旋转导向工具双轴综合标定系统研究与设计

引言
旋转导向钻井系统（Rotary Steerable Drilling）是目前世界最先进、高效的石油定向钻井工具，能够在钻具旋转模式下实现三维复杂井眼轨迹的钻进作业和控制；能够实时接受地面控制指令，重新规划和变更井眼轨迹，通过与随钻测井系统（MWD/LWD）挂接、配合，能够进一步实现精确的地质导向功能。

COTAS（Cybernetic Oil-well Tracking Alignment System）系统是中海油田服务股份有限公司历时4年自主研发的RSD系统，以可靠的电机泵结构和精准的导向力矢量控制技术为特征，具备优异的地层造斜能力、轨迹控制精度和完井井身质量，能够实现井斜、方位的全自动闭环锁定控制，并可通过统一的系统总线接口与SPOTE随钻测井系统无缝衔接。

COTAS系统工作原理为推向式旋转导向工具，具备工具高边角测量和导向力矢量自动控制功能。为了能在实验室测试和验证功能性能，须对相关试验方法进行专门研究，并设计实现专用测试设备。双轴综合标定系统，能够为标定、测试近钻头惯性测量模块提供井斜角和工具高边角基准；同时，能够利用三相测力仪精确测量工具所产生的导向力矢量。

系统工作原理
双轴综合标定系统的设计目的是解决COTAS工具测试中的两个问题。其一，如何在试验室模拟两个角度变化；其二，如何精确测量导向力矢量的幅值和角度变化。为此设计了如图1中的系统架构。整套系统包括两轴精密转台、三相测力仪、嵌入式处理系统和采集处理系统四大部分。

图1 双轴综合标定系统架构图

其中，两轴转台加持被测试导向工具模拟姿态（井斜角、工具高边角）的变化。三相测力仪测量工具3个推靠臂输出推力，输出给采集处理系统。嵌入式采集系统完成对测量信号的AD采集，将数字测量信号以无线方式发送至测试软件。工作站中的测试软件系统根据测量分力数据，自动计算合力矢量的幅值、相角；同时，读取两轴转台的感应同步器角度测量数值，作为工具姿态角基准。

两轴精密转台
系统中的双轴精密转台性能指标如表1所列。

由于导向工具不仅重量大，而且长度达2m。如果装夹在两轴转台台面上，倾斜轴力矩太大，所以须自行设计。在总体方案上，转台轴采用中空形式，将导向工具穿入后在转台前后两端固定，降低了台体的高度，并且易于实施静平衡，使倾斜轴力矩大大减小。

图2 双轴精密转台外观装配图

三相测力仪
三相测力仪技术指标如表2所列。

为增加测力仪在导向工具上的调整移动距离，并进一步增强其刚度而设计了图3中的圆锥形测力仪结构。
其中测力传感器采用中国航天空气动力技术研究院应变式测力传感器，测量精度为±0.05%FS。

图3 三相测力仪结构图

信号采集系统
采集处理系统由测力传感器的滤波放大模块、A/D转换模块、嵌入式处理系统、电源模块、无线路由器和无线USB网卡以及工控机组成。性能指标如表3，图4为数据采集处理流程图。

图4 数据采集处理流程图