旋转导向工具导向模块部件组成及原理

杨涛,盘锦辽河油田天意石油装备有限公司,124000

摘要：本文主要对旋转导向钻井工具研发的关键技术之一导向模块的研究情况作了简要介绍，并对目前导向模块的机械设计结构、供电、通讯、控制系统的工作原理、非接触供电部分的试验设计做了详细的说明，确定了存在的技术难点及下一步我们要主攻的研究方向。

关键词：旋转导向工具 导向模块 非接触供电 电磁感应 定向控制

一、旋转导向结构

旋转导向钻井工具由双向通讯系统、MWD随钻测井系统以及导向系统三部分组成。导向系统是其主要执行机构，是能否实现定向自动控制的重要部件。导向头设计结构，如图1所示。

图1：导向头结构图

导向头从结构上分为旋转轴和不旋转导向外套两大部分。旋转轴从导向套中间穿过与钻头连接，带动钻头与钻柱一起旋转，导向套与旋转轴之间镶有金刚石耐磨片的硬质合金滑动轴承，以保证相对转动时产生较小的磨损。三个可伸缩翼肋布置在导向套中，由地面大控制闭环或地下小控制闭环控制其伸缩量以进行方位和井斜的控制。

二、导向头各部件组成与工作原理

(一)导向头各部件组成

导向头部分由初级电路模块、非接触供电及通讯模块、次级电路及近钻头井斜工具面测量模块、液压模块等组成。其中初级电路模块、非接触供电的内套部分和中心轴一起旋转，而非接触供电的外套部分、次级电路及近钻头井斜工具面测量模块、液压模块置于不旋转导向套中。

1.初级电路模块

包括信号解调电路、信号与能量载波调制电路。它用于接收上部泥浆发电机向下传递的电能及地面给出的命令信号给出的轨迹井斜方位信号并经过处理后输出。再通过信号与能量载波调制电路与命令信号、轨迹井斜方位信号进行相应的调制，输出给非接触供电及通讯模块。

2.非接触供电及通讯模块

信号与电能的共同传递还会带来信号调制和双向同步传输能量与信号的问题。信号调制的关键是如何进行优化调制以达到最小的错码率。双向同时传输的主要问题是在一条通路上如何进行下传150W交流电能的同时上传控制信号。这些方面都需要进行深入的理论研究及实验。经过调研试验，项目组已经确定了应用感应式非接触供电及信号传递技术在初级电路和次级电路之间传递的可行性。非接触供电及信号传递系统包括原边和副边，其设计结构如下：

1)原边从内向外依次是钢套、线圈、高温环氧树脂灌封绝缘层。

2)副边从内向外依次是高温环氧树脂灌封绝缘层、线圈、壳体。

通过实验及理论计算，感应式非接触供电传递方式可以达到50%以上的传递效率。而导向设备所需电能需要传递效率达到70%以上。而传递效率与交流电的频率、铁芯材料、线圈之间的距离、结构、缠绕方式、直径等都有较大的关系，需要进一步实验。

铁芯材料选择

可选材料及其特性如下：

1. 纯铁：具有较低的饱和磁感应强度，需要较多的线圈；

2. 硅钢片：具有最高达20000GS的饱和磁感应强度，能够较少线圈缠绕圈数，适用于低频、大功率设备。

3. 铁氧体：电阻率高、频率范围广，适用于小功率开关电源。

非接触供电及通讯系统的设计组成如图2所示。

图2：非接触供电通讯系统

3.次级电路及近钻头井斜测量模块

包括信息解调电路、下传命令计算及小闭环控制单元、近钻头井斜测量单元。通过这一模块将下传信息进行解调，并输入给控制单元，同时三个正交排列的重力加速度计对三个推靠翼肋的即时位置进行测量，测量参数传递给控制单元，在控制单元内换算成推靠翼肋相对于井眼高边的旋转角度，控制单元内设计采用C51单片机对这些参数与命令信号进行计算后给出每个推靠翼肋所需施加的对井壁的推靠力大小。此外三轴重力加速度计对近钻头井斜的测量数据也要传送给控制单元，用于实现井下小闭环的控制。

4.液压模块

通过液压来驱动三个推靠翼肋从而使底部钻具组合产生一个弯曲力。理论上推靠翼肋伸出所产生力的大小，在实践中通常与产生的狗腿严重度有线性关系。外力的方向与系统的重力高边有关。液压模块包括可控马达、液压泵及液压缸。每个翼肋都有其相对独立的推靠液压装置。三个推靠翼肋液压装置是由控制单元中非旋转部分的次级电路控制的。一旦其中一个液压装置失灵，整个工具仍然可以被其他两个液压装置控制。

(二)工作原理

导向头的控制模式包括钻进模式和划眼模式。在钻进的过程中，也分为两种模式，导向模式和稳斜模式。若干参数和这些模式配合使用。

导向模式和传统的定向系统的相似之处是它通过确定一个工具面和一个设定的狗腿度值进行施工。导向模式使用参数为导向方向和导向力。工具在井眼高边为参考方向的条件下，在给定的方向上应用给定大小的导向力。导向模式在打三维井时非常有用，也就是，在复合工具运转的时候除了工具面要维持均匀变化外，还要保持狗腿度不变。它没有一个目标井斜，只有持续的在特定方向上施加导向力，直到下传命令发生变化。

稳斜模式允许使用向上下或向左右的力来达到导向的目的。参数“造斜力”用于上、下垂直方向，参数扭方位力用在左、右水平方向。保持模式就是利用导向力增降斜，从而达到预设目标井斜的目的，达到目标井斜后稳斜钻进。在遇到方位漂移的时候，需要用到持续的调整方位力进行方位校正。在稳斜式中发现了方位漂移时，为了确保能够有效的钻达靶点，首先计算有效的定向方向，所需要的造斜和扭方位的力会由控制系统自动计算并设定好。当出现了导向力和扭方位力的矢量和大于仪器能够提供的最大力的时候，在目标方向上使用最大力，因此造斜率和方位变化率减小，原始的目标方向保持不变。保持模式使用参数造斜力，纠方位力和目标井斜。

划眼模式，翼肋收缩模式下推靠翼肋能够被弹簧片压缩而关闭。翼肋收缩模时没有参数，在起下钻、划眼时使用。

选择什么模式取决于设计的井身剖面，导向模式主要应用于三维水平井施工，例如增降井斜以及调整方位。保持模式是通过造斜力以一定的井眼曲率来达到目标井斜，保持模式通常用于二维剖面。无论使用哪种模式，目标都是使用最少的命令来钻成设计轨道。

三、结束语

导向模块的设计需要充分考虑井下恶劣的工况可能对工具产生的影响。为了能在导向头有限的空间内放置非接触供电模块、近钻头测量模块、闭环控制模块、液压模块，需要进行精密的结构设计。旋转导向系统的研制需要电子、机械、控制、材料、液压、钻井、通讯等多方面的知识，在细节设计上需要进行大量的现场实验。

参考文献

[1]张进双,胡金艳等,现代井下钻井工具及旋转导向闭环钻井系统,石油大学学报,2001年12月,第25卷第6期。

[2]罗廷才,赵锦栋,AutoTrak旋转闭环钻井系统在西江油田的应用,石油钻探技术,2002年10月,第30卷第5期。

[3]张绍槐,张杰,21世纪中国钻井技术发展与创新,石油学报,2001年11月,第22卷第6期。

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