【文章內(nèi)容簡介】 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(dòng)主軸可在殼體內(nèi)偏轉(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。1) GeoPilot系統(tǒng)井下偏置導(dǎo)向工具的結(jié)構(gòu)原理SperrySun公司的Geo Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)也是一種不旋轉(zhuǎn)外筒式導(dǎo)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(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)不是靠偏置鉆頭進(jìn)行導(dǎo)向，而是靠不旋轉(zhuǎn)外筒與旋轉(zhuǎn)心軸之間的一套偏置機(jī)構(gòu)使旋轉(zhuǎn)心軸偏置，從而對(duì)于不旋轉(zhuǎn)外套固定，從而始終將旋轉(zhuǎn)心軸向固定方向偏置，為鉆頭提供一個(gè)方向固定的傾角。2) GeoPilot總體外觀和參數(shù)介紹圖23 GeoPilot 主體如圖23所示，GeoPilot系統(tǒng)有關(guān)結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)如下：公稱直徑171mm；上部外徑194mm；；連接上扣(母扣)；連接下扣(REG母或公扣)；造斜、降斜5176。/30m；最大狗腿度10176。/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(jì)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(jī)信息系統(tǒng)；176。，測(cè)量傳感器距鉆頭位置；井斜、，，；電源為鏗電池；最大工作周期不少于200h(旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向)。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。從工作原理和適應(yīng)井下工作環(huán)境方面來講，三種工作方式的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)各有其特點(diǎn)。靜態(tài)偏置指向式導(dǎo)向鉆具采用控制鉆柱彎曲特征，來實(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。靜態(tài)偏置推靠式導(dǎo)向鉆具采用了靜態(tài)式工作原理，主要靠鉆具的偏心控制來改變鉆頭上的側(cè)向力。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。相對(duì)而言，調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面更為簡單，小型化趨勢(shì)好，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，但工作壽命有待進(jìn)一步提高。三種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具系統(tǒng)的對(duì)比見表 21。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。/30m中低存在~ 調(diào)制式Power Drive SRD全旋轉(zhuǎn)176。/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。/30m中中消除~ Auto Track RCLS:位移工作方式、靜止外套、小型化能力差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等。Power Drive SRD:鉆頭和鉆頭軸承的磨損較嚴(yán)重，工作壽命有待進(jìn)一步提高。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。 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(diǎn)：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(dòng)大，不平滑。鉆頭和鉆頭軸承的磨損較嚴(yán)重。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。經(jīng)過反復(fù)的論證和分析，這兩種方案中，推靠式經(jīng)過了大量的實(shí)踐，其可靠性強(qiáng)，并得到了不斷的技術(shù)改進(jìn)和完善。而指向式控制較難，偏心機(jī)構(gòu)的彎軸及兩個(gè)偏心環(huán)的設(shè)計(jì)較難，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制較推靠式有一定的難度，并且導(dǎo)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(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)為自己的設(shè)計(jì)方向。 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具工作原理旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的最基本功能有2種：①導(dǎo)向功能；②穩(wěn)斜或不導(dǎo)向功能。導(dǎo)向功能是指當(dāng)需要向某一個(gè)井斜、方位導(dǎo)向時(shí)，可由穩(wěn)定平臺(tái)通過控制軸將上盤閥高壓孔的中心即工具面角調(diào)整到與所需導(dǎo)向的井斜、方位相反的位置上，這時(shí)鉆具沿所需的井斜及方位進(jìn)行鉆進(jìn)，并由各隨鉆測(cè)試儀器隨時(shí)監(jiān)測(cè)井眼軌跡。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。工具面角的方向上，不斷有類似巴掌的推板伸出并推靠井壁，綜合作用則表現(xiàn)為不導(dǎo)向，亦即穩(wěn)斜鉆進(jìn)。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)原理如圖25所示：圖25 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)工作原理根據(jù)對(duì)井下工程、地質(zhì)及幾何參數(shù)的監(jiān)測(cè)和要求，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具可以按已設(shè)定的程序或給定的指令調(diào)整井斜和方位。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。推板的動(dòng)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(duì)位置) 的調(diào)節(jié)和穩(wěn)定則由穩(wěn)定平臺(tái)控制；3 個(gè)推板的相位差為120176。，鉆柱在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，任意一個(gè)或兩個(gè)推板通過某一特定的方位時(shí)，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(duì)鉆頭產(chǎn)生一個(gè)側(cè)向力( 即利用井壁對(duì)推板的反作用力) 來推動(dòng)鉆頭改變?cè)较?，達(dá)到改變井斜或方位的目的, 從而實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具中穩(wěn)定平臺(tái)單元的作用是在鉆井工具中產(chǎn)生一個(gè)不受鉆桿旋轉(zhuǎn)影響、相對(duì)穩(wěn)定的平臺(tái)，從而能夠使鉆柱導(dǎo)向鉆井工具及推板的工具面角在旋轉(zhuǎn)時(shí)保持穩(wěn)定。穩(wěn)定平臺(tái)單元由上、下2個(gè)渦輪發(fā)電機(jī)、測(cè)控電子系統(tǒng)及電子倉組成。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。2個(gè)渦輪發(fā)電機(jī)之間設(shè)置密封電子倉, 電子倉中有控制電路和測(cè)量工具面角、井斜角的三軸重力加速度計(jì)、短程通訊、下傳信號(hào)接受器及其電路等。為了使穩(wěn)定平臺(tái)在旋轉(zhuǎn)的鉆柱內(nèi)維持穩(wěn)定, 必須使施加到控制軸上的力矩平衡。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。作為力矩發(fā)生器的下渦輪電機(jī)電樞在磁場(chǎng)中也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電磁力矩, 即驅(qū)動(dòng)動(dòng)力矩。渦輪發(fā)電機(jī)與扭矩發(fā)生器的扭矩聯(lián)合作用實(shí)現(xiàn)可控調(diào)節(jié)與平衡。按照其功能, 穩(wěn)定平臺(tái)控制機(jī)構(gòu)由渦輪發(fā)電機(jī)、控制電路、檢測(cè)電路、通訊電路和驅(qū)動(dòng)電路等6 大部分組成。2個(gè)井下渦輪發(fā)電機(jī)利用鉆井液的動(dòng)能為平臺(tái)中的電氣設(shè)備提供電源,同時(shí)作為平臺(tái)穩(wěn)定控制的執(zhí)行器控制與其相聯(lián)的液壓控制單元中的上盤閥。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。上盤閥由穩(wěn)定平臺(tái)控制軸帶動(dòng), 其上開有1個(gè)作為工作液泥漿通道的孔, 稱為高壓閥孔, 見圖26( a) 所示；下盤閥固定在偏置機(jī)構(gòu)單元本體內(nèi),上開有3個(gè)孔,分別與偏置執(zhí)行機(jī)構(gòu)的3 個(gè)柱塞相通, 見圖26( b) 所示。上盤閥孔為弧形長孔狀,能使高壓鉆井液作用在推板上的力具有一定的作用時(shí)間，以保證側(cè)向控制力的作用效果,鉆井液通過過濾網(wǎng)再流向上盤高壓閥孔。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。液壓控制單元的核心就是在穩(wěn)定平臺(tái)的作用下,控制上盤閥高壓孔的位置(工程上的工具面角)。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。第三章 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具機(jī)械部分設(shè)計(jì) 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向原理及組成導(dǎo)向機(jī)構(gòu)是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的核心部分，主要由三個(gè)伸縮巴掌和控制系統(tǒng)的控制盤閥組成。主要功能是根據(jù)軌跡控制要求，向鉆頭提供不同大小和方向的側(cè)向力。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。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(tái)單元調(diào)控工作液來控制分配單元上盤閥高壓孔的位置。上下盤閥泥漿控制分配單元將過濾后的泥漿依次分配到三個(gè)柱塞，給巴掌提供推靠動(dòng)力，并使該推靠力的合力方向始終保持在上盤閥高壓孔的位置，在近鉆頭出形成拍打井壁的側(cè)向力。通過對(duì)側(cè)向力的大小、方向和拍打頻率的調(diào)整，可直接控制該工具的導(dǎo)向狀態(tài)。當(dāng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)處于工作狀態(tài)時(shí)，控制軸中的流體進(jìn)入開關(guān)打開，鉆井液由篩孔通向上盤高壓孔眼。下盤隨鉆頭一起同步旋轉(zhuǎn)，當(dāng)其中的一個(gè)孔眼與上盤高壓孔眼位于同一軸線上時(shí)兩孔相接，與之相連的伸縮機(jī)構(gòu)被高壓鉆井液推動(dòng)，活塞外推，翼片與井壁接觸，并給井壁施加一作用力。該作用力的方向則由上盤高壓孔眼的位置確定。當(dāng)上盤高壓孔眼在控制機(jī)構(gòu)作用下處于井眼高邊方向時(shí)，該作用力方向就沿井眼高邊方向，井壁對(duì)它的反作用力就指向井眼低邊。此時(shí)，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)就處于全力降斜狀態(tài)。當(dāng)上盤高壓孔眼在控制機(jī)構(gòu)作用下處于井眼低邊方向時(shí)，該作用力方向就指向井眼低邊方向，井壁的反作用力就指向井眼高邊，此時(shí)，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)就處于全力增斜狀態(tài)。當(dāng)上盤高壓孔眼在控制機(jī)構(gòu)作用下處于90176。相位時(shí)，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)就處于90176。降方位狀態(tài)。當(dāng)上盤高壓孔眼在控制機(jī)構(gòu)作用下處于270176。相位時(shí)，則導(dǎo)向機(jī)構(gòu)就處于90176。增方位狀態(tài)。研究表明，對(duì)于RSDS系統(tǒng)來講，90176。扭方位狀態(tài)實(shí)際上也是全力扭方位狀態(tài)。在鉆頭每一轉(zhuǎn)過程中，下盤孔眼都與上盤高壓閥孔相通一次，與之相接的伸縮塊伸縮一次。相通時(shí)，伸縮塊伸出；不相通時(shí)，下盤閥孔就與上盤閥的低壓孔相通，伸縮機(jī)構(gòu)活塞腔內(nèi)的壓力卸壓，伸縮塊在復(fù)位彈簧的作用下回收。低壓室與井眼環(huán)空相通，保持低壓室內(nèi)的環(huán)空壓力。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)在控制閥的控制下實(shí)現(xiàn)定向功能，而伸縮翼片在隨鉆頭旋轉(zhuǎn)的過程中的有規(guī)律受控伸縮則產(chǎn)生一定的控制力。伸縮翼片對(duì)井壁的作用是在鉆頭每一轉(zhuǎn)的過程中獲得動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)，并不象靜止式導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的伸縮翼片相對(duì)井壁的周向位置保持不變，這正是調(diào)節(jié)式導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)所在。由其工作過程，我們可知導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的兩部分組成：a、工作液控制分配單元；b、偏執(zhí)機(jī)構(gòu)單元。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。圖 31 伸縮塊對(duì)井壁的側(cè)向?qū)蛄Ξa(chǎn)生原理圖 32 工作液控制分配單元偏執(zhí)機(jī)構(gòu)單元由柱塞、柱塞套、巴掌和擋塊組成，結(jié)構(gòu)如圖33. 圖 33 偏執(zhí)機(jī)構(gòu)單元其他部件如下:(1)外筒 是一個(gè)長約860mm，直徑為176mm的金屬筒，上下兩端由母扣連接如圖34所示；(2)柱塞 有三個(gè)，均布在外筒上，利用鉆具的內(nèi)外壓力差工作，如圖35所示；(3)柱塞套 柱塞在柱塞套內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 圖34 執(zhí)行機(jī)構(gòu)本體圖35 柱塞 由旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井的原理和工作過程可知，其核心部件為導(dǎo)向偏置機(jī)構(gòu)，而導(dǎo)向偏執(zhí)機(jī)構(gòu)主要由控制液分配單元和偏執(zhí)機(jī)構(gòu)單元組成。控制液分配單元的結(jié)構(gòu)和工作方式?jīng)Q定了偏執(zhí)機(jī)構(gòu)的工作方式和結(jié)構(gòu)。在控制液分配單元中下盤閥的高壓孔圓弧角θ是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵，因?yàn)樯媳P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。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(dòng)一個(gè)巴掌作用于井壁，關(guān)閉時(shí)就失去作用力。下盤閥和鉆柱一起轉(zhuǎn)動(dòng)，而上盤閥保持靜止，在這個(gè)過程中，對(duì)于伸縮的巴掌的力是不變的，在一段時(shí)間內(nèi)存在，在某一段時(shí)間內(nèi)消失，是一個(gè)有沖擊的作用力。但是在工作過程中每次可以有倆個(gè)巴掌同時(shí)伸出，它們的合力是一個(gè)連續(xù)的力的分量。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。在導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，為了保證導(dǎo)向機(jī)構(gòu)能滿足鉆井要求，必須保證工作液控制分配單元能分配足夠的泥漿流量和有效的控制能力，具體來說就是保證推巴掌有足夠的推靠力大小和作用時(shí)間，但是在鉆井過程中泥漿的壓力是由地而的泵壓所決定的。所以在設(shè)計(jì)過程中，工作液控制分配單元分配泥漿的時(shí)間，在不考慮穩(wěn)定平臺(tái)和外部轉(zhuǎn)速的情況下，導(dǎo)通時(shí)間主要由上盤閥的高壓孔圓弧角θ所決定。 上盤閥高壓孔圓弧角的確定參考段正勇老師的《旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具執(zhí)行機(jī)構(gòu)推靠力規(guī)律分析》所知，執(zhí)行機(jī)構(gòu)柱塞個(gè)數(shù)為N時(shí)，同時(shí)作用的柱塞最優(yōu)個(gè)數(shù)為大于“柱塞”總數(shù)的一半的最小整數(shù)(n≤ round(N/2)）。，執(zhí)行機(jī)構(gòu)柱塞個(gè)數(shù)可能的數(shù)目為26個(gè)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)柱塞個(gè)數(shù)為偶數(shù)時(shí)，導(dǎo)向力和擴(kuò)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(dòng)，應(yīng)避免設(shè)計(jì)偶數(shù)個(gè)柱塞個(gè)數(shù)，因此旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具執(zhí)行機(jī)構(gòu)的柱塞個(gè)數(shù)應(yīng)為3或5。執(zhí)行機(jī)構(gòu)柱塞個(gè)數(shù)為奇數(shù)時(shí)，同時(shí)滿足上盤閥高壓孔圓心角θ=180176。和n = round