【文章內(nèi)容簡介】 意圖。當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)計數(shù)據(jù)進行對比，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)計參數(shù)，控制液壓力，以實現(xiàn)導向鉆進。圖21 RCLS井下偏置導向工具的導向原理示意圖在鉆井時該系統(tǒng)可以設(shè)置兩種鉆進模式：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，直到恢復預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導向模式。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。須設(shè)里導向塊產(chǎn)生合力矢的大小和方向兩個參數(shù)。合力矢的方向相當于彎殼體馬達的工具面角。合力矢的大小是為了控制井眼軌跡的變化率。與導向馬達相比，該旋轉(zhuǎn)導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)導向鉆井系統(tǒng)Power Drive旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)的核心是旋轉(zhuǎn)導向工具，其導向原理與Baker Hughes公司的RCLS導向鉆井工具類似，都是利用近鉆頭導向塊的伸縮與井壁相互作用產(chǎn)生導向力，但是結(jié)構(gòu)有所不同。Power Drive旋轉(zhuǎn)導向系統(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(cè)向力，推動鉆頭離開該方向，達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)電機并作用在壓力套上的逆時針扭矩，可以通過增大其電負載來平衡產(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行比較可以推導出負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”。控制單元的功能包括：①偏置控制；②提供測量數(shù)據(jù):鉆頭軸線的實際井斜角和方位角?？刂茊卧倪\動由地面軟件進行控制。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。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，伺服機構(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。加速度計殼體內(nèi)充滿著粘性液體，以緩解伺服機構(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)計位置支出，從而為鉆頭提供一個側(cè)向力，產(chǎn)生導向作用。圖 22 Power Drive 盤閥控制機構(gòu)示意圖 GeoPilot旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(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，相當于形成一個可調(diào)彎角，可對井斜和方位進行糾正。1) GeoPilot系統(tǒng)井下偏置導向工具的結(jié)構(gòu)原理SperrySun公司的Geo Pilot旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)也是一種不旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)不是靠偏置鉆頭進行導向，而是靠不旋轉(zhuǎn)外筒與旋轉(zhuǎn)心軸之間的一套偏置機構(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。，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)導向)。其導向原理如圖24所示：圖24 GeoPilot 的導向原理 三種不同旋轉(zhuǎn)導向方式對比旋轉(zhuǎn)式導向鉆井工具，按導向方式不同主要分為3種類型，靜態(tài)偏置推靠式導向鉆具，調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導向鉆具，靜態(tài)偏置指向式導向鉆具。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)導向鉆井系統(tǒng)各有其特點。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(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)導向效果的關(guān)鍵。靜態(tài)偏置推靠式導向鉆具采用了靜態(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)點是可以利用成熟的控制技術(shù)來實現(xiàn)偏心距的控制，但是井下復雜條件使得這種系統(tǒng)具有許多缺點，如位移工作方式、靜止外套、小型化能力差、結(jié)構(gòu)復雜等，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)導向工具系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面更為簡單，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，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，但工作壽命有待進一步提高。三種旋轉(zhuǎn)導向工具系統(tǒng)的對比見表 21。表21 三種不同方式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)對比工作方式代表系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)導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)復雜等。Power Drive SRD:鉆頭和鉆頭軸承的磨損較嚴重，工作壽命有待進一步提高。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。 旋轉(zhuǎn)導向鉆井方案的選擇推靠式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)的特點：側(cè)向力大，造斜率高，但旋轉(zhuǎn)導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重。指向式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)的特點：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)過反復的論證和分析，這兩種方案中，推靠式經(jīng)過了大量的實踐，其可靠性強，并得到了不斷的技術(shù)改進和完善。而指向式控制較難，偏心機構(gòu)的彎軸及兩個偏心環(huán)的設(shè)計較難，執(zhí)行機構(gòu)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(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)為自己的設(shè)計方向。 旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具工作原理旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具的最基本功能有2種：①導向功能；②穩(wěn)斜或不導向功能。導向功能是指當需要向某一個井斜、方位導向時，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行鉆進，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)為不導向，亦即穩(wěn)斜鉆進。旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)原理如圖25所示：圖25 旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(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、電一體化智能導向工具，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，達到改變井斜或方位的目的, 從而實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)導向鉆井。旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具中穩(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、測控電子系統(tǒng)及電子倉組成。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。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。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)帶來的機械摩擦阻力矩和作為電能發(fā)生器的渦輪發(fā)電機本身的電磁力矩。作為力矩發(fā)生器的下渦輪電機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。按照其功能, 穩(wěn)定平臺控制機構(gòu)由渦輪發(fā)電機、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構(gòu)單元本體內(nèi),上開有3個孔,分別與偏置執(zhí)行機構(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)導向鉆井工具機械部分設(shè)計 導向機構(gòu)的導向原理及組成導向機構(gòu)是旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(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)導向鉆井工具的導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，該力在導向方向的分量稱為導向力，同時產(chǎn)生的與導向方向垂直