三個加速度計組成)，其主要作用是根據三軸加速度計的測量值計算井斜角、翼肋的工具面角，然后將這些數據輸出給主控電路。

計算井斜角和工具面角需要測量坐標系中x、y、z軸方向上的分量。如圖5所示，在一個翼肋的下方(定義該翼肋為翼肋一，其余兩個翼肋沿順時針方向分別為翼肋二和翼肋三)安裝三個互相垂直的加速度計Gx、Gy和Gz，用于測量重力加速度在x、y、z軸方向上的分量。三個加速度計Gx、Gy和Gz分別沿x、y、z軸固定安裝在非旋轉套內部。x、y、z軸兩兩正交，x軸垂直于翼肋一平面且指向導向短節外法線方向，z軸沿翼肋軸線方向(翼肋與導向短節同軸)且指向鉆頭，y軸沿導向短節切向且正方向與x軸、z軸遵守右手法則。這樣就可以根據Gx、Gy和Gz測得的數據計算出井斜角、翼肋一處的工具面角[11-12]。

圖5 加速度計安裝方式Fig.5 Mounting way of the accelerometers

(1)

(2)

式中：α為井斜角；θ為翼肋一處的工具面角。翼肋二和翼肋三處的工具面角在翼肋一處工具面角的基礎上分別加上120°和240°即可得到，這樣就可以確定3個翼肋油缸的液壓力方向，通過改變3個翼肋油缸內液壓力的大小即可改變合力的大小和方向。

主控電路收到測量單元輸出的3個翼肋的工具面角之后，根據地面系統下傳的合力大小及方向，利用力矢量合成原理進行力分解計算，得到三個翼肋油缸中的液壓力的大小，然后根據液壓力-電機轉速-電機驅動電壓三者之間的關系生成PWM控制信號，再將PWM控制信號傳送給對應的電機驅動電路，由電機驅動電路驅動電機旋轉，進而控制翼肋油缸中的液壓力。

同時，主控電路根據液壓單元中霍爾、壓力傳感器反饋的電機實際轉速以及翼肋油缸中的實際液壓力對PWM控制信號進行實時調整，實現對各翼肋油缸中的液壓力的閉環控制。主控電路的控制原理圖如圖6所示。

圖6 主控電路原理圖Fig.6 Schematic diagram of the main-control circuit

2 推靠控制系統實驗

為了在實驗室驗證推靠控制系統的電能信號傳輸功能、推靠控制功能，同時測試系統的耐高溫及抗振性能，對研發的推靠控制系統進行了初步測試。

2.1 活塞推力測量

如圖7所示，使用固緯可調式開關直流電源SPD-3606為單總線電路提供+36 V直流電，電能通過非接觸單元傳遞給主控電路以及液壓單元。用電腦控制單總線電路發送指令，主控電路通過非接觸單元接收指令并生成、輸出PWM控制信號，控制電機旋轉。在活塞上方安裝推力傳感器，并用液晶顯示模塊顯示推力傳感器測量的推力值。

圖7 推靠控制系統實驗裝置Fig.7 Experimental device of the pushing control system

控制電機轉速由低變高，可得如圖8所示曲線。如圖8所示，活塞的推力隨電機轉速的加快而增大，因此，當翼肋油缸中的液壓力大于目標壓力值時，主控電路控制電機減速，而當翼肋油缸中的液壓力小于目標壓力時，主控電路控制電機增速，從而實現對翼肋油缸中液壓力的閉環控制。

圖8 電機轉速與活塞推力實驗曲線Fig.8 Experimental curve of motor speed and piston thrust

2.2 高溫、振動測試

將非接觸單元的磁體以及各電路板放入溫度試驗箱，控制溫度在120 ℃左右，保溫2 h。重復活塞推力測量實驗，活塞能正常推出。

振動測試分為兩部分。首先使用3g加速度(總均方根加速度,g為重力加速度)、隨機振動對各電路板進行測試，主要是為了檢查電路板有無虛焊。經一小時的振動測試后，各電路板仍能正常工作。然后將加速度設置為10g(總均方根加速度)，振動頻率范圍5～1 000 Hz，隨機振動。經30 min振動測試之后，各電路板仍能正常工作，未見異常。

3 結論

(1)設計了一套旋轉導向推靠控制系統，該系統能完成電能與信號的非接觸傳輸，控制翼肋伸縮。

(2)利用力矢量合成原理及測量單元輸出的三個翼肋的工具面角可以計算出各翼肋油缸內的目標液壓力，同時根據壓力傳感器測得的各翼肋油缸中的實際液壓力，可以實現對各翼肋油缸中液壓力的閉環控制。

(3)活塞的推力隨液壓單元中的電機的轉速增加而增大，利用該性質可以根據實際壓力與目標壓力之間的差值，對液壓力進行閉環控制。

該推靠控制系統需要進一步的實驗測試，并對其優化完善。例如對整個系統進行高溫及振動在線測試，建立測量單元實驗環境，優化力分解算法并驗證翼肋油缸液壓力的閉環控制等。這些將在后續的工作中進行。