旋转导向工具双轴综合标定系统研究与设计

　　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。