【文章內(nèi)容簡介】 意圖。當(dāng)周向均布的三個支撐翼肋分別以不同液壓力支撐于井壁時，將使不旋轉(zhuǎn)外套不隨鉆柱旋轉(zhuǎn)，同時，井壁的反作用力將對井下偏置導(dǎo)向工具產(chǎn)生一個偏置合力。通過控制三個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，可將MWD測量的井眼軌跡信息或LWD測量的地層信息與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，自動控制液壓力，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。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。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)換向閥及測量機(jī)構(gòu)。它們都置于鉆柱中間，可以保持相對靜止。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。單級軸向流體轉(zhuǎn)子也安裝在其上以獲得同心逆時針旋轉(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針扭矩以及產(chǎn)生于偏置單元中的盤閥的順時針扭矩進(jìn)行控制。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(jìn)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。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?；②提供測量數(shù)據(jù):鉆頭軸線的實(shí)際井斜角和方位角?？刂茊卧倪\(yùn)動由地面軟件進(jìn)行控制。Power Drive產(chǎn)品可以選擇具有：通過編程實(shí)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。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。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)對高頻震動的響應(yīng)，使其對震動和沖擊具有較大的抵抗力。它的直徑為1英寸，具有開發(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)定平臺和翼肋支出及控制機(jī)構(gòu)組成?？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(zhuǎn)速使該部分形成一個不隨鉆柱旋轉(zhuǎn)的、相對穩(wěn)定的控制平臺。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力來源不同的是，Power Drive SRD系統(tǒng)的支撐冀肋的支出動力來源是鉆并過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)定平臺控制上盤閥的轉(zhuǎn)角。下盤閥固定于井下偏置工具內(nèi)部，隨鉆柱一起轉(zhuǎn)動，其上的液壓孔分別與翼肋支撐液壓腔相通。在井下工作時，由控制部分穩(wěn)定平臺控制上盤閥的相對穩(wěn)定性:隨鉆柱一起旋轉(zhuǎn)的下盤閥上的液壓孔將依次與上盤閥上的高壓孔接通，使鉆柱內(nèi)部的高壓鉆井液通過該臨時接通的液壓通道進(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)，每個支撐其肋都將在設(shè)計(jì)位置支出，從而為鉆頭提供一個側(cè)向力，產(chǎn)生導(dǎo)向作用。圖 22 Power Drive 盤閥控制機(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公司開發(fā)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，又稱RST (Rotary Steerable Tool)。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(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，所有這些都會影響這種系統(tǒng)的發(fā)展。相對而言，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，小型化趨勢好，全旋轉(zhuǎn)工作方式使鉆柱對井壁沒有靜止點(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爭力，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)的對比見表 21。表21 三種不同方式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)對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)需要向某一個井斜、方位導(dǎo)向時，可由穩(wěn)定平臺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，這時鉆具沿所需的井斜及方位進(jìn)行鉆進(jìn)，并由各隨鉆測試儀器隨時監(jiān)測井眼軌跡。穩(wěn)斜功能( 不導(dǎo)向) 是使穩(wěn)定平臺帶動上盤閥，使其和鉆柱以不同的某一轉(zhuǎn)速作勻速轉(zhuǎn)動( 如20 40 r/ min)，這時在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)對井下工程、地質(zhì)及幾何參數(shù)的監(jiān)測和要求，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)定平臺是它的核心部件。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。，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(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具中穩(wěn)定平臺單元的作用是在鉆井工具中產(chǎn)生一個不受鉆桿旋轉(zhuǎn)影響、相對穩(wěn)定的平臺，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)時保持穩(wěn)定。穩(wěn)定平臺單元由上、下2個渦輪發(fā)電機(jī)、測控電子系統(tǒng)及電子倉組成。上渦輪發(fā)電機(jī)是系統(tǒng)動力發(fā)生器，提供井下電源，其旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r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針。2個渦輪發(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、下傳信號接受器及其電路等。為了使穩(wěn)定平臺在旋轉(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。工作中平臺受到的主要力矩包括驅(qū)動上盤閥旋轉(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)電樞在磁場中也會產(chǎn)生一個電磁力矩, 即驅(qū)動動力矩。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)定平臺控制機(jī)構(gòu)由渦輪發(fā)電機(jī)、控制電路、檢測電路、通訊電路和驅(qū)動電路等6 大部分組成。2個井下渦輪發(fā)電機(jī)利用鉆井液的動能為平臺中的電氣設(shè)備提供電源,同時作為平臺穩(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)定平臺控制軸帶動, 其上開有1個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個孔,分別與偏置執(zhí)行機(jī)構(gòu)的3 個柱塞相通, 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 個或者2 個孔相通時,高壓泥漿將推動偏置執(zhí)行單元的相應(yīng)柱塞,并由柱塞推動推板，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，同時產(chǎn)生的與導(dǎo)向方向垂直