WDRSS-I型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)研究

李曉軍，王德國，江 波，穆總結(jié)，姜建勝

（1.中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249；

2.中國石油西部鉆探鉆井工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依 834000）①

WDRSS-I型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)研究

李曉軍1，2，王德國2，江 波2，穆總結(jié)1，2，姜建勝1

（1.中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249；

2.中國石油西部鉆探鉆井工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依 834000）①

導(dǎo)向控制系統(tǒng)和導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)了靜止推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，分析了其工作原理和主要結(jié)構(gòu)。室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

導(dǎo)向控制系統(tǒng)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)；液壓模塊；導(dǎo)向肋板

1 工作原理和主要結(jié)構(gòu)

1.1 工作原理

WDRSS-I型靜止推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)全部安裝在1段不隨上部鉆柱旋轉(zhuǎn)的外筒上，如圖1所示。導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)由液壓模塊和導(dǎo)向肋板構(gòu)成，其中液壓模塊是獨(dú)立的液壓系統(tǒng)，共有3個(gè)，周向均勻分布在不旋轉(zhuǎn)外筒上?？刂葡到y(tǒng)控制不同的液壓模塊產(chǎn)生特定的壓力，液壓模塊上的活塞推動(dòng)導(dǎo)向肋板推靠井壁。在摩擦力的作用下不旋轉(zhuǎn)外筒不隨鉆柱旋轉(zhuǎn)，同時(shí)，井壁的反作用力將對鉆頭產(chǎn)生1個(gè)側(cè)向力合力。通過控制3個(gè)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(dāng)液壓模塊停止工作后，在其外部的導(dǎo)向肋板回收，將液壓模塊活塞壓回原位。

圖1 WDRSS-I型導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

1.2 導(dǎo)向控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)安裝在不旋轉(zhuǎn)外筒上，位于液壓模塊的左側(cè)。其組成部分和內(nèi)部關(guān)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(jī)驅(qū)動(dòng)板構(gòu)成。電源管理板接收旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)分配的電能，經(jīng)過變換、分配，分別為液壓模塊電機(jī)、液壓模塊傳感器、主控電路板和電機(jī)驅(qū)動(dòng)板提供差異化的電能。主控電路板內(nèi)部寫入旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向控制力分配軟件和軌跡偏差矢量計(jì)算分析軟件，可根據(jù)外部輸入的井眼軌跡數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算井眼軌跡的偏差情況，或根據(jù)地面發(fā)送的干預(yù)指令，編碼成相應(yīng)的控制指令，并發(fā)送給3個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板。電機(jī)驅(qū)動(dòng)板控制與其相對應(yīng)的液壓模塊電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制3個(gè)液壓模塊產(chǎn)生不同的液壓力。3個(gè)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(jī)驅(qū)動(dòng)板實(shí)時(shí)接收電機(jī)反饋信號和液壓模塊內(nèi)部壓力傳感器的壓力信號，并將接收到的壓力和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速信息來驗(yàn)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(dǎo)向控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.3 導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)

1.3.1 液壓模塊

導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)由液壓模塊和導(dǎo)向肋板構(gòu)成，液壓模塊是獨(dú)立于鉆柱內(nèi)壓力和環(huán)空壓力的液壓體系。如圖3所示，液壓模塊內(nèi)部設(shè)有電機(jī)、液壓泵、閥門組、傳感器、壓力補(bǔ)償系統(tǒng)、工作液缸等設(shè)備和結(jié)構(gòu)。液壓模塊工作時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)液壓泵將液壓油泵入工作液缸，工作液缸內(nèi)的閥門組使液壓油產(chǎn)生一定的壓力，帶壓液壓油推動(dòng)活塞伸出，傳感器測得液缸內(nèi)的工作壓力。

圖3 液壓模塊結(jié)構(gòu)

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(diǎn)在于需要在有限的空間內(nèi)將整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)的液壓管路、電子設(shè)備、液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)等合理布局，并且要保證液壓模塊的整體強(qiáng)度和密封能力；并且還要完成電機(jī)電源線、電機(jī)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(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)等；此外，液壓模塊在井下嚴(yán)苛的工作環(huán)境下（125～175℃的高溫、138 MPa的高壓、20 g的高強(qiáng)度振動(dòng)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(zhuǎn)導(dǎo)向的其他子系統(tǒng)或零件是結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、機(jī)電液一體化程度最高、易損件最多的結(jié)構(gòu)，因此液壓模塊的性能和壽命直接決定整個(gè)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的工作表現(xiàn)。

1.3.2 導(dǎo)向肋板

導(dǎo)向肋板結(jié)構(gòu)如圖1所示，安裝在不旋轉(zhuǎn)外筒上，位于液壓模塊外側(cè)，作用是保護(hù)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(dòng)回收裝置，在液壓模塊停止工作時(shí)肋板回收并將液壓模塊活塞壓回初始位置。由于導(dǎo)向肋板承受井壁的摩擦力，因此需要在其外側(cè)鑲嵌1組硬質(zhì)合金塊，以保證導(dǎo)向肋板的抗磨能力和工作壽命。

2 室內(nèi)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)

在完成WDRSS-I型導(dǎo)向控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和加工任務(wù)后，在室內(nèi)對其進(jìn)行了聯(lián)合調(diào)試。室內(nèi)聯(lián)調(diào)分2步：第1步進(jìn)行控制系統(tǒng)和單個(gè)液壓模塊的調(diào)試，試驗(yàn)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(jìn)行控制系統(tǒng)和整個(gè)導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)的聯(lián)調(diào)，目的是測試控制系統(tǒng)、3個(gè)液壓模塊和導(dǎo)向肋板的聯(lián)動(dòng)情況，檢測導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否能順利按照控制系統(tǒng)預(yù)設(shè)的推靠力指令動(dòng)作。

2.1 控制系統(tǒng)和單個(gè)液壓模塊的室內(nèi)聯(lián)調(diào)

2.1.1 單個(gè)液壓模塊的室內(nèi)試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方式如圖4所示，將液壓模塊引出的電機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)板上。將PC和主控電路板間用CAN盒連接，以便進(jìn)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(yàn)方案

通過以PC機(jī)為控制系統(tǒng)中的主控電路板指定某一轉(zhuǎn)速，主控電路板控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)板帶動(dòng)液壓模塊中的電機(jī)旋轉(zhuǎn)，由于液壓模塊中的液壓泵為定量泵，因此在轉(zhuǎn)速一定的條件，泵排量隨即確定，在室內(nèi)試驗(yàn)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(yàn)過程中可通過PC監(jiān)控界面實(shí)時(shí)監(jiān)測液壓模塊壓力值、電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)等反饋信息。

2.1.2 試驗(yàn)參數(shù)

電機(jī)轉(zhuǎn)速3 000 r／min；試驗(yàn)時(shí)間2 h；試驗(yàn)介質(zhì)為35＃航空液壓油；試驗(yàn)環(huán)境：室內(nèi)，常溫，空氣中。

2.1.3 試驗(yàn)結(jié)果

液壓模塊開始工作時(shí)壓力為28 MPa，外部電源的電流為3.1 A，電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)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(gè)液壓模塊試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

2.2 控制系統(tǒng)和導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)整體的室內(nèi)聯(lián)調(diào)

在完成單個(gè)液壓模塊室內(nèi)測試的基礎(chǔ)上，將控制系統(tǒng)、3個(gè)液壓模塊和導(dǎo)向肋板全部按圖1的方式組裝起來。然后連接PC機(jī)和控制系統(tǒng)中的主控電路板，通過PC機(jī)監(jiān)控液壓模塊的工作參數(shù)和狀況，同時(shí)觀察導(dǎo)向肋板的動(dòng)作情況。

2.2.1 試驗(yàn)方案

通過PC機(jī)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(nèi)置的導(dǎo)向力分配軟件計(jì)算出分配給3個(gè)液壓模塊的液壓力，然后向3個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板發(fā)送相應(yīng)的指令。電機(jī)驅(qū)動(dòng)板接到指令后控制對應(yīng)的液壓模塊電機(jī)工作，電機(jī)帶動(dòng)液壓泵加壓產(chǎn)生需要的壓力。

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)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(gè)液壓模塊的壓力分配準(zhǔn)確合理，液壓模塊內(nèi)部電機(jī)工作平穩(wěn)，測得的壓力值沒有大幅波動(dòng)現(xiàn)象。隨著試驗(yàn)時(shí)間的推移，當(dāng)液壓力出現(xiàn)下降趨勢時(shí)，控制系統(tǒng)會自動(dòng)增加電機(jī)轉(zhuǎn)速，提高液壓泵排量來維持預(yù)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(dá)到預(yù)定的試驗(yàn)效果。

3 結(jié)論

1） 聯(lián)調(diào)試驗(yàn)在室內(nèi)、常溫、空氣中進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果表明，導(dǎo)向控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)完全達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2） 為進(jìn)一步檢驗(yàn)導(dǎo)向控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的性能，接近井下實(shí)際工況，下一步將進(jìn)行控制系統(tǒng)的高溫和振動(dòng)試驗(yàn)以及液壓模塊的高溫、高壓試驗(yàn)。

3） 試驗(yàn)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(zhuǎn)導(dǎo)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(jié).?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(jié).?311mm垂直鉆井系統(tǒng)的工作原理與現(xiàn)場應(yīng)用［J］.鉆采工藝，2010，33（3）：40-42.

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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(xiàng)“窄密度窗口安全鉆完井技術(shù)及裝備”之課題21-3“控壓鉆井技術(shù)、地層壓力預(yù)測與實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)場試驗(yàn)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(jī)械及工藝研究。和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，本文對其進(jìn)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(jīng)不能滿足油田開發(fā)的需求，利用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)進(jìn)行油藏開發(fā)已經(jīng)成為一種趨勢。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)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(dǎo)向控制系統(tǒng)、導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)5大部分構(gòu)成。其中導(dǎo)向控制系統(tǒng)和導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)密不可分，無論地面人工干預(yù)鉆進(jìn)還是井下閉環(huán)鉆進(jìn)都要靠二者的共同作用來完成，它們是一套機(jī)、電、液高度一體化的井下工具，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工況復(fù)雜，承受的載荷復(fù)雜，其性能和壽命直接決定旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的優(yōu)劣，是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)最核心的部分。

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的作用原理分為推靠式和指向式。推靠式導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)距離鉆頭較近，直接給鉆頭施加側(cè)向力，鉆頭在側(cè)向力的作用下側(cè)向切削地層進(jìn)而改變井眼軌跡。推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具根據(jù)其導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否與上部鉆柱同步旋轉(zhuǎn)，又可分為旋轉(zhuǎn)推靠式和靜止推靠式2類。指向式的導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)距離鉆頭較遠(yuǎn)，可以使連接鉆頭的下部鉆柱或柔性桿彎曲，導(dǎo)致鉆頭朝向與井眼軸線產(chǎn)生1個(gè)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(jìn)而完成導(dǎo)向作業(yè)。國內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)普遍認(rèn)為研制推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)較為容易取得技術(shù)突破［1-4］，西部鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院研制出WDRSS-I型靜止推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向控制系統(tǒng)①