李晓军，王德国，江 波，穆总结，姜建胜

（1.中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京 102249；

2.中国石油西部钻探钻井工程技术研究院，新疆克拉玛依 834000）①

WDRSS-I型旋转导向控制系统和执行机构研究

李晓军1，2，王德国2，江 波2，穆总结1，2，姜建胜1

（1.中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京 102249；

2.中国石油西部钻探钻井工程技术研究院，新疆克拉玛依 834000）①

导向控制系统和导向执行机构是旋转导向钻井技术的关键。设计了静止推靠式旋转导向控制系统和执行机构，分析了其工作原理和主要结构。室内试验结果表明，该技术达到了预期目标。

导向控制系统；执行机构；液压模块；导向肋板

1 工作原理和主要结构

1.1 工作原理

WDRSS-I型静止推靠式旋转导向控制系统和执行机构全部安装在1段不随上部钻柱旋转的外筒上，如图1所示。导向执行机构由液压模块和导向肋板构成，其中液压模块是独立的液压系统，共有3个，周向均匀分布在不旋转外筒上。控制系统控制不同的液压模块产生特定的压力，液压模块上的活塞推动导向肋板推靠井壁。在摩擦力的作用下不旋转外筒不随钻柱旋转，同时，井壁的反作用力将对钻头产生1个侧向力合力。通过控制3个液压模块的液压力大小，即可控制合力的大小和方向，从而控制钻井方向。当液压模块停止工作后，在其外部的导向肋板回收，将液压模块活塞压回原位。

图1 WDRSS-I型导向执行机构的结构

1.2 导向控制系统

控制系统安装在不旋转外筒上，位于液压模块的左侧。其组成部分和内部关系如图2所示，由1块主控电路板、1块电源管理板和3块电机驱动板构成。电源管理板接收旋转导向系统分配的电能，经过变换、分配，分别为液压模块电机、液压模块传感器、主控电路板和电机驱动板提供差异化的电能。主控电路板内部写入旋转导向控制力分配软件和轨迹偏差矢量计算分析软件，可根据外部输入的井眼轨迹数据自动计算井眼轨迹的偏差情况，或根据地面发送的干预指令，编码成相应的控制指令，并发送给3个电机驱动板。电机驱动板控制与其相对应的液压模块电机的转速，进而控制3个液压模块产生不同的液压力。3个液压力合力形成特定方向和大小的推靠力。在此过程中，电机驱动板实时接收电机反馈信号和液压模块内部压力传感器的压力信号，并将接收到的压力和转速信号通过CAN通讯发送给主控电路板。主控电路板根据反馈的压力和转速信息来验证发出的指令是否得到正确的执行，以及液压模块工作是否平稳。

图2 导向控制系统结构

1.3 导向执行机构

1.3.1 液压模块

导向执行机构由液压模块和导向肋板构成，液压模块是独立于钻柱内压力和环空压力的液压体系。如图3所示，液压模块内部设有电机、液压泵、阀门组、传感器、压力补偿系统、工作液缸等设备和结构。液压模块工作时，电机带动液压泵将液压油泵入工作液缸，工作液缸内的阀门组使液压油产生一定的压力，带压液压油推动活塞伸出，传感器测得液缸内的工作压力。

图3 液压模块结构

由于井眼尺寸的限制，液压模块总体积很小。因此，液压模块的主要难点在于需要在有限的空间内将整个循环系统的液压管路、电子设备、液压执行机构等合理布局，并且要保证液压模块的整体强度和密封能力；并且还要完成电机电源线、电机霍尔线、传感器信号线的布置及液压模块外部测试孔的布置、液压模块与控制系统的线路连接与密封、压力补偿装置的设计等；此外，液压模块在井下严苛的工作环境下（125～175℃的高温、138 MPa的高压、20 g的高强度振动等）对液压模块的性能提出了更高的要求。液压模块相对于旋转导向的其他子系统或零件是结构最复杂、机电液一体化程度最高、易损件最多的结构，因此液压模块的性能和寿命直接决定整个旋转导向系统的工作表现。

1.3.2 导向肋板

导向肋板结构如图1所示，安装在不旋转外筒上，位于液压模块外侧，作用是保护液压模块并直接推靠井壁，承受井壁的反作用力和摩擦力，其上含有自动回收装置，在液压模块停止工作时肋板回收并将液压模块活塞压回初始位置。由于导向肋板承受井壁的摩擦力，因此需要在其外侧镶嵌1组硬质合金块，以保证导向肋板的抗磨能力和工作寿命。

2 室内联调试验

在完成WDRSS-I型导向控制系统和执行机构的设计和加工任务后，在室内对其进行了联合调试。室内联调分2步：第1步进行控制系统和单个液压模块的调试，试验的主要目的是测试液压模块的工作状况、工作参数，检测液压模块可能存在的问题；第2步进行控制系统和整个导向执行机构的联调，目的是测试控制系统、3个液压模块和导向肋板的联动情况，检测导向执行机构是否能顺利按照控制系统预设的推靠力指令动作。

2.1 控制系统和单个液压模块的室内联调

2.1.1 单个液压模块的室内试验方案

试验方式如图4所示，将液压模块引出的电机电源线、霍尔信号线、传感器电源线和信号线接入控制系统中的电机驱动板上。将PC和主控电路板间用CAN盒连接，以便进行双向通讯，通过PC控制并监测液压模块工作情况。

图4 液压模块试验方案

通过以PC机为控制系统中的主控电路板指定某一转速，主控电路板控制电机驱动板带动液压模块中的电机旋转，由于液压模块中的液压泵为定量泵，因此在转速一定的条件，泵排量随即确定，在室内试验过程中所有液压模块均使用统一的液压油。因此，确定泵排量即可确定液压模块的工作压力，在工作压力和活塞截面积已知的情况下即可得到推靠力的大小。在试验过程中可通过PC监控界面实时监测液压模块压力值、电机转速波动等反馈信息。

2.1.2 试验参数

电机转速3 000 r／min；试验时间2 h；试验介质为35＃航空液压油；试验环境：室内，常温，空气中。

2.1.3 试验结果

液压模块开始工作时压力为28 MPa，外部电源的电流为3.1 A，电机转速波动为±10 r／min（如图5所示），随后液压模块压力值和外部电源的电流值缓慢下降，液压模块的温度缓慢上升，1 h后液压模块压力降为21 MPa，电源电流降为1.5 A，液压模块温度从20℃上升为80℃。之后压力、电流、温度均保持相对稳定。

图5 单个液压模块试验结果统计

2.2 控制系统和导向执行机构整体的室内联调

在完成单个液压模块室内测试的基础上，将控制系统、3个液压模块和导向肋板全部按图1的方式组装起来。然后连接PC机和控制系统中的主控电路板，通过PC机监控液压模块的工作参数和状况，同时观察导向肋板的动作情况。

2.2.1 试验方案

通过PC机给主控电路板发送推靠力合力指令，主控电路板接到指令后通过内置的导向力分配软件计算出分配给3个液压模块的液压力，然后向3个电机驱动板发送相应的指令。电机驱动板接到指令后控制对应的液压模块电机工作，电机带动液压泵加压产生需要的压力。

2.2.2 试验结果

各液压模块可根据控制系统发出的指令流畅地工作，工作过程中3个液压模块的压力分配准确合理，液压模块内部电机工作平稳，测得的压力值没有大幅波动现象。随着试验时间的推移，当液压力出现下降趋势时，控制系统会自动增加电机转速，提高液压泵排量来维持预先分配的压力值。在液压模块停止工作后，肋板回收顺畅，完全达到预定的试验效果。

3 结论

1） 联调试验在室内、常温、空气中进行，试验结果表明，导向控制系统和执行机构完全达到了预期的设计目标。

2） 为进一步检验导向控制系统和执行机构的性能，接近井下实际工况，下一步将进行控制系统的高温和振动试验以及液压模块的高温、高压试验。

3） 试验过程中液压模块的压力会随着液压油温度的升高而下降，因此需要选择对温度不敏感的液压油。

［1］ 赵金海，唐代绪，朱全塔，等.国外典型的旋转导向钻井系统［J］.国外油田工程，2002，18（11）：33-36.

［2］ 陈若铭，穆总结.ø311垂直钻井系统的研制［J］.石油钻采工艺，2010，32（1）：31-33.

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Research of WDRSS-I-type Rotary Steering Control Systems and Actuators

This guide and the guide actuator control system is the key technology of rotary steerable drilling.This design pushes against the stationary rotary steering control systems and actuators，and analyzes its working principle and the main structure，and its indoor test，laboratory test results show that the technology to achieve the desired goals.

oriented control system；implementing agency；hydraulic module；guide ribs

TE921.2

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.09.012

2014-04-11

“十一五”国家科技重大专项“窄密度窗口安全钻完井技术及装备”之课题21-3“控压钻井技术、地层压力预测与实时监测技术现场试验研究”（2008ZX05021-003）

李晓军（1968-），男，甘肃武威人，博士研究生，高级工程师，主要从事钻井机械及工艺研究。和执行机构，本文对其进行探讨。

1001-3482（2014）09-0044-04

随着油田勘探开发难度的不断加大，特别是针对油藏特性的大位移井、长距离水平井的数量逐渐增多，传统的钻井方式已经不能满足油田开发的需求，利用旋转导向钻井技术进行油藏开发已经成为一种趋势。旋转导向钻井系统一般由地面监控系统、供电通讯系统、井下数据测量系统、导向控制系统、导向执行机构5大部分构成。其中导向控制系统和导向执行机构密不可分，无论地面人工干预钻进还是井下闭环钻进都要靠二者的共同作用来完成，它们是一套机、电、液高度一体化的井下工具，结构复杂，工况复杂，承受的载荷复杂，其性能和寿命直接决定旋转导向系统的优劣，是旋转导向钻井系统最核心的部分。

旋转导向钻井工具的作用原理分为推靠式和指向式。推靠式导向执行机构距离钻头较近，直接给钻头施加侧向力，钻头在侧向力的作用下侧向切削地层进而改变井眼轨迹。推靠式旋转导向工具根据其导向执行机构是否与上部钻柱同步旋转，又可分为旋转推靠式和静止推靠式2类。指向式的导向执行机构距离钻头较远，可以使连接钻头的下部钻柱或柔性杆弯曲，导致钻头朝向与井眼轴线产生1个倾角，钻压通过下部钻柱或柔性杆直接加在钻头指向方向，进而完成导向作业。国内各研究机构普遍认为研制推靠式旋转导向执行机构较为容易取得技术突破［1-4］，西部钻探工程公司钻井工程技术研究院研制出WDRSS-I型静止推靠式旋转导向控制系统①