扭转导向对象导向模块部件组成及事理研究 徐月庆

绍， 并对目前导向模块的机器设计构造、 供电、 通讯、 掌握系统的事情事理、 非打仗供电部

分的试验设计做了详细的解释， 确定了存在的技能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 非打仗供电 电磁感应 定向掌握

序言

从 20 世纪 80 年代后期， 在国际上开始研究旋转导向钻井技能， 到 90 年代初期多

家公司形成了商业化技能。
海内大部分油田相继进入开拓后期， 新探区苛刻的油藏地质条件，

繁芜构造井的不断增多和国外石油公司的竞争压力， 使海内很多钻井院所也都在进行这一类

工具的研发， 但都由于多种困难， 没有形成商业化产品。
我院为了大庆定向井、 水平井钻井

技能的须要， 也进行了这一天下尖端项目的研究探索。

1、 技能现状

闭环旋转导向钻井是当现代界领先的定向钻井技能， 是定向井工具发展的热点方

向。
贝克休斯、 哈利伯顿、 斯伦贝谢等天下著名的三大石油公司都相继研制出了具有自主知

识产权的旋转导向钻井工具， 其紧张工具如下表 1 所示。

表 1 国外公司紧张旋转导向工具

公司 工具名称 原 理

Baker Hughes Auto Trak 采取固定静态式偏置机构， 可以选择性地改变液动伸

缩块与井壁的径向打仗。

Schlumberger Powerdrive 具有自我稳定的泥浆动力和密封掌握单元， 通过旋转

稳定传感器同步调整井眼走向。

Halliburton Geo-pilot 下部驱动主轴可在壳体内偏转成一定角度， 可对井斜和

方位进行改变。

2、 导向头设计构造

我院研制的旋转导向钻井工具由双向通讯系统、 LWD 测井系统以及导向系统三部

分组成。
导向系统是其紧张实行机构， 是能否实现定向自动掌握的主要部件。
我院研发的导

向头设计构造， 如图 1 所示。

图 1 导向头构造设计图

导向头从构造上分为中轴和非旋转外套两大部分。
中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， 导向套与中轴之间镶有金刚石耐磨片， 以担保相对迁徙改变时产

生较小的磨损。
三个可伸缩菱块支配在导向套中， 由地面大掌握闭环或地下小掌握闭环掌握

其伸缩量以进行方位和井斜的掌握。

3、 导向头各部件组成与事情事理

导向头部分由低级电路模块、 非打仗供电及通讯模块、 次级电路及近钻头井斜工具

面丈量模块、 液压模块等组成。
个中低级电路模块、 非打仗供电的内套部分和中央轴一起旋

转， 而非打仗供电的外套部分、 次级电路及近钻头井斜工具面丈量模块、 液压模块置于非旋

转导向套中。

低级电路模块

包括旗子暗记解调电路、 DC/AC 电流转化电路、 旗子暗记与能量载波调制电路。
它用于吸收

上部泥浆发电机向下通报的电能及地面给出的命令旗子暗记、 LWD 丈量系统给出的轨道方位信

号并经由处理后输出。
旗子暗记解调电路用于将旗子暗记从 30V 直流电路等分离出来。
DC/AC 电流

转化电路将 30V直流电变换为 50Hz的互换电， 再通过旗子暗记与能量载波调制电路与命令旗子暗记、

轨道方位旗子暗记进行相应的调制， 输出给非打仗供电及通讯模块。

非打仗供电及通讯模块

用于在低级及次级电路之间通报电能及旗子暗记。
由于在中轴和非旋转外套之间存在相

对迁徙改变， 无法用导线进行旗子暗记及电能的通报， 必须利用其他方法进行连接。
个中就包括滑环

连接及感应连接。
滑环连接其耐磨性及可靠性较差， 一旦在高温高压、 中轴与导向套高速相

对迁徙改变及钻头的剧烈震撼条件下密封不严， 就会受到钻井液的侵蚀， 很难适应永劫光的井下

施工须要， 因而国外最新的技能手段都是选用感应连接。
但感应连接由于其存在气隙、 以及

铜损、 铁损等相应的问题， 难以达到较高的通报效率。
而通报效率是液压系统造斜能力的关

键， 同时通报效率低也会引起电路发热量高， 元件随意马虎烧坏等问题。

旗子暗记与电能的共同通报还会带来旗子暗记调制和双向同步传输能量与旗子暗记的问题。
旗子暗记

调制的关键是如何进行优化调制以达到最小的错码率。
双向同时传输的紧张问题是在一条通

路上如何进行下传 150W 互换电能的同时上传掌握旗子暗记。
这些方面都须要进行深入的理论研

究及实验。
经由调研试验， 项目组已经确定了运用感应式非打仗供电及旗子暗记通报技能在低级

电路和次级电路之间通报的可行性。
非打仗供电及旗子暗记通报系统包括内套和外套， 其设计结

构如下：

1、 内套从内向外依次是钢套、 线圈、 聚醚醚酮(PEEK)树脂密封绝缘套。

2、 外套从内向外依次是聚醚醚酮(PEEK)树脂密封绝缘套、 线圈、 壳体。

通过实验及理论打算， 感应式非打仗供电通报办法可以达到 50%以上的通报效率。

而导向设备所需电能须要通报效率达到 70%以上。
而通报效率与互换电的频率、 铁芯材料、

线圈之间的间隔、 构造、 缠绕办法、 直径等都有较大的关系， 须要进一步实验。
实验方法如

下：

根据已知电压、 频率条件确定铁芯截面积、 低级、 次级线圈匝数、 漆包线线径。

1） 打算铁芯截面积

根据小功率电磁感应装置铁心截面打算的履历公式

S=1.25 （P 为总功率） -----S 的单位是平方厘米。

据此打算， 要达到 200VA 容量， 截面要到 18 平方厘米。

2） 打算线圈匝数

根据法拉第电磁感应事理：

式中， E=有磁芯的电感绕组的感应电压（V）；

N=绕组匝数；

磁芯截面面积（）；

dB=磁芯磁通变革（高斯）；

dt=磁通变革韶光（s）。

假设条件： 输入电源低级电压 220V， 频率 50Hz； 铁芯具有最高达 20000GS 的饱和

磁感应强度的硅钢片， 确定事情时最大磁感应强度小于 10000GS。

内套低级线圈最少匝数＝660 匝

假设条件： 次级线圈输出电压 220V,有效输出电流 1A。

外套次级线圈最少匝数=1.1=726 匝

根据履历公式： 伏匝数=50/S

内套低级线圈最少匝数=伏匝数220V=611

外套次级线圈最少匝数=1.1=672

3） 打算漆包线线径

线径过小、 电阻率较大随意马虎引起线圈温度过高而烧毁， 而且铜损较大， 影响通报效

率， 线径过大又无法在有限的空间内缠绕足够的匝数， 以是首先要打算最小线径， 再根据内

套的高度， 通过实验调度得当的线径。

根据电磁感应装置线径打算履历公式： 导线直径 d=求得

低级线圈导线最小直径 d1=0.92 毫米， 次级线圈导线最小直径 d2=0.8 毫米。

以上打算是在没有气隙的情形下根据理论履历打算得到的， 是否能够达到足够的输

出功率还须要进行试验。
此外， 铁芯材料、 线圈材料、 事情频率、 匝数比等成分都能影响传

递效率， 无法进行定量打算， 须要用过大量试验进行验证。

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， 须要较多的线圈；

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。
分为冷轧取向硅钢、 无取向硅钢、 硅钢薄板等；

2） 铁氧体： 电阻率高、 频率范围广， 适用于小功率开关电源。

非打仗供电及通讯系统的设计组成如图 2 所示。

次级电路及近钻头井斜丈量模块

包括信息解调电路、 下传命令打算及小闭环掌握单元、 近钻头井斜丈量单元。
通过

这一模块将下传信息进行解调， 并输入给掌握单元， 同时三个正交排列的重力加速度计对三

个推靠菱块的即时位置进行丈量， 丈量参数通报给掌握单元， 在掌握单元内换算成推靠菱块

相对付井眼高边的旋转角度， 掌握单元内设计采取 C51 单片机对这些参数与命令旗子暗记进行

打算后给出每个推靠菱块所需施加的对井壁的推力大小。
此外三轴重力加速度计对近钻头井

斜的丈量数据也要传送给掌握单元， 用于实现井下小闭环的掌握。

导向头的掌握模式包括钻进模式和推靠菱块紧缩模式。
在钻进的过程中， 也分为两

种模式， 定向模式和保持模式。
共有 5 个参数和这些模式合营利用。

定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。
定向模式利用参数为定向方向和定向力。
工具在井眼高边为参考方向的条

件下， 在给定的方向上运用给定大小的定向力。
定向模式在打三维井时非常有用， 也便是，

在复合工具运转的时候除了工具面要坚持均匀变革外， 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定向力， 直到下传命令发生变革。

保持模式许可利用向上/下或向左/右的力来达到定向的目的。
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。
保持模式便是利用造斜力增降斜， 从而达

到预设目标井斜的目的， 达到目标井斜后稳斜钻进。
在碰着方位漂移的时候， 须要用到持续

的纠方位力进行方位校正。
在保持模式中创造了方位漂移时， 为了确保能够有效的钻达靶点，

首先打算有效的定向方向， 所须要的造斜和扭方位的力会由掌握系统自动打算并设定好。
当

涌现了造斜力和扭方位力的矢量和大于仪器能够供应的最大力的时候， 在目标方向上利用最

大力， 因此造斜率和方位变革率减小， 原始的目标方向保持不变。
保持模式利用参数造斜力，

纠方位力和目标井斜。

菱块紧缩模式下推靠菱块能够被弹簧片压缩而关闭。
菱块紧缩模式没有参数， 在起

下钻、 划眼时利用。

选择什么模式取决于设计的井身剖面， 导向模式紧张运用于三维水平井施工， 例如

增降井斜以及扭方位。
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

常日用于二维剖面。
无论利用哪种模式， 目标都是利用最少的命令来钻成设计轨道。

定向掌握流程如图 3 所示， 下传命令打算及小闭环掌握电路模块用于掌握三个独立

的定向菱块内的液压压力， 来给定向单元持续的供应一个给定的矢量协力。
通过预设的定向

参数和定向单元的实际位置来打算矢量协力。
矢量协力会随工具位置的变革而自动改变。
定

向参数可以通过下传命令来改变。
一个紧张掌握器存储了定向参数如力、 方向和目标井斜。

这个主掌握器须要 ADC 掌握器供应井斜和工具面信息。
根据定向参数和工具位置， 三个液

压掌握菱块所需的目标压力被打算出来， 送到马达掌握器。
目标压力会随时更新。
马达掌握

器通过压力传感器的反馈闭环掌握三个独立的电马达。
根据紧张掌握器的哀求， 它会保持目

标压力不变。
每个马达利用一个专门的驱动电路。
ADC 掌握器通过 A/D 转换器和三轴重力

加速度计来丈量打算近钻头井斜和工具面， 并供应给主掌握器。

（4） 液压模块

通过液压来驱动 3 个推靠菱块从而使底部钻具组合产生一个波折力。
理论上推靠菱

块伸出所产生力的大小， 在实践中常日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、 液压缸及推靠菱块。
每个菱块都有其相对独立的

推靠菱块液压装置。
三个推靠菱块液压装置是由掌握单元中非旋转部分的次级电路掌握的。

一旦个中一个液压装置失落灵， 全体工具仍旧可以被其他两个液压装置掌握。

4、 结论及展望

1） 导向模块的设计须要充分考虑井下恶劣的工况可能对工具产生的影响。

2） 为了 能在导向头有限的空间内放置非打仗供电模块、 近钻头丈量模块、 闭环控

制模块、 液压模块， 须要进行精密的构造设计。

3） 旋转导向系统的研制须要电子、 机器、 掌握、 材料、 液压、 钻井、 通讯等多方

面的知识， 本设计方法在实现过程中还有很多须要改进的地方， 在细节设计上须要进行大量

的实验及专家论证。

参考文献

[1] Sandro Poli.,etal.,Advaned Tools for Advanced Wells:Rotary Closed Loop Drilling

System-Results of Prototype Field Testing,SPE35884.

[2] Bob J Patten,Automatic Directional Drilling Shows Promise,Petroleum Engineer

International,April 1992.

[3] Dan Turner,Advances Culminate in ‘Smart’ System,Drilling Technology,April 1999.

Nelson Emery.,etal.,Closed-Loop Steerable Drilling System Tackles Multiple targets,Oil &

Gas Journal,1999.

[4]张进双,胡金艳等,当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.

[5]罗廷才,赵锦栋,AutoTrak 旋转闭环钻井系统在西江油田 的运用,石油钻探技

术,2002 年 10 月,第 30 卷第 5 期.

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