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。     

新型全旋转动态指向式旋转导向钻井系统设计

在研究现有旋转导向系统构成和关键组成单元结构及工作原理的基础上,分析了国内外旋转导向钻井系统的结构特点,并结合现场旋转导向系统的使用原则提出了新型全旋转动态指向式旋转导向钻井系统。该系统主要由地面监控系统、地面与井下双向传输通信系统、钻井液发电系统、井下控制系统、井下测量系统和导向机构组成。系统将井下闭环和地面闭环相结合,实现旋转钻进过程中连续井斜和方位的调整,节省了频繁起下钻时间;系统的可控弯接头的偏心机构由内、外2个偏心环组成,并利用内、外偏心和矢量进行轨迹控制。可控弯接头偏心机构通过控制外偏心环伺服电机来驱动,可实现导向轴的摆动,保证可控弯接头实现导向钻进。     

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目前的钻井基本上处于地面开环控制状态，它的频繁起下钻使钻井效率降低、成本提高，甚至难以实现设计的井眼轨迹。随着钻井的位移和井深不断增加，能够解决上述问题的井眼轨迹闭环控制已成为钻井行业的前沿课题。可控偏心器是结合了微电子、信息、液压、控制等技术开发的一种智能导向工具。通过它构成的井眼轨迹闭环控制系统能够实现井眼轨迹的自动控制，从而提高井眼轨迹控制精度，降低钻井成本。为此，文章根据可控偏心器的导向机理，提出了带可控偏心器的井眼轨迹闭环控制系统及控制策略；探讨了可控偏心器冀片缸压合矢量的闭环控制方法，通过仿其实验验证了其可行性，对可控偏心器的现场应用具有重要的指导意义。     

智能旋转导向工具核心控制器的仿真研究

提出井眼轨迹智能导向工具——可控偏心器核心控制器的仿真研究方案,设计了可控偏心器翼片缸压合矢量控制的仿真硬件电路及相应软件。实验结果表明,在正常与扰动情况下,可控偏心器的井下控制系统能够自动将翼片缸压合矢量调整到给定值。     

全旋转内置式可控弯接头运动特性

为准确了解钻井过程中导向钻井工具可控弯接头的井下运动规律,根据空间机构理论,建立了全旋转内置式可控弯接头的运动模型,采用Matlab进行模拟仿真,分析了不同工具角、不同工具面角以及不同工作状态下系统的运动规律,并通过Solidworks三维仿真验证模型的正确性。通过仿真得出了关键部件内偏心环、外偏心环、钻头的角速度和位移等运动学基本参数,揭示了可控弯接头的运动特征,研究了转速、偏心距与钻头运动轨迹的关系,求得了系统中各参数随时间变化的规律。研究结果表明,随着两个伺服电机转动角速度的变化,工具角调节速度和调节加速度呈余弦规律连续变化。研究结果为全旋转内置式可控弯接头的井眼轨迹控制提供了理论依据。     

旋转导向钻井偏心位移的测定方法

翼肋定位控制系统是可控偏心器的核心执行机构,决定了位移偏心矢量的大小和方向。利用系统辨识的方法可以进行无位移传感器时的位移测定,对系统的工作特性进行了仿真分析,得到了翼肋液压定位控制器的系统模型。对辨识所得的数学模型在可控偏心器系统中进行了实验验证,对辨识模型在可控偏心器中的应用能力进行了评估。利用该方法可以实现可控偏心器井下无位移传感器的位移控制。     

井眼轨迹控制工具主轴接触疲劳分析

旋转导向钻井工作过程中,井眼轨迹控制工具的主轴旋转同时发生弯曲,极易在偏心机构与主轴接触面产生很大的接触应力,导致主轴的接触处疲劳失效。鉴于此,根据试验工况建立了井眼轨迹控制工具主轴的力学模型,分析了偏心器内环宽度、倒角、主轴外径和偏心环偏移距离对接触应力的影响,并采用线性疲劳累积损伤理论计算主轴的疲劳寿命。通过计算与分析发现,当主轴在偏心器的作用下发生弯曲变形时,会在主轴与偏心器内环接触位置单侧产生应力集中,特别是偏距超过2 mm时,主轴的疲劳寿命最长为70 h,偏心器内环宽度和倒角对该应力集中影响不大,但是降低主轴刚度能有效降低应力集中。所得结论可以为指向式旋转导向钻井工具的优化设计与材料优选提供指导。     

可控弯接头钻井工具的偏心机构控制仿真实验

可控弯接头钻井工具的偏心机构控制方法决定着可控弯接头钻井工具的成败。对已提出的一种基于该可控弯接头钻井工具的控制方法进行了验证。通过Labview软件和SolidWorks软件联合仿真实验,并运用牛顿插值法,验证了在外套旋转和不旋转2种情况下,调整导向轴偏置角β公式的正确性,调整导向轴方位角θ公式的正确性以及调整导向轴偏置角β公式和调整导向轴方位角θ公式联合使用的正确性,并得到了各种情况下导向轴的运动轨迹,可为以后的研究提供参考。     

连续管钻井肋式定向器执行机构偏置位移优化

为了提高连续管肋式定向器井眼轨迹控制效果及定向效率，结合最小能量原则，建立了肋式定向器执行机构偏置位移矢量模型。根据旋转偏置位移理论对定向器的执行机构进行偏置位移矢量合成与分解、分位移矢量求解、工作过程与工具面数学关系分析，提出了分位移矢量计算方法。并结合实际工程中的设计要求，采用就近原则和最小能量原则进行三翼肋分位移矢量计算。综合考虑井眼扩大、实际钻进时定向器外套的转动等影响，建立了连续管定向器纠偏过程中“定向模式”及“保持模式”的肋位移控制方案，得到了肋位移变化的规律。研究结果表明：连续管钻井肋式定向器工作过程中，单肋位移的幅值决定了合位移的大小；在导向过程中，当三翼肋工具面角相隔120°时，某些运动规律相同；连续管钻井进入斜直井段时，此时不存在工具面，此时属于“钻进模式”,各肋位移相同。所得结论可为连续管钻井肋式定向器导向控制提供理论基础。     

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     

旋转导向井下工具控制系统设计及室内试验

旋转导向钻井系统在长水平段水平井、大位移井、分支井等复杂结构井的钻井过程中,可以消除粘滑卡钻,携岩效果好,具有显著提高机械钻速、减少井下故障、降低钻井成本的优势。中国石化胜利油田钻井工艺研究院与美国AGP公司合作开发了旋转导向井下工具系统,该系统由井下专用螺杆和地面转盘双动力驱动,通过控制导向翼肋的定向支出来控制井眼轨迹。其导向和非导向状态及每个导向翼肋的支出均采用独立电磁阀控制,既保证了系统的可靠性,又保证了控制精度,并且简化了控制方法。井下专用螺杆驱动内部心轴不仅给钻头提供动力,还给液压系统提供动力。室内测试证明,该系统控制方法简单可靠,可实现性强,为以后的实际应用推广提供了依据。介绍了旋转导向井下工具系统的整体设计方案,对其控制系统及各部分的结构、工作原理进行了详细研究。      

静态推靠式旋转导向工具造斜率预测分析

旋转导向钻井技术是目前钻井工程技术领域研究的热点之一。为准确认识静态推靠式旋转导向工具在给定导向力等钻进参数作用下的造斜能力,根据工具导向特点,对翼肋推靠井壁进行受力分析,考虑翼肋随非旋转套转动时所受的切向阻力作用,修正了翼肋导向合力计算模型;在钻进趋势预测模型的基础上,进一步建立了推靠式旋转导向工具造斜率预测方法。通过采用纵横弯曲梁法求解静态推靠式旋转导向底部钻具组合钻头力学特性,并考虑钻头切削各向异性指数,编程实现了静态推靠式旋转导向工具造斜率的定量预测计算。与现场试验数据对比发现:建立的造斜率预测误差在±0.5°以内,方位变化率预测值较不考虑翼肋与井壁间摩擦时更加符合实际方位变化率,预测结果与实钻井眼轨迹数据的对比验证了造斜率预测方法的合理可行性,为下一步进行井眼轨迹调控指令的准确制定提供了依据。     

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针对大位移井眼轨迹控制技术难点,文章分析了西江24－3油田4口大位移井的井眼轨迹控制技术,探讨了大位移井井眼轨迹控制技术的机理,并对大位移井井眼轨迹的控制方案进行了优化。结果表明,西江24－3油田大位移井的井眼轨迹控制技术实际上是可调和不可调滑动导向钻具组合连续导向和旋转导向工具连续导向钻井技术的综合。旋转导向工具进行连续导向钻井具有随时可控性,轨迹控制质量高,但使用成本很高。在充分掌握滑动导向钻具组合导向力变化规律的基础上,在一定范围内,这种钻具组合仍然具有很好的应用效果。技术和经济方面的因素决定了小位移时采用滑动导向钻具组合连续导向钻井技术,而在较大位移时采用旋转导向工具的控制方法是最优的轨迹控制方案。     

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。     

国产化互联互通旋转导向系统首次应用实践

Welleader旋转导向工具是我国自主研发的旋转导向工具,可与国产随钻测斜、测井工具Drilog配合使用,构建为D+W旋转导向随钻测井系统。传统的D+W系统在数据传输速度方面存在不足,导致该系统在深井、复杂井等重点井型钻井作业中应用受限。D+W互联互通系统依靠互联互通短节实现了Welleader工具与多型国际先进定向井工具的通讯连接,借助第二代BCPM工具,可实现数据快速传输,具有更加广阔的应用前景。结合该系统在渤海油田的首次钻井作业实例,从工具结构特点、现场数据调试、井眼轨迹控制、作业参数优化等方面详细分析新型工具使用特点。以期为后续该系统大规模投入实际应用提供作业参考。     

动态指向式旋转导向钻井工具设计探讨

旋转导向钻井技术在钻大位移井、分支井时具有独特的优越性。井下旋转导向工具是旋转导向钻井系统的核心部件。分析了国内外的旋转导向钻井系统的现有工作方式及优缺点,提出了动态指向式旋转导向钻井工具的设计新思想,介绍了其工作原理及结构,并详述了该工具的设计重点、难点及解决措施。     

现代导向钻井技术的新进展及发展方向

总结了导向钻井技术的进展历程,并指出现代导向钻井先进技术正在高速发展,近年又有许多新进展.中国应迎接挑战,加大投入,加速发展.指出了滑动导向钻井和所谓“复合钻进”存在许多弊端.旋转导向钻井时的摩阻与扭阻小、钻速高、钻头进尺多、钻井时效高、钻井周期短、井身轨迹平滑、极限井深可达15km,每米进尺成本低,是现代导向钻井的发展方向.现代导向钻井的关键技术是旋转导向钻井、几何导向和地质导向钻井.文章强调了地质导向的功能.着重阐述了旋转导向钻井的原理与控制理论,旋转导向钻井系统的5大组成部分,旋转导向钻井工具的工作原理、结构类型及其进展现状和发展方向,并对加速发展我国的现代导向钻井技术提出了若干建议.     

推靠式旋转导向钻具力学性能研究

旋转导向钻井系统在大位移井中得到广泛的应用,该项技术国内正处于研究阶段。结合国家863项目"旋转导向钻井系统整体方案设计及关键技术研究",对设计出的偏置式旋转导向钻具组合进行了力学性能的理论研究,介绍了理论模型的建立和力学性能研究的部分结果,给出了推靠式旋转导向钻具的受力状态分析、井眼曲率预测、导向稳定器运行参数、井眼曲率和方向与导向稳定器偏心距和偏心方向的关系。可以为旋转导向稳定器的设计提供理论依据。     

滑动导向钻具复合钻进技术在沙19-10井的应用分析

在当今导向钻井技术最新发展中,旋转导向钻井技术占据了主导地位。但对于定向井、水平井和大位移井的水平位移较小的井段而言,滑动导向钻具组合连续导向钻井技术具有独特的优点。现场实践表明,这种导向技术可以较大幅度地提高钻井效益,缩短建井周期。结合江苏油田沙 19- 10井使用滑动导向钻具组合的情况,探讨了这种连续导向技术中的复合钻井技术,研究了井斜角、稳定器间距、钻压等参数对复合钻井导向力的影响规律。结果表明:这种连续导向技术具有十分显著的优点,通过较好地设计钻具组合的结构,得到令人满意的井眼轨迹控制效果,而且经济效益十分明显。