一种旋转工具面角测试装置的制作方法

本发明涉及随钻测井技术领域中的一种工具面角测试系统，尤其涉及一种连续旋转状态下钻具工具面角测试系统。

背景技术：

目前，在石油钻井行业的随钻测量领域，国外带有方位性测量的随钻测井仪器和随钻方位成像仪器已经相当成熟，有效解决了钻入地层界面识别不准和复杂地质条件下的解释难题，并可有效识别地层倾角和裂缝以更好地进行地质导向和地质决策，创造出巨大的经济和社会效益。

国内的随钻测井仪器（包括随钻自然伽马、随钻电阻率等）已市场化推广应用十多年的时间，在结构设计上这些随钻测井仪器大都安装一个传感器且居于钻铤中心轴线，即便有些仪器结构设计上采用偏心结构，但至今仍没有真正利用其方位响应特性，不论均质或非均质地层，探测范围内的测量响应都是以传感器所在点为中心，井眼周围所测地层共同作用的结果，对地质参数变化的判别存在时间滞后，无法在水平井中及时分辨上下岩性界面变化特征和有效发现复杂油藏，时常错过进入储集层的最佳时机，其中一个很重要的原因就是仪器不带有旋转工具面角测量功能。目前有部分应用的随钻方位测量仪器是在钻铤外壁安装一个或者多个测量传感器，是在保证钻具与待测地层相对固定的条件下进行储层特性的划分。但存在的缺点是：由于钻具处于滑动或者静止状态，不能旋转钻进。随着所钻井眼井斜角和井眼位移的增加，钻具与井壁间摩阻明显增加，钻压无法有效施加到钻头上，钻井速度变慢，钻具粘卡风险增加，井眼钻探深度受限，同时滑动钻进所钻出的井眼轨迹不规则。

技术实现要素：

本发明目的为了克服现有技术的问题，提供一种能够在不同井斜及不同方位情况下对连续旋转状态下工具面角进行测量，通过获取的实时测量数据，可以实现工具面角测量精度计算及影响因素分析的旋转工具面角测试装置。

本发明的技术方案是：

一种旋转工具面角测试装置包括：方位标定台架、井斜标定台架、旋转测试台架、电源模块、微机模块、滑环线；其中，方位标定台架是在底座上固定芯轴，芯轴外设轴承和轴承套，在底座或轴承套外围设置方位分度盘和指针；井斜标定台架通过轴承套与方位标定台架连接，井斜标定台架包括底板和前后侧板组成的框架体，在框架体上设置主轴，主轴伸出端连接有分度盘；旋转测试台架被固定在井斜标定台架前后侧板之间的主轴上，旋转测试台架包括基座和直流减速电动机、联轴器、光栅码盘、测试骨架、压盖、滑环，直流减速电动机固定在基座上，直流减速电动机输出轴与测试骨架连接轴相连，压盖与测试骨架的连接轴旋转配合并将测试骨架固定在基座上，光栅码盘安装在输出轴上，滑环与光栅码盘配合将数据输通过滑环线传输到微机模块；测试骨架上设有旋转传感器槽和旋转传感器、处理电路槽和处理电路；电源管理模块通过滑环线连接到旋转测试台架，并对旋转测试台架上的所有电器供电；微机模块通过滑环线与电源管理模块和旋转测试台架上的电器部件建立数据及控制、通讯连接。

上述方案进一步包括：

旋转传感器由高速三轴磁力计、三轴加速计、高速测控电路组成。

在直流减速电动机上设置紧急刹车器。

方位标定台架的轴承套外周边设有与底座插接配合的销孔组合；井斜标定台架的前后侧板之间还连接有固定板，固定板带有定位销孔；旋转测试台架的基座上也设有相同直径的定位孔，定位销孔和定位孔与定位销配合将井斜标定台架和旋转测试台架在不同角度定位。

井斜标定台架的侧板采用无磁钢，井斜标定台架的底板采用铅黄铜hpb59-1，旋转测试台架采用铝材，包括主轴和销钉、定位销的机械连接部件全部采用青铍铜材料。

本发明的有益效果是：经实验验证，本测试系统用于钻具在连续旋转状态下进行方位角的测量，由于旋转传感器安装在测试骨架的U型槽内，直流减速电机通电工作时会带动测试骨架连同旋转传感器同步转动，实时测量出当前的工具面角并跟光栅码盘精确计算的工具面角进行对比分析，保证测试系统测量数据的准确性和实时性。此外，该测试装置可根据需要设置旋转测试台架的井斜和方位，通过正交试验分析建立井斜和方位的不同组合，并在不同的组合下对工具面角测量的准确性进行分析，运用统计分析方法归纳总结出工具面角的测量影响因素。该试验装置能够模拟井下旋转工况，实现随钻测井工具在跟随钻具旋转钻进过程中真正意义上的方位性测量和井眼成像。

附图说明

图1为旋转工具面角测试装置示意图。

图2为图1中井斜标定台架和方位标定台架部分的侧视图。

图3为方位标定台架俯视图。

图4为旋转测试台架示意图。

图5为测试骨架示意图。

1、井斜标定台架，2、旋转测试台架，3、电源模块，4、微机模块，5、滑环线，6、底板，7、前侧板，8、后侧板，9、主轴，10、销钉，11、井斜分度盘，12、固定板，13、定位销A，14、基座，15、直流减速电机，16、联轴器，17、光栅码盘，18、测试骨架，19、压盖，20、滑环，21、主轴孔，22、定位孔，23、紧急刹车器，24、传感器槽，25、处理电路槽，26、旋转传感器，27、处理电路，28、方位标定台架，29、轴承套，30、指针和方位分度盘，31、底座，32、轴承，33、芯轴，34、定位销B，35、压盖。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1所示，本发明提出的旋转工具面角测试装置包括：井斜标定台架1、旋转测试台架2、方位标定台架28、电源模块3、微机模块4、滑环线5、紧急刹车器23。旋转工具面角测试系统安装在旋转测试台架2上，电源模块3通过滑环线5对整个旋转测试台架2供电，其中包括直流减速电动机15、旋转工具面角测试系统及光栅码盘17；另外，旋转工具面角测试系统将采集到的井斜、方位、转速、工具面等信号进行调理后通过滑环传输到微机模块4，实现了旋转测试台架2与外接的微机模块4之间的数据及控制通讯。另外，在实验装置外配合安装紧急刹车器23，用以紧急刹车，在刹车过程中，直流减速电机1堵转，选用电机时考虑过电流保护能力，确保电机正常工作。刹车制动器由微机模块4根据控制信号进行自动刹车，刹车时间与测控系统控制信号关联。

电源模块3负责将交流电进行整流稳压处理成为直流电后，再进行电压转换处理将直流电压分别转换为+15v、-15v、5V，为测控系统提供所需电力。

由于旋转工具面角测试系统在测量过程中使用磁通门测量，磁通门受铁、磁物质干扰大，为了避免磁干扰影响测量准确度，整个实验装置采用无磁材料制作，其中井斜标定台架1采用无磁钢，旋转测试台架2采用无磁干扰的铝材，方位标定台架28采用无磁钢，各种固定用的螺栓、螺母等全部采用青铍铜材料。

如图1、2所示，井斜标定台架1包括底板6、前侧板7、后侧板8、主轴9、销钉10、井斜分度盘11、固定板12、定位销孔13。把装有旋转工具面角测试系统的旋转测试台架2通过销钉10安装在主轴9上，旋转测试台架2可轻松的变换不同的井斜角度，根据所需求的标定角度，设置井斜分度盘11，当前可根据需要每15°设置一固定位置，每一固定位置需要严格标定，标定位置在井斜分度盘11上注明。在井斜标定台架1安装固定板12，固定板12上钻出定位销孔13，当旋转测试台架2转至设定角度后，井斜标定台架1上的定位销孔13与旋转测试台架2上的定位销孔重合，用铍青铜材料制作的定位销把旋转测试台架2固定。

井斜标定台架1上的底板6采用铅黄铜hpb59-1，既利用铅黄铜的可切削性强、力学性能良好的特点，也加强了底板6的重量，增强了整个实验装置的稳定性，前侧板7及后侧板8采用无磁干扰的铝材，为了进一步减轻重量，在铝材不同位置挖出大方形槽。

如图1、3所示，方位标定台架28包括底座31、芯轴33、轴承32、轴承套29、压盖35、方位分度盘和指针30、定位销34组成；其中底座31上带有方位分度盘和指针，方位标定台架28可根据需要变换不同的方位，方位分度盘上每15°设置一固定位置，每一固定位置需严格标定，标定位置在分度盘上注明。在方位标定台架28底座31上钻出定位销孔，当旋转测试台架2转至设定方位后，指针会正对方位分度盘上对应的方位刻度，将定位销34插入方位标定台架28上的定位销孔中，将方位标定台架28固定。方位标定台架28用固定螺丝固定在地面上，固定时采用水平仪校正，保证整个系统的角度平稳。

如图4所示，旋转测试台架2包括：底座14、直流减速电机15、联轴器16、光栅码盘17、测试骨架18、压盖19、滑环20、主轴孔21、定位孔22。底座14及测试骨架18都采用无磁干扰的铝材，即便于加工，也使旋转测试台架2减轻重量。通过联轴器16将直流减速电动机15输出轴与测试骨架18连接轴相连，利用直流减速电动机15带动测试骨架18旋转，在转轴间安装有光栅码盘17，通过滑环20将光栅码盘17中解码器的解码数据输送到微机模块4中的解码器上位机软件，实时将工具面、加速度、转速等信息显示和存盘。光栅码盘17中解码器的输出方波脉冲，通过设定起始位置，复位旋转编码器，微机模块4可实时显示出试验台架旋转位置信息，用以验证试验算法。

在旋转工具工程应用中，转盘转速与系统工具面的控制精度相关性强；随着转盘转速的增加，如果工具采样率保持不变时，工具的分辨率变差，如果提高采样率，则可以提高分辨率。工具分辨率的提高对工具控制精度的影响是明显的。如果考虑工具马达的转速，则旋转工具的转速也可高达180～200 r/min。因此选用的直流减速电动机15输出转速达到200 r/min，功率为300w。

如图5所示，测试骨架18包括：旋转传感器槽24、处理电路槽25、旋转传感器26、处理电路27。测试骨架18由压盖19压紧，固定在底座14上，直流减速电动机15带动测试骨架18旋转，测试骨架18绕中心轴以速度0~180rpm旋转，转速可调。旋转传感器26安装在旋转传感器槽24中，位于测试骨架18外沿，基本模拟旋转工具中传感器的位置。

旋转工具面角测试系统中旋转传感器26的选择对整个控制精度的影响显著。结合旋转工具系统自身特点，选用由一个高速三轴磁力计、三轴加速计、高速测控电路组成的旋转传感器26，利用磁力计测量地磁信息计算得出工具面旋转位置，再由磁力计、加速度计测量出地磁参数和重力参数，经过处理电路完成对工具姿态参数的测量。

由于井下测控系统安装在钻柱上，钻头由钻柱和井下专用螺杆共同来驱动，测量过程中，钻柱转速较低，因此利用磁性工具面可以满足控制要求，并且由于测量工具面角的速度快，底部钻具组合旋转对其不会产生影响。旋转传感器的井斜测量精度±0.1°，方位测量精度±1°，工具面角测量精度±5°，分辨率1°。

处理电路27是旋转工具系统控制中心，用于系统姿态参数测量数据处理、控制方法计算、控制误差修正补偿、控制量输出、井下关键参数存储与回放、自身状态监视以及与MWD系统实时通讯等。为提高工具控制系统的精度，处理电路采用了高速的摩托罗拉微处理机，CPU主频工作在40MHz, 保证了系统的快速性，为提高系统采样率提供了保证。