李平飛，王 璐，劉寶林

（1.中國地質(zhì)大學（北京）工程技術學院，北京 100083；2.自然資源部深部地質(zhì)鉆探技術重點實驗室，北京 100083）

0 引言

機械式自動垂直鉆具是為及時糾正井眼傾斜而發(fā)明的自動垂直鉆井設備，當發(fā)生井斜時，其偏重機構(gòu)因其重力作用會始終維持在井眼低邊，當垂鉆系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)至上盤閥的扇形口與下盤閥的導流孔重合時，高壓鉆井液通過此通道進入活塞缸中，向高邊井壁推出活塞使得鉆頭產(chǎn)生糾斜力，達到糾斜的效果［1-2］。目前國際上已有機械式自動垂鉆工具獲得了成熟的商業(yè)應用，主要為Scout Downhole 和Halliburton 兩家公司的產(chǎn)品［3-4］；國內(nèi)僅有中石化勝利鉆井院在該技術領域取得了成功的現(xiàn)場應用［5］。多數(shù)學者集中于鉆具結(jié)構(gòu)的改進［6-7］，如宋執(zhí)武利用千斤頂和不倒翁原理設計了一種自動防斜鉆具［8-9］，艾才云等研發(fā)了一種利用液壓的新型垂直鉆井工具［10-11］等。

國內(nèi)外的研究多集中在機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化［12-13］，缺乏對偏重機構(gòu)運動規(guī)律的研究。在鉆進過程中，對偏重機構(gòu)的位置進行連續(xù)監(jiān)控，可以為實時監(jiān)控垂鉆工具的幾何位置和糾斜效果奠定基礎，后續(xù)可依據(jù)偏重機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)，提出可提升偏重機構(gòu)穩(wěn)定性的方法，以達到增加機械式垂鉆工具的防斜糾斜目的。本文提出了基于絕對式磁編碼器的一種非接觸式的角位置測量方法，為機械式垂鉆工具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進提供依據(jù)，也為機械式自動垂直鉆具增加電子增力機構(gòu)奠定了基礎。

1 機械式自動垂鉆工具結(jié)構(gòu)

機械式自動垂鉆工具結(jié)構(gòu)主要為偏重機構(gòu)、盤閥式液壓導向機構(gòu)、推靠巴掌。在垂鉆過程中扭矩通過鉆桿進行傳遞，因此磁編碼器的安裝使用不可以對鉆桿進行破壞，選用大口徑磁編碼器可以將磁柵盤套在偏重機構(gòu)連接的鉆桿外進行固定，既不會影響扭矩的傳遞，又可以監(jiān)測偏重機構(gòu)的角位置變化情況，如圖1 所示。

圖1 機械式自動垂鉆工具結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the mechanical automatic vertical drilling tool

2 絕對式磁編碼器工作原理

編碼器是將與被測機械量相關的數(shù)據(jù)或信號轉(zhuǎn)換為可以用于傳輸、通信和存儲的信號形式的重要工具。絕對式編碼器的每一個位置提供一個獨一無二的編碼器數(shù)值，在利用絕對式編碼器進行位置測量時能夠減少電子電路設備的運算過程，減輕計算任務［14-15］。

磁編碼器是基于霍爾效應的電子器件［16］。絕對式磁編碼器一般由磁柵盤、霍爾元件和單片機組成，其中磁柵的充磁具有一定規(guī)律［17］，工作時磁柵作為轉(zhuǎn)子，霍爾元件固定在磁柵附近。磁柵為軸向充磁，S 極與N 極成對交替排列，磁柵每轉(zhuǎn)動一格，磁場的方向便發(fā)生一次變化，霍爾傳感器產(chǎn)生的霍爾電壓方向便變化一次，如圖2 所示。通過對霍爾電壓周期性變化的信號進行轉(zhuǎn)換和解算就可以得知磁柵轉(zhuǎn)過的角度。

圖2 霍爾電壓周期性變化Fig.2 Cyclic change of Hall voltage

若磁柵上的磁極總數(shù)為X，則霍爾元件與磁柵每發(fā)生一個磁極大小的相對位移，就代表磁極轉(zhuǎn)過的角度為：

式中：Δθ——磁柵角度的變化量，（°）。

當讀數(shù)頭的二進制分辨率為n，霍爾電壓變化次數(shù)為N時，磁柵轉(zhuǎn)過的角度為：

3 磁編碼器系統(tǒng)的選型

磁編碼器中的磁柵盤、讀數(shù)頭以及電纜線共同組成了AksIM-2 磁編碼器系統(tǒng)，該磁編碼器具備大中孔、真正的絕對式功能和高速運行的特點，具有SSI、BiSS 和異步串行通信接口。

3.1 磁柵盤

磁柵盤外徑尺寸80±0.1 mm，內(nèi)徑55±0.03 mm，厚度2±0.05 mm，質(zhì)量26 g，轉(zhuǎn)動慣量31.8 kg·mm2，其外形如圖3 所示。

圖3 MRA080BC055DSE00 磁柵盤Fig.3 MRA080BC055DSE00 magnetic grid disc

3.2 讀數(shù)頭

讀數(shù)頭外徑尺寸90±0.15 mm，內(nèi)徑64.4±0.15 mm，厚度5±0.30 mm，質(zhì)量3.97 g，讀數(shù)頭到磁環(huán)的距離為0.8±0.15 mm。

讀數(shù)頭電路組成如圖4 所示。選用的MB080 SFA17BDNA05 讀數(shù)頭可達到20 位的二進制分辨率，當霍爾電壓變化次數(shù)為N時，磁柵轉(zhuǎn)過的角度為：

圖4 讀數(shù)頭電路組成Fig.4 Composition of the reading head circuit

4 基于VS 的測量數(shù)據(jù)采集界面設計

測量數(shù)據(jù)采集界面采用C＋＋中的MFC 平臺進行 構(gòu) 建［18］，利 用MSComm 控件建立與串口的連接［18］，再經(jīng)過串口連接絕對式磁編碼器。采集界面如圖5，該界面可實現(xiàn)的功能為：

圖5 測量數(shù)據(jù)采集界面Fig.5 Measurement data acquisition interface

（1）搜索計算機可使用的所有COM 口序號，并將其顯示在下拉框中，該下拉框可以識別觀測者選中的COM 并進行數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。

（2）COM 口收到的數(shù)據(jù)并實時顯示在當前值一欄中，同時可以顯示接收到的數(shù)據(jù)的最大值、最小值以及平均值。

（3）畫出接收數(shù)據(jù)值的變化趨勢圖。

（4）計錄數(shù)據(jù)開始采集的時間并顯示在界面上。

（5）將接收到的當前值都存儲在一個txt 文件中。

5 實驗測試及誤差分析

實驗室中利用三軸轉(zhuǎn)臺模擬垂鉆過程中的鉆具轉(zhuǎn)動，儀器連接如圖6 所示。

圖6 實驗裝置連接Fig.6 Experimental device connection diagram

垂直鉆井過程中，偏重機構(gòu)的變化可以概括為兩種情況，即逆時針方向旋轉(zhuǎn)和順時針方向旋轉(zhuǎn)變化。在模擬實驗過程中，分別模擬了偏重機構(gòu)逆、順時針旋轉(zhuǎn)360°及小角度搖擺的情況，實驗中設定逆時針作為角位置變化的正方向，利用Matlab 將界面采集的數(shù)據(jù)與三軸轉(zhuǎn)臺的實際角增量進行對比，得到誤差分析結(jié)果如下。

5.1 逆時針旋轉(zhuǎn)測量

三軸轉(zhuǎn)臺逆時針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速1.012°/s，旋轉(zhuǎn)角度360°，重復測試三組，誤差如圖7 所示。

圖7 逆時針旋轉(zhuǎn)誤差分析結(jié)果Fig.7 Analysis results of counter clockwise rotation errors

5.2 順時針旋轉(zhuǎn)測量

三軸轉(zhuǎn)臺參數(shù)同上，旋轉(zhuǎn)方向逆時針，重復測試三組，界面顯示如圖8 所示。

圖8 順時針旋轉(zhuǎn)誤差分析結(jié)果Fig.8 Analysis results of clockwise rotation errors

5.3 小角度搖擺測量

實驗過程中模擬垂直鉆井過程中偏重塊小角度搖擺，每次搖擺角度相對初始位置為－5°～＋5°，測試3 組，每組實驗重復3 個周期，此時界面顯示測量結(jié)果如圖9 所示。

圖9 小角度搖擺測量誤差分析結(jié)果Fig.9 Error analysis results of small angular swing measurement

經(jīng)磁柵盤逆、順時針旋轉(zhuǎn)實驗誤差分析，在旋轉(zhuǎn)角度較小時角位移的誤差也偏小，后誤差隨旋轉(zhuǎn)角度逐漸增大，呈時域上的積累，最大測量誤差為3°。小角度擺動實驗時，測量系統(tǒng)的誤差波動較大，最大角位移誤差為0.35°，實際使用時可以準確反映偏重機構(gòu)的角位置信息。誤差的大小除與磁編碼器自身儀器精度有關外，還受到三軸轉(zhuǎn)臺磁場的影響。

綜上，測量數(shù)據(jù)采集界面監(jiān)測偏重塊時角位移的誤差在工程允許的誤差范圍內(nèi)，能夠相對準確地監(jiān)測到偏重機構(gòu)的角位置變化情況。

6 結(jié)論

利用絕對式磁編碼器的工作原理提出了基于霍爾效應的磁編碼器角位置測量方案，并構(gòu)建了測量數(shù)據(jù)采集界面，在鉆井作業(yè)中可將磁編碼器系統(tǒng)固定在偏重機構(gòu)的一端進行數(shù)據(jù)的收集，觀測者通過采集界面實時監(jiān)測偏重機構(gòu)的角位置變化信息。經(jīng)過實驗測試及誤差分析，驗證了測量數(shù)據(jù)采集界面在鉆進情況下的功能使用情況，經(jīng)分析實驗結(jié)果測量系統(tǒng)的精度可達3°，確定了實驗數(shù)據(jù)的可靠性。

本文構(gòu)建的非接觸式偏重機構(gòu)測量系統(tǒng)可以測量出偏重機構(gòu)的實時角位置信息，可為機械式垂直鉆井系統(tǒng)的研發(fā)實驗和改進優(yōu)化提供數(shù)據(jù)和依據(jù)，也為機械式自動垂直鉆具增加電子增力機構(gòu)奠定了基礎。