一种旋转导向测控系统实验装置的制作方法

本发明涉及旋转导向钻井系统领域，尤其涉及一种旋转导向测控系统的室内实验装置及测试方法。

背景技术：

旋转导向钻井系统是定向井领域的装备，能够极大地提高定向井作业效率和作业成功率，是未来定向井技术发展的趋势之一。旋转导向钻井系统按结构原理分，可分为推靠式和指向式。推靠式就是实时采集井下的工况参数，计算当前井斜角和工具面角，控制三个或更多个翼肋张开推靠井壁来进行导向。

经对现有技术的公开文献检索发现，虽然指出了旋转导向钻井工具测控系统的工作原理及测控方法，但是，为保证旋转导向测控系统在旋转工况下进行准确测量并实现精确控制，需要进行模拟旋转工况的室内实验装置的开发。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种旋转导向测控系统的室内实验装置，模拟井下工具旋转，完成对工具姿态参数的测量，并通过与标准井斜、标准工具面的对比，为旋转导向测控系统中算法改与控制系统优化提供强有力的技术保障。

本发明的技术方案包括：井斜标定台架、旋转测试台架、电源管理模块、微机模块和滑环线。其中，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前后侧板之间的主轴上。旋转测试台架包括底座、直流减速电动机、联轴器、光栅码盘、测试骨架、压盖、滑环，直流减速电动机输出轴通过联轴器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底座上，光栅码盘安装在联轴器上，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、指示灯。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：

在滑环线与直流减速电动机之间还连接有紧急刹车器。

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；旋转测试台架的底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。

旋转传感器由一个高速三轴磁力计、三轴加速计、高速测控电路组成，其安装于测试骨架外沿。

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。

在测试骨架周围每隔120°安装指示灯。

本发明由于采取以上技术方案，所具有的有益效果是：经实验验证，本实验装置用于旋转导向测控系统中传感器的标定及测试，可以完成以下任务：(1) 模拟井下旋转工况；（2）采集旋转导向测控系统计算的实时井斜角和工具面角；（3）通过井斜标定台架标定旋转导向测控系统计算的实时井斜角；(4)光栅码盘准确计算当前工具面角并与旋转导向测控系统计算的实时工具面角对比；(5) 计算当前井斜角和工具面角，设定翼肋支出位置，实现旋转导向工具空间姿态的调整；(6) 数据的实时存储和上传。应用它使得测控系统中测量更准确，同时对翼肋的支出位置及持续时间的控制也更精确。

附图说明

图1为旋转导向测控系统实验装置的示意图。

图2 为井斜标定台架的侧视图。

图3 为旋转测试台架示意图。

图4 为测试骨架示意图。图中：

1、井斜标定台架 2、旋转测试台架 3、电源管理模块 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、分度盘 12、固定板

13、定位销 14、底座 15、直流减速电动机 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、旋转传感器槽

25、处理电路槽 26、旋转传感器 27、处理电路 28、指示灯。

具体实施方式

如图1所示，本发明提出的旋转导向测控系统实验装置包括几部分：井斜标定台架1、旋转测试台架2、电源管理模块3、微机模块4、滑环线5、紧急刹车器23。模拟旋转导向测控系统安装在旋转测试台架2上，电源管理模块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、旋转导向测控系统及光栅码盘17；另外，旋转导向测控系统将采集到的井斜、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，直流减速电动机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。紧急刹车器由微机模块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。

电源管理模块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。

由于旋转导向测控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，各种固定用的螺栓、螺母等全部采用青铍铜材料。

图2为井斜标定台架1的侧视图。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、分度盘11、固定板12、定位销孔13。把装有旋转导向测控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。井斜标定台架1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。定位销采用铍青铜材料；它具有良好的铸造性能及非磁性。

如图3所示，旋转测试台架2包括：底座14、直流减速电动机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，在联轴器上安装有光栅码盘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。

在旋转导向工具工程应用中，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，则旋转导向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4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、指示灯28。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，基本模拟旋转导向工具中传感器的位置。

旋转导向工具系统中旋转传感器26的选择对整个控制精度的影响显著。结合旋转导向井下工具系统自身特点，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。旋转传感器的井斜角测量精度±0.1°，方位角测量精度±1°，磁工具面角测量精度±5°，分辨率1°。

处理电路27是旋转导向井下工具系统控制中心，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40 MHz, 保证了系统的快速性，为提高系统采样率提供了保证。

在测试骨架18周围每隔120°安装指示灯28模拟旋转导向工具的3个翼肋，接收处理电路27的控制信号，通过指示灯28的闪烁可以直观的显示翼肋支出的位置及持续时间，进一步表明测控系统的工作状态。