旋转导向钻井工具控制轴刚度分析

基于旋转导向钻井工具中稳定平台控制轴的结构特点，建立了控制轴的力学模型和有限元模型，利用有限元软件对控制轴的横向和纵向刚度进行了分析．结果表明：在理论上该控制轴振动加速度应小于12．32才能保证控制轴的正常工作，否则，必须进一步提高整个控制轴的抗弯刚度；最大位移点发生在下涡轮上端。通过分析，得出了旋转导向钻井工具的使用约束条件，并且为旋转导向钻井工具的结构改进提供了理论依据。     

第二代旋转导向工具

《勘探和石油》(E&P)2004年4月号报道，Suhlumberger公司最近成功研制并应用了商品名称为“动力驱动超级工具”     

旋转导向钻井工具导向力优化设计

以旋转导向钻井工具的导向工况为背景，从旋转导向钻井工具执行机构侧向力的规律分析入手，推导了侧向力和工具导向力的解析式，总结出了执行机构侧向力及其覆盖面角的变化规律、工具导向力及其覆盖面角的变化规律、工具导向力在导向方向及其垂直方向上两个分量的变化规律。从保持导向力平稳等目标出发，以上盘阀高压孔圆心角为基本变量，给出了最优的导向力及其产生的务件，为工具结构参数的设计提供了依据。     

旋转导向钻井工具液压分配系统的设计

工作液控制分配单元的设计是旋转导向钻井工具导向功能的实现关键和难点之一,该单元的工作特性主要取决于上盘阀高压孔圆心角、上下盘阀摩擦副的结构尺寸和摩擦副的密封性。上盘阀高压孔圆心角的大小,决定工具推靠力的作用形式,直接影响工具的导向能力、使用寿命和密封性,理论分析表明,当3个“巴掌”作用合力的覆盖面角αo=60°时,该圆心角的最优值为θ=180°。由于工具中的扭矩发生器所能提供的驱动力矩有一定限制,为了实现对控制轴的稳定控制,应该尽量减小控制轴上阻力矩之一的上下盘阀摩擦副之间的摩擦阻力矩,该摩擦阻力矩主要受上下盘阀摩擦副结构的影响,给出了上下盘阀的结构及主要尺寸,并定量分析了该摩擦阻力矩。     

旋转导向钻井工具3D参数化虚拟样机设计

简述了旋转导向工具的结构组成和工作原理.利用SolidWorks软件平台对某型旋转导向工具进行3D参数化设计.采用SolidWorks自带的有限元插件COSMOSWorks建立了该工具的三维有限元网格模型,对芯轴进行了有限元分析,分析结果证明芯轴的结构设计合理,强度满足工况要求.虚拟样机设计和有限元计算结果为进一步改进和优化旋转导向钻井工具提供了理论依据.     

旋转导向偏心稳定器芯轴挠曲特性研究

根据旋转导向偏心稳定器芯轴的实际工作情况以及芯轴在纵横弯曲转动条件下的受力运动特征,基于能量法基本原理,推导出了芯轴受轴向力和横向均布载荷条件下转动时的挠曲方程。算例分析表明,利用所推导的方程对偏心稳定器芯轴挠曲变形进行分析,可为芯轴的设计和合理使用提供指导。     

偏置工具后置式旋转导向系统导向性能分析

对新提出的偏置工具后置式旋转导向系统的导向机理、导向性能及其影响因素等做了理论分析 ,由此得出 5点结论 :(1)偏置工具后置导向的造斜能力随钻压的增加而减小 ,通过控制钻压可在一定程度上控制工具的造斜率 ;(2 )偏置工具后置导向的底部钻具组合中 ,应使偏置工具与近钻头稳定器间的距离保持在 6m以上 ,按常规钻具选配 ,其间可接 1根 (约 9m)钻铤 ;(3)不论增斜还是降斜 ,偏置工具后置的导向能力远优于前置方式 ;(4)近钻头处的钻压、弯矩、冲击、振动等是整个底部钻具组合中最强的 ,将偏置工具安放于工作环境相对较好的后置位置 ,可改善偏置工具的工作条件 ,减少其非正常损坏的几率 ;(5 )偏置工具后置在非导向状态下 ,其柔性钻铤以下的底部钻具组合相当于一套稳斜或微增斜钻具组合 ,符合导向钻具组合的施工需要。     

旋转导向钻井工具的研制原理

介绍了旋转导向钻井工具的工作原理及结构,指出了研制该工具的主要技术特点。旋转导向钻井工具主要由稳定平台单元、工作液控制分配单元和偏置执行机构单元3部分组成,其测试元件将测得的井眼参数通过短程通讯传输到随钻测量仪,再由随钻测量仪将信息传输到地面。同时,旋转导向钻井工具接收由地面发出的指令,并通过稳定平台单元调控工作液来控制分配单元中的上盘阀高压孔的位置。工作液控制分配单元将过滤后的泥浆依次分配到3个柱塞,给推板提供推靠动力,并使该推靠力的合力方向始终保持在上盘阀高压孔所对应的位置,在近钻头处形成拍打井壁的侧向力。通过对侧向力的大小、方向和拍打频率的调整,可直接控制该工具的导向状态。     

旋转导向钻井工具导向执行机构设计

旋转导向钻井工具可以根据井下工程、地质、几何参数的监测及实际需要，按已设定的程序或交互式给定的指令进行井身轨迹（包括井斜、方位）的控制和调整，有两种基本控制执行模式，一是导向执行模式，二是稳斜或不导向执行模式。导向执行机构是该工具功能实现的最终执行机构。文章介绍了导向执行机构的工作原理，给出了其三维CAD结构图，指出了设计时应注意的问题、设计难点和采取的主要措施。指出导向执行机构的设计需考虑的主要因素有：导向执行机构所产生的推靠力应均匀，避免对井壁产生过大的冲击力；保证导向执行机构本体中通往钻头的钻井液主通道的流畅，尽量降低压力损失；保证通往３个推力柱塞的钻井液流量与主流道流量的合适比例；提高推靠井壁的巴掌的耐摩性。初步计算了巴掌的推靠力。室内功能实验证明所设计的导向执行机构结构设计方案基本正确。     

一种旋转导向钻井工具的翼肋驱动机构

<正>专利申请号:CN200910086612.6公开号:CN101629473旋转导向钻井工具的翼肋驱动机构的特征在于:①设置一旋转导向钻井工具,所述旋转导向钻井工具包括3个翼肋驱动机构,翼肋驱动机构包括液缸、翼肋和小车滚轮;液缸的活塞连接小车滚轮     

调制式旋转导向钻井系统工作原理研究

旋转导向钻井技术是 2 0世纪 90年代发展起来的以旋转导向钻井系统为核心的钻井新技术 ,其中旋转导向钻井系统主要由井下旋转导向钻井工具系统、双向通讯系统和地面监控系统三大部分组成。在简述旋转导向钻井系统国内外发展概况和结构特点后 ,着重论述了调制式旋转导向钻井系统的总体方案设计 ;井下调制式旋转导向工具系统的结构设计和导向力的控制 ;井下随动稳定平台控制系统的结构设计和控制原理。对稳定平台的计算结果表明 ,稳定平台的摆动幅度在± 14°时 ,系统的控制力仅下降 1% ,这使随动控制简化并易于实现     

推靠式和指向式旋转导向工具的造斜性能研究

旋转导向工具是目前最先进的定向工具,对旋转导向工具造斜性能的研究有助于旋转导向的研制和应用。通过分析钻头在侧向力和转角作用下的导向机理,结合钻头的性质和旋转导向的原理,对两种工具的导向性能进行了分析。分析结果表明:推靠式旋转导向系统需要侧向攻击性能强的钻头与之匹配,可以准确快速地调节井眼轨迹,在软地层和小钻压条件下可以达到较高的造斜率;指向式旋转导向系统适合于长保径钻头以引导钻压指向钻头转角方向,其造斜效果受其他因素影响较小,造斜率稳定,井眼轨迹可预测性好。实际旋转导向工具的使用证实了上述分析结果。     

旋转导向钻井工具发电机电磁转矩控制及其优化

全旋转导向钻井工具的导向功能是通过调节其下涡轮发电机输出电磁转矩实现的。根据PWM斩波型控制电路模型,推导出旋转导向钻井工具涡轮发电机电磁转矩的数学表达式,通过数值计算确定了电磁转矩与控制量之间的关系,并进行了台架试验验证。从电机磁场储能角度讨论了发电机输出脉动转矩产生的内在原因及其计算方法,并在斩波型控制电路中引入有源功率因数校正技术,设计了一种可提高功率因数和电路稳定性的优化控制电路。试验测试结果表明,斩波优化控制电路消除了谐波脉动转矩,在增强电路稳定性的同时也增加了电磁转矩的调节范围。     

旋转导向钻井工具涡轮电机电磁转矩前馈控制

钻井液流量的大范围变动容易导致旋转导向钻井工具空间角度位置控制的适应性差,具体表现为系统在某钻井液流量条件下整定的控制参数,在其他流量条件下常常是不稳定的,出现角度的振荡摆动、控制失稳。通过对涡轮电机电磁转矩与钻井液流量和控制信号动态关系的分析,建立了涡轮电机的动力学模型,模型表明电磁转矩的大小与流量和控制作用的乘积有一定比例关系,电磁转矩随钻井液流量呈动态变化,从而导致了控制的失稳。基于此提出了一种乘积型电磁转矩电压前馈补偿方法,经过前馈补偿后的电机电磁转矩的大小只与控制作用相关,而与钻井液流量无关,从而将一个非线性时变环节变换成了一个线性时不变环节;通过仿真分析与台架试验均验证了该方法的有效性,为实现平台系统在钻井液流量宽范围变化条件下的稳定控制提供了一种简便有效方法。     

旋转导向带挠性接头变刚度钻具组合的弹性稳定性分析

应用能量守恒原理,建立了旋转导向带挠性接头变刚度钻具组合的挠曲变形方程,根据旋转导向钻井作业实际状况,综合考虑钻压、转速、扭矩、钻具几何尺寸、钻具重量、井斜角和变刚度系数等因素对钻具组合弹性稳定性的影响,推导出了临界钻压计算公式。研究结果对于现场应用和理论分析均具有重要意义。     

修井机多桥间转向传动机构的设计

对于大型修井机采用的重型底盘,多桥转向系统是底盘开发中的关键技术之一。在分析目前修井机采用的转向传动结构(方案1)存在问题的基础上,参照军用车底盘的应用案例又提出了2种方案,经对比分析,确定了最佳的传动机构新方案,并根据多桥转向理论和四连杆机构的几何关系对该机构进行了参数确定。通过实际应用,证明该转向传动布置方案具有传动误差小、不产生附加转向、现场调节安装方便、易于组织生产等特点。     

一种静止推靠式旋转导向钻井系统的设计方案

旋转导向钻井系统是在钻柱旋转钻进时,随钻实时完成导向功能的一种先进的钻井系统。介绍了西部钻探工程公司自主设计的静止推靠式旋转导向钻井系统的设计方案,采用模块化的设计理念将整个系统分为地面监控系统、双向通讯和动力模块、MWD模块和导向短节4大模块,各模块采用独立封装结构,用标准化接头连接,方便检测、维修和后续作业。重点介绍了导向短节的结构和旋转导向钻井系统的工作原理。     

基于状态空间法的旋转导向钻井工具控制系统研究

调制式旋转导向钻井系统的工作特点是:在导向工具与钻柱同步旋转的情况下,配置机构中3个导向块在给定方位的伸缩动作可以产生导向钻井所需要的矢量力.因此,在调制式旋转导向工具中,就必须设置一个不受钻柱影响的、可以自动保持和调整工具面角度的稳定平台.对稳定平台控制系统进行了研究,建立了对象数学模型,提出了应用状态反馈法的稳定平台控制方案,以确保导向钻井过程中对各状态变量的控制要求.对闭环控制系统进行了相应的计算机仿真和功能试验,仿真和试验结果表明了该控制方案的可行性和有效性.     

非连续性旋转导向钻具组合的广义纵横弯曲法

旋转导向系统底部钻具组合的三维力学分析是导向工具设计和井眼轨道控制的基础。结合有限元单元划分思想和纵横弯曲法梁理论,提出了广义纵横弯曲法。将钻柱分解为若干单元,以节点处的弯矩、转角、挠度和到钻头的曲线长度作为广义坐标,以井眼轴线作为参考构型,采用梁理论建立单元受力变形方程,同时补充节点边界条件和特殊连接边界条件,组装单元方程和边界方程得到系统方程组,选取牛顿迭代法进行数值求解。与经典算例进行了比对,计算结果相吻合;以某型非连续性旋转导向钻具组合为例研究了井斜角、造斜率和钻头侧向力的关系,分析了造斜能力并给出了最大造斜率,论证和演示了广义纵横弯曲法的正确性和实用性。     

美国自动旋转导向钻井工具结构原理及特点

叙述了目前以井下马达为主的定向钻井工具的缺点与不足,介绍了新型自动旋转导向钻井工具的特点,特别是美国BakerHughes,CAMCO,HALLIBURTON三家公司的自动旋转导向钻具的结构原理及特点。从发展水平看,BakerHughes公司的自动旋转导向钻井工具完全解决了旋转钻井的导向问题,自动化程度高,配有随钻测井短节,可以实现地质导向,并已在多口井中实施了商业化使用。