【正文】 孔圓弧角θ所決定。同時(shí)上盤閥的高壓孔圓弧角θ應(yīng)不大于下盤閥相鄰3個(gè)低壓孔的中心角240186。考慮柱塞伸出和縮回的滯后影響及下盤閥低壓孔直徑的影響時(shí)，使下盤閥低壓孔實(shí)際導(dǎo)通角不等于上盤閥的高壓孔圓心角，會(huì)改變巴掌作用合力的作用形式，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，上盤閥的高壓孔圓弧角θ設(shè)計(jì)為200186。由此，在鉆具尺寸允許的條件下，取其最大值。圖39 鉆具本體泥漿過流孔結(jié)構(gòu)由上圖可知： （37）所以S S。的3個(gè)伸縮塊的某一個(gè)塊，它每一次通過某一特定位置時(shí)，通過上盤閥高壓孔施加的壓力，使相應(yīng)的巴掌伸出與井壁接觸，并施力于井壁，產(chǎn)生一側(cè)向力，推動(dòng)鉆頭離開該方向，達(dá)到改變井斜和方位的目的，離開該方向后巴掌自動(dòng)縮回。慣性力F： （319） F200N,為了減少盤閥之間的摩擦力，預(yù)緊力應(yīng)盡量的小，取F=F=100N。的直徑為8mm的孔，用于分配泥漿。 盤閥加壓彈簧的設(shè)計(jì)為了保證上盤閥的平穩(wěn)運(yùn)行，需要給上盤閥額外加力100N。(3)根據(jù)剛度條件計(jì)算彈簧圈數(shù)n查得K=15N/mm （338） 取n=6圈。就本次設(shè)計(jì)的工具本身來說，有一些關(guān)鍵部件直接影響著整個(gè)工具的成本，比如外殼體，要求為高的強(qiáng)度、較好的耐磨性、較好的柔韌性，還得是無磁的，并且是一個(gè)復(fù)雜的腔體結(jié)構(gòu)，所以一般的無縫鋼管很難滿足以上要求，給加工帶來很大的困難。(4)為油田提高采收率提供了有效的經(jīng)濟(jì)方法特別是在如今油氣資源缺少兒時(shí)的人們必須向更深的地層開發(fā)油氣資源時(shí)，為節(jié)約成本，復(fù)雜結(jié)構(gòu)井技術(shù)被提出來了，水平井、大位移井、多底井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井提高了油層中井段的長(zhǎng)度增加，增加了油層的泄油面積，提高了產(chǎn)量。本文結(jié)合調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)研究，重點(diǎn)對(duì)偏執(zhí)機(jī)構(gòu)和液壓分配系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算。(2)由于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的工作環(huán)境惡劣、工作空間有限、工具尺寸受限等原因，設(shè)計(jì)要根據(jù)實(shí)際情況，進(jìn)行設(shè)計(jì)一分析一校核一再設(shè)計(jì)的循環(huán)過程，因而設(shè)計(jì)的許多方面還有待改進(jìn)，自己的專業(yè)方面的知識(shí)還有待提高。較為合適，上下盤閥有足夠的導(dǎo)通時(shí)間。 綜上可知，開發(fā)該系統(tǒng)有很大的前景，雖然開發(fā)費(fèi)用較高，但是回報(bào)是相當(dāng)可觀的。(2)提高鉆井效率2000年8月，CACT公司在中國(guó)南海油田的HZ2223SA側(cè)鉆水平井的1400m的定向井段的施工中，應(yīng)用了AUTOTRAK RCLS系統(tǒng)，結(jié)果只用了一天半就完成了用常規(guī)鉆井方式需要10天完成的定向井段的施工，是井身質(zhì)量大大提高，鉆井成本大大的降低，還提高了開發(fā)效率。第四章 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià) 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的加工成本旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)有了研究，并取得了一定的成果。根據(jù)彈簧標(biāo)準(zhǔn)直徑，取d=4mm?？芍? = = (334)可以認(rèn)為TT，即下盤閥沒有完全和上盤閥導(dǎo)通時(shí)，所通過下盤閥低壓孔的流量和壓強(qiáng)變化對(duì)整個(gè)導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)擋塊的推靠力影響不大。 下盤閥的設(shè)計(jì)下盤閥和上盤閥配合使用，分配泥漿和傳遞壓力使巴掌運(yùn)動(dòng)。圖 311 上盤閥受力簡(jiǎn)圖上盤閥受到的力: F泥漿壓力 F加壓彈簧的力 F上盤閥重力 M穩(wěn)定平臺(tái)傳遞的扭矩 M摩擦扭矩（1） 由圖311可知上盤閥的重量為 （315） 故 （316）（2）上盤閥所受的泥漿壓力：鉆頭壓降在4 8MPa，最大壓力為12MPa。 液壓盤閥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的液壓盤閥系統(tǒng)不僅僅是液流分配機(jī)構(gòu)，同時(shí)也是控制伸縮塊所產(chǎn)生導(dǎo)向力大小與方向的控制機(jī)構(gòu)。 在鉆井中，泥漿的主要作用是排屑，因此鉆具應(yīng)有足夠的過流面積。如公式 F = dP （31） 式中：d柱塞的直徑 P鉆頭環(huán)形壓差 可知主要因素為柱塞泥漿壓力的面積和泥漿泄流的影響。時(shí)，滿足上盤閥的高壓孔圓弧角的設(shè)計(jì)原則。根據(jù)巴掌合力連續(xù)的要求，偏執(zhí)機(jī)構(gòu)在工作過程中，任何時(shí)候至少應(yīng)有1個(gè)巴掌對(duì)井壁作用，同時(shí)任何時(shí)候最多只有2個(gè)巴掌對(duì)井壁作用，因此，在不考慮柱塞伸出和縮回的滯后影響及下盤閥低壓孔直徑的影響時(shí)，上盤閥的高壓孔圓弧角。因此高壓孔圓弧角θ的設(shè)計(jì)原則是在保證偏執(zhí)機(jī)構(gòu)單元中高低壓鉆井液通道輪流導(dǎo)通前提下，巴掌作用在井壁的合力在導(dǎo)向方向的分量應(yīng)該連續(xù)而且其變化范圍盡可能恒定，以實(shí)現(xiàn)工具工作穩(wěn)定，避免對(duì)鉆具產(chǎn)生較大的沖擊。工作液控制分配單元由盤閥加壓彈簧、上盤閥和下盤閥、上盤閥控制軸和相應(yīng)的密封部件組成，結(jié)構(gòu)如圖32。研究表明，對(duì)于RSDS系統(tǒng)來講，90176。此時(shí)，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)就處于全力降斜狀態(tài)。如圖41原理圖所示，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的導(dǎo)向力直接來源于工具執(zhí)行機(jī)構(gòu)柱塞推靠井壁所產(chǎn)生的反作用力推靠力，該力在導(dǎo)向方向的分量稱為導(dǎo)向力，同時(shí)產(chǎn)生的與導(dǎo)向方向垂直的分量，稱為擴(kuò)徑力，該擴(kuò)徑力使井徑較之鉆頭有所擴(kuò)大。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具中的工作液控制單元是一個(gè)盤閥開關(guān)系統(tǒng),由上、下盤閥2 部分組成。上渦輪發(fā)電機(jī)是系統(tǒng)動(dòng)力發(fā)生器，提供井下電源，其旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針方向；下渦輪發(fā)電機(jī)是扭矩發(fā)生器，其旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針。穩(wěn)斜功能( 不導(dǎo)向) 是使穩(wěn)定平臺(tái)帶動(dòng)上盤閥，使其和鉆柱以不同的某一轉(zhuǎn)速作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)( 如20 40 r/ min)，這時(shí)在360176。GeoPilot: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。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可以利用成熟的控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)偏心距的控制，但是井下復(fù)雜條件使得這種系統(tǒng)具有許多缺點(diǎn)，如位移工作方式、靜止外套、小型化能力差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等，所有這些都會(huì)影響這種系統(tǒng)的發(fā)展。/30m；最大狗腿度10176。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)，底端固定上盤閥，由控制部分穩(wěn)定平臺(tái)控制上盤閥的轉(zhuǎn)角。Power Drive產(chǎn)品可以選擇具有：通過編程實(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。為了與無磁鉆挺一起旋轉(zhuǎn)，將一密封壓力套安裝在中央，它通過聯(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。合力矢的方向相當(dāng)于彎殼體馬達(dá)的工具面角。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。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。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。（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公司開發(fā)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，又稱RST（Rotary Steerable Tool）。由于沒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。／100ft。3) LWD(隨鉆測(cè)井)系統(tǒng)該系統(tǒng)能夠使鉆頭得到精確的地質(zhì)導(dǎo)向，并取代了有線測(cè)井。它可以把地層參數(shù)、井下溫度、井眼軌跡參數(shù)、井底壓力及工具的運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)用鉆井液正脈沖傳輸?shù)降孛?，并在地面接收譯碼。盡管目前閉環(huán)自動(dòng)導(dǎo)向鉆井技術(shù)存在兩個(gè)發(fā)展方向，但其長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展方向都將是集兩者優(yōu)點(diǎn)于一身的閉環(huán)自動(dòng)導(dǎo)向鉆井技術(shù)?；瑒?dòng)鉆進(jìn)時(shí)機(jī)械鉆速低，攜巖能力差，井眼清洗不完善，容易發(fā)生粘吸卡鉆。2006年5月30日該工具系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向可控偏心移交器單元樣機(jī)在長(zhǎng)慶油田Ning3732井進(jìn)行了鉆井試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)首次利用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向可控偏心器鉆井技術(shù)實(shí)現(xiàn)成功鉆井。勝利油田在我國(guó)導(dǎo)向鉆井技術(shù)應(yīng)用和研究方面也一直處于全國(guó)第一的領(lǐng)先地位，曾于1989年在河50井組鉆成功一個(gè)井場(chǎng)井?dāng)?shù)最多的叢式井，并且己成功地為20多個(gè)油田提供了水平井技術(shù)服務(wù)，成功鉆探的水平井?dāng)?shù)量占同期全國(guó)所鉆水平井總數(shù)的三分之二；1996年，勝利油田鉆井工藝研究院研究了可控變徑穩(wěn)定器；1999年勝利油田開始進(jìn)行旋轉(zhuǎn)自動(dòng)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的跟蹤調(diào)研、論證和初步研究方案設(shè)計(jì)等工作，同年引進(jìn)了地層評(píng)價(jià)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)(FEWD)并進(jìn)入卡塔爾國(guó)際市場(chǎng)；2000年進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)開發(fā)可行性研究，2001年“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究”、“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)研究”分別被列為國(guó)家“863”前瞻性研究項(xiàng)目及中國(guó)石化集團(tuán)公司科技攻關(guān)項(xiàng)目，勝利油田與西安石油學(xué)院合作開始共同研制和開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)—調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)MRSS（Modulated Rotary Steerable System)。其核心是能在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下按控制指令動(dòng)作以改變作用在鉆頭上的合力或改變鉆具偏心程度的偏三導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。開創(chuàng)了世界鉆井歷史的先河新中國(guó)成立后，我國(guó)石油工業(yè)有了舉世矚目的巨大成就。20世紀(jì)80年代后期，國(guó)際上開始加強(qiáng)對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井的研究。本文綜述了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，閘明了在我國(guó)發(fā)展旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的重要性和必要性，介紹了它的工作原理及結(jié)構(gòu)組成，指出了研制該工具的主要技術(shù)特點(diǎn)。此外，其極限井深可達(dá)15km。另一方面隨著油氣田的日益減少，大位移井的相對(duì)重要性和技術(shù)、經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)越來越顯著，而它所面臨的技術(shù)難度也是前所未有的。目前國(guó)內(nèi)也正在研制開發(fā)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，從各個(gè)油田和區(qū)塊的應(yīng)用實(shí)例看，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具具有在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)連續(xù)導(dǎo)向的能力，可以提高井眼的清潔度和機(jī)械鉆速，減少壓差卡鉆；還具有井眼軌跡自動(dòng)控制的能力，從而提高井眼軌跡的光滑度，降低扭矩和摩阻，也就相應(yīng)地增加了水平井的延伸長(zhǎng)度。由中海油與西安石油大學(xué)等研究單位承擔(dān)的國(guó)家“863”課題“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向三維可控鉆井技術(shù)研究”也取得了突破，研究的可控偏心器式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具系統(tǒng)，為靜態(tài)偏置推靠式系統(tǒng)，目前己進(jìn)行了偏心機(jī)理、井下BHA組合力學(xué)性能等一定的理論研究和工具系統(tǒng)各單元樣機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，其在陸地和海上油田的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明：在井斜約60186。 國(guó)外旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)研究與發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)外從20世紀(jì)80年代末期開始旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的理論研究。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具是20世紀(jì)90年代初，隨著水平井、大位移井、叢式并等復(fù)雜井和“海油路采”的迅速發(fā)展，而出現(xiàn)的一種新型鉆井工具。通過液壓可推動(dòng)活塞分別對(duì)3個(gè)穩(wěn)定塊施加不同的壓力，其合力就使鉆具沿某一特定方向偏移，從而在鉆進(jìn)過程中使鉆頭產(chǎn)生1個(gè)側(cè)向力，保證鉆頭沿這一方向定向鉆進(jìn)。當(dāng)周向均布的三個(gè)支撐翼肋分別以不同液壓力支捧于井壁時(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。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，通過旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定傳感器同步調(diào)整井眼走向。／100ft。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)鉆具來控制方位。另外，高精度加工是保證這種系統(tǒng)導(dǎo)向效果的關(guān)鍵。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。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。設(shè)定造斜力和變方位力主要是為了控制井眼狗腿度。 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。來自被稱為“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，可以通過增大其電負(fù)載來平衡產(chǎn)生于旋轉(zhuǎn)著的鉆挺并通過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閥的順時(shí)針扭矩進(jìn)行控制。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。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。其導(dǎo)向原理如圖24所示：圖24 GeoPilot 的導(dǎo)向原理 三種不同旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向方式對(duì)比旋轉(zhuǎn)式導(dǎo)向鉆井工具，按導(dǎo)向方式不同主要分為3種類型，靜態(tài)偏置推靠式導(dǎo)向鉆具，調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具，靜態(tài)偏置指向式導(dǎo)向鉆具。表21 三種不同方式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)對(duì)比工作方式代表系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向程度造斜能力鉆井安全性位移延伸能力螺旋井眼適應(yīng)井眼尺寸靜態(tài)偏置推靠式Auto Trak RCLS工具系統(tǒng)外筒不旋轉(zhuǎn)176。指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的特點(diǎn)：能鉆出較平滑的井眼，摩阻和扭矩較小，可以使用較大的鉆壓，機(jī)械鉆速較高，有助于發(fā)揮鉆頭的性能，鉆頭及其軸承承受的側(cè)向載荷較小，極限位移增加，但是造斜率較低。它是一種機(jī)、電一體化智能導(dǎo)向工具，靠近鉆頭的推靠柱塞和推板、工作液控制閥以及穩(wěn)定平臺(tái)是它的核心部件。工作中平臺(tái)受到的主要力矩包括驅(qū)動(dòng)上盤閥旋轉(zhuǎn)的扭矩、鉆柱旋轉(zhuǎn)帶來的機(jī)械摩擦阻力矩和作為電能發(fā)生器的渦輪發(fā)電機(jī)本身的電磁力矩。當(dāng)上盤閥的高壓孔與下盤閥的某1 個(gè)或者2 個(gè)孔相通時(shí),高壓泥漿將推動(dòng)偏置執(zhí)行單元的相應(yīng)柱塞,并由柱塞推動(dòng)推板，將力作用在井壁上,該作用力的方向則由上盤高壓孔的位置確定。通過對(duì)側(cè)向力的大小、方向和拍打頻率的調(diào)整，可直