【正文】 向鉆井工具類(lèi)似，都是利用近鉆頭導(dǎo)向塊的伸縮與井壁相互作用產(chǎn)生導(dǎo)向力，但是結(jié)構(gòu)有所不同。Power Drive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)具有自我穩(wěn)定的鉆井液動(dòng)力和密封控制單元，通過(guò)旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定傳感器同步調(diào)整井眼走向。當(dāng)需要在某個(gè)方向?qū)驎r(shí)，鉆柱在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，相位相差1200隨鉆柱一起旋轉(zhuǎn)的3個(gè)導(dǎo)向塊中的某一塊，它每一次通過(guò)某一特定的垂向或徑向方位時(shí)，通過(guò)控制系統(tǒng)施加的液壓，使同步導(dǎo)向塊伸出與井壁接觸，并對(duì)鉆頭產(chǎn)生一側(cè)向力，推動(dòng)鉆頭離開(kāi)該方向，達(dá)到改變井斜和方位的目的，轉(zhuǎn)離該方向后，滑塊自動(dòng)縮回。圖12 Power Drive盤(pán)閥控制機(jī)構(gòu)示意圖斯倫貝謝公司的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)主要是指PowerDrive系統(tǒng)，包括PowerDriveX51100、PowerDriveX5900、PowerDriveXPowerDrivX567PowerDriveX47PowerDriveXceed900、Power vorte X除了Power vorte X是動(dòng)力式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)外，其他均為全旋轉(zhuǎn)式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，PowerDriveX5系列旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具可通過(guò)Power Pulse和Tele Scope工具實(shí)時(shí)測(cè)量井下數(shù)據(jù)，測(cè)量近鉆頭地層狀態(tài)、鉆頭振動(dòng)情況和鉆頭轉(zhuǎn)速，利用近鉆頭伽馬射線顯示地質(zhì)和井眼成像，自動(dòng)糾斜。它適用的井眼尺寸為514～26in，可用常規(guī)鉆井液，最高耐溫150℃，流量范圍480～1900gpm，最高耐壓20000psi，其中，Power DriveX51100型最大轉(zhuǎn)速200r／min，最大造斜率3176。／100ft，PowerDriveX5475型最大轉(zhuǎn)速250r／min，最大造斜率8176。／100ft。Power Drive Xceed系列可以用于裸眼側(cè)鉆、隨鉆擴(kuò)眼或用雙芯鉆頭鉆研磨性地層，其使用參數(shù)與PowerDriveX5系列大致相同，適用的井眼尺寸為838～1712in，可用常規(guī)鉆井液，最高耐溫150℃，流量范圍450～1800gpm，最高耐壓20000psi，最大轉(zhuǎn)速350r／min，其中，176。/100ft，PowerDriveXceed675型最大造斜率8176。／100ft。Power vorteX是一種高性能的導(dǎo)向鉆井工具，可以提升所需的井下動(dòng)力，增加井眼的穩(wěn)定性，自動(dòng)糾斜，有智能的高性能動(dòng)力組件，可適用于434in的井眼，最高耐溫150℃。相對(duì)前面兩種鉆井系統(tǒng)而言，Power Drive調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面更為簡(jiǎn)單，小型化趨勢(shì)好，全旋轉(zhuǎn)工作方式使鉆柱對(duì)井壁沒(méi)有靜止點(diǎn)，從而可以保證這種系統(tǒng)更能適合各種復(fù)雜的環(huán)境，鉆井極限井深更深，速度更快，在大位移井、三維多目標(biāo)井及其它高難度特殊工藝井中更具競(jìng)爭(zhēng)力。由于在鉆具與井壁間不會(huì)產(chǎn)生阻礙鉆屑流動(dòng)的瓶頸，所以提高了攜屑液流的通過(guò)能力。因?yàn)殂@具沒(méi)有產(chǎn)生摩擦的固定部件，也提高了機(jī)械鉆速。由于沒(méi)有固定部件或慢速旋轉(zhuǎn)部件與套管、斜向器或井壁接觸，所以發(fā)生機(jī)械故障和壓差卡鉆的幾率大幅度下降，從而提高了鉆具壽命。全旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)可以使用任何類(lèi)型的鉆井液。斯倫貝謝公司的Power DriveXceed鉆具可以解決鉆軟地層和裸眼側(cè)鉆過(guò)程中旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具所遇到的問(wèn)題。這套系統(tǒng)唯有近鉆頭穩(wěn)定器與井壁接觸，在鉆軟地層時(shí)不再需要借助翼片推靠井壁或慢速旋轉(zhuǎn)鉆具來(lái)控制方位。井下鉆具與地面的通訊是借助于Power Pluse MWD遙測(cè)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它包括一整套隨鉆電子測(cè)量工具。Power Drive Xceed與Power Pluse相互結(jié)合，Power Drive Xceed就可以在鉆進(jìn)過(guò)程中向井口提供鉆具面、井斜角、方位等實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)。根據(jù)所獲得的信息，可從井口發(fā)出指令以保持或改變鉆頭軌跡。鉆具內(nèi)部的電子測(cè)量工具會(huì)自動(dòng)調(diào)整鉆具的位置，使鉆具在不與井壁接觸的情況下始終處于井眼的高邊，但工作壽命有待進(jìn)一步提高。（3）GeoPilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng) GeoPilot系統(tǒng)是Halliburton公司下屬的Speny sun公司開(kāi)發(fā)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，又稱(chēng)RST（Rotary Steerable Tool）。其主要特征是下部驅(qū)動(dòng)主軸可在殼體內(nèi)旋轉(zhuǎn)成一定角度，相當(dāng)于形成一個(gè)可調(diào)彎角，可對(duì)井斜和方位進(jìn)行糾正。GeoPilot系統(tǒng)采用控制鉆柱彎曲特征來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆頭軸線的有效導(dǎo)控，其優(yōu)點(diǎn)是造斜率由工具本身確定，不受鉆進(jìn)地層巖性的影響，在軟地層及不均質(zhì)地層中效果明顯，缺點(diǎn)是鉆柱承受高強(qiáng)度的交變應(yīng)力，鉆柱容易發(fā)生疲勞破壞。另外，高精度加工是保證這種系統(tǒng)導(dǎo)向效果的關(guān)鍵。圖13 GeoPilot 主體綜合以上國(guó)外各種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具的工作方式，其主要有兩種類(lèi)型。一種是靠側(cè)向力推靠鉆頭原理的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具—稱(chēng)“推靠鉆頭”(Push the Bit)導(dǎo)向原理工具，這類(lèi)原理的導(dǎo)向工具已有多種，其導(dǎo)向方式示意圖如14(a)所示。另外一種是近年來(lái)提出的定向給鉆頭以角位移—簡(jiǎn)稱(chēng)“定向鉆頭”或“指向鉆頭”(Point the Bit)原理的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，其指向方式示意圖如14 (b)所示。這種原理的典型產(chǎn)品有2000年Spent “指向鉆頭”原理的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，其原理相對(duì)較新，在原井眼井斜5186。以上才可增斜、穩(wěn)斜，在井斜較大時(shí)可降斜，但難以在直井中防斜。 圖14 （a)推靠鉆頭式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具圖14 （b）指向鉆頭式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文的主要內(nèi)容(1)查閱、收集有關(guān)鉆轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的資料，理解鉆轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具原理與結(jié)構(gòu)，了解國(guó)內(nèi)外鉆轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，搞清本次畢業(yè)設(shè)計(jì)所要設(shè)計(jì)的內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上完成開(kāi)題報(bào)告；(2)查閱有關(guān)鉆轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的外文資料并選定一篇進(jìn)行翻譯；(3)分析旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其所存在的缺陷，提出鉆轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的的設(shè)計(jì)方案；(4)畫(huà)出結(jié)構(gòu)草圖，并根據(jù)任務(wù)書(shū)所給數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和校核，確定鉆轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的各零部件具體尺寸，如有需要，對(duì)初步方案和草圖進(jìn)行修改，并進(jìn)行整個(gè)工具經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)；(5)畫(huà)出鉆轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的裝配圖和各零部件的零件圖；(6)完成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。第二章 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井裝置的方案對(duì)比分析 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的分類(lèi)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)按導(dǎo)向方式可分為兩類(lèi)：一種是靠側(cè)向力推靠鉆頭原理的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具—稱(chēng)“推靠鉆頭”(Push the Bit)導(dǎo)向原理工具；另外一種是近年來(lái)提出的定向給鉆頭以角位移—簡(jiǎn)稱(chēng)“定向鉆頭”或“指向鉆頭”(Point the Bit)原理的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)按偏置機(jī)構(gòu)的工作方式又可分為靜態(tài)偏置式(Static Bias)和動(dòng)態(tài)偏置式(Dynamic Bias)即調(diào)制式(Modulated))二種。調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具是依靠工具執(zhí)行機(jī)構(gòu)推靠井壁，使其給鉆頭一反作用側(cè)向力為原理工作的，是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外鉆井界已經(jīng)商業(yè)化的3種導(dǎo)向原理之一的鉆井工具。按傳感器不同區(qū)分，分為靜止式(如AUTO TRAK RCLS和POWER DRIVE SRD系統(tǒng))和捷聯(lián)式(3S)兩種；以導(dǎo)向方式區(qū)分，有偏置鉆頭式(bias the bits，如AUTO TRAK RCLS和POWER DRIVE SRD系統(tǒng))和傾斜鉆頭式(pointing the bits，如GEO PILOTS系統(tǒng))兩種；以工具結(jié)構(gòu)不同區(qū)分，有不旋轉(zhuǎn)外筒式((AUTO TRAK RCLS和GEO PILOTS系統(tǒng))和調(diào)制式(POWER DRIVE SRI)系統(tǒng))兩種。還有根據(jù)工具尺寸進(jìn)行分類(lèi)的，不同的工具尺寸也不盡相同。MRST主要采用偏置鉆頭、旋轉(zhuǎn)外筒式，其傳感器為靜止式。相比較而言，偏置鉆頭工作方式的調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的井下工具系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：(1)以鉆井過(guò)程中自然存在的鉆井液壓差為動(dòng)力，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊；(2)這種工具系統(tǒng)的力的工作方式使其能適合各種復(fù)雜的環(huán)境；(3)全旋轉(zhuǎn)工作方式使鉆柱對(duì)井壁沒(méi)有靜止點(diǎn)，從而可以保證井下安全，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜井眼軌跡的能力強(qiáng)，鉆進(jìn)速度快。 三種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征和對(duì)比 Auto Trak旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)Auto Trak旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)系統(tǒng)的井下偏置導(dǎo)向工具由不旋轉(zhuǎn)外套和旋轉(zhuǎn)心軸兩大部分通過(guò)上下軸承連接形成一可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)心軸上接鉆柱，下接鉆頭，起傳遞鉆壓、扭矩和輸送鉆井液的作用，不旋轉(zhuǎn)外套上設(shè)置有井下CPU，控制部分和支撐翼肋。圖21是井下偏置導(dǎo)向工具的導(dǎo)向原理示意圖。當(dāng)周向均布的三個(gè)支撐翼肋分別以不同液壓力支撐于井壁時(shí)，將使不旋轉(zhuǎn)外套不隨鉆柱旋轉(zhuǎn)，同時(shí)，井壁的反作用力將對(duì)井下偏置導(dǎo)向工具產(chǎn)生一個(gè)偏置合力。通過(guò)控制三個(gè)支撐翼肋的支出液壓力的大小，可控制偏置力的大小和方向，以控制導(dǎo)向鉆井。液壓力的大小由井下CPU控制井下控制系統(tǒng)來(lái)調(diào)整。井下CPU在下井前，預(yù)置了井眼軌跡數(shù)據(jù)。井下工作時(shí)，可將MWD測(cè)量的井眼軌跡信息或LWD測(cè)量的地層信息與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，自動(dòng)控制液壓力，也可根據(jù)接收到的地面指令調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，控制液壓力，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向鉆進(jìn)。圖21 RCLS井下偏置導(dǎo)向工具的導(dǎo)向原理示意圖在鉆井時(shí)該系統(tǒng)可以設(shè)置兩種鉆進(jìn)模式：①保持摸式。這種模式可使井眼軌跡保持一定的井斜角和方位角。它在井下微處理設(shè)有造斜力或降斜力、變方位力、井下微處理器將用設(shè)定好的造斜力或變方位力來(lái)修正井眼軌跡，直到恢復(fù)預(yù)定的井斜角和方位角。設(shè)定造斜力和變方位力主要是為了控制井眼狗腿度。保持模式可同時(shí)施加造斜力和變方位力。②導(dǎo)向模式。這種鉆進(jìn)模式如同利用導(dǎo)向馬達(dá)滑動(dòng)鉆進(jìn)方式，可控制井眼軌跡的變化。須設(shè)里導(dǎo)向塊產(chǎn)生合力矢的大小和方向兩個(gè)參數(shù)。合力矢的方向相當(dāng)于彎殼體馬達(dá)的工具面角。合力矢的大小是為了控制井眼軌跡的變化率。與導(dǎo)向馬達(dá)相比，該旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具能更精確地控制井眼軌跡，鉆頭側(cè)向力和井眼狗腿度可由閉環(huán)系統(tǒng)連續(xù)控制。 Power Drive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)Power Drive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的核心是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，其導(dǎo)向原理與Baker Hughes公司的RCLS導(dǎo)向鉆井工具類(lèi)似，都是利用近鉆頭導(dǎo)向塊的伸縮與井壁相互作用產(chǎn)生導(dǎo)向力，但是結(jié)構(gòu)有所不同。Power Drive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)具有自我穩(wěn)定的鉆井液動(dòng)力和密封控制單元，通過(guò)旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定傳感器同步調(diào)整井眼走向。當(dāng)需要在某個(gè)方向?qū)驎r(shí)，鉆柱在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，相位相差1200隨鉆柱一起旋轉(zhuǎn)的3個(gè)導(dǎo)向塊中的某一塊，它每一次通過(guò)某一特定的垂向或徑向方位時(shí)，通過(guò)控制系統(tǒng)施加的液壓，使同步導(dǎo)向塊伸出與井壁接觸，并對(duì)鉆頭產(chǎn)生一側(cè)向力，推動(dòng)鉆頭離開(kāi)該方向，達(dá)到改變井斜和方位的目的，轉(zhuǎn)離該方向后，滑塊自動(dòng)縮回。1) Power Drive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)井下控制單元井下工具包含控制器、旋轉(zhuǎn)換向閥及測(cè)量機(jī)構(gòu)。它們都置于鉆柱中間，可以保持相對(duì)靜止。為了與無(wú)磁鉆挺一起旋轉(zhuǎn)，將一密封壓力套安裝在中央，它通過(guò)聯(lián)接器和控制軸與偏置單元控制閥相連接，其方向由內(nèi)部的傳感器監(jiān)控。單級(jí)軸向流體轉(zhuǎn)子也安裝在其上以獲得同心逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子軸承也支撐著其線圈在壓力套內(nèi)部的交流發(fā)電機(jī)的永磁極結(jié)構(gòu)，這可使傳感器處理器和控制系統(tǒng)所需能源得到基本滿足。來(lái)自被稱(chēng)為“扭矩裝里”的交流發(fā)電機(jī)并作用在壓力套上的逆時(shí)針扭矩，可以通過(guò)增大其電負(fù)載來(lái)平衡產(chǎn)生于旋轉(zhuǎn)著的鉆挺并通過(guò)支撐軸承傳遞的順時(shí)針扭矩以及產(chǎn)生于偏置單元中的盤(pán)閥的順時(shí)針扭矩進(jìn)行控制。通過(guò)對(duì)內(nèi)部傳感器測(cè)得的方向與在控制系統(tǒng)存貯器中存貯的要求方向進(jìn)行比較可以推導(dǎo)出負(fù)載的控制信號(hào)和逆時(shí)針扭矩信號(hào)。壓力套及其內(nèi)部裝置、以及安裝在其上的轉(zhuǎn)子和扭矩裝置構(gòu)成了“控制單元”?？刂茊卧墓δ馨ǎ孩倨每刂疲虎谔峁y(cè)量數(shù)據(jù):鉆頭軸線的實(shí)際井斜角和方位角?？刂茊卧倪\(yùn)動(dòng)由地面軟件進(jìn)行控制。Power Drive產(chǎn)品可以選擇具有：通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)對(duì)井斜角和方位角的內(nèi)部自動(dòng)控制的功能，這就要求系統(tǒng)應(yīng)具有信號(hào)以適應(yīng)速串下傳的功能，但同時(shí)也會(huì)大大降低信號(hào)上傳的要求。為了獲得測(cè)量及定向數(shù)據(jù)，利用控制單元中的傳感器來(lái)測(cè)量控制單元坐標(biāo)中的重力及磁力矢盒。該系統(tǒng)所用單三軸力反饋加速度計(jì)，伺服機(jī)構(gòu)作用在敏感單元上，在其三個(gè)相互垂直方向上的重心附近。加速度計(jì)殼體內(nèi)充滿著粘性液體，以緩解伺服機(jī)構(gòu)對(duì)高頻震動(dòng)的響應(yīng)，使其對(duì)震動(dòng)和沖擊具有較大的抵抗力。它的直徑為1英寸，具有開(kāi)發(fā)用于更小井眼的Power Drive系統(tǒng)的潛力。2) Power Drive井下偏叉導(dǎo)向工具的結(jié)構(gòu)原理RSRD系統(tǒng)由控制部分穩(wěn)定平臺(tái)和翼肋支出及控制機(jī)構(gòu)組成?？刂撇糠址€(wěn)定平臺(tái)內(nèi)部包括測(cè)盆傳感器、井下CPU和控制電路，通過(guò)上下軸承懸掛于外筒內(nèi)，靠控制兩端的渦輪在鉆井液中的轉(zhuǎn)速使該部分形成一個(gè)不隨鉆柱旋轉(zhuǎn)的、相對(duì)穩(wěn)定的控制平臺(tái)。與Auto Trak RCLS系統(tǒng)靠獨(dú)立的液壓系統(tǒng)為支撐翼肋的支出提供動(dòng)力來(lái)源不同的是，Power Drive SRD系統(tǒng)的支撐冀肋的支出動(dòng)力來(lái)源是鉆并過(guò)程中自然存在的鉆柱內(nèi)外的鉆井液壓差。如圖22所示，有一控制軸從控制部分穩(wěn)定平臺(tái)延伸到下部的其肋支出控制機(jī)構(gòu)，底端固定上盤(pán)閥，由控制部分穩(wěn)定平臺(tái)控制上盤(pán)閥的轉(zhuǎn)角。下盤(pán)閥固定于井下偏置工具內(nèi)部，隨鉆柱一起轉(zhuǎn)動(dòng)，其上的液壓孔分別與翼肋支撐液壓腔相通。在井下工作時(shí)，由控制部分穩(wěn)定平臺(tái)控制上盤(pán)閥的相對(duì)穩(wěn)定性:隨鉆柱一起旋轉(zhuǎn)的下盤(pán)閥上的液壓孔將依次與上盤(pán)閥上的高壓孔接通，使鉆柱內(nèi)部的高壓鉆井液通過(guò)該臨時(shí)接通的液壓通道進(jìn)入相關(guān)的揮肋支撐液壓腔，在鉆柱內(nèi)外鉆井液壓差的作用下將冀肋支出。這樣，隨著鉆柱的旋轉(zhuǎn)，每個(gè)支撐其肋都將在設(shè)計(jì)位置支出，從而為鉆頭提供一個(gè)側(cè)向力，產(chǎn)生導(dǎo)向作用。圖 22 Power Drive 盤(pán)閥控制機(jī)構(gòu)示意圖 GeoPilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng) GeoPilot系統(tǒng)是Halliburton公司下屬的Sperry Sun公司開(kāi)發(fā)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，又稱(chēng)RST (Rotary Steerable Tool)。這是一種和Auto Trak、 Power Drive S作原理和