【正文】 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，以實現(xiàn)工具工作穩(wěn)定，避免對鉆具產(chǎn)生較大的沖擊。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(shè)計成圓弧狀，其巴掌結(jié)構(gòu)如圖37所示。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(dǎo)向能力弱；而當(dāng)θ240186。在導(dǎo)向工具工作過程中，高壓孔和下盤閥的低壓孔導(dǎo)通一次就驅(qū)動一個巴掌作用于井壁，關(guān)閉時就失去作用力。當(dāng)上盤高壓孔眼在控制機構(gòu)作用下處于270176。圖 26 上盤閥和下盤閥結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)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。鉆柱在旋轉(zhuǎn)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(cè)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(dá)到改變井斜或方位的目的, 從而實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井。/30m高高存在~ 靜態(tài)偏置指向式GeoPilot工具系統(tǒng)外筒不旋轉(zhuǎn)176。這是一種和Auto Trak、 Power Drive S作原理和結(jié)構(gòu)形式有較大區(qū)別的另一種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，其主要特征是下部驅(qū)動主軸可在殼體內(nèi)偏轉(zhuǎn)成一定角度，相當(dāng)于形成一個可調(diào)彎角，可對井斜和方位進行糾正。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”。②導(dǎo)向模式。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。Power Drive Xceed與Power Pluse相互結(jié)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)。圖12 Power Drive盤閥控制機構(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(zhuǎn)速，利用近鉆頭伽馬射線顯示地質(zhì)和井眼成像，自動糾斜。工具包含地面與井下的雙向通訊系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)和LW以隨鉆測井系統(tǒng)三個部分。因此導(dǎo)向鉆井相應(yīng)的發(fā)展也經(jīng)歷了三個階段：初級導(dǎo)向鉆井、地面人工控制的導(dǎo)向鉆井及全自動的井下閉環(huán)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井。 國內(nèi)外研究狀況及趨勢 國內(nèi)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)研究與發(fā)展現(xiàn)狀20世紀(jì)90年代，西安石油大學(xué)等國內(nèi)少數(shù)研究機構(gòu)開始關(guān)注旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)，主要進行情報調(diào)研和初步的概念性探索研究。因此，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)是現(xiàn)代導(dǎo)向鉆井技術(shù)發(fā)展的必然方向。開創(chuàng)了世界鉆井歷史的先河新中國成立后，我國石油工業(yè)有了舉世矚目的巨大成就。勝利油田在我國導(dǎo)向鉆井技術(shù)應(yīng)用和研究方面也一直處于全國第一的領(lǐng)先地位，曾于1989年在河50井組鉆成功一個井場井?dāng)?shù)最多的叢式井，并且己成功地為20多個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年勝利油田開始進行旋轉(zhuǎn)自動導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的跟蹤調(diào)研、論證和初步研究方案設(shè)計等工作，同年引進了地層評價隨鉆測量系統(tǒng)(FEWD)并進入卡塔爾國際市場；2000年進行了旋轉(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”分別被列為國家“863”前瞻性研究項目及中國石化集團公司科技攻關(guān)項目，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)。滑動鉆進時機械鉆速低，攜巖能力差，井眼清洗不完善，容易發(fā)生粘吸卡鉆。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行狀態(tài)等數(shù)據(jù)用鉆井液正脈沖傳輸?shù)降孛妫⒃诘孛娼邮兆g碼。／100ft。（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）。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：(1)以鉆井過程中自然存在的鉆井液壓差為動力，其結(jié)構(gòu)簡單緊湊；(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)工作方式使鉆柱對井壁沒有靜止點，從而可以保證井下安全，實現(xiàn)復(fù)雜井眼軌跡的能力強，鉆進速度快。合力矢的方向相當(dāng)于彎殼體馬達(dá)的工具面角。Power Drive產(chǎn)品可以選擇具有：通過編程實現(xiàn)對井斜角和方位角的內(nèi)部自動控制的功能，這就要求系統(tǒng)應(yīng)具有信號以適應(yīng)速串下傳的功能，但同時也會大大降低信號上傳的要求。/30m；最大狗腿度10176。GeoPilot:鉆柱承受高強度的交變應(yīng)力，鉆柱容易發(fā)生疲勞破壞。上渦輪發(fā)電機是系統(tǒng)動力發(fā)生器，提供井下電源，其旋轉(zhuǎn)方向為順時針方向；下渦輪發(fā)電機是扭矩發(fā)生器，其旋轉(zhuǎn)方向為逆時針。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，同時產(chǎn)生的與導(dǎo)向方向垂直的分量，稱為擴徑力，該擴徑力使井徑較之鉆頭有所擴大。研究表明，對于RSDS系統(tǒng)來講，90176。因此高壓孔圓弧角θ的設(shè)計原則是在保證偏執(zhí)機構(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，以實現(xiàn)工具工作穩(wěn)定，避免對鉆具產(chǎn)生較大的沖擊。時，滿足上盤閥的高壓孔圓弧角的設(shè)計原則。 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。圖 311 上盤閥受力簡圖上盤閥受到的力: 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?？芍? = = (334)可以認(rèn)為TT，即下盤閥沒有完全和上盤閥導(dǎo)通時，所通過下盤閥低壓孔的流量和壓強變化對整個導(dǎo)通時間內(nèi)擋塊的推靠力影響不大。第四章 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具經(jīng)濟性評價 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的加工成本旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)有了研究，并取得了一定的成果。 綜上可知，開發(fā)該系統(tǒng)有很大的前景，雖然開發(fā)費用較高，但是回報是相當(dāng)可觀的。感謝段老師的諄諄教誨和悉心指導(dǎo)，在設(shè)計期間，在老師的幫助下，學(xué)會了使用Solid Edge進行三維作圖，也對設(shè)計有了更深的更專業(yè)的理解。(4)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向裝置的執(zhí)行部分相對比較好設(shè)計與制造，但是控制部分相對較難，應(yīng)進行深入研究。POWER DRIVER截至1999年8月，累計工作時間1160小時，總進尺47780m。 工具體的校核工具體校核應(yīng)該考慮三個因素：(1)承受的鉆壓；(2)承受的鉆井的扭矩；(3)承受泥漿的內(nèi)外壓力差的厚壁圓筒。下盤閥應(yīng)該選耐磨材料42SiMn，提高壽命。盤閥的運動規(guī)律又反過來影響穩(wěn)定平臺的穩(wěn)定運動控制系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)。 1上控制軸； 2泥漿過濾網(wǎng)； 3上下盤閥； 4柱塞 ； 5巴掌圖36 導(dǎo)向裝置裝配圖 巴掌結(jié)構(gòu)巴掌是與井壁直接接觸，施加導(dǎo)向力的零件。θ120186。在控制液分配單元中下盤閥的高壓孔圓弧角θ是設(shè)計中的關(guān)鍵，因為上盤閥的高壓孔圓弧角θ的大小與巴掌的推靠力的大小有很大的關(guān)系。降方位狀態(tài)。液壓控制單元的核心就是在穩(wěn)定平臺的作用下,控制上盤閥高壓孔的位置(工程上的工具面角)。推板的動力來自于泥漿經(jīng)過鉆頭水眼后所產(chǎn)生的鉆柱內(nèi)外壓差； 工作液控制閥( 上、下盤閥的相對位置) 的調(diào)節(jié)和穩(wěn)定則由穩(wěn)定平臺控制；3 個推板的相位差為120176。/30m中低存在~ 調(diào)制式Power Drive SRD全旋轉(zhuǎn)176。圖 22 Power Drive 盤閥控制機構(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公司開發(fā)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，又稱RST (Rotary Steerable Tool)。通過對內(nèi)部傳感器測得的方向與在控制系統(tǒng)存貯器中存貯的要求方向進行比較可以推導(dǎo)出負(fù)載的控制信號和逆時針扭矩信號。保持模式可同時施加造斜力和變方位力。調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具是依靠工具執(zhí)行機構(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。井下鉆具與地面的通訊是借助于Power Pluse MWD遙測系統(tǒng)來實現(xiàn)的，它包括一整套隨鉆電子測量工具。當(dāng)需要在某個方向?qū)驎r，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個導(dǎo)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(dǎo)向塊伸出與井壁接觸，并對鉆頭產(chǎn)生一側(cè)向力，推動鉆頭離開該方向，達(dá)到改變井斜和方位的目的，轉(zhuǎn)離該方向后，滑塊自動縮回。圖11 AutoTrak內(nèi)部結(jié)構(gòu)Auto Trak結(jié)合了當(dāng)前最為先進的MWD，LWD技術(shù)，滿足了地質(zhì)導(dǎo)向和鉆井作業(yè)的雙重需要：同時結(jié)合MDL、 MNP、MDP等工具，實現(xiàn)隨鉆測井的要求。導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)最初只用在定向井、叢式井，隨油田開發(fā)的增多，逐漸用到了大斜度井、水平井、蘭維多目標(biāo)井、大位移井等。但該系統(tǒng)對設(shè)備要求比較高，要求設(shè)備、鉆具等能承受高轉(zhuǎn)速、大扭矩、高泵壓，在某種程度上加大了對設(shè)備、鉆具等的損傷，而且該系統(tǒng)造價比較昂貴，一次性投入較大，并不是每個區(qū)塊和地層都適用這種鉆井技術(shù)。鉆井成本低。我國石油產(chǎn)量現(xiàn)居全世界第5至第8位，我國的鉆井規(guī)摸已躍居全世界第3位，鉆井業(yè)已走出國門參與國際競爭。在全面完成國家“863”前瞻性研究攻關(guān)項目的基礎(chǔ)上，2003年“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”被列為國家“863正式科技攻關(guān)項目。全自動的井下閉環(huán)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)是從地面人工控制的導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)發(fā)展成的，可實施井下自動側(cè)量、辨別處理、控制的自動系統(tǒng)。此工具的上傳數(shù)據(jù)采用了己經(jīng)成功應(yīng)用20多年的MWD中的井下遙控脈沖發(fā)射器。Power Drive Xceed系列可以用于裸眼側(cè)鉆、隨鉆擴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。其主要特征是下部驅(qū)動主軸可在殼體內(nèi)旋轉(zhuǎn)成一定角度，相當(dāng)于形成一個可調(diào)彎角，可對井斜和方位進行糾正。 三種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征和對比 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)心軸兩大部分通過上下軸承連接形成一可相對轉(zhuǎn)動的結(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。合力矢的大小是為了控制井眼軌跡的變化率。為了獲得測量及定向數(shù)據(jù)，利用控制單元中的傳感器來測量控制單元坐標(biāo)中的重力及磁力矢盒。/30m；；最大轉(zhuǎn)速250r/min；最大流量4545kg/min；最大鉆壓245kN；鉆井液類型以水基鉆井液為主；最大含砂量2%；(在22Us排量下的計算值)外觀結(jié)構(gòu)；最大提拉力333kN；上接MWD；地面軟件為INSILE鉆機信息系統(tǒng)；176。 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井方案的選擇推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的特點：側(cè)向力大，造斜率高，但旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆出的井眼狗腿大，軌跡波動大，不平滑。2個渦輪發(fā)電機之間設(shè)置密封電子倉, 電子倉中有控制電路和測量工具面角、井斜角的三軸重力加速度計、短程通訊、下傳信號接受器及其電路等。在工作過程中接受由地面發(fā)出的指令，并通過穩(wěn)定平臺單元調(diào)控工作液來控制分配單元上盤閥高壓孔的位置。扭方位狀態(tài)實際上也是全力扭方位狀態(tài)。在導(dǎo)向機構(gòu)的設(shè)計過程中，為了保證導(dǎo)向機構(gòu)能滿足鉆井要求，必須保證工作液控制分配單