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

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

指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)角位置測(cè)量方法

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

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

摘要：指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具在國(guó)內(nèi)的研究起步晚，許多技術(shù)環(huán)節(jié)還處于攻關(guān)階段。該系統(tǒng)鉆頭軸（或偏心軸）與鉆鋌的相對(duì)角位置測(cè)量是工具在導(dǎo)向過(guò)程中保持工具面相對(duì)大地穩(wěn)定的關(guān)鍵和前提，其精確度和實(shí)時(shí)性至關(guān)重要。在研究指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)工具結(jié)構(gòu)和工具面測(cè)量原理的基礎(chǔ)上，對(duì)利用旋轉(zhuǎn)變壓器的2種角位置測(cè)量方法——反正切法和鑒相法進(jìn)行適用性對(duì)比分析，對(duì)2種算法進(jìn)行了仿真，并優(yōu)選鑒相法開展實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)驗(yàn)證。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，在電動(dòng)機(jī)模擬井下轉(zhuǎn)動(dòng)并受干擾的情況下，鑒相法比反正切法處理后的信號(hào)具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性，能夠較好地實(shí)時(shí)跟蹤并高精度還原工具偏心軸相對(duì)于外部鉆鋌的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，為鉆頭軸工具面角的測(cè)量、導(dǎo)向控制以及整個(gè)工具的研制提供了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井；指向式；旋轉(zhuǎn)變壓器；角位置測(cè)量

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)尖端自動(dòng)化鉆井新技術(shù)，它能夠在鉆柱旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)進(jìn)行井眼軌道連續(xù)和實(shí)時(shí)導(dǎo)向［1］。與傳統(tǒng)的滑動(dòng)導(dǎo)向鉆井相比，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)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(qiáng)，在海洋油氣資源勘探開發(fā)，以及在陸上復(fù)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(yīng)用，目前已成為一項(xiàng)主流技術(shù)［1-2］。

近年來(lái)，國(guó)際上陸續(xù)推出了推靠式、指向式以及復(fù)合式的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具，并掌握了該項(xiàng)技術(shù)的工程應(yīng)用和商業(yè)化服務(wù)市場(chǎng)，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益［3-4］。從旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的發(fā)展和應(yīng)用效果情況看，指向式和復(fù)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(dǎo)向系統(tǒng)，它不過(guò)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(dá)到15~17（o）/30 m（PowerDrive Archer和AutoTrak Curve），能適應(yīng)更惡劣的井下工作環(huán)境，因此可視為未來(lái)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的發(fā)展方向［5-8］。

國(guó)內(nèi)從90年代開始關(guān)注旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)行理論研究，2000年開始進(jìn)行推靠式樣機(jī)研制，目前中國(guó)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(chǎng)試驗(yàn)［9］。而對(duì)于指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，國(guó)內(nèi)雖進(jìn)行過(guò)一些系統(tǒng)性的理論研究［10-12］，但由于基礎(chǔ)工業(yè)等限制，基本上沒有進(jìn)行整體研制，以系統(tǒng)測(cè)量與控制為代表的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)還處于攻關(guān)階段。同時(shí)，由于國(guó)外技術(shù)封鎖，國(guó)內(nèi)自主研發(fā)可借鑒經(jīng)驗(yàn)較少，只能在系統(tǒng)工作原理分析的基礎(chǔ)上，參考或集成已在其他領(lǐng)域驗(yàn)證過(guò)的可靠技術(shù)，開展一系列基礎(chǔ)性的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，形成一套具備在實(shí)鉆過(guò)程中獲取較高動(dòng)態(tài)測(cè)量精度的角位置測(cè)量方法，以滿足指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)對(duì)測(cè)量?jī)x器的要求。

1　 指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)工作原理及角位置測(cè)量

指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的導(dǎo)向方式類似于傳統(tǒng)的彎殼體導(dǎo)向螺桿鉆具。不同的是，在鉆鋌的內(nèi)部由伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速器帶動(dòng)內(nèi)部偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)［13］，使鉆頭軸與鉆鋌軸線形成一固定的傾角（圖1）。在導(dǎo)向鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭和鉆鋌正向旋轉(zhuǎn)，鉆頭軸和偏心軸被驅(qū)動(dòng)以相同的速度反向旋轉(zhuǎn)，使鉆頭相對(duì)于鉆鋌的固定傾角指向一個(gè)預(yù)定的方位，保持工具面穩(wěn)定，達(dá)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(shí)，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(duì)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(kuò)大的直井段。

圖1　 指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)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(dǎo)向系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)是對(duì)鉆頭軸工具面角的測(cè)量和控制。在地磁場(chǎng)環(huán)境下通過(guò)建模分析（圖2），磁工具面角λ可由以下公式計(jì)算

λ=θH-θR-θC（1）

其中 θH=arctan（-Hy/Hz）式中，θH為鉆鋌基準(zhǔn)位置（磁力計(jì)y軸方向）到地磁場(chǎng)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(zhǔn)位置到鉆頭軸指向方向（工具面方向）的轉(zhuǎn)角（圖中藍(lán)色），°；θC為校驗(yàn)角，與當(dāng)?shù)氐拇艃A角、磁偏角有關(guān)，°；Hy、Hz為磁力計(jì)y軸、z軸測(cè)量分量，t。

圖2　 工具面角計(jì)算模型

可見，θR的獲取是計(jì)算工具面角的關(guān)鍵，也是指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具測(cè)量與控制部分的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。需對(duì)現(xiàn)有角位置測(cè)量方法進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)比較，得出最適合的測(cè)量方法。

電動(dòng)機(jī)的定子安裝于鉆鋌本體，轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)偏心軸和鉆頭軸旋轉(zhuǎn)，因此θR可視為電機(jī)轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的角位置。目前用來(lái)檢測(cè)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(yīng)電機(jī)式3類。前2種測(cè)量方式算法和處理電路簡(jiǎn)單直觀，但精度不高，傳感器制作工藝復(fù)雜，抗干擾性差，不宜應(yīng)用在條件惡劣的場(chǎng)合中。感應(yīng)電機(jī)式角位移測(cè)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(dāng)于一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的變壓器，將轉(zhuǎn)子的角位置信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，結(jié)構(gòu)上相當(dāng)于一個(gè)兩極兩相繞組式異步電動(dòng)機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用，受振動(dòng)、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(cè)量算法

2.1 反正切法

假定旋轉(zhuǎn)變壓器定子激勵(lì)線圈的輸入信號(hào)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(hào)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(guò)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(gè)輸出繞組位置正交，參數(shù)一致，輸出信號(hào)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(jì)算較為簡(jiǎn)單，不需要專門的芯片，使用一般單片機(jī)即可實(shí)現(xiàn)。但要求兩路輸出線圈的嚴(yán)格正交，兩路輸出信號(hào)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(shí)，微小的轉(zhuǎn)子角度變化會(huì)導(dǎo)致較大的正切值的變化，降低了角度測(cè)量的精度，需要換算成正弦來(lái)計(jì)算角度，從而增加了算法的復(fù)雜度。

2.2 鑒相法

將Y1、Y2兩路信號(hào)分別與cosθ、sinθ相乘，得

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

進(jìn)入差分放大器后的輸出信號(hào)為

Y= Y1′ – Y2′=U1sin（θ–α）cos（ω1t+φ1）（7）

該信號(hào)經(jīng)過(guò)解調(diào)，得到誤差信號(hào)sin（θ–α），用于控制壓控振蕩器VCO產(chǎn)生數(shù)字θ，當(dāng)sin（θ–α）趨于0時(shí)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(guò)自動(dòng)調(diào)整，將總使θ–α趨于0。該算法具有精度高，對(duì)兩路信號(hào)的參數(shù)不一致、不敏感（相對(duì)反正切法）的優(yōu)點(diǎn)，但算法復(fù)雜，需要專用芯片來(lái)計(jì)算。

圖3　 鑒相法算法框圖

3　仿真驗(yàn)證

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

可以看出，在理想情況下，調(diào)制信號(hào)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(duì)原始角度有1個(gè)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(duì)于井下環(huán)境中的工程參數(shù)測(cè)量及應(yīng)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(wú)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(qiáng)。

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(hào)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(hào)角度

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向模擬臺(tái)架（圖7）對(duì)鑒相法算法下的工具角位置測(cè)量進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)臺(tái)架利用電機(jī)模擬鉆鋌驅(qū)動(dòng)整個(gè)裝置旋轉(zhuǎn)，鉆頭軸中的小電機(jī)驅(qū)動(dòng)鉆頭軸朝相反方向旋轉(zhuǎn)，實(shí)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(guò)處理電路測(cè)量鉆鋌相對(duì)鉆頭軸的角位置。設(shè)置小電機(jī)約以100 r/s的轉(zhuǎn)速勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號(hào)（圖8）進(jìn)入測(cè)量電路，利用鑒相法計(jì)算出角位置和鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)速度。測(cè)量數(shù)據(jù)見圖9。

從旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號(hào)（圖8）看出，由于電機(jī)的運(yùn)行，信號(hào)存在較強(qiáng)的噪聲干擾。圖9中的第1路數(shù)據(jù)為角度測(cè)量數(shù)據(jù)，呈周期性的鋸齒波狀，表明控制電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)；將角度測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行SIN運(yùn)算，進(jìn)一步驗(yàn)證了電機(jī)的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)（圖9第2路數(shù)據(jù)）。第3路是電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速率，測(cè)量結(jié)果與設(shè)置的轉(zhuǎn)速吻合。整個(gè)實(shí)驗(yàn)表明了在電機(jī)模擬鉆鋌勻速轉(zhuǎn)動(dòng)條件下，旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)量角度正確，電路設(shè)計(jì)合理，所選取的鑒相算法適用于指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)角位置測(cè)量，抗干擾能力強(qiáng)。

圖7　 模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)架

圖8　 旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號(hào)

圖9　 測(cè)量電路的輸出數(shù)據(jù)

5　結(jié)論

（1）國(guó)內(nèi)對(duì)指向式、混合式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的自主研制還處于理論研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段。

（2）指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)是對(duì)鉆頭軸工具面角的測(cè)量和控制，而由數(shù)學(xué)建模分析可知工具面角的計(jì)算關(guān)鍵是對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)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(huì)產(chǎn)生一個(gè)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(hào)具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性。

（3）實(shí)驗(yàn)室模擬臺(tái)架測(cè)試對(duì)電氣設(shè)計(jì)的參數(shù)和算法能起到了驗(yàn)證作用。結(jié)果證明，在電動(dòng)機(jī)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(shí)用性，為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的控制提供了基礎(chǔ)。

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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(jiǎn)介：張程光，1983年生。2008年畢業(yè)于北京理工大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)主要從事井下隨鉆測(cè)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(xiàng)目：中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司重大科技專項(xiàng)“重大工程關(guān)鍵技術(shù)裝備研究與應(yīng)用”（編號(hào)：2013E-3801）。

doi:10.13639/j.odpt.2015.05.001

文章編號(hào)：1000 – 7393（2015）05 – 0001 – 04

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TE21