【正文】 方式、靜止外套、小型化能力差、結構復雜等。另外，高精度加工是保證這種系統(tǒng)導向效果的關鍵。1) GeoPilot系統(tǒng)井下偏置導向工具的結構原理SperrySun公司的Geo Pilot旋轉導向鉆井系統(tǒng)也是一種不旋轉外筒式導向工具，但與Baker Hughes Inteq公司的Auto Trak RCLS系統(tǒng)和Schlumberger Anadrill公司的Power Drive SRD系統(tǒng)不同的是，GeoPilot旋轉導向鉆井系統(tǒng)不是靠偏置鉆頭進行導向，而是靠不旋轉外筒與旋轉心軸之間的一套偏置機構使旋轉心軸偏置，從而對于不旋轉外套固定，從而始終將旋轉心軸向固定方向偏置，為鉆頭提供一個方向固定的傾角?？刂撇糠址€(wěn)定平臺內(nèi)部包括測盆傳感器、井下CPU和控制電路，通過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速使該部分形成一個不隨鉆柱旋轉的、相對穩(wěn)定的控制平臺?？刂茊卧墓δ馨ǎ孩倨每刂疲虎谔峁y量數(shù)據(jù):鉆頭軸線的實際井斜角和方位角。1) Power Drive旋轉導向鉆井系統(tǒng)井下控制單元井下工具包含控制器、旋轉換向閥及測量機構。這種鉆進模式如同利用導向馬達滑動鉆進方式，可控制井眼軌跡的變化。井下CPU在下井前，預置了井眼軌跡數(shù)據(jù)。還有根據(jù)工具尺寸進行分類的，不同的工具尺寸也不盡相同。另外一種是近年來提出的定向給鉆頭以角位移—簡稱“定向鉆頭”或“指向鉆頭”(Point the Bit)原理的旋轉導向工具，其指向方式示意圖如14 (b)所示。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。由于在鉆具與井壁間不會產(chǎn)生阻礙鉆屑流動的瓶頸，所以提高了攜屑液流的通過能力。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型最大轉速200r／min，最大造斜率3176。井下CPU在下井前，預置了井眼軌跡數(shù)據(jù)。1)地面與井下的雙向通訊系統(tǒng)此系統(tǒng)可使操作者能在不停鉆的情況下，用鉆井液脈沖從地面向井下工具發(fā)出指令改變井眼軌跡、造斜率、方位改變率及降斜率等，指示井底發(fā)射器有選擇地發(fā)送需要的信息。表11 現(xiàn)有的旋轉導向鉆井系統(tǒng)目前，閉環(huán)自動導向鉆井技術已經(jīng)形成了兩個主要的發(fā)展大方向：一個是以Baker Hughes Inteq公司的Auto Trak RCLS系統(tǒng)為代表的不旋轉外筒式閉環(huán)自動導向鉆井系統(tǒng)，它以其精確的軌跡控制精度和完善的地質(zhì)導向技術為特點，非常適用于高開發(fā)難度的特殊油藏的開發(fā)方案設計和導向鉆井作業(yè)，Halliburton公司的GeoPilot系統(tǒng)也屬于這一類導向鉆井系統(tǒng)；另外一個是以Schlumberger Anadrill公司的Power Driver SRD系統(tǒng)為代表的全旋轉自動導向鉆井系統(tǒng)，它以其同樣精確的軌跡控制精度和特有的位移延伸鉆井能力為特點，非常適用于超深井、邊緣油藏的開發(fā)方案中的深井、大位移井的導向鉆井作業(yè)。初級導向鉆井是利用彎外殼螺桿鉆具，在造斜段(或降斜段)、穩(wěn)斜段分別實行滑動鉆進和旋轉鉆進。2005年1月，該工具系統(tǒng)的井下工程參數(shù)測量短節(jié)在四川MP37井下井試驗，鉆井作業(yè)40. 95 h，鉆井進尺320 m，取得了較好的試驗效果。1991年，西安石油大學張紹槐教授組織力量進行了“井眼軌跡制導技術”的中國石油天然氣總公司(CNPC)“九五”立項調(diào)研；1994年，西安石油大學張紹槐教授等又開展了井下旋轉自動導向鉆井系統(tǒng)RCLD(Rotary CloseLoop Drilling System)的研究，并以國家自然科學基金項目為依托研究了井身軌跡控制技術、鉆井智能信息與模擬技術以及隨鉆地震技術(SO)等。井下閉環(huán)鉆井技術代表了當今井眼軌跡控制技術的最高水平，經(jīng)濟的、資源的、技術的因素決定了必須研究井下閉環(huán)鉆井技術。到90年代初期，國外旋轉導向鉆井技術已呈現(xiàn)商業(yè)化。分析了旋轉導向鉆井系統(tǒng)的井下鉆井工具系的偏置方式和導向方式，完成了導向執(zhí)行機構機械部分的設計。所以，對其液壓盤閥分配系統(tǒng)進行分析計算，及其在井下不同工況下所受的力進行分析計算。因此，旋轉導向鉆井技術是現(xiàn)代導向鉆井技術發(fā)展的必然方向。要實現(xiàn)這一目標，就要求首先實現(xiàn)井下閉環(huán)控制，可以使井眼軌跡控制工作最大限度的避免由人為經(jīng)驗來解決不確定性干擾因獲引起的復雜問題，并使井眼軌跡控制類似于導彈飛行控制，保證井眼軌跡控制的精度和準確性得以大幅度提高。 國內(nèi)外研究狀況及趨勢 國內(nèi)旋轉導向鉆井系統(tǒng)研究與發(fā)展現(xiàn)狀20世紀90年代，西安石油大學等國內(nèi)少數(shù)研究機構開始關注旋轉導向鉆井技術，主要進行情報調(diào)研和初步的概念性探索研究。2002年至2005年上半年，該工具系統(tǒng)的隨鉆電阻率、自然伽馬測量工具單元樣機進行了7次陸地油田鉆井試驗，主要技術指標達到了最高耐壓140 MPa，最高工作溫度150℃，連續(xù)工作時間200 h，實現(xiàn)了國內(nèi)首次對隨鉆電阻率和地層自然伽馬的測量。因此導向鉆井相應的發(fā)展也經(jīng)歷了三個階段：初級導向鉆井、地面人工控制的導向鉆井及全自動的井下閉環(huán)旋轉導向鉆井。目前己形成或正在開發(fā)旋轉導向鉆井系統(tǒng)的公司的具體情況如下表11所示。工具包含地面與井下的雙向通訊系統(tǒng)、導向系統(tǒng)和LW以隨鉆測井系統(tǒng)三個部分。液壓力的大小由井下CPU控制井下控制系統(tǒng)來調(diào)整。圖12 Power Drive盤閥控制機構示意圖斯倫貝謝公司的旋轉導向系統(tǒng)主要是指PowerDrive系統(tǒng)，包括PowerDriveX51100、PowerDriveX5900、PowerDriveXPowerDrivX567PowerDriveX47PowerDriveXceed900、Power vorte X除了Power vorte X是動力式旋轉導向系統(tǒng)外，其他均為全旋轉式旋轉導向系統(tǒng)，PowerDriveX5系列旋轉導向工具可通過Power Pulse和Tele Scope工具實時測量井下數(shù)據(jù)，測量近鉆頭地層狀態(tài)、鉆頭振動情況和鉆頭轉速，利用近鉆頭伽馬射線顯示地質(zhì)和井眼成像，自動糾斜。相對前面兩種鉆井系統(tǒng)而言，Power Drive調(diào)制式旋轉導向系統(tǒng)在結構設計方面更為簡單，小型化趨勢好，全旋轉工作方式使鉆柱對井壁沒有靜止點，從而可以保證這種系統(tǒng)更能適合各種復雜的環(huán)境，鉆井極限井深更深，速度更快，在大位移井、三維多目標井及其它高難度特殊工藝井中更具競爭力。Power Drive Xceed與Power Pluse相互結合，Power Drive Xceed就可以在鉆進過程中向井口提供鉆具面、井斜角、方位等實時測量數(shù)據(jù)。一種是靠側向力推靠鉆頭原理的旋轉導向鉆井工具—稱“推靠鉆頭”(Push the Bit)導向原理工具，這類原理的導向工具已有多種，其導向方式示意圖如14(a)所示。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；以工具結構不同區(qū)分，有不旋轉外筒式((AUTO TRAK RCLS和GEO PILOTS系統(tǒng))和調(diào)制式(POWER DRIVE SRI)系統(tǒng))兩種。液壓力的大小由井下CPU控制井下控制系統(tǒng)來調(diào)整。②導向模式。當需要在某個方向導向時，鉆柱在旋轉狀態(tài)下，相位相差1200隨鉆柱一起旋轉的3個導向塊中的某一塊，它每一次通過某一特定的垂向或徑向方位時，通過控制系統(tǒng)施加的液壓，使同步導向塊伸出與井壁接觸，并對鉆頭產(chǎn)生一側向力，推動鉆頭離開該方向，達到改變井斜和方位的目的，轉離該方向后，滑塊自動縮回。壓力套及其內(nèi)部裝置、以及安裝在其上的轉子和扭矩裝置構成了“控制單元”。2) Power Drive井下偏叉導向工具的結構原理RSRD系統(tǒng)由控制部分穩(wěn)定平臺和翼肋支出及控制機構組成。這是一種和Auto Trak、 Power Drive S作原理和結構形式有較大區(qū)別的另一種旋轉導向系統(tǒng)，其主要特征是下部驅動主軸可在殼體內(nèi)偏轉成一定角度，相當于形成一個可調(diào)彎角，可對井斜和方位進行糾正。靜態(tài)偏置指向式導向鉆具采用控制鉆柱彎曲特征，來實現(xiàn)鉆頭軸線的有效導控，其優(yōu)點是造斜率由工具本身確定，不受鉆進地層巖性的影響，在軟地層及不均質(zhì)地層中效果明顯，缺點是鉆柱承受高強度的交變應力，鉆柱容易發(fā)生疲勞破壞。/30m高高存在~ 靜態(tài)偏置指向式GeoPilot工具系統(tǒng)外筒不旋轉176。而指向式控制較難，偏心機構的彎軸及兩個偏心環(huán)的設計較難，執(zhí)行機構的控制較推靠式有一定的難度，并且導向能力比較弱，不能滿足大位移、定向鉆井等鉆井作業(yè)，因此，我選擇了調(diào)制式的全旋轉導向鉆井系統(tǒng)為自己的設計方向。鉆柱在旋轉狀態(tài)下，任意一個或兩個推板通過某一特定的方位時，借助工作液控制閥所施加的壓力( 泥漿壓差) 來同步調(diào)整推板的伸出，使其與井壁接觸，并對鉆頭產(chǎn)生一個側向力( 即利用井壁對推板的反作用力) 來推動鉆頭改變原方向，達到改變井斜或方位的目的, 從而實現(xiàn)旋轉導向鉆井。渦輪發(fā)電機與扭矩發(fā)生器的扭矩聯(lián)合作用實現(xiàn)可控調(diào)節(jié)與平衡。圖 26 上盤閥和下盤閥結構旋轉導向鉆井工具中的偏置執(zhí)行單元主要由柱塞和推靠井壁的推板組成, 在工作液控制單元的控制下，依次將高壓泥漿通向柱塞, 再由柱塞將力施加給推板，使其與井壁接觸，避免柱塞直接與井壁接觸而造成鉆具卡死或井壁擠毀。下盤隨鉆頭一起同步旋轉，當其中的一個孔眼與上盤高壓孔眼位于同一軸線上時兩孔相接，與之相連的伸縮機構被高壓鉆井液推動，活塞外推，翼片與井壁接觸，并給井壁施加一作用力。當上盤高壓孔眼在控制機構作用下處于270176。導向機構在控制閥的控制下實現(xiàn)定向功能，而伸縮翼片在隨鉆頭旋轉的過程中的有規(guī)律受控伸縮則產(chǎn)生一定的控制力。在導向工具工作過程中，高壓孔和下盤閥的低壓孔導通一次就驅動一個巴掌作用于井壁，關閉時就失去作用力。執(zhí)行機構柱塞個數(shù)為偶數(shù)時，導向力和擴徑力均不可能出現(xiàn)連續(xù)情況，而且變化幅值很大，易引起鉆具的振動，應避免設計偶數(shù)個柱塞個數(shù)，因此旋轉導向鉆井工具執(zhí)行機構的柱塞個數(shù)應為3或5。時，始終最多只有1個巴掌伸出，但有3個巴掌同時縮回的情況，工具導向能力弱；而當θ240186。高壓孔圓弧角θ取200176。為使巴掌與井壁間受力狀況較好，巴掌與井壁的接觸面，可以考慮設計成圓弧狀，其巴掌結構如圖37所示。 擋塊上的螺釘強度校核擋塊所受力為擋塊對巴掌的作用力，則F=12KN （311）螺釘所選的材料是45號鋼，查《機械設計手冊》知 =600MPa 取安全系數(shù)為s=，則 （312）則，滿足強度要求。上盤閥的高壓孔圓弧角θ的大小與巴掌的作用力有著密切的關系，θ角的設計原則是在保證偏執(zhí)機構單元中高低壓鉆井液通道輪流導通前提下，巴掌作用在井壁的合力在導向方向的分量應該連續(xù)而且其變化范圍盡可能恒定，以實現(xiàn)工具工作穩(wěn)定，避免對鉆具產(chǎn)生較大的沖擊。正常工況下，工作液壓差作用在上盤閥的壓力：112N至224N.上下盤閥的接觸面積A為： （324）上盤閥對下盤閥的最大壓強: P= (325)上下盤閥摩擦阻力矩: = (326) r=0； r=； B=； r=由此計算得： M=?m(6)上下盤閥摩擦副所消耗的功率上下盤閥摩擦副所消耗的功率取決于摩擦阻力矩與上下盤閥之間的相對轉速。設計的下盤閥如下圖： 圖:312 下盤閥 上下盤閥導通時間計算上盤閥的圓弧角為θ，高壓孔寬度為B，弧的半徑為R，下盤閥液流通孔直徑為B，假設轉速為n，結構圖如下圖： 圖313 上盤閥剖面圖 由上圖可知：θ=200186。400186。極限工況：最大鉆壓300KN；外壓96MPa；內(nèi)壓101MPa；最大扭矩2000N? m。較普通的工具來說，旋轉導向工具的成本就要高一些了。由上可知，旋轉導向工具取得了較好的應用實踐。（2）由于偏執(zhí)機構與鉆頭直接相接，導向力的大小由鉆頭處的環(huán)形壓差及柱塞面方向由穩(wěn)定平臺控制上盤閥的高壓孔位置決定。 參考文獻[1] 段正勇，彭勇，[J]. 鉆采工 藝，2007,30(5):102105.[2] 彭勇,閆文輝,[J]. 石油學報，2005， 26(5):949.[3] [J]. ,24 (3)：8289.[4] 蘇義腦，竇修榮，、特性和典型結構[J]. 石油 ,25 (4):58.[5] 方朝亮，[M]. 北京:石油工業(yè)出 版社，2006.[6] 張紹槐，[J]. ,22 (6): 6368.[7] 趙金海，國外典型的旋轉導向鉆井系統(tǒng)[J]., 18(11): 3336.[8] 李松林，蘇義腦，[J]. 石油 , 28 (1):4244.[9] 肖仕紅，[J]. 石油機械，2006, 34(4):6670.[10] 孫桓，[M]. :高等教育出版社，2000, 8.[11] 閏文輝，彭勇，[J]. 鉆采工藝， 2005，28 (5):6972.[12] 彭勇，閏文輝，[J]. 石油機械， 2005,33(11)，2429.[13] 馮長青，[J]. 石油機械， 2006,1416.[14] 彭勇，閏文輝，[J]. 石油鉆探技術， 34(2):1014.[15] 張紹槐，[J]. 石油學報，2000,21 (1):76