0 引 言

自动垂直钻井工具是集机、电、液一体化的自主纠斜和稳斜的钻井系统，工具测控存单元的供电电源主要有电池组、非接触输电装置及井下钻井液涡轮发电机等。由于电池组电量有限，非接触输电装置供电磁阻大，供电效率低下^[1]，这2种供电模式都制约了自动垂直钻井工具的作业效能。因而，井下钻井液涡轮发电机成为自动垂直钻井工具首选的供电电源。其次，通过调节井下钻井液涡轮发电机的出力可使工具的稳定平台稳定在所需的工具面角度上，实现对井斜和工具面角的控制^[2]，保证了工具纠斜和稳斜功能的实施。

宝鸡石油机械有限责任公司与西安石油大学联合研制的全旋转推靠式自动垂直钻井工具系统采用了井下钻井液涡轮发电机供电及控制工具面角的结构形式。该钻井液涡轮发电机借助井筒内钻井液发电^[3]，能持续为垂直钻井工具测控存电路供电；同时，通过调节井下钻井液涡轮发电机的出力使工具稳定平台稳定在所需的工具面角上，为实现工具的稳斜和纠斜功能打下基础。为保证涡轮发电机工作的可靠性，研究人员先后在涡轮发电机性能检测和室内模拟试验系统上对其性能进行检测试验，最终完成了涡轮发电机的研制工作。所得结论对我国自动垂直钻井工具的研制具有参考作用。

1 自动垂直钻井工具系统

自动垂直钻井工具系统主要由上涡轮发电机单元、测控存单元、上涡轮发电机单元和执行机构单元等组成。其中，钻井液提供动力发电的上涡轮发电机单元(见图 1)是整个自动垂直钻井工具测控存电路的供电单元。

该钻井液涡轮发电机的动力来源于井筒内的循环钻井液，其功率范围较宽，动力源保证了发电机能够持续发电^[4-5]，且钻井过程中随着循环钻井液排量的变化，涡轮发电机的发电量也在变化，所发的电经过整流稳压后持续为工具测控存电路提供电力。图 2为涡轮发电机的供电模式图。下涡轮发电机单元作为力矩发生器，采用脉宽调制方式改变其负载电流来实现对平台的控制^[7]，即由它产生稳定平台控制轴稳定或转动所需要的平衡力矩或驱动力矩，进而控制工具的工具面角，为工具实现纠斜和稳斜功能提供保障。

2 涡轮发电机性能试验系统设计 2.1 技术要求

涡轮发电机是垂直钻井工具实现井下信息测量和存储等功能的电力来源，同时还是工具的控制动力源。由于控制的需要，发电机成对使用，分为上、下涡轮发电机。为此，对上、下涡轮发电机提出以下技术要求：①转数/电压特征系数K大于设计比值系数25。②清水循环时，上涡轮电机发电量20～35 V，转速800 r/min；下涡轮发电机发电量达到50～70 V，转速达到1 100 r/min以上，扭矩(3～6)N·m。③泵排量在25～45 L/s范围时，涡轮发电机的性能满足设计要求。

2.2 试验检测系统

根据上述技术要求，设计了涡轮发电机性能检测试验系统(见图 3)和涡轮发电机室内模拟试验系统(见图 4)。涡轮发电机性能检测试验系统中安装了驱动电机，目的是驱动电机带动相啮合的齿轮使发电机旋转，从而测定涡轮发电机的电流和电压等参数，安装的扭矩仪用来测试电机轴的扭矩。

涡轮发电机室内试验系统中，多级腐蚀离心泵的入水口管路和出水口管路各安装了1个流量计，利用流量传感器将流量信息汇集到数据采集器中，目的是监测发电机性能稳定时对泵排量的适应范围。

2.3 试验系统配置

涡轮发电机性能检测试验系统中驱动电机功率370 W，转速1 400 r/min；永磁式直流力矩电动机扭矩 7.35 N·m，转速130 r/min。室内模拟试验系统中电动机功率110 kW，离心泵扬程600 m，输出排量50 L/s，额定工作压力5 MPa。驱动电机为无极调速变频电机，通过传动比1∶1的齿轮结构驱动涡轮发电机在转速0～1 400 r/min的情况下旋转，从而测定涡轮发电机在不同频率下的转速、电压和电流等参数。通过数据采集器将流量传感器传输的流量信息实时存储和回放，利于泵排量监测。

3 涡轮发电机室内模拟试验 3.1 上涡轮发电机性能试验

图 5为转数/电压特征系数随测试次数变化曲线。上涡轮发电机是自动垂直钻井工具系统的供电单元，它输出的交流电经过整流和稳压后，为工具系统中测控存单元的电气设备提供需要的电能。为满足供电的实际需求，试验时将涡轮发电机单元安装到检测装置上，采用三相电驱动，要求试验测得的转数/电压特征系数K大于设计比值系数25。

由图 5可以看出，最大K值为29.95，最小K值为26.97，均大于设计系数25，所以上涡轮发电机性能满足电路设计对其作为供电电源的要求。

3.2 下涡轮发电机性能试验

下涡轮发电机作为力矩发生器，由它产生稳定平台控制轴稳定或转动所需要的平衡力矩或驱动力矩，进而控制工具面角，为工具实现纠斜和稳斜功能提供保障。试验时将涡轮发电机单元安装到试验检测装置上，开动驱动电机，测定涡轮电机的转数和电压等参数，求得转数/电压特征系数K，要求试验测得的转数/电压特征系数K大于设计比值系数25。图 6为下涡轮发电机转数/电压特征系数曲线。由图可知，最大K值为26.893，最小K值为25.210，均大于设计系数25，功率达到要求，电压没有超出电路设计的耐压范围，说明下涡轮发电机作为扭矩发生器其性能满足设计要求。

3.3 清水循环时涡轮发电机性能试验

在室内模拟试验系统上进行清水循环时的涡轮发电机试验，检验上、下涡轮发电机的性能能否满足设计要求。试验时将具有上、下涡轮发电机的工具系统安装到模拟试验系统上，连接数据采集线路，开启离心泵，逐渐升高泵频率开始清水循环试验，同时工具测控存单元自动记录试验数据。要求上涡轮发电机发电量20～35 V，转速800 r/min左右；下涡轮电机发电量50～70 V，转速1 100 r/min以上，扭矩3～6 N·m。图 7为上、下涡轮发电机电压和转速曲线。图 8为下涡轮发电机的扭矩曲线。

由图 7和图 8可以看出，上涡轮发电机发电量最大达到33 V，转速达到800 r/min左右；下涡轮发电机发电量最大达到68 V左右，转速达到1 180 r/min左右，扭矩达到 3.5 N·m以上，说明在清水循环试验时，涡轮发电机性能满足设计要求。

3.4 涡轮发电机性能对泵排量适应范围的试验

在钻井工程中，钻井液流量必须满足不同地质条件和钻井工艺要求，故流量呈现出宽范围变化的特征，这必然导致涡轮转速变化，涡轮发电机的电磁转矩也随之变化，容易导致平台的控制失稳，故在一定泵排量范围内模拟涡轮发电机对稳定平台的稳定控制对实现工具的纠斜和稳斜功能显得很重要。

离心泵在7 Hz时开始清水循环，待管汇回路循环正常后，提高变频泵的频率，通过变频改变多级腐蚀离心泵的转数来模拟实际钻井中钻井液流量的变化。在变频泵不断变换频率时，进入试验管汇的清水排量也在变化，设定排量为25～45 L/s，记录调频频率、流量和压力等试验数据，见表 1。

由表可知，当泵排量为25～45 L/s时，涡轮发电机可实现对工具平台的稳定控制，其性能满足设计要求。

4 结 论

(1) 经过涡轮发电机的性能试验、清水循环试验及涡轮发电机对泵排量适应范围的试验，发现涡轮发电机的性能满足设计要求，能作为自动垂直钻井工具的供电电源和扭矩发生器，为工具控制单元的电气元件供电，并实现对稳定平台的控制。

(2) 试验时由于涡轮发电机高速旋转，其内部部分动密封出现了磨损现象，导致电机内部进液影响了性能，建议选用更加耐磨的密封件，使涡轮发电机的整体性能满足设计及使用要求。

(3) 涡轮发电机试验时采用旋转过线法，解决了电机短路的难题，保证了发电机的正常运转。