机械式自动垂钻工具偏重机构角位置测量方法研究

摘要

机械式自动垂直钻具在实际应用过程中，偏重机构由于自身的惯性以及外部环境的影响，会出现不能稳定在井眼低边的情况，导致纠斜精度降低。为研究偏重机构在钻进过程中角位置的变化规律，本文提出了基于绝对式磁编码器的一种非接触式的角位置测量方法，构建了测量数据采集界面并进行了实验室验证及可靠性分析。该方法可有效地实现偏重机构变化角度的测量，测量误差不超过3°。非接触式的角位置测量方法能够监测角位移且其误差在工程允许的误差范围内，可以为后续的机械式垂直钻井系统的研发实验和改进优化提供可靠的数据。

关键词

机械式自动垂直钻具; 偏重机构; 角位置测量; 绝对式磁编码器; 数据采集

0 引言

机械式自动垂直钻具是为及时纠正井眼倾斜而发明的自动垂直钻井设备，当发生井斜时，其偏重机构因其重力作用会始终维持在井眼低边，当垂钻系统旋转至上盘阀的扇形口与下盘阀的导流孔重合时，高压钻井液通过此通道进入活塞缸中，向高边井壁推出活塞使得钻头产生纠斜力，达到纠斜的效果^［1-2］。目前国际上已有机械式自动垂钻工具获得了成熟的商业应用，主要为Scout Downhole和Halliburton两家公司的产品^［3-4］；国内仅有中石化胜利钻井院在该技术领域取得了成功的现场应用^［5］。多数学者集中于钻具结构的改进^［6-7］，如宋执武利用千斤顶和不倒翁原理设计了一种自动防斜钻具^［8-9］，艾才云等研发了一种利用液压的新型垂直钻井工具^［10-11］等。

国内外的研究多集中在机械结构的优化^［12-13］，缺乏对偏重机构运动规律的研究。在钻进过程中，对偏重机构的位置进行连续监控，可以为实时监控垂钻工具的几何位置和纠斜效果奠定基础，后续可依据偏重机构的旋转角度数据，提出可提升偏重机构稳定性的方法，以达到增加机械式垂钻工具的防斜纠斜目的。本文提出了基于绝对式磁编码器的一种非接触式的角位置测量方法，为机械式垂钻工具结构的优化改进提供依据，也为机械式自动垂直钻具增加电子增力机构奠定了基础。

1 机械式自动垂钻工具结构

机械式自动垂钻工具结构主要为偏重机构、盘阀式液压导向机构、推靠巴掌。在垂钻过程中扭矩通过钻杆进行传递，因此磁编码器的安装使用不可以对钻杆进行破坏，选用大口径磁编码器可以将磁栅盘套在偏重机构连接的钻杆外进行固定，既不会影响扭矩的传递，又可以监测偏重机构的角位置变化情况，如图1所示。

图1 机械式自动垂钻工具结构

Fig.1 Structure of the mechanical automatic vertical drilling tool

2 绝对式磁编码器工作原理

编码器是将与被测机械量相关的数据或信号转换为可以用于传输、通信和存储的信号形式的重要工具。绝对式编码器的每一个位置提供一个独一无二的编码器数值，在利用绝对式编码器进行位置测量时能够减少电子电路设备的运算过程，减轻计算任务^［14-15］。

磁编码器是基于霍尔效应的电子器件^［16］。绝对式磁编码器一般由磁栅盘、霍尔元件和单片机组成，其中磁栅的充磁具有一定规律^［17］，工作时磁栅作为转子，霍尔元件固定在磁栅附近。磁栅为轴向充磁，S极与N极成对交替排列，磁栅每转动一格，磁场的方向便发生一次变化，霍尔传感器产生的霍尔电压方向便变化一次，如图2所示。通过对霍尔电压周期性变化的信号进行转换和解算就可以得知磁栅转过的角度。

图2 霍尔电压周期性变化

Fig.2 Cyclic change of Hall voltage

若磁栅上的磁极总数为X，则霍尔元件与磁栅每发生一个磁极大小的相对位移，就代表磁极转过的角度为：

$$\mathrm{\Delta }\theta =\frac{\mathrm{1}}{X}\times \mathrm{360}°$$

（1）

式中：$\mathrm{\Delta }\theta$——磁栅角度的变化量，（°）。

当读数头的二进制分辨率为n，霍尔电压变化次数为N时，磁栅转过的角度为：

$$\mathrm{\Delta }\theta =\frac{N}{{\mathrm{2}}^n}\times \mathrm{360}°$$

（2）

3 磁编码器系统的选型

磁编码器中的磁栅盘、读数头以及电缆线共同组成了AksIM-2磁编码器系统，该磁编码器具备大中孔、真正的绝对式功能和高速运行的特点，具有SSI、BiSS和异步串行通信接口。

3.1 磁栅盘

磁栅盘外径尺寸80±0.1 mm，内径55±0.03 mm，厚度2±0.05 mm，质量26 g，转动惯量31.8 kg·mm²，其外形如图3所示。

图3 MRA080BC055DSE00磁栅盘

Fig.3 MRA080BC055DSE00 magnetic grid disc

3.2 读数头

读数头外径尺寸90±0.15 mm，内径64.4±0.15 mm，厚度5±0.30 mm，质量3.97 g，读数头到磁环的距离为0.8±0.15 mm。

读数头电路组成如图4所示。选用的MB080SFA17BDNA05读数头可达到20位的二进制分辨率，当霍尔电压变化次数为N时，磁栅转过的角度为：

$$\mathrm{\Delta }\theta =\frac{N}{{\mathrm{2}}^{\mathrm{20}}}\times \mathrm{360}°$$

（3）

图4 读数头电路组成

Fig.4 Composition of the reading head circuit

4 基于VS的测量数据采集界面设计

测量数据采集界面采用C⁺⁺中的MFC平台进行构建^［18］，利用MSComm控件建立与串口的连接^［18］，再经过串口连接绝对式磁编码器。采集界面如图5，该界面可实现的功能为：

图5 测量数据采集界面

Fig.5 Measurement data acquisition interface

（1）搜索计算机可使用的所有COM口序号，并将其显示在下拉框中，该下拉框可以识别观测者选中的COM并进行数据的接收与发送。

（2）COM口收到的数据并实时显示在当前值一栏中，同时可以显示接收到的数据的最大值、最小值以及平均值。

（3）画出接收数据值的变化趋势图。

（4）计录数据开始采集的时间并显示在界面上。

（5）将接收到的当前值都存储在一个txt文件中。

5 实验测试及误差分析

实验室中利用三轴转台模拟垂钻过程中的钻具转动，仪器连接如图6所示。

图6 实验装置连接

Fig.6 Experimental device connection diagram

垂直钻井过程中，偏重机构的变化可以概括为两种情况，即逆时针方向旋转和顺时针方向旋转变化。在模拟实验过程中，分别模拟了偏重机构逆、顺时针旋转360°及小角度摇摆的情况，实验中设定逆时针作为角位置变化的正方向，利用Matlab将界面采集的数据与三轴转台的实际角增量进行对比，得到误差分析结果如下。

5.1 逆时针旋转测量

三轴转台逆时针旋转，转速1.012°/s，旋转角度360°，重复测试三组，误差如图7所示。

图7 逆时针旋转误差分析结果

Fig.7 Analysis results of counter clockwise rotation errors

5.2 顺时针旋转测量

三轴转台参数同上，旋转方向逆时针，重复测试三组，界面显示如图8所示。

图8 顺时针旋转误差分析结果

Fig.8 Analysis results of clockwise rotation errors

5.3 小角度摇摆测量

实验过程中模拟垂直钻井过程中偏重块小角度摇摆，每次摇摆角度相对初始位置为-5°~+5°，测试3组，每组实验重复3个周期，此时界面显示测量结果如图9所示。

图9 小角度摇摆测量误差分析结果

Fig.9 Error analysis results of small angular swing measurement

经磁栅盘逆、顺时针旋转实验误差分析，在旋转角度较小时角位移的误差也偏小，后误差随旋转角度逐渐增大，呈时域上的积累，最大测量误差为3°。小角度摆动实验时，测量系统的误差波动较大，最大角位移误差为0.35°，实际使用时可以准确反映偏重机构的角位置信息。误差的大小除与磁编码器自身仪器精度有关外，还受到三轴转台磁场的影响。

综上，测量数据采集界面监测偏重块时角位移的误差在工程允许的误差范围内，能够相对准确地监测到偏重机构的角位置变化情况。

6 结论

利用绝对式磁编码器的工作原理提出了基于霍尔效应的磁编码器角位置测量方案，并构建了测量数据采集界面，在钻井作业中可将磁编码器系统固定在偏重机构的一端进行数据的收集，观测者通过采集界面实时监测偏重机构的角位置变化信息。经过实验测试及误差分析，验证了测量数据采集界面在钻进情况下的功能使用情况，经分析实验结果测量系统的精度可达3°，确定了实验数据的可靠性。

本文构建的非接触式偏重机构测量系统可以测量出偏重机构的实时角位置信息，可为机械式垂直钻井系统的研发实验和改进优化提供数据和依据，也为机械式自动垂直钻具增加电子增力机构奠定了基础。