旋轉導向鉆具機械系統(tǒng)研究綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u14925旋轉導向鉆具機械系統(tǒng)研究綜述 1150701.1旋轉導向鉆井工具的組成 1272811.2穩(wěn)定平臺部分 229961.3執(zhí)行機構 226281.4部分單元功能測試和現(xiàn)場測試 3206341.5機械系統(tǒng)設計過程中的關鍵問題 4旋轉自動導向閉環(huán)鉆井技術是鉆井向自動化、智能化方向發(fā)展的重要標志。在其他國家，貝克休斯、斯倫貝謝和哈里伯頓技術服務公司已經形成了各自的自動跟蹤、動力驅動和Geo-Pilot旋轉導向鉆井系統(tǒng)的商業(yè)應用[15~17]。在自動跟蹤系統(tǒng)中，旋轉導向鉆井工具由近鉆頭傾角傳感器、偏心穩(wěn)定器、執(zhí)行機構和井下控制器組成。井下控制器設置了井筒軌跡設計數(shù)據(jù)和一些控制指令。其基本原理是彎曲鉆柱在鉆頭上產生鉆頭側力，技術難點是能適應井下高溫高壓的液壓系統(tǒng)和對肋板的精確位置控制。在動力驅動系統(tǒng)中，依靠執(zhí)行機構對鉆頭產生的側向力，實現(xiàn)對井下工具位姿的控制和調整，實現(xiàn)對井眼軌跡的控制。采用井下小閉環(huán)和地面大閉環(huán)監(jiān)測方式，通過控制工具端面方向的旋轉和相對靜止，實現(xiàn)造角(調整方位角)和保角(穩(wěn)定方位角)。與Auto-Trak系統(tǒng)相比,不同之處在于,執(zhí)行機構采用完整的旋轉模式,它從泥漿鉆柱內的電力供應，和測量工具安裝在穩(wěn)定平臺的控制系統(tǒng),可以控制旋轉鉆柱的相對速度。其基本原理是直接產生鉆頭側力，精密控制和快速定位穩(wěn)定平臺是技術難點。Geo-Pilot系統(tǒng)的結構不同于自動跟蹤和動力驅動，但其基本原理與自動跟蹤系統(tǒng)相似[18]。該工具由安裝傾角傳感器和刀面方位傳感器的短節(jié)、防旋轉裝置穩(wěn)定器和柔性段組成。工作時，工具下方的主傳動軸可以偏轉一個角度，其功能相當于形成可調彎曲短節(jié)來調整井斜和方位。其外部也有一個不旋轉的外殼，其基本原理是使鉆柱彎曲以產生鉆頭側力。技術難點是可調彎曲接頭和側向鉆頭自調心軸承的強度和壽命。我國擁有自主知識產權的旋轉導向鉆井系統(tǒng)一直在研究中，并逐漸進入了實用階段[19~20]。本章節(jié)主要論述了旋轉導向鉆具的機械系統(tǒng)及其單元試驗。1.1旋轉導向鉆井工具的組成旋轉導向鉆井工具由動力、測量、控制和執(zhí)行四個模塊組成。該工具上部與MWD連接，下部與鉆頭連接。從機械系統(tǒng)角度看，刀具包括穩(wěn)定平臺段和執(zhí)行機構。該工具結構如圖1.1所示。圖1.1工具結構1-上支架；2-渦輪發(fā)電機；3-電子柜（電子控制系統(tǒng)的測量、控制和存儲）；4-轉矩發(fā)生器；5-支撐下；6—上閥瓣；7-盤下閥；8-通向背板泥漿的通道在石油鉆井過程中，該工具具有造角(調整方位角)和保角(穩(wěn)定方位角)兩種功能。1.2穩(wěn)定平臺部分從圖1.1可以看出，穩(wěn)定平臺部分的機械部分由上支架、汽輪發(fā)電機、電子柜(電子控制系統(tǒng)的測量、控制和存儲)、轉矩發(fā)生器和下支架組成。動力裝置由渦輪發(fā)電機和扭矩發(fā)電機組成，由鉆井液驅動。汽輪發(fā)電機為電子柜內的電子電氣設備提供所需的電力，也是向下傳輸信號的傳感裝置。利用下渦輪發(fā)電機作為轉矩發(fā)生器，產生平衡轉矩或驅動轉矩來控制穩(wěn)定平臺的軸向穩(wěn)定或旋轉，從而控制刀具的端面方向。測量模塊傳感器和相關電路安裝在穩(wěn)定平臺段的密封存儲區(qū)，可實時測量井眼軌跡參數(shù)(井斜和方位角)、控制參數(shù)(工具面方向、控制軸轉速、發(fā)電機電流或電壓)、該工具在鉆井過程中的工作狀態(tài)參數(shù)(溫度、壓力、振動、輸送能力)。測量參數(shù)存儲在電子柜內的存儲器中，部分參數(shù)需要傳輸?shù)降孛?。穩(wěn)定平臺可根據(jù)井下工程參數(shù)、地質參數(shù)和實時動態(tài)幾何參數(shù)，在不更換鉆柱和不旋轉鉆柱的情況下，根據(jù)小閉環(huán)或大閉環(huán)給出的控制指令調整井斜和方位角。當實現(xiàn)導向功能時，穩(wěn)定平臺通過控制軸將工具面定向調整到所需的井斜和方位角位置，鉆具沿著所需的井斜和方位角鉆進，實時監(jiān)測井眼軌跡。在無導向時，穩(wěn)定平臺驅動控制軸以不同于鉆柱速度的規(guī)律性旋轉，使工具處于360度連續(xù)推進井壁的均勻狀態(tài)。從一段時間的軌跡來看，累積效應是角度保持(穩(wěn)定的方向)。能力建設的角度可以通過調整的時間比例的兩個功能在一段時間內,大部分轉向的時候,角能力建設更好,當轉向的比例達到最多，最角大樓將獲得的能力。1.3執(zhí)行機構執(zhí)行機構的爆炸圖如圖1.2所示，由控制軸、泥漿過濾器、盤閥座、上下盤閥、導向機構本體等組成。模塊有兩種功能，一種工作活塞流道的“開關”功能，另一種驅動工作活塞運動，通過背板產生推力，這個推力是介紹中提到的鉆頭側力。圖1.2執(zhí)行機構分解圖1-泥漿過濾器；2-控制軸；3-上閥瓣加壓彈簧；4-上閥瓣；5-下閥瓣；6-閥瓣閥座；7-定向塊；8-備用墊；9-轉向機構身體；10-柱塞支架；11-柱塞；12-噴嘴執(zhí)行機構的技術難點有三個，即保證上下板閥之間的環(huán)密封，保證一對轉動副和三對滑動副的壽命，保證泥漿主流道和支流道之間流量的適當比例。此外，還需要考慮及時清理支撐板周圍的泥漿。1.4部分單元功能測試和現(xiàn)場測試在研究過程中進行了加工、設計、加工和一系列的現(xiàn)場試驗。執(zhí)行機構摩擦片閥和板推力試驗裝置如圖1.3所示。試驗的主要目的是測量不同壓力條件下上、下閥瓣間的板推力和摩擦力矩的變化規(guī)律，以此優(yōu)化閥瓣關鍵結構，分析驗證摩擦、力矩、慣性力等因素對系統(tǒng)可靠性的影響，水力沖蝕和振動頻率引起的高壓和振動是高壓液體流過時的機理，進一步證明了機械結構設計的科學性。圖1.3碟閥執(zhí)行機構摩擦和板推力試驗裝置1-執(zhí)行機制；2-上閥瓣驅動裝置；3-扭矩測試裝置；4-液體加壓泵；5-上閥瓣扭矩記錄儀；6-墊推力記錄儀旋轉導向鉆具室內綜合水力試驗如圖1.4所示。在完成旋轉導向鉆具的機電設計并獲得樣機后，對機電系統(tǒng)進行了綜合測試，以發(fā)現(xiàn)問題進行修正，為井下現(xiàn)場測試做準備。圖1.4旋轉導向鉆具室內綜合水力試驗1-鉆機驅動系統(tǒng)；2-旋轉導向鉆具；3-水力試驗；4-循環(huán)管路圖1.5旋轉導向鉆具在油田試驗中的應用1-下井前工具；2-測試后取出工具；3-試驗后拿出穩(wěn)定平臺；4-與鉆柱相連的工具經過多次功能試驗、室內綜合水力試驗、機械參數(shù)和控制參數(shù)的修改，對旋轉導向鉆具進行了現(xiàn)場試驗，如圖1.5所示。主要測試旋轉導向鉆具、隨鉆測量系統(tǒng)、上行通信系統(tǒng)和地面監(jiān)控系統(tǒng)的綜合性能，測試斜井的造角能力，同時檢驗測量、控制、存儲功能的整體性能，以及機械結構?，F(xiàn)場試驗表明，該工具實現(xiàn)了旋轉導向鉆井的主要功能。1.5機械系統(tǒng)設計過程中的關鍵問題經過十幾年的不斷改進和總結，從可行性研究、結構設計、加工、工具裝配、單元試驗、現(xiàn)場試驗等方面，機械系統(tǒng)設計中存在以下幾個關鍵問題：（1）穩(wěn)定平臺單元的主軸扭矩應盡量減小。在軸承的選擇、軸