自动垂直钻井工具系统整体性能试验台架设计

为了验证自动垂直钻井工具系统的整体性能是否满足设计要求,研制了自动垂直钻井工具系统整体性能多功能试验台架。试验台架采用多级耐腐蚀离心泵为主的清水循环系统,通过变频来模拟实际钻井中钻井液流量的变化,确定工具对排量的适应范围;采用模拟转盘旋转装置有效模拟实际钻井中工具旋转的工况。地面试验结果表明:该台架设计合理,功能齐全,满足了自动垂直钻井工具系统的功能试验要求,缩短了工具研发周期。所得结论可为自动直钻井工具系统的现场应用提供参考。     

动态指向式旋转导向钻井工具测控系统设计与性能分析

为了开发高性能的旋转导向钻井工具系统,进行了动态指向式旋转导向钻井工具测控系统设计与性能分析。在自行设计的动态指向式旋转导向钻井工具原理样机的基础上,设计了测控系统,分析了其关键技术;通过模拟实际钻井工况,测试分析了测控方案的可行性,检验了测量信号处理与控制算法的有效性。测试结果表明,应用互补滤波算法,能够将工具面角动态测量波动降低84%;采用永磁同步电机电流环、电机转速环、稳定平台对地转速环和稳定平台位置环的四环控制系统,除满足导向钻井的性能指标外,在粘滑度为200%工况下,还可以将系统工具面角波动控制在±5°范围内。研究结果表明,互补滤波算法能够有效提高工具面角的动态测量精度,四环控制系统能够实现工具面角的快速稳定控制,测控性能指标能够满足钻井工程技术要求。      

旋转导向钻井工具智能PID控制

稳定平台是调制式全旋转导向钻井工具的关键,其驱动机构是一个强非线性、强扰动和参数变化大的时变系统,常规的PID控制难以获得满意的动态响应速度和稳定的静态性能。根据旋转导向钻井工具稳定平台的工作特点,结合智能控制,研究了一种基于间接专家系统的智能PID控制,详细分析了控制策略和参数调试准则,并进行了台架模拟试验测试。结果表明,智能PID控制可以较好地克服强扰动、强非线性和参数大范围变化等因素,获得稳定的控制性能。     

动态指向式旋转导向钻井工具稳定平台的控制

动态指向式旋转导向钻井工具是目前最先进的自动化钻井工具,而安装在工具内部的稳定平台控制的性能指标决定了动态指向式旋转导向钻井工具的导向能力和导向精度。基于动态指向式旋转导向钻井工具原理样机,分析了圆周角位置控制中存在的测量值周期性突变现象,提出了角位置预处理方法,解决了电机转向控制和测量值跳变的问题;结合理论建模与系统识别方法,获取了原理样机稳定平台的控制模型,搭建了稳定平台工具面角反馈-前馈仿真系统,针对井下黏滑工况进行了测试分析。分析结果表明:反馈-前馈仿真系统可以较好地抑制黏滑工况造成的工具面角波动,在黏滑度100%的情况下可将工具面角控制在±13°范围内,满足钻井过程中的技术要求。所得结论可以指导旋转导向钻井工具成功命中地质目标。     

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。     

可控偏心器旋转导向钻井工具偏心位移控制分析

介绍了所研制的可控偏心器旋转导向钻井工具的工作原理。可控偏心器旋转导向钻井工具主要是通过导向机构的合成偏心位移矢量来控制井眼轨迹,这与国内外目前研究的旋转导向钻井工具在导向控制原理方面有着本质的区别。分析了可控偏心器旋转导向钻井工具合成偏心位移的形成与分解原理,以及导向机构位置状态发生改变时偏心位移矢量的控制过程。     

旋转导向钻井工具信号下传系统研究

结合旋转导向钻井系统自身的特点,选择钻井液脉冲作为旋转导向钻井工具信号下传的方式,对信号下传系统钻井液压力脉冲的传播特性进行了深入研究;分析了各种钻井参数对钻井液压力脉冲幅值的影响,给出了钻井液压力脉冲的时间特性,并结合钻井液压力脉冲的传播特性和旋转导向钻井工具的自身特性设计了相适应的指令系统和编码方式.经现场试验验证,所研制的旋转导向钻井工具信号下传系统解码成功率高,能够满足旋转导向钻井的需要.     

调制式旋转导向钻井工具控制阀力学模型及仿真分析

设计调制式旋转导向钻井工具控制阀的关键问题之一是上盘阀高压孔的设计。通过对调制式旋转导向钻井工具液压盘阀机构的工作原理、力学模型的理论和仿真分析，给出了上盘阀高压孔圆心角的最优设计参数；讨论了充液、泄液滞后时间对巴掌支撑力的影响，提出了调制式旋转导向钻井工具控制阀机械设计和控制的理论依据。     

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。     

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     

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。     

基于粒子群算法的自动送钻控制器仿真优化

针对液压盘式刹车自动送钻系统控制过程中影响因素的多样性,控制参数存在时滞、时变、非线性等特点,根据液压盘式刹车自动送钻系统的工作原理,建立数学物理方程并确定目标函数,设计了粒子群算法优化模糊控制器,对 PID 参数进行了整定。为了研究电液伺服阀与液压缸对自动送钻系统液压环节的控制效果,设计了液压调节闭环控制系统,并利用 MATLAB/Simulink仿真软件进行了动态仿真优化。首先使用临界比例度法对PID参数进行了整定,在此基础上,使用模糊控制工具搭建模糊规则对传递函数进行仿真,最后在MATLAB界面,对传递函数进行基于粒子群算法迭代寻优,优化控制系统所需参数。优化结果表明,粒子群优化模糊自适应 PID 控制器与传统的 PID 控制器和模糊自适应 PID 控制器相比,系统的自适应能力显著增强,超调量明显降低,调整时间更短,可以满足自动送钻系统的设计要求,特别适合应用在一种新型的基于井底钻压的自动送钻系统中。     

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。     

旋转导向马达(RSM)控制精度浅析

旋转导向钻井技术是20 世纪90 年代发展起来的以旋转导向钻井工具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3大部分组成。在简述旋转导向钻井系统国内外发展概况后，重点对影响旋转导向钻井马达控制精度的传感器选择、各种算法及工具系统特性等主要因素进行了分析，重点从姿态控制传感器的选取、如何有效消除由系统惯性引起的误差以及采样率和工具分辨率的关系3方面进行了论述，并通过实验的方法对论题进行了解释说明，得出了几点关于如何提高旋转导向工具控制精度的认识，为导向工具的精度控制提供了理论依据。     

新型旋转导向井下闭环钻井工具

近年来大位移井和复要轨迹井眼的需求不断增加,对井下钻井工具的研制提出了新的要求,利用现有的动力导向技术,钻压旗加困难,难以发挥高效钻头的作用,“滑动”方式下大摩阻的存在使井底工具面的控制难度加在,井眼水平延伸受到限制,为减小摩阻,使钻柱具有更大的延伸能力,实现对井眼轨迹的精确控制,国内外纷纷致车于井下可控工具和旋转导向闭环钻井系统的研究,本文介绍了2类可实现井下全方位控制的偏置机构及目前国内外已有的几种旋转导向闭环钻井系统。     

径向水平钻进技术试验研究

介绍了径向水平钻进技术原理及技术关键。分析了地面全尺寸模拟水平钻进试验及锦４５－０４－１９井水平钻进试验情况。探讨了旋转射流的破岩能力、转向器的送进能力、钻头轨迹及柔性钻杆的抗变形能力对径向水平钻进的影响。在锦４５－０４－１９井的试验成功表明，该项技术具有可行性和经济性，应用前景广阔，对开采我国东部油区剩余油、提高采收率和经济效益有十分重要的现实意义。     

高造斜率旋转地质导向技术在哈得逊油田的应用

塔里木油田哈得逊薄油藏埋藏深、构造变化大,水平井钻井井眼轨迹控制困难,传统的旋转导向工具侧钻初期造斜率普遍不足,需使用弯螺杆马达增斜至30°左右后再更换工具,增加了钻井风险与周期。2013年,该区块应用高造斜率旋转导向工具(Power Driver Archer RSS)及新一代地质导向技术(Scope系列),从侧钻点开始旋转导向钻进,在着陆及水平段加装地质导向工具,相比2012年,水平段平均井深增加214 m,钻井周期缩短36.7 d。在介绍高造斜率旋转导向以及随钻测井技术的基础上,结合现场应用实例分析,认为在哈得逊油藏,全井段旋转导向有利于降低井眼摩阻,节约钻进周期;地层探边及储层评价技术的应用提高了水平井的储层钻遇率,有利于该油藏的规模开采。     

一种旋转导向工具设计方案及其旋转导向功能的实现

导向工具是导向钻井系统的核心,是实现井下闭环钻井的关键因素之一。旋转导向工具能克服滑动导向工具存在的诸多缺陷,是大幅度提高钻井工作能力的有效工具,必将成为未来导向钻井的主流。文中提出了一种旋转导向工具设计方案,并对其实现旋转导向的机理进行了深入研究。作者认为,这种导向工具设计方案不但能够实现旋转导向力方向和大小的有效控制,而且结构简单,可靠性好。     

钻柱粘滑振动仿真和控制策略研究

在深井和超深井钻探过程中存在钻柱粘滑振动,不仅造成机械钻速降低,驱动能量浪费,而且会加速钻具的老化和失效,严重威胁钻井安全。以钻柱旋转系统为研究对象,建立转盘、BHA(Bottom-Hole Assembly)和钻头的二自由度钻柱系统扭转模型。该模型考虑了扭转刚度、粘滞阻尼和岩石钻头相互作用等高度非线性摩擦。通过MATLAB/Simulink仿真模块对该模型进行仿真试验,分析了实际钻井过程中钻柱产生的粘滑振动特性。为抑制钻柱的粘滑振动,设计1套基于PID控制策略的双闭环控制系统。该研究结论对工程实践中钻柱粘滑振动的抑制具有重要意义。     

导向钻井工具中电能传输用旋转式变压器设计

在导向钻井过程中,为保证导向钻井工具中旋转的主轴与不旋转套之间电能传输稳定,根据导向钻井工具的机械结构和空间要求设计了旋转式可分离变压器。通过理论分析,选择铁合金材料作为磁芯材料;根据ANSYS仿真,确定变压器初级和次级绕组之间的间隙为1 mm,旋转变压器的最佳工作频率为38 kHz;通过分析,选择初级串联次级并联型补偿电路,并根据变压器的互感模型计算了补偿电路的电容。不同输入功率下旋转变压器传输效率的的室内测试结果表明,最佳输入功率约为150 W,此时变压器的动静态传输效率都不低于82%,而当输入功率大于200 W小于300 W时,传输效率不足80%。这表明,所设计的旋转变压器可以应用到旋转导向钻井系统中,但该变压器在输入功率高时传输效率较低,达不到80%的工程要求,还需进行改进。