引言
旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)（Rotary Steerable Drilling）是目前世界最先進、高效的石油定向鉆井工具，能夠在鉆具旋轉(zhuǎn)模式下實現(xiàn)三維復(fù)雜井眼軌跡的鉆進作業(yè)和控制；能夠?qū)崟r接受地面控制指令，重新規(guī)劃和變更井眼軌跡，通過與隨鉆測井系統(tǒng)（MWD/LWD）掛接、配合，能夠進一步實現(xiàn)精確的地質(zhì)導(dǎo)向功能。

COTAS（Cybernetic Oil-well Tracking Alignment System）系統(tǒng)是中海油田服務(wù)股份有限公司歷時4年自主研發(fā)的RSD系統(tǒng)，以可靠的電機泵結(jié)構(gòu)和精準的導(dǎo)向力矢量控制技術(shù)為特征，具備優(yōu)異的地層造斜能力、軌跡控制精度和完井井身質(zhì)量，能夠?qū)崿F(xiàn)井斜、方位的全自動閉環(huán)鎖定控制，并可通過統(tǒng)一的系統(tǒng)總線接口與SPOTE隨鉆測井系統(tǒng)無縫銜接。

COTAS系統(tǒng)工作原理為推向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，具備工具高邊角測量和導(dǎo)向力矢量自動控制功能。為了能在實驗室測試和驗證功能性能，須對相關(guān)試驗方法進行專門研究，并設(shè)計實現(xiàn)專用測試設(shè)備。雙軸綜合標定系統(tǒng)，能夠為標定、測試近鉆頭慣性測量模塊提供井斜角和工具高邊角基準；同時，能夠利用三相測力儀精確測量工具所產(chǎn)生的導(dǎo)向力矢量。

系統(tǒng)工作原理
雙軸綜合標定系統(tǒng)的設(shè)計目的是解決COTAS工具測試中的兩個問題。其一，如何在試驗室模擬兩個角度變化；其二，如何精確測量導(dǎo)向力矢量的幅值和角度變化。為此設(shè)計了如圖1中的系統(tǒng)架構(gòu)。整套系統(tǒng)包括兩軸精密轉(zhuǎn)臺、三相測力儀、嵌入式處理系統(tǒng)和采集處理系統(tǒng)四大部分。

圖1 雙軸綜合標定系統(tǒng)架構(gòu)圖

其中，兩軸轉(zhuǎn)臺加持被測試導(dǎo)向工具模擬姿態(tài)（井斜角、工具高邊角）的變化。三相測力儀測量工具3個推靠臂輸出推力，輸出給采集處理系統(tǒng)。嵌入式采集系統(tǒng)完成對測量信號的AD采集，將數(shù)字測量信號以無線方式發(fā)送至測試軟件。工作站中的測試軟件系統(tǒng)根據(jù)測量分力數(shù)據(jù)，自動計算合力矢量的幅值、相角；同時，讀取兩軸轉(zhuǎn)臺的感應(yīng)同步器角度測量數(shù)值，作為工具姿態(tài)角基準。

兩軸精密轉(zhuǎn)臺
系統(tǒng)中的雙軸精密轉(zhuǎn)臺性能指標如表1所列。

由于導(dǎo)向工具不僅重量大，而且長度達2m。如果裝夾在兩軸轉(zhuǎn)臺臺面上，傾斜軸力矩太大，所以須自行設(shè)計。在總體方案上，轉(zhuǎn)臺軸采用中空形式，將導(dǎo)向工具穿入后在轉(zhuǎn)臺前后兩端固定，降低了臺體的高度，并且易于實施靜平衡，使傾斜軸力矩大大減小。

圖2 雙軸精密轉(zhuǎn)臺外觀裝配圖

三相測力儀
三相測力儀技術(shù)指標如表2所列。

為增加測力儀在導(dǎo)向工具上的調(diào)整移動距離，并進一步增強其剛度而設(shè)計了圖3中的圓錐形測力儀結(jié)構(gòu)。
其中測力傳感器采用中國航天空氣動力技術(shù)研究院應(yīng)變式測力傳感器，測量精度為±0.05%FS。

圖3 三相測力儀結(jié)構(gòu)圖

信號采集系統(tǒng)
采集處理系統(tǒng)由測力傳感器的濾波放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、嵌入式處理系統(tǒng)、電源模塊、無線路由器和無線USB網(wǎng)卡以及工控機組成。性能指標如表3，圖4為數(shù)據(jù)采集處理流程圖。

圖4 數(shù)據(jù)采集處理流程圖

系統(tǒng)需采集兩個轉(zhuǎn)角、3個分力、3個液壓缸壓力、兩個姿態(tài)角的測量輸出值，處理計算合力矢量的大小和角度，并實時顯示和儲存，其中：

1) 兩個轉(zhuǎn)角  轉(zhuǎn)臺2軸的轉(zhuǎn)角，為圓形感應(yīng)同步器，其輸出信號由RS232串口傳輸至工控機。

2) 3個分力和3個缸壓  推力傳感器和缸壓傳感器輸出模擬測量信號進行濾波放大處理，調(diào)理模擬信號再輸入NI-9205模塊進行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號輸入cRIO嵌入式處理系統(tǒng)。

3) 兩個姿態(tài)角  慣性測量模塊的輸出經(jīng)RS232串口也進入cRIO嵌入式處理系統(tǒng)。

嵌入式處理系統(tǒng)與工控機間采用802.11g無線通信協(xié)議傳輸采集數(shù)據(jù)。工控機完成處理計算，實時顯示全部信息并進行儲存。

圖5 基于cRIO的嵌入式處理系統(tǒng)

傳感器濾波放大模塊對輸入信號差動放大，轉(zhuǎn)換為單邊信號，再濾波去除高頻噪聲。其放大倍數(shù)設(shè)計后為417.7倍。圖6為其電路原理圖和完成圖。

圖6 測力傳感器輸出濾波放大模塊

系統(tǒng)軟件要求能夠精確測量、檢驗和校正整個導(dǎo)向力控制機構(gòu)和控制算法，圖7為軟件顯示與操作界面。實現(xiàn)的具體功能包括：

 
1) 導(dǎo)向力控制算法驗證；

2) 近鉆頭慣性測量模塊顯示、校正、標定；

3) 轉(zhuǎn)臺參數(shù)測量、顯示、對比；

4) 標定參數(shù)、實時控制參數(shù)、工程測量參數(shù)記錄；

5) 導(dǎo)向工具姿態(tài)數(shù)據(jù)以3D鉆頭姿態(tài)顯示。

圖7 測試系統(tǒng)軟件界面

系統(tǒng)應(yīng)用與結(jié)論
應(yīng)用雙軸綜合標定測試系統(tǒng)，在COTAS系統(tǒng)驗證過程中進行了大量測試試驗，試驗獲得：

1) COTAS工具液壓缸壓強/液壓力間擬合關(guān)系式；

2) 慣性測量模塊安裝誤差角標定修正參數(shù)矩陣；

3) 導(dǎo)向力矢量幅值、相位控制精度測試結(jié)論；

4) 高邊角自動補償功能驗證與效果測試結(jié)論。

綜上試驗中使用效果表明，該系統(tǒng)集兩軸精密轉(zhuǎn)臺和測力儀于一體，能夠精確地夾持旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具模擬井斜和高邊角變化，并實時測量導(dǎo)向力矢量?？梢詫崿F(xiàn)對導(dǎo)向力控制機構(gòu)和閉環(huán)反饋算法的測試和檢驗，也可用于對近鉆頭慣性測量模塊的標定。

系統(tǒng)為COTAS系統(tǒng)的研制工作提供了不可或缺的技術(shù)基礎(chǔ)和測試手段。此外，在未來的產(chǎn)業(yè)化過程中，仍將繼續(xù)提供必須的標定和檢驗功能服務(wù)。