指向式旋转导向钻井系统角位置测量方法

指向式旋转导向工具在国内的研究起步晚,许多技术环节还处于攻关阶段。该系统钻头轴(或偏心轴)与钻铤的相对角位置测量是工具在导向过程中保持工具面相对大地稳定的关键和前提,其精确度和实时性至关重要。在研究指向式旋转导向系统工具结构和工具面测量原理的基础上,对利用旋转变压器的2种角位置测量方法——反正切法和鉴相法进行适用性对比分析,对2种算法进行了仿真,并优选鉴相法开展实验室平台验证。仿真及实验结果证明,在电动机模拟井下转动并受干扰的情况下,鉴相法比反正切法处理后的信号具有更强的稳定性,能够较好地实时跟踪并高精度还原工具偏心轴相对于外部钻铤的转动角度,为钻头轴工具面角的测量、导向控制以及整个工具的研制提供了基础。     

指向式旋转导向系统内外环转速对PDC钻头破岩效率的影响

为了提高指向式旋转导向钻井工具的破岩效率,在钻头运动学研究的基础上,利用Matlab软件建立了数字化PDC钻头模型和数字化岩石模型,结合岩石模型的离散化处理,模拟了旋转导向钻进条件下,PDC钻头与岩石的相互作用过程,并给出了破岩效率的定量计算方法;分析了指向式旋转导向系统内外偏心环转速对PDC钻头破岩效率的影响,得到了不同时间步长下的破岩规律。研究结果表明,抗剪强度为11 MPa、内摩擦角为22°、摩擦系数为0.2的岩石,其最佳破岩转速比在1.0左右,且指向式旋转导向系统在钻进过程中均存在稳态切削,其破岩效率与内外偏心环的转速比密切相关,随着内外偏心环转速比增大,破岩效率也相应增大,但最终趋于稳定。研究结果对提高指向式旋转导向系统的钻井效率具有一定的理论指导作用。      

本期导读

<正>国内对指向式、混合式旋转导向钻井系统的自主研制还处于理论研究和关键技术攻关阶段。指向式旋转导向系统工作的基础是对钻头轴工具面角的测量和控制。张程光等对利用旋转变压器的2种角位置测量方法反正切法和鉴相法进行了适用性对比分析,对2种算法进行了仿真,并优选鉴相法开展了实验室平台验证。结果证明,鉴相法比反正切法处理后的信号具有更强的稳定性,能够较好地实时跟踪并高精度还原工具偏心轴相对于外部     

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。     

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。     

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。     

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。      

井眼轨迹控制工具导向运动控制研究

基于井眼轨迹控制工具的结构特点,建立导向机构的数学模型,分析了导向过程中偏置机构合位移的形成及其分解方法。考虑了工具外套变形对主轴偏置运动的影响,以及不旋转外套发生微小转动的情况,推导出调整主轴到目标点的控制方程。根据内外偏心环初始位置及目标点坐标选择最优路径,从而使调整时间最短。利用井眼轨迹控制工具试验装置的试验数据得出仿真曲线,验证了推导方程的正确性。     

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。     

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。     

反扭矩定向系统研制及试验

现有旋转滑动钻井工具无法同时实现隔离上部钻具旋转和钻头破岩产生的反扭矩,且工具面角不可控。基于此,设计了分时动态隔离上部钻具旋转和承载下部钻具扭矩的反扭矩定向钻井系统;研制了反扭矩定向系统样机;利用该样机开展了实钻测试,实钻总进尺57 m,工具面角控制精度小于±5°、造斜率达23.0°/100 m,平均机械钻速约为6.5 m/h(泥岩)。研究表明：研制的反扭矩定向系统可同时隔离上部钻具旋转和下部钻具扭矩;能精确控制工具面角,实现了下部钻具自动精确导向钻井的功能,验证了反扭矩定向系统结构设计理论的正确性。相关成果有望解决滑动钻进钻柱“托压”和井眼轨迹控制难题,提高弯螺杆滑动导向钻井时效。     

带旋转导向工具的底部钻具组合横向振动特性研究

为了提高旋转导向工具的井眼轨迹控制效果及作业安全性,研究了带静态推靠式旋转导向工具底部钻具组合（RSBHA）的横向振动特征。静态推靠式旋转导向工具通过控制3个导向翼肋的驱动压力实现井眼轨迹控制,可以将其等效为偏心距和偏心方位角已知的偏心稳定器;建立RSBHA的三维小挠度静力学模型,基于加权余量法确定RSBHA在钻压作用和井壁约束下的空间构形,获得上切点的位置;以上切点到钻头的距离作为横向振动的有效长度建立有限元模型,利用振型叠加法求解RSBHA的横向振动响应,分析工作参数和结构参数对其横向振动的影响。算例结果发现:转速约为138 r/min时, RSBHA的动态位移在距钻头8.20,18.10,24.60和31.60 m处较大;钻压对RSBHA最大弯曲应力的影响较小;偏心距和偏心方位角对RSBHA横向振动特性的影响较大,对于某些特定的偏心距和偏心方位角,RSBHA最大弯曲应力会明显增加。研究结果表明,结构参数和工作参数对RSBHA的横向振动影响较大,应对其进行优化设计,以确保旋转导向工具的应用效果和钻井作业安全。      

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。     

动态指向式旋转导向钻井工具的测控系统研究

作为动态指向式旋转导向钻井工具的核心部件,稳定平台的稳态与动态性能决定了导向钻井工具的造斜率和最小造斜角度等技术指标,稳定平台的测控系统至关重要。鉴于此,设计了稳定平台测控系统,分别采用三闭环和四闭环2种控制方案实现了工具面角控制,对比分析了2种控制方案的抗扰动性能。分析结果表明:与三环控制方案相比,四环控制的快速性略有降低,但是抗扰动性能明显提升,四环控制方案可以较好地抑制黏滑工况造成的工具面角波动,在黏滑度200%的情况下仍然能够将工具面角控制在±15°范围内。该测控系统可以实现稳定平台对钻铤转速的快速跟踪与工具面角的准确控制,为实用的旋转导向钻井工具系统开发奠定了基础。     

指向式旋转导向工具造斜能力影响因素研究

国内对于指向式旋转导向工具造斜能力的研究较少,如果不了解指向式旋转导向工具造斜性能的影响因素,施工中就不能充分发挥其轨迹控制能力。根据底部钻具组合纵横弯曲法,分别建立了工具外筒及心轴纵横弯曲连续梁模型,并根据导向原理,建立了井斜趋势角分析模型,在此基础上分析了BHA结构参数、钻压、钻头 各向异性和岩石可钻性对工具造斜能力的影响规律。分析结果表明,心轴第一跨和第二跨长度、偏置机构位置及偏置力大小对指向式旋转导向工具的造斜能力影响较大：指向式旋转导向工具的造斜能力不易受地层环境的影响,相对于推靠式工具更加稳定,适用范围更广。     

内推指向式旋转导向工具及其导向力分析

旋转导向工具提供的导向力及工具结构决定了工具的实际造斜能力,是工具性能的重要评价指标之一。文章通过对内推指向式旋转导向工具导向执行机构力学建模,给出内推指向式旋转导向工具导向力的计算表达式,分析了工具结构参数、摩擦系数及钻井液压差对工具导向力的影响。研究表明,随摩擦系数增大,工具导向力小幅上升但工具稳定性显著降低,应通过封装和润滑设计减小工具摩擦系数;随工具导向执行机构调整楔块倾角增大,工具导向稳定性提高但导向力减小,在工具设计中应注意平衡二者关系;工具运动件质量和运动参数对工具 导向力几乎没有影响,主要通过增大钻具内外钻井液压差和伺服液缸活塞有效面积来提高工具导向力。     

旋转导向钻井PDC钻头破岩数值模拟研究

常规P DC钻头配合旋转导向工具使用时,易出现造斜率不足和稳定性差等问题,严重影响旋转导向钻井系统正常工作.为了揭示旋转导向工具配套P DC钻头关键结构参数对造斜率的影响规律,基于Ls-dyna数值模拟软件,建立了?215.9 mm PDC钻头配合推靠式旋转导向工具全尺寸破岩模型,明确了钻进过程中造斜率与钻头侧向受力的...     

导向钻井稳定控制平台的反馈线性化控制

旋转导向钻井的稳定控制平台单纯采用PID控制时,控制性能与工具面角度的给定值有关。在某些角度下,平台会产生振荡旋转现象,无法实现工具面角度的稳定,使导向工具失去导向控制功能。分析表明,导致这种现象的主要原因是系统存在非线性偏心作用力矩,该力矩与工具面角度成正弦函数关系。基于反馈线性化原理,提出了平台系统的输出反馈线性化控制方法,消除了非线性因素的影响,实现了线性的闭环系统。仿真表明该方法可实现平台系统在钻井过程强扰动作用条件下的任意角度位置稳定控制。针对非线性偏心作用力矩不可直接测量问题,提出了一种基于系统运动姿态测量的偏心作用力矩在线估计方法,可有效减小估计误差所导致的控制性能劣化,并给出了一个在线估计的应用实例。水力驱动条件下的控制测试验证了基于偏心作用力矩在线估计的反馈线性化控制方法的有效性。     

连续管钻井电液定向装置工具面调整方法

针对连续管钻井过程中工具面难以及时摆正的问题,研究了连续管钻井电液定向装置工具面调整方法。在设计连续管钻井电液定向装置结构的基础上,应用空间圆弧轨迹矢量描述方法,按照工具面调整方式及该电液定向装置的结构特点,提出了适合该装置调整工具面的方法,并建立了滑动螺母运动位移与工具面调整角度的函数模型。研究发现,控制滑动螺母在一个行程（0~110 mm）内往复轴向移动,可带动定向装置中的螺旋芯轴双向旋转工具面;工具面角在0°~360°范围内变化时,滑动螺母运动位移与工具面角调整量呈“折线”关系,且在每条“折线”的两斜直线段上,滑动螺母运动位移随工具面角调整量均呈线性增加关系。研究结果表明,该新型连续管钻井电液定向装置的工具面调整方法切实可行,有助于提高连续管钻井效率,有利于推动国内连续管钻井技术的研究与应用。      

静态推靠式旋转导向控制模型与造斜率预测方法

推靠式旋转导向工具的防斜、稳斜能力强,能基本满足复杂地层安全高效钻进的需要,但目前的造斜率预测方法没有考虑推靠块控制方式及钻进过程的影响,存在造斜率预测精度低的问题。为此,考虑导向工具的结构特性,建立了静态推靠式旋转导向控制模型,给出了可靠的导向力控制方案,利用下部钻具组合力学模型及钻头–地层相互作用模型,得到了基于零侧向钻速条件下的造斜率预测模型,并引入折算系数对造斜率预测结果进行了修正。实例计算及敏感性分析结果表明,该方法预测精度高,能够满足井眼轨迹精确控制的需要;导向合力、钻压、钻头与稳定器的距离对推靠式旋转导向工具的造斜能力影响显著,现场施工时为了充分发挥导向合力的作用,要适当减小钻头与稳定器的距离、降低钻压,以提高旋转导向工具的造斜能力。研究结果为旋转导向钻具组合优选、钻井参数优化等提供了理论依据。