動態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具測控系統(tǒng)設(shè)計與性能分析

劉建華，佀潔茹，耿艷峰，張 衛(wèi)，王偉亮，王 凱

(1.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2.中國石油大學(xué)(華東)信息與控制工程學(xué)院，山東青島 266580)

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具具有摩阻小、鉆速快、井眼質(zhì)量好、易調(diào)控、位移延伸能力強(qiáng)等優(yōu)點[1-2]，因此國內(nèi)外都進(jìn)行了相關(guān)技術(shù)研究。目前，國外已經(jīng)有多種比較成熟的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)；國內(nèi)也在關(guān)鍵技術(shù)方面取得了突破，并研制出了一些工具系統(tǒng)，但在工作性能、自動化程度等方面和國外還有一定差距。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具根據(jù)導(dǎo)向方式可分為推靠式和指向式2類，按照偏置機(jī)構(gòu)的工作方式可分為靜態(tài)式和動態(tài)式2類[3]，由此衍生出4種組合方式。其中，動態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具無論是造斜率、導(dǎo)向精度，還是位移延伸能力等，均優(yōu)于其他3種。動態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具利用內(nèi)部的穩(wěn)定平臺為導(dǎo)向偏置機(jī)構(gòu)提供一個對地靜止的參考系，在該參考系下調(diào)節(jié)所需的工具面角，可實現(xiàn)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井功能。因此，工具面角的動態(tài)測量精度和穩(wěn)定平臺的控制性能直接決定了導(dǎo)向鉆井工具的技術(shù)指標(biāo)。鑒于此，筆者基于自主研發(fā)的動態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的原理樣機(jī)，介紹了該類旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的結(jié)構(gòu)與工作原理，設(shè)計了測控系統(tǒng)并分析了其關(guān)鍵技術(shù)，針對粘滑振動工況進(jìn)行了穩(wěn)定平臺抗擾動性能測試，總結(jié)了規(guī)律，以期為開發(fā)更高性能的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具系統(tǒng)提供參考。

1 樣機(jī)結(jié)構(gòu)及基本工作原理

自行設(shè)計的動態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的原理樣機(jī)，由鉆鋌驅(qū)動連接軸、鉆鋌、穩(wěn)定平臺驅(qū)動電機(jī)、穩(wěn)定平臺、穩(wěn)定平臺電子倉、鉆頭連接軸、萬向節(jié)、鉆頭、雙偏心環(huán)機(jī)構(gòu)以及軸承等部件組成，如圖1所示[4]。其中，穩(wěn)定平臺電子倉內(nèi)安裝有數(shù)據(jù)處理器、MEMS速率陀螺儀和三軸重力加速度計。

圖1 動態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具原理樣機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Mechanical structure diagram of the dynamic point-the-bit rotary steerable drilling tool1.鉆鋌驅(qū)動連接軸；2.鉆鋌；3.穩(wěn)定平臺驅(qū)動電機(jī)；4.穩(wěn)定平臺；5.穩(wěn)定平臺電子倉；6.鉆頭連接軸；7.萬向節(jié)；8.鉆頭；9.雙偏心環(huán)機(jī)構(gòu)；10.軸承

該旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具工作時，外接伺服電機(jī)通過鉆鋌驅(qū)動連接軸與鉆鋌相聯(lián)，帶動鉆鋌以及通過軸承安裝在鉆鋌內(nèi)部的穩(wěn)定平臺轉(zhuǎn)動，與此同時，穩(wěn)定平臺驅(qū)動電機(jī)為穩(wěn)定平臺提供了一個與鉆鋌轉(zhuǎn)速大小相同、方向相反的轉(zhuǎn)速，保證穩(wěn)定平臺對地靜止。穩(wěn)定平臺電子倉內(nèi)的MEMS速率陀螺儀實時測量穩(wěn)定平臺對地轉(zhuǎn)速，三軸重力加速度計則用于測量穩(wěn)定平臺的角位置。穩(wěn)定平臺通過雙偏心環(huán)機(jī)構(gòu)與鉆頭連接軸連接，實現(xiàn)導(dǎo)向功能。萬向節(jié)為鉆頭的轉(zhuǎn)動提供支點，同時將來自鉆鋌的鉆壓和扭矩傳遞至鉆頭。

雙偏心環(huán)機(jī)構(gòu)是動態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的導(dǎo)向偏置機(jī)構(gòu)，由內(nèi)、外兩個環(huán)組成[5]，如圖2所示(圖2中：X為外偏心環(huán)中心軸線；Y為鉆頭軸線；Z為偏心孔軸線；O為X，Y和Z的交點；θs為OX與OY及OY與OZ之間的夾角，(°))。軸線X與鉆鋌軸線一致，鉆頭連接軸上端位于內(nèi)偏心環(huán)的中空孔中，其軸線Y與Z成一定夾角，即結(jié)構(gòu)彎角。軸線Z與內(nèi)偏心環(huán)中心軸線一致，稱為偏心孔軸線。設(shè)計時要求軸線X與軸線Y的夾角為θs，軸線Y與軸線Z的夾角一般也設(shè)計為θs，最大結(jié)構(gòu)彎角為2θs。當(dāng)內(nèi)外偏心環(huán)有相對圓周運(yùn)動時，Y與X的夾角將在0°和已設(shè)計好的最大結(jié)構(gòu)彎角間變化，即完成結(jié)構(gòu)彎角的控制。

外偏心環(huán)固定于穩(wěn)定平臺，內(nèi)偏心環(huán)在0°～360°每隔60°設(shè)置一個卡槽，采用手動方式進(jìn)行6級調(diào)節(jié)。實際工作過程中，結(jié)構(gòu)彎角根據(jù)鉆井工程需要由人工調(diào)節(jié)。偏心環(huán)設(shè)置了6級，結(jié)構(gòu)彎角可在0°～0.5°范圍內(nèi)調(diào)整，與6個等級近似呈線性關(guān)系。通過控制穩(wěn)定平臺驅(qū)動電機(jī)的角位置，實現(xiàn)工具面角的自動調(diào)節(jié)。當(dāng)工具面角調(diào)節(jié)至設(shè)定要求后，穩(wěn)定平臺與鉆鋌轉(zhuǎn)速大小相等、方向相反，工具面角保持不變，實現(xiàn)增斜、降斜鉆進(jìn)。結(jié)構(gòu)彎角固定時，穩(wěn)定平臺以不等于鉆鋌轉(zhuǎn)速的速度勻速旋轉(zhuǎn)，工具面角由0°向360°轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)穩(wěn)斜鉆進(jìn)。

圖2 雙偏心環(huán)結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure diagram of double eccentric ring

2 測控系統(tǒng)設(shè)計及其關(guān)鍵技術(shù)

為保證鉆井過程中鉆頭的指向保持不變，需要實時測量工具面角的變化。動態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具通過穩(wěn)定平臺驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速跟蹤鉆鋌轉(zhuǎn)速，保持穩(wěn)定平臺對地靜止；通過電機(jī)轉(zhuǎn)速差調(diào)整穩(wěn)定平臺穩(wěn)定時的角位置，即調(diào)整工具面角。在機(jī)械結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定的情況下，測控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)是導(dǎo)向鉆井工具性能提升的關(guān)鍵。

2.1 測控系統(tǒng)組成

動態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具原理樣機(jī)的測控系統(tǒng)包括電機(jī)主控制模塊、穩(wěn)定平臺數(shù)據(jù)采集模塊、穩(wěn)定平臺驅(qū)動電機(jī)和穩(wěn)定平臺，如圖3所示[6]。其中，電機(jī)主控制模塊包括主控制器、驅(qū)動器、采樣電阻、旋轉(zhuǎn)變壓器和旋變解碼板等，實現(xiàn)穩(wěn)定平臺驅(qū)動電機(jī)的控制；穩(wěn)定平臺數(shù)據(jù)采集模塊包括穩(wěn)定平臺數(shù)據(jù)處理器、三軸重力加速度、MEMS速率陀螺和模數(shù)轉(zhuǎn)換器等，實現(xiàn)傳感器的數(shù)據(jù)采集。

圖3 動態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具原理樣機(jī)測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure diagram of the measurement and control system of the dynamic point-the-bit a rotary steerable drilling tool

該測控系統(tǒng)工作時，計算機(jī)接收CAN總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。電機(jī)電流經(jīng)采樣電阻轉(zhuǎn)化為電壓，通過主控制器的AD接口采集電壓。電機(jī)的轉(zhuǎn)速與位置信息由旋轉(zhuǎn)變壓器采集，主控制器通過SPI總線與旋變解碼板通信。主控制器將采樣得到的電流、轉(zhuǎn)速、位置等信號整合，通過驅(qū)動器控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。穩(wěn)定平臺數(shù)據(jù)處理器通過IIC總線與三軸重力加速度計通信，采集重力工具面角信號；通過SPI總線與模數(shù)轉(zhuǎn)換器通信，采集MEMS速率陀螺信號，然后通過CAN總線將數(shù)據(jù)傳輸至主控制器，實現(xiàn)穩(wěn)定平臺轉(zhuǎn)速和位置的控制。

2.2 工具面角測量技術(shù)

工具面角的準(zhǔn)確測量是提高動態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具性能的關(guān)鍵，但鉆井過程中的振動、沖擊噪聲嚴(yán)重影響工具面角的測量精度。為此，提出了基于互補(bǔ)濾波原理的工具面角動態(tài)測量方案，分別利用角速度傳感器的低頻特性和陀螺儀的高頻特性，避免了加速度傳感器受高頻噪聲影響大、陀螺儀積分值存在漂移的問題。

工具面角的測量原理如圖4所示(圖4中：ω為陀螺儀轉(zhuǎn)速，(°)/s；θg為重力工具面角，(°)；R為加速度計到穩(wěn)定平臺中心的距離，m)。

圖4 工具面角的測量原理Fig.4 Schematic diagram of the measurement of the tool face angle

鉆鋌旋轉(zhuǎn)時，鉆頭中心點的軌跡是一個與井底圓同心的圓，井底圓上的最高點A到圓心O點的連線稱為高邊方向線。鉆頭中心點B到圓心O點的連線稱為裝置方向線。以高邊方向線為始邊，順著井眼方向看順時針旋轉(zhuǎn)到裝置方向線上所轉(zhuǎn)過的角度稱為重力工具面角。利用三軸重力加速度計解算工具面角，安裝加速度計時，x軸指向井眼軸線方向，y軸指向井底圓切線方向，z軸垂直于y軸。由y軸和z軸輸出的數(shù)據(jù)可以解算出重力工具面角，計算公式為：

θg=arctan(ay,az)

式中：ay為y軸測得的加速度分量，m/s2；az為z軸測得的加速度分量，m/s2。

重力工具面角既可由三軸重力加速度計解算得到，也可由陀螺儀轉(zhuǎn)速積分得到。陀螺儀動態(tài)響應(yīng)性能好，但是受低頻噪聲影響存在漂移，長時間會產(chǎn)生累積誤差；加速度計無累積誤差，但是動態(tài)響應(yīng)性能差，會受到高頻振動噪聲的干擾。利用陀螺儀和加速度計在頻域上的互補(bǔ)性，采用互補(bǔ)濾波算法校正重力工具面角，提高測量精度和系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能[7]?；パa(bǔ)濾波器的工作原理如圖5所示(圖5中：g為重力加速度計測量值，m/s2；θω為由陀螺儀解算得到的工具面角，(°)；θ為融合加速度計和陀螺儀的解算結(jié)果得到的工具面角，(°))。

圖5 互補(bǔ)濾波器的工作原理Fig.5 Schematic diagram of a complementary filter

θg通過低通濾波器去除高頻分量，θω通過高通濾波器去除低頻分量，分別用L(s)和H(s)表示低通濾波器和高通濾波器的傳遞函數(shù)。當(dāng)滿足L(s)+H(s)=1時，可獲得準(zhǔn)確的工具面角。L(s)和H(s)的常見表達(dá)式為[8]：

(2)

(3)

基于上述互補(bǔ)濾波算法，可得工具面角的 Laplace表達(dá)式為：

(4)

式中：s為Laplace算子；Kp和Ki為控制器參數(shù)。

2.3 穩(wěn)定平臺控制技術(shù)

動態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的穩(wěn)定平臺與鉆頭連接軸直接相連，在鉆頭破巖過程中，會受到高頻力矩擾動和井底粘滑等的干擾。目前國內(nèi)常用電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速與位置的三環(huán)控制方案[9]，由于實際鉆井過程中存在粘滑工況，該方案無法對鉆鋌轉(zhuǎn)速的變化快速做出響應(yīng)。因此，采用了四環(huán)控制方案。該方案采用永磁同步電機(jī)電流環(huán)、電機(jī)轉(zhuǎn)速環(huán)、穩(wěn)定平臺對地轉(zhuǎn)速環(huán)和穩(wěn)定平臺位置環(huán)的四環(huán)控制系統(tǒng)。由鉆頭破巖與鉆具振動產(chǎn)生的干擾，擾動變化劇烈、幅度大，四環(huán)控制方案采用串級控制方式，通過電流環(huán)來抑制該類干擾；由負(fù)載變化引起的鉆鋌轉(zhuǎn)速波動、穩(wěn)定平臺轉(zhuǎn)速與鉆鋌轉(zhuǎn)速靜差，分別通過2個轉(zhuǎn)速環(huán)來克服；最后利用位置環(huán)實現(xiàn)工具面角的平穩(wěn)與準(zhǔn)確控制。四環(huán)均采用PID控制算法整定，PID控制算法是根據(jù)設(shè)定值和反饋值構(gòu)成控制偏差，將偏差的比例和積分通過線性組合來控制被控對象，消除設(shè)定值與反饋值之間的偏差。整個穩(wěn)定平臺控制方案如圖6所示[6]。

圖6 動態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具原理樣機(jī)四環(huán)控制方案Fig.6 Block diagram of a four-closed-loop control scheme for the dynamic point-the-bit rotary steerable drilling tool

3 測控系統(tǒng)性能測試

3.1 互補(bǔ)濾波效果測試

理想狀態(tài)下，鉆井工具造斜時，穩(wěn)定平臺對地轉(zhuǎn)速為0，但由于摩擦力和控制精度的影響，穩(wěn)定平臺會以較低轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速一般小于5 r/min。因此，測試時控制穩(wěn)定平臺以22.5°/s的角速度、2 s的周期正反轉(zhuǎn)動。系統(tǒng)采樣頻率為200 Hz，采集40 s數(shù)據(jù)，利用MATLAB分析測試互補(bǔ)濾波效果，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知：該試驗條件下穩(wěn)定平臺運(yùn)動加速度干擾較為明顯，常規(guī)三軸加速度計解算工具面角的方法誤差較大，互補(bǔ)濾波算法可以有效減弱運(yùn)動加速度的影響；以旋轉(zhuǎn)變壓器的角位置為參考值，以工具面角測量值與參考值的均方根誤差為判別標(biāo)準(zhǔn)[10]，可得三軸加速度計的均方根誤差為2.576 3°/s，陀螺儀角速度積分的均方根誤差為5.758 3°/s，而應(yīng)用互補(bǔ)濾波算法解算的工具面角均方根誤差為0.934 1°/s，顯著提高了工具面角的測量精度。

3.2 穩(wěn)定平臺控制性能測試

為了檢驗控制系統(tǒng)的性能，結(jié)合鉆井過程中導(dǎo)向鉆井工具的工作狀態(tài)，分別模擬了鉆鋌轉(zhuǎn)速突變和井下粘滑2種工況。為了進(jìn)一步說明四環(huán)控制的性能，比較了現(xiàn)有三環(huán)控制方案與筆者提出的四環(huán)控制方案之間的差別。

圖7 互補(bǔ)濾波效果測試結(jié)果Fig.7 Test results of complementary filter attitude

測試方法：首先令鉆鋌靜止，測試工具面角0°～180°階躍響應(yīng)性能；當(dāng)階躍響應(yīng)過程結(jié)束后，鉆鋌轉(zhuǎn)速0～120 r/min階躍并保持120 r/min勻速轉(zhuǎn)動，測試穩(wěn)定平臺位置環(huán)的抗階躍擾動性能，結(jié)果見圖8。

圖8 三環(huán)和四環(huán)控制方案測試曲線對比Fig.8 Test curve comparison between the three-closed-loop and the four-closed-loop control scheme

由圖8可知，三環(huán)控制方案階躍測試的超調(diào)量為0，調(diào)節(jié)時間為0.48 s，穩(wěn)態(tài)波動為1.0°；四環(huán)控制方案階躍測試的超調(diào)量為0，調(diào)節(jié)時間為0.735 s，穩(wěn)態(tài)波動為1.0°。上述2個方案均滿足性能指標(biāo)要求。鉆鋌轉(zhuǎn)速0～120 r/min階躍動態(tài)過程中，工具面角在三環(huán)和四環(huán)控制方案下均可回到180°，但四環(huán)控制方案對鉆鋌轉(zhuǎn)速突變的抗擾性能更強(qiáng)。

粘滑振動是對穩(wěn)定平臺性能影響較大的干擾因素，是一種由強(qiáng)烈的扭轉(zhuǎn)振動和井下摩阻導(dǎo)致的破壞性極強(qiáng)的振動，會導(dǎo)致鉆鋌轉(zhuǎn)速劇烈波動，進(jìn)而造成穩(wěn)定平臺位置波動。文獻(xiàn)[11]利用鉆鋌最大轉(zhuǎn)速與最小轉(zhuǎn)速的差與轉(zhuǎn)速平均值的比值定義了粘滑劇烈程度，稱為粘滑度。根據(jù)文獻(xiàn)[12]介紹的粘滑等級分類，粘滑度高于150%即為最嚴(yán)重的情況。實際鉆井工程中，在有鉆鋌轉(zhuǎn)速干擾的工況下，穩(wěn)定平臺工具面角穩(wěn)定在設(shè)定值±15°范圍內(nèi)[13]，就可以保證導(dǎo)向工具以預(yù)定軌跡快速穩(wěn)定鉆進(jìn)。

控制工具面角穩(wěn)定在180°以后，通過穩(wěn)定平臺驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動模擬井底粘滑擾動。假設(shè)粘滑度為200%，角速度范圍為(0°～720°)/s，對變化頻率為0.5 Hz的鉆鋌粘滑擾動進(jìn)行測試，結(jié)果見圖9。

圖9 粘滑擾動的響應(yīng)曲線對比Fig.9 Response curve comparison of stick-slip disturbance

由圖9可知，三環(huán)控制方案在粘滑工況下只能將工具面角控制在±20°，而四環(huán)控制方案在粘滑工況下可將工具面角控制在±5°范圍內(nèi)，四環(huán)控制方案的抗粘滑擾動能力明顯好于三環(huán)控制方案，完全能夠滿足鉆井工程技術(shù)要求。

4 結(jié) 論

1) 根據(jù)加速度計和陀螺儀的頻域互補(bǔ)特性設(shè)計并實現(xiàn)了互補(bǔ)濾波算法。在穩(wěn)定平臺以22.5°/s的角速度、2 s的周期正反轉(zhuǎn)動的工況下測試，互補(bǔ)濾波算法相比三軸加速度計解算方法，工具面角均方差減小了1.642 2°/s；相比陀螺儀積分方法，均方差減小了4.826 9°/s，說明互補(bǔ)濾波算法能夠提高工具面角的測量精度。

2) 設(shè)計了穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)，采用永磁同步電機(jī)電流環(huán)、永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速環(huán)、穩(wěn)定平臺對地轉(zhuǎn)速環(huán)和工具面角位置環(huán)四環(huán)控制方案。當(dāng)工具面角給定值為180°時，階躍響應(yīng)測試的超調(diào)量為0，調(diào)節(jié)時間為0.735 s，穩(wěn)態(tài)波動為1.0°，滿足性能指標(biāo)要求；當(dāng)工具面角穩(wěn)定在180°時，加入鉆鋌階躍擾動，四環(huán)控制方案能夠快速將工具面角控制回180°。與三環(huán)控制方案相比，四環(huán)控制方案抗擾動性能更好，能夠?qū)崿F(xiàn)工具面角的快速穩(wěn)定控制。

3) 針對粘滑振動工況進(jìn)行了穩(wěn)定平臺抗擾動性能測試，四環(huán)控制方案在粘滑度為200%情況下可將工具面角波動控制在±5°范圍內(nèi)，抗擾動性能強(qiáng)，能夠滿足鉆井工程技術(shù)要求。