旋转导向推靠控制系统研发及实验

米金泰， 王章波， 张 卫， 朱祖扬

(1.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101；2.中船航海科技有限责任公司，北京 100070)

近年来，旋转导向工具越来越广泛的应用在定向井钻井作业中[1]，并且需求量越来越大，在西南某些页岩气区块甚至出现了井等工具的情况。目前在中国市场上提供旋转导向工具钻井服务的公司主要有国外的斯伦贝谢和贝克休斯等[2-3]，其工具售价贵、服务日费高，在风险高的区块还可能拒绝提供服务，因此，中国各油公司、科研机构、油服企业都在加紧旋转导向工具的研发。

目前，中海油服研制的推靠式旋转导向工具目前最接近商业化，现在已经用于中海油海上钻井作业；中石油川庆钻井院研制的推靠式旋转导向工具于2019年上半年实钻成功[4]；其余单位研制的旋转导向工具仍处于实验阶段。据了解，中国旋转导向工具在井下实验、实钻过程中，受到高温、高压、振动等的影响[5-7]，其推靠机构有时会出现推靠力不足、翼肋伸缩失控等问题，直接影响定向钻井，并且这些问题至今还未得到彻底解决。

旋转导向工具的推靠机构是一套复杂的机电液系统[8]，任何一个环节出现故障都可能引起上述问题。为了解决上述问题，旋转导向工具的研发分成了不同的阶段，在各阶段均对推靠机构或其组成部分进行测试，测试合格后才进行下一步研发。首先，研制推靠机构的控制系统(包括单总线电路、非接触传输单元、液压单元、主控电路及测量单元等)及机械结构，并对控制系统进行实验室测试，验证控制系统的电能信号传输功能、推靠控制功能、耐高温及抗振性能等；其次，装配导向短节(包括推靠机构、上主轴、非旋转套等)并进行地面测试，验证推靠机构的抗振性能以及在高温高压环境中的密封能力、推靠功能等；最后，对旋转导向工具进行整体装配，调试成功后进行井下测试(模拟井测试、实钻实验等)，验证推靠机构在井下作业时的可靠性。

为了对推靠机构的控制系统进行实验室测试，并为后续地面测试、井下测试做准备，研发了一套旋转导向推靠控制系统，并对其进行高温、振动测试，验证其推靠控制功能。

1 推靠控制系统设计

旋转导向工具主要由导向短节、井下中控系统、地面系统等组成，定向钻井作业时，井下中控将旋转导向工具的姿态信息发送给地面，地面根据井下姿态信息分析是否、如何对当前钻井轨迹进行调整，然后给井下中控发送指令，井下中控通过单总线将指令传递给推靠控制系统，推靠控制系统根据指令计算液压单元中三个翼肋油缸需要达到的液压力值并控制推靠机构产生足够的推靠力，从而实现旋转导向工具定向钻井的闭环控制。

如图1所示，单总线电路将接收的电能及指令传递给非接触单元，由非接触单元为液压单元、测量单元和主控电路提供电能并将控制指令传递给主控电路，主控电路根据控制指令以及测量单元测量的参数计算液压单元中三个翼肋油缸需要产生的液压力值，然后通过控制液压单元中的电机的转速进而实现对液压力的控制。

图1 推靠控制系统原理图Fig.1 Schematic diagram of the pushing control system

1.1 单总线电路

推靠控制系统与井下中控之间通过一根导线传递电能和信号，并将旋转导向工具外壳作为电能和信号的公共地，即采用单总线(1-wire bus)的传输方式。单总线结构简单、传输稳定、数据可靠[9]。单总线电路的作用是用来接收井下中控传送的信号，并将该信号解调输出给主通信电路，同时对单总线输入的电流滤波、整流，输出+36 V直流电给主电压变换电路；以及接收主通信电路的信号，调制后通过单总线传送给井下中控。

单总线电路使用频移键控(FSK)信号调制方式对信号进行编解码[9]，发送信号时选择f1和f2两种频率，并规定f1代表“1”，f2代表“0”，然后根据二进制信号源生成含有频率f1和f2的载波信号；接收信号时单总线电路对收到的载波信号进行解调，将频率值f1和f2还原成二进制信号，从而实现信号的双向传输，如图2所示。

图2 载波信号与二进制信号之间的调质与解调Fig.2 Modulation and demodulation between carrier signal and binary signal

如图3所示，单总线的电流进入单总线电路之后，经过滤波、整流，生成的+36 V直流电进入主电压变换电路。同时，对单总线输入的电流电容隔直，生成载波信号，然后由功率放大器对载波信号进行放大，之后用锁相环CD4046对信号进行解调生成二进制信号，该二进制信号经过功率放大器放大后，使用施密特触发反向器74LVC1G14对其进行反向整形处理，最终获得较理想的高低电平二进制信号，传输给单片机。单片机对输入的信号进行处理，然后通过RS485传递给主通信电路。

图3 信号调制与解调原理Fig.3 Principles of signal modulation and demodulation

锁相环CD4046的设计要满足以下条件：鉴频频率设置为f1，锁相环输出高电平；对于频率f2，锁相环失锁，输出低电平；锁相环的最大鉴频带宽大于f1-f2，并且压控振荡器(VOC)振荡频率包含f1和f2。当锁相环输入信号的频率为f1时，输出高电平，当频率为f2时，输出低电平，从而完成载波信号的解调。

单总线电路经由单总线给井下中控发送信号时，如图3所示，单片机根据由主通信电路输入的信息进行处理，生成不同脉宽的脉冲宽度调制(PWM)信号，该信号经电阻-电容(RC)滤波生成包含频率f1和f2的载波信号，再由功率放大器对载波信号进行放大，最后输出到单总线上。

1.2 非接触单元

旋转导向工具导向钻井时，井下中控、单总线以及推靠控制系统中的单总线电路随钻头旋转；而推靠控制系统中的液压单元、主控电路及测量单元则固定在导向短节的非旋转套内部，随非旋转套以非常慢的转速旋转(相对于钻头的旋转速度，非旋转套近似于不旋转)。因此单总线电路与液压单元、主控电路及测量单元之间存在相对转动，在两部分之间传递电能和信号时，需要利用非接触传输技术[10]。

如图1所示，非接触单元由主电源电路、主电压变换电路、主通信电路、次电源电路、次电压变换电路、次通信电路以及磁机构组成。

主电压变换电路与单总线电路相连，将单总线电路输出的+36 V直流电转变成±12 V和+5 V直流电，输出给主电源电路、主通信电路和单总线电路。同时，将+36 V直流电输出给主电源电路。

主电源电路利用LC振荡电路产生频率约为100 kHz的正弦波交流电，然后经功率放大器放大，进入磁机构的线圈中，利用电磁互感效应，将电能传递给次电源电路。次电源电路将磁机构线圈感应出的交流电进行滤波、整流，产生+36 V直流电，输出给次电压变换电路和液压单元。

次电压变换电路的作用是将+36 V直流电转变成±12 V和+5 V直流电，输出给次通信电路、主控电路、测量单元以及液压单元。

信号的非接触传输过程如图4所示，主通信电路通过RS485接收单总线电路传递的数字信号，由D/A转换芯片转换成模拟信号，然后经功率放大器放大后，进入磁机构线圈。利用电磁感应原理，次通信电路会收到磁机构线圈中的模拟信号，模拟信号经滤波、功率放大之后，由A/D转换芯片转换成数字信号，通过RS485传递给主控电路。次通信电路给主通信电路传递信号的过程为上述逆过程。

图4 信号传输过程Fig.4 Transmission process of signals

1.3 液压单元

液压单元包括液压系统、电机驱动电路、压力传感器、霍尔传感器等。液压系统由电机、柱塞泵、节流阀、溢流阀、翼肋油缸、活塞等组成，翼肋油缸内的液压力升高时，推动活塞，使翼肋伸出。液压系统的工作原理是电机带动柱塞泵转动，驱使液压油进入翼肋油缸，同时在液压回路出口处安装节流阀，提高翼肋油缸内部的液压力。电机旋转越快，翼肋油缸内液压力就越大，因此通过控制电机转速就可以控制翼肋油缸的输出压力。

电机驱动电路用于驱动电机旋转，霍尔传感器用于测量电机的实际转速以便监测电机工作状态是否正常，压力传感器用于测量翼肋油缸中的实际液压力。

1.4 主控电路及测量单元

主控电路的主要功能有：与次通信电路通信收发系统指令，接收测量单元输出的井斜角和翼肋的工具面角，计算液压单元中各翼肋油缸中的液压力，计算各电机转速并输出相应的PWM控制信号，采集液压单元中各传感器的测量数据(电机转速、翼肋油缸中实际压力)等。

测量单元主要包括采集运算电路和三轴加速度计(由三个加速度计组成)，其主要作用是根据三轴加速度计的测量值计算井斜角、翼肋的工具面角，然后将这些数据输出给主控电路。

计算井斜角和工具面角需要测量坐标系中x、y、z轴方向上的分量。如图5所示，在一个翼肋的下方(定义该翼肋为翼肋一，其余两个翼肋沿顺时针方向分别为翼肋二和翼肋三)安装三个互相垂直的加速度计Gx、Gy和Gz，用于测量重力加速度在x、y、z轴方向上的分量。三个加速度计Gx、Gy和Gz分别沿x、y、z轴固定安装在非旋转套内部。x、y、z轴两两正交，x轴垂直于翼肋一平面且指向导向短节外法线方向，z轴沿翼肋轴线方向(翼肋与导向短节同轴)且指向钻头，y轴沿导向短节切向且正方向与x轴、z轴遵守右手法则。这样就可以根据Gx、Gy和Gz测得的数据计算出井斜角、翼肋一处的工具面角[11-12]。

图5 加速度计安装方式Fig.5 Mounting way of the accelerometers

(1)

(2)

式中：α为井斜角；θ为翼肋一处的工具面角。翼肋二和翼肋三处的工具面角在翼肋一处工具面角的基础上分别加上120°和240°即可得到，这样就可以确定3个翼肋油缸的液压力方向，通过改变3个翼肋油缸内液压力的大小即可改变合力的大小和方向。

主控电路收到测量单元输出的3个翼肋的工具面角之后，根据地面系统下传的合力大小及方向，利用力矢量合成原理进行力分解计算，得到三个翼肋油缸中的液压力的大小，然后根据液压力-电机转速-电机驱动电压三者之间的关系生成PWM控制信号，再将PWM控制信号传送给对应的电机驱动电路，由电机驱动电路驱动电机旋转，进而控制翼肋油缸中的液压力。

同时，主控电路根据液压单元中霍尔、压力传感器反馈的电机实际转速以及翼肋油缸中的实际液压力对PWM控制信号进行实时调整，实现对各翼肋油缸中的液压力的闭环控制。主控电路的控制原理图如图6所示。

图6 主控电路原理图Fig.6 Schematic diagram of the main-control circuit

2 推靠控制系统实验

为了在实验室验证推靠控制系统的电能信号传输功能、推靠控制功能，同时测试系统的耐高温及抗振性能，对研发的推靠控制系统进行了初步测试。

2.1 活塞推力测量

如图7所示，使用固纬可调式开关直流电源SPD-3606为单总线电路提供+36 V直流电，电能通过非接触单元传递给主控电路以及液压单元。用电脑控制单总线电路发送指令，主控电路通过非接触单元接收指令并生成、输出PWM控制信号，控制电机旋转。在活塞上方安装推力传感器，并用液晶显示模块显示推力传感器测量的推力值。

图7 推靠控制系统实验装置Fig.7 Experimental device of the pushing control system

控制电机转速由低变高，可得如图8所示曲线。如图8所示，活塞的推力随电机转速的加快而增大，因此，当翼肋油缸中的液压力大于目标压力值时，主控电路控制电机减速，而当翼肋油缸中的液压力小于目标压力时，主控电路控制电机增速，从而实现对翼肋油缸中液压力的闭环控制。

图8 电机转速与活塞推力实验曲线Fig.8 Experimental curve of motor speed and piston thrust

2.2 高温、振动测试

将非接触单元的磁体以及各电路板放入温度试验箱，控制温度在120 ℃左右，保温2 h。重复活塞推力测量实验，活塞能正常推出。

振动测试分为两部分。首先使用3g加速度(总均方根加速度,g为重力加速度)、随机振动对各电路板进行测试，主要是为了检查电路板有无虚焊。经一小时的振动测试后，各电路板仍能正常工作。然后将加速度设置为10g(总均方根加速度)，振动频率范围5～1 000 Hz，随机振动。经30 min振动测试之后，各电路板仍能正常工作，未见异常。

3 结论

(1)设计了一套旋转导向推靠控制系统，该系统能完成电能与信号的非接触传输，控制翼肋伸缩。

(2)利用力矢量合成原理及测量单元输出的三个翼肋的工具面角可以计算出各翼肋油缸内的目标液压力，同时根据压力传感器测得的各翼肋油缸中的实际液压力，可以实现对各翼肋油缸中液压力的闭环控制。

(3)活塞的推力随液压单元中的电机的转速增加而增大，利用该性质可以根据实际压力与目标压力之间的差值，对液压力进行闭环控制。

该推靠控制系统需要进一步的实验测试，并对其优化完善。例如对整个系统进行高温及振动在线测试，建立测量单元实验环境，优化力分解算法并验证翼肋油缸液压力的闭环控制等。这些将在后续的工作中进行。