本發(fā)明涉及旋轉導向鉆井系統(tǒng)領域，尤其涉及一種旋轉導向測控系統(tǒng)的室內(nèi)實驗裝置及測試方法。

背景技術：

旋轉導向鉆井系統(tǒng)是定向井領域的裝備，能夠極大地提高定向井作業(yè)效率和作業(yè)成功率，是未來定向井技術發(fā)展的趨勢之一。旋轉導向鉆井系統(tǒng)按結構原理分，可分為推靠式和指向式。推靠式就是實時采集井下的工況參數(shù)，計算當前井斜角和工具面角，控制三個或更多個翼肋張開推靠井壁來進行導向。

經(jīng)對現(xiàn)有技術的公開文獻檢索發(fā)現(xiàn)，雖然指出了旋轉導向鉆井工具測控系統(tǒng)的工作原理及測控方法，但是，為保證旋轉導向測控系統(tǒng)在旋轉工況下進行準確測量并實現(xiàn)精確控制，需要進行模擬旋轉工況的室內(nèi)實驗裝置的開發(fā)。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種旋轉導向測控系統(tǒng)的室內(nèi)實驗裝置，模擬井下工具旋轉，完成對工具姿態(tài)參數(shù)的測量，并通過與標準井斜、標準工具面的對比，為旋轉導向測控系統(tǒng)中算法改與控制系統(tǒng)優(yōu)化提供強有力的技術保障。

本發(fā)明的技術方案包括：井斜標定臺架、旋轉測試臺架、電源管理模塊、微機模塊和滑環(huán)線。其中，井斜標定臺架包括底板和前后側板組成的框架體，在框架體上設置主軸，主軸伸出端連接有分度盤，旋轉測試臺架被固定在前后側板之間的主軸上。旋轉測試臺架包括底座、直流減速電動機、聯(lián)軸器、光柵碼盤、測試骨架、壓蓋、滑環(huán)，直流減速電動機輸出軸通過聯(lián)軸器與測試骨架連接軸相連，壓蓋與測試骨架的連接軸旋轉配合并將測試骨架固定在底座上，光柵碼盤安裝在聯(lián)軸器上，滑環(huán)與光柵碼盤配合將數(shù)據(jù)輸通過滑環(huán)線傳輸?shù)轿C模塊。測試骨架上設有旋轉傳感器槽和旋轉傳感器、處理電路槽和處理電路、指示燈。電源管理模塊通過滑環(huán)線連接到旋轉測試臺架，并對旋轉測試臺架上的所有電器供電。微機模塊通過滑環(huán)線與電源管理模塊和旋轉測試臺架上的電器部件建立數(shù)據(jù)及控制、通訊連接。

上述方案進一步包括：

在滑環(huán)線與直流減速電動機之間還連接有緊急剎車器。

井斜標定臺架的前后側板之間還連接有固定板，固定板帶有定位銷孔；旋轉測試臺架的底座上也設有相同直徑的定位孔，定位銷孔和定位孔與定位銷配合將井斜標定臺架和旋轉測試臺架在不同角度定位。

旋轉傳感器由一個高速三軸磁力計、三軸加速計、高速測控電路組成，其安裝于測試骨架外沿。

井斜標定臺架的側板采用無磁鋼，井斜標定臺架的底板采用鉛黃銅hpb59-1，旋轉測試臺架采用鋁材，包括主軸和銷釘、定位銷的機械連接部件全部采用青鈹銅材料。

在測試骨架周圍每隔120°安裝指示燈。

本發(fā)明由于采取以上技術方案，所具有的有益效果是：經(jīng)實驗驗證，本實驗裝置用于旋轉導向測控系統(tǒng)中傳感器的標定及測試，可以完成以下任務：(1) 模擬井下旋轉工況；（2）采集旋轉導向測控系統(tǒng)計算的實時井斜角和工具面角；（3）通過井斜標定臺架標定旋轉導向測控系統(tǒng)計算的實時井斜角；(4)光柵碼盤準確計算當前工具面角并與旋轉導向測控系統(tǒng)計算的實時工具面角對比；(5) 計算當前井斜角和工具面角，設定翼肋支出位置，實現(xiàn)旋轉導向工具空間姿態(tài)的調(diào)整；(6) 數(shù)據(jù)的實時存儲和上傳。應用它使得測控系統(tǒng)中測量更準確，同時對翼肋的支出位置及持續(xù)時間的控制也更精確。

附圖說明

圖1為旋轉導向測控系統(tǒng)實驗裝置的示意圖。

圖2 為井斜標定臺架的側視圖。

圖3 為旋轉測試臺架示意圖。

圖4 為測試骨架示意圖。圖中：

1、井斜標定臺架 2、旋轉測試臺架 3、電源管理模塊 4、微機模塊

5、滑環(huán)線 6、底板 7、前側板 8、后側板

9、主軸 10、銷釘 11、分度盤 12、固定板

13、定位銷 14、底座 15、直流減速電動機 16、聯(lián)軸器

17、光柵碼盤 18、測試骨架 19、壓蓋 20、滑環(huán)

21、主軸孔 22、定位孔 23、緊急剎車器 24、旋轉傳感器槽

25、處理電路槽 26、旋轉傳感器 27、處理電路 28、指示燈。

具體實施方式

如圖1所示，本發(fā)明提出的旋轉導向測控系統(tǒng)實驗裝置包括幾部分：井斜標定臺架1、旋轉測試臺架2、電源管理模塊3、微機模塊4、滑環(huán)線5、緊急剎車器23。模擬旋轉導向測控系統(tǒng)安裝在旋轉測試臺架2上，電源管理模塊3通過滑環(huán)線5對整個旋轉測試臺架2供電，其中包括直流減速電動機15、旋轉導向測控系統(tǒng)及光柵碼盤17；另外，旋轉導向測控系統(tǒng)將采集到的井斜、轉速、工具面等信號進行調(diào)理后通過滑環(huán)傳輸?shù)轿C模塊4，實現(xiàn)了旋轉測試臺架2與外接的微機模塊4之間的數(shù)據(jù)及控制通訊。另外，在實驗裝置外配合安裝緊急剎車器23，用以緊急剎車，在剎車過程中，直流減速電動機1堵轉，選用電機時考慮過電流保護能力，確保電機正常工作。緊急剎車器由微機模塊4根據(jù)控制信號進行自動剎車，剎車時間與測控系統(tǒng)控制信號關聯(lián)。

電源管理模塊3負責將交流電進行整流穩(wěn)壓處理成為直流電后，再進行電壓轉換處理將直流電壓分別轉換為+15v、-15v、5V，為測控系統(tǒng)提供所需電力。

由于旋轉導向測控系統(tǒng)在測量過程中使用磁通門測量，磁通門受鐵、磁物質(zhì)干擾大，為了避免磁干擾影響測量準確度，整個實驗裝置采用無磁材料制作，其中井斜標定臺架1采用無磁鋼，旋轉測試臺架2采用無磁干擾的鋁材，各種固定用的螺栓、螺母等全部采用青鈹銅材料。

圖2為井斜標定臺架1的側視圖。如圖1、2所示，井斜標定臺架1包括：底板6；前側板7、后側板8、主軸9、銷釘10、分度盤11、固定板12、定位銷孔13。把裝有旋轉導向測控系統(tǒng)的旋轉測試臺架2通過銷釘10安裝在主軸9上，旋轉測試臺架2可輕松的變換不同的井斜角度，根據(jù)所需求的標定角度，設置分度盤11，當前可根據(jù)需要每15°設置一固定位置，每一固定位置需要嚴格標定，標定位置在分度盤11上注明。在井斜標定臺架1安裝固定板12，固定板12上鉆出定位銷孔13，當旋轉測試臺架2轉至設定角度后，井斜標定臺架1上的定位銷孔13與旋轉測試臺架2上的定位銷孔重合，用鈹青銅材料制作的定位銷把旋轉測試臺架2固定。

井斜標定臺架1上的底板6采用鉛黃銅hpb59-1，既利用鉛黃銅的可切削性強、力學性能良好的特點，也加強了底板6的重量，增強了整個實驗裝置的穩(wěn)定性，前側板7及后側板8采用無磁干擾的鋁材，為了進一步減輕重量，在鋁材不同位置挖出大方形槽。井斜標定臺架1用固定螺絲固定在地面上，固定時采用水平儀校正，保證整個系統(tǒng)的角度平穩(wěn)。定位銷采用鈹青銅材料；它具有良好的鑄造性能及非磁性。

如圖3所示，旋轉測試臺架2包括：底座14、直流減速電動機15、聯(lián)軸器16、光柵碼盤17、測試骨架18、壓蓋19、滑環(huán)20、主軸孔21、定位孔22。底座14及測試骨架18都采用無磁干擾的鋁材，即便于加工，也使旋轉測試臺架2減輕重量。通過聯(lián)軸器16將直流減速電動機15輸出軸與測試骨架18連接軸相連，利用直流減速電動機15帶動測試骨架18旋轉，在聯(lián)軸器上安裝有光柵碼盤17，通過滑環(huán)20將光柵碼盤17中解碼器的解碼數(shù)據(jù)輸送到微機模塊4中的解碼器上位機軟件，實時將工具面、加速度、轉速等信息顯示和存盤。光柵碼盤17中解碼器的輸出方波脈沖，通過設定起始位置，復位旋轉編碼器，微機模塊4可實時顯示出試驗臺架旋轉位置信息，用以驗證試驗算法。

在旋轉導向工具工程應用中，轉盤轉速與系統(tǒng)工具面的控制精度相關性強；隨著轉盤轉速的增加，如果工具采樣率保持不變時，工具的分辨率變差，如果提高采樣率，則可以提高分辨率。工具分辨率的提高對工具控制精度的影響是明顯的。如果考慮工具馬達的轉速，則旋轉導向工具的轉速也可高達180～200 r/min。因此選用的直流減速電動機15輸出轉速達到200 r/min，功率為300w。

如圖4所示，測試骨架18包括：旋轉傳感器槽24、處理電路槽25、旋轉傳感器26、處理電路27、指示燈28。測試骨架18由壓蓋19壓緊，固定在底座14上，直流減速電動機15帶動測試骨架18旋轉，測試骨架18繞中心軸以速度0-180rpm旋轉，轉速可調(diào)。旋轉傳感器26安裝在旋轉傳感器槽24中，位于測試骨架18外沿，基本模擬旋轉導向工具中傳感器的位置。

旋轉導向工具系統(tǒng)中旋轉傳感器26的選擇對整個控制精度的影響顯著。結合旋轉導向井下工具系統(tǒng)自身特點，選用由一個高速三軸磁力計、三軸加速計、高速測控電路組成的旋轉傳感器26，利用磁力計測量地磁信息計算得出工具面旋轉位置，再由磁力計、加速度計測量出地磁參數(shù)和重力參數(shù)，經(jīng)過處理電路完成對工具姿態(tài)參數(shù)的測量。

由于井下測控系統(tǒng)安裝在鉆柱上，鉆頭由鉆柱和井下專用螺桿共同來驅(qū)動，測量過程中，鉆柱轉速較低，因此利用磁性工具面可以滿足控制要求，并且由于測量工具面角的速度快，底部鉆具組合旋轉對其不會產(chǎn)生影響。旋轉傳感器的井斜角測量精度±0.1°，方位角測量精度±1°，磁工具面角測量精度±5°，分辨率1°。

處理電路27是旋轉導向井下工具系統(tǒng)控制中心，用于系統(tǒng)姿態(tài)參數(shù)測量數(shù)據(jù)處理、控制方法計算、控制誤差修正補償、控制量輸出、井下關鍵參數(shù)存儲與回放、自身狀態(tài)監(jiān)視以及與MWD系統(tǒng)實時通訊等。為提高工具控制系統(tǒng)的精度，處理電路采用了高速的摩托羅拉微處理機，CPU 主頻工作在40 MHz, 保證了系統(tǒng)的快速性，為提高系統(tǒng)采樣率提供了保證。

在測試骨架18周圍每隔120°安裝指示燈28模擬旋轉導向工具的3個翼肋，接收處理電路27的控制信號，通過指示燈28的閃爍可以直觀的顯示翼肋支出的位置及持續(xù)時間，進一步表明測控系統(tǒng)的工作狀態(tài)。