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。     

旋转导向钻井工具系统的研究及应用

总结了国家863课题“旋转导向三维可控钻井技术研究”的研究工作进展及其在现场试验情况,根据旋转导向钻井技术方面的技术特点,开展了旋转导向偏心工具及导向机构、钻井液脉冲器,井下测量数据传输技术,随钻地质参数测量技术,井下钻井工程参数测量技术4个方面的关键技术研究,研制出了旋转导向钻井工具系统。通过室内模拟试验,验证了该工具系统设计原理的合理性。陆地和海上油田的钻井试验表明,在井斜约60°的大斜度稳斜井段,井斜控制和方位控制都满足控制要求;采用旋转导向钻具组合提高了钻压,最高钻压可达240 kN。为“十一五”期间旋转导向钻井工具系统的进一步完善和应用奠定了坚实的工程化基础。     

旋转导向钻井工具稳定平台控制功能试验研究

为了实现在全旋转状态下的钻井导向控制,在调制式旋转导向钻井工具内设置了一个可以自动调整和保持工具面角度的稳定平台。设计了基于角速度和角位置串级控制的惯导稳定平台功能的试验样机。通过以电动机为动力的齿轮驱动和全流量清水涡轮驱动的功能试验,对稳定平台的算法和控制参数进行了调试。在发电机转速为500～800r/min、下盘阀转速约为60r/min和摩擦扭矩为0.8～7.5N·m的工作条件下,系统阶跃响应调整时间约为3s,试验结果证明了系统设计和控制方案的可行性和有效性。     

旋转导向钻井工具稳定平台静力学有限元计算

稳定平台安装在旋转导向钻井工具的内部，对其外形尺寸有特殊要求，要求尽可能地细小，同时又要承载巨大的动态冲击载荷，所以旋转导向钻井工具稳定平台的刚度和稳定平台控制轴的强度直接关系到稳定平台能否正常工作及其寿命的长短。针对开发设计的稳定平台进行了静力学分析，分别建立了稳定平台刚度分析和控制轴强度分析的力学模型，利用有限元分析软件计算了稳定平台的刚度和控制轴的强度。从计算结果可以看出，稳定平台控制轴的最大应力不超过306MPa．发生在靠近下轴承处，强度安全系数大于2．7，满足强度要求。发电机涡轮处最大横向位移为0．528mm，刚度安全系数大于2．8，满足刚度要求。稳定平台最大挠度为3．321mm，偏大，可能会影响稳定平台的动态平衡性能，有必要进一步采取措施，改进设计。     

旋转导向钻井工具稳定平台单元机械系统的设计

稳定平台单元机械系统的设计是旋转导向钻井工具的关键和难点之一。其作用是保证在钻井时不受钻柱旋转的影响，配合旋转导向钻井系统的指令系统对导向工具的工具面角随钻实时调控，实现导向功能，并承担与MWD之间的测控信息无线传输。介绍了旋转导向钻井工具稳定平台的基本原理，展示了所设计的稳定平台单元机械结构图。指出了稳定平台单元机械系统设计的几个特点：进行了稳定平台整体支承方案选择分析，确定了稳定平台整体重量上挂在稳定平台上主支撑座的上挂式方案；进行了轴承选型的对比分析，确定了滚动轴承结构的设计方案，为了提高其使用寿命特设计了轴承保护器；进行了稳定平台主轴控制转动时驱动力矩与阻力矩的分析，给出了所需扭矩的供需平衡的解决办法；进行了影响稳定平台主轴整体刚度的因素分析，提出了提高稳定平台整体刚度的办法；进行了稳定平台旋转主轴的静平衡和动平衡分析；说明了选择防磁材料的原因和轴向累计加工、安装误差的调整方法等。这些措施的实施从机械设计方面保证了整个稳定平台功能的实现。     

导向钻井工具稳定平台试验数据无线通信系统

旋转导向钻井工具稳定平台研发过程中,有大量参数调试和数据回放,通常停机后再利用仿真工具进行数据存取,实时性和通用性受到限制。为此,设计了旋转导向钻井工具稳定平台试验数据无线通信系统。该系统既可保证数据的无障碍传输,又可避免相互之间的串扰。试验表明,该系统实现了调试设备与稳定平台之间的不间断、实时数据传输,提高了稳定平台的调试可视性和开发效率,也适用于旋转垂直钻井工具稳定平台的试验研究。     

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。     

旋转导向钻井工具试验台加载控制系统的研究

为了测试在实际钻井过程中钻井工具的工作性能,研制了旋转导向钻井工具性能测试试验台,并开发了一种加载控制系统,应用于试验台模拟加载装置。该试验台主要用来模拟钻井工具在实际钻井过程中所受的扭矩和轴向力。根据其数学模型分别建立了模拟加载装置的液压缸、磁粉制动器和比例溢流阀的传递函数;运用模糊推理方法使用模糊自适应PID控制器计算出输入和输出之间的关系,进行PID参数的最佳调整;然后应用Matlab软件中Simulink模块将所设计的控制方法与常规PID控制方法的仿真结果比较。分析结果显示:模糊自适应PID控制方法具有更快的响应时间、更强的抗干扰能力;设计的模糊自适应PID控制方法提高了指向式旋转导向钻井工具试验台控制的灵敏度,满足对试验台较高控制精度的要求。所得结论可为旋转导向钻井工具的性能研究提供参考。     

旋转导向钻井工具稳定平台振动模态计算

旋转导向钻井工具稳定平台的闭环控制是调制式旋转导向钻井系统的关键。巨大的动态冲击载荷引起的振动会严重影响稳定平台的正常工作和动力学性能。针对新开发设计的稳定平台,建立了振动模态分析的力学模型,利用有限元软件进行了稳定平台的振动模态分析,计算了其固有频率和振型。通过对计算结果的分析,认为应适当调整局部形状尺寸,尽量增大稳定平台刚度,为稳定平台的结构设计和动力学分析提供了理论依据。     

导向钻具几何造斜率的实用计算方法

根据三点定圆的数学原理，提出了导向钻具几何造斜率的精确计算公式，进而给出了简明的实用计算公式。文章的几何造斜率计算公式弥补了原三点定圆法没有考虑结构弯角位置对钻具造斜率影响的缺陷，揭示了三点定圆法误差过大的主要原因，分析了影响导向钻具几何造斜率的主要因素。还结合实例，阐述了利用几何造斜率进行弯壳体导向钻具组合设计的原理和方法。     

旋转导向钻井信号井下传送技术研究

对旋转导向钻井工艺中钻井液脉冲传输、电缆传输、声波传输、电磁波传输等常用指令传输方式进行了分析,选择钻井液负脉冲传输方式向地下传送地面指令,设计了地面钻井液负脉冲信号下传整体方案。综合考虑指令传输时间短、井下识别准确率高的原则,提出了改变泵排量的三降三升脉冲传输方式,优选出三降三升三进制负脉冲编码组合方式。通过检测发电机电流(频率)变化来实现井下信号接收。室内的实验测试证明,这一方式是可行的,并作为调制式旋转导向工具的一个子系统,开发了完整的指令控制系统软件。     

可控偏心器旋转导向钻井工具研制与现场试验

研制的可控偏心器旋转导向钻井工具主要由驱动轴,导向机构、定位总成、测控单元、轴承支撑系统等部分组成。该工具通过偏心执行机构——导向机构来实现井眼轨迹的控制。导向机构由3个互成120°角的翼肋及液缸组成,3个翼肋的伸出量在钻具的相应位置形成1个偏心位移矢量,使可控偏心器偏离井眼中心线,形成1个等效弯接头,通过调整3个翼肋的偏心位移矢量,可形成不同的工具面角和弯接头弯角。现场试验证明,该工具的工作原理可行,满足旋转导向钻井井眼轨迹的控制要求。     

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。     

基于3D参数化技术的旋转导向钻具虚拟设计

在简述旋转导向钻井工具结构原理和 4个设计难点之后 ,阐述了利用SolidWorks软件进行 3D参数化设计的原理。结合旋转导向钻井工具的结构特征 ,详细论述了对这种工具进行参数化设计的总体方案设计和设计过程 ,其中包括零件设计、装配体设计和工程图生成。设计实践表明 ,利用SolidWorks软件平台缩短了旋转导向钻井工具的开发周期 ,提高了设计质量 ,降低了设计成本。该导向工具的实际加工和装配过程 ,也表明这种虚拟设计的合理性。