导向钻井工具冗余姿态测量与系统重构方法

为实现调制式导向钻井工具井眼轨迹的精确可靠控制,导向钻井工具井下姿态的实时测量至关重要。针对恶劣工况下测量系统可靠性差的问题,提出了一种非正交四轴重力加速度计的姿态测量方法,给出了对应的姿态参数求解和信号有效性判定公式。针对小井斜状态下姿态参数测不准问题,提出了四轴重力加速度计初始倾斜安装的非正交测量方法,显著提高了测量精度。针对井下恶劣工况中加速度计易损易失效问题,提出了双冗余非正交四轴重力加速度计测量方法,给出了双冗余重力加速度计关联信号的相互转换公式,讨论了依据信号特征判定重力加速度计故障的方法及故障诊断流程,并据此建立了系统重构方案。水力驱动测试实验表明,工具姿态测量准确,控制平台角度位置稳定。     

自动垂直钻井工具分类及发展现状

从石油钻井和地质钻探两方面阐述了自动垂直钻井技术的原理及优点,按照不同结构及工作原理对自动垂直钻井工具做出分类,并简要分析了各类工具的优缺点。随后在上述分类基础上系统归纳了国内外现有垂直钻井工具及其技术特点,剖析了国内外自动垂直钻井工具之间的技术差距。最后总结出自动垂直钻井工具存在的问题,指出工具今后的发展趋势为小型化、可取心、高精度和长寿命,并对其未来的研究思路与方法提出建议:对执行机构零部件结构和布局进行优化,在减小工具外径的同时增大工具内部空间,使工具在小口径井眼垂直钻进的同时还能进行取心作业;对电控式垂直钻井工具的测控传感器及其密封系统进行优化改进,使工具整体耐温耐压性能得到提高;对机械式垂直钻井工具的偏重平台在井下复杂环境下的响应规律进行研究,并探索相应的误差抑制补偿方法,以提高工具的井斜控制精度。     

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。     

小井斜重力工具面动态测量方法研究

介绍了用重力加速度传感器测量重力工具面的原理,提出了一种提高精度和稳定性的小井斜重力工具面动态测量方法,搭建了基于石英加速度计的重力工具面动态测量系统,并针对现有自动垂直钻井系统在随钻状态下受到振动和冲击信号干扰测量精度下降和测量结果不稳定的问题,提出在常规硬件滤波的基础上,提高采样频率来反映信号原貌,加以多种数字信号处理方式以提高重力工具面动态测量精度。通过振动台的随机振动试验和井下实钻数据振动试验结果显示,测量精度和实时性均有提高。通过试验验证了该重力工具面测量方法和信号处理方式行之有效,可以为井下控制提供准确真实的实时执行导向依据。     

分流式自动垂直气体钻井工具设计

Power V自动垂直钻井系统等主动防斜打直技术已在钻井液钻井中得到了广泛应用,但气体钻井过程中也容易发生井斜,由于气体钻井过程中钻柱内外压差较低,无法开启现有垂直钻井工具的推靠机构,目前还没有成熟的气体钻井主动防斜打直技术。随着气体钻井技术在国内深井超深井提速中的广泛应用,急需研发适用于气体钻井的自动垂直钻井系统。根据钻井液钻井的自动垂直钻井系统基本原理,利用气体动力学特点,设计了一种分流式自动垂直钻井工具。该钻井工具基于气体动力学原理和流固耦合分析方法,利用分流气体方法,将分流喷射的反作用力用于调节钻头侧向力,实现了自动感应井斜及纠斜,达到了垂直钻井的目的。理论分析证明,利用该钻井工具可以实现气体自动垂直钻井。      

垂直钻井工具测斜仪精确校正理论与实验

针对自动垂直钻井工具因测斜仪（其核心部件为二轴或三轴重力加速度计）的安装误差而导致小井斜测量精度不高的问题,通过建立测斜仪的实际安装坐标系与其理想坐标系之间的映射关系,推导出利用测斜仪的实际输出信号计算真实井斜角的函数关系,从而在理论上实现了对测斜仪的精确校正。对基于二轴重力加速度计的测斜仪提出了只需要获取测斜仪的两个测量轴与其理想坐标系对应轴的夹角参数,即可对测斜仪进行精确校正的工程方法,并借助自行研发的某型号自动垂直钻具原理样机,对相应夹角参数提取及测斜仪的精确校正进行了实验分析。实验结果表明,利用该方法对测斜仪进行校正可保证测斜仪的测量精度不受测斜仪安装误差的影响。     

自动垂直钻井工具地面试验分析及现场验证

纠斜、稳斜功能的实现是全旋转推靠式自动垂直钻井工具样机研制的关键问题。研制开发了全旋转推靠式自动垂直钻井工具样机。地面试验完成后进行了现场试验,以验证地面试验的准确性。详细介绍了全旋转推靠式自动垂直钻井工具的试验原理、试验方法、试验步骤、地面试验效果分析、现场试验等。试验结果表明:全旋转推靠式自动垂直钻井工具实现了井斜角1°范围内的纠斜、稳斜功能,达到了设计要求。     

自动垂直钻井工具的设计及自动控制方法

设计了一种井下闭环自动垂直钻井工具。该自动垂直钻井工具包含井下微处理器、井斜角测量传感器及井下可控稳定器等。可控稳定器周围均布有四个可独立伸缩的导向块,它们受到内部液压系统的驱动,当井斜角偏离垂直方向时,井下微处理器会自动调整可控稳定器的工作状态,使可控稳定器上位于井眼高边的导向块伸出,顶向井眼高边,使钻头上产生一个降斜力,最后使井眼回到垂直轨道。本文详细介绍了这种自动垂直钻井工具的工作原理及结构组成;对工具内部的液压控制原理及控制回路进行了研究和设计;讨论并设计了对工具进行井下闭环自动控制的原理及具体方法;最后利用纵横弯曲法对包含有该工具的井下钻具组合的降斜能力进行了数值模拟分析,说明该自动垂直钻井工具将能够在地层造斜力很大的高陡构造中高效快速地完成垂直钻井的工作。     

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。      

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。     

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。     

自动垂直钻井系统BHA力学分析的二维模型

为了指导自动垂直钻井工具的研究开发和现场应用,并且为自动垂直钻井系统底部钻具组合的优化设计提供理论依据,在充分调研自动垂直钻井系统的结构特征、工作原理的基础上,结合自动垂直钻井工具的BHA的一维力学模型,用纵横弯曲法建立了加装自动垂直钻井工具的BHA的二维力学模型,得到了自动垂直钻井系统的BHA的二维力学方程。确定了钻头和上切点处的边界条件,推导出了钻头侧向力和钻头转角的计算公式,应用建立的力学模型能准确地计算出稳定器支点的内弯矩和梁柱各点处的挠度。同时,也可计算出一定工作条件下的钻头侧向力和钻头转角,通过研究钻头侧向力和钻头转角随钻进参数的变化规律可以分析钻进参数对自动垂直钻井工具造斜能力的影响规律,为自动垂直钻井工具的现场使用提供理论依据。     

全旋转推靠式自动垂直钻井工具的研制

为了打破国外公司在自动垂直钻井工具方面的技术封锁,实现在高陡地层的防斜打快,研制了全旋转推靠式自动垂直钻井工具。该工具在旋转的情况下,通过测量模块完成井身轨迹的井斜角和方位角等信息测量。井下微处理器将其与预置的井眼轨迹参数进行比较,当井斜角超过规定范围,通过井下小闭环自动控制系统限定工具内部控制轴的方向,从而使执行矩形推力板旋转到高边时张开并推靠上井壁,实现工具的纠斜功能。在执行机构矩形推力板交替推出时,则实现了工具的稳斜功能。试验验证工具性能达到设计要求,工具在井斜角小于等于1°的情况下实现了纠斜和稳斜功能。     

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。     

自动垂直钻井系统BHA力学分析的一维模型

为了指导自动垂直钻井工具的研发和现场应用,并且为自动垂直钻井系统底部钻具组合的优化设计提供理论依据,在充分调研自动垂直钻井系统的结构特征、工作原理的基础上,用纵横弯曲法建立了加装自动垂直钻井工具的BHA的一维力学分析模型,建立了自动垂直钻井系统的BHA的普遍力学方程。确定了钻头和上切点处的边界条件,推导出钻头侧向力和钻头转角的计算公式。应用所建立的力学模型能准确地计算出稳定器支点的内弯矩和梁柱各点处的挠度,同时也可以计算出一定工作条件下的钻头侧向力和钻头转角,通过分析钻头侧向力和钻头转角随钻进参数的变化规律可以分析钻进参数对自动垂直钻井工具造斜能力的影响规律,为指导自动垂直钻井工具的现场使用提供理论依据。     

自动垂直钻井工具纠斜控制实验研究

为了探讨井下纠斜控制的客观规律，基于自动垂直钻井工具原理样机，开展了井斜自动控制的实验研究。通过分析基于重力加速度计的井斜测量?理，并结合样机纠斜机构的工作原理，提出了对各纠斜机构的工作区域进行合理划分的实施方法，并根据该方法以及借助虚拟仪器技术实现了在原理样机上的井斜实时控制系统的开发。借助该套系统，目前已可实现不小于0.15°的井斜控制精度。     

垂直钻井中钻具姿态动态测量算法研究与应用

在捷联式自动垂直钻井系统(AVDS)中加速度计、磁场强度计等传感器随钻铤同步转动,因此确定动态钻具的姿态是实现实时防斜、主动纠斜的前提和基础.提出了一种基于转动状态分类和小角度倾斜的钻具姿态的动态测量方法.将钻具的转动状态分为3类:静止、连续转动及粘滑转动状态.当钻具处于静止时,采用了传统的测量算法.连续转动模式的钻具...     

自动垂直钻井工具用涡轮发电机性能模拟试验

自动垂直钻井工具是集机、电、液一体化的自主纠斜和稳斜的钻井系统。为了保证涡轮发电机工作的可靠性,在介绍自动垂直钻井工具系统组成的基础上,提出了涡轮发电机的技术要求,并设计了涡轮发电机性能试验系统,对涡轮发电机进行了性能试验、清水循环试验及泵排量适应范围试验。试验结果表明,涡轮发电机的性能满足设计要求,能作为自动垂直钻井工具的供电电源和扭矩发生器,为工具控制单元的电气元件供电,并实现对工具稳定平台的控制。建议涡轮发电机的动密封选用更耐磨的密封件,使涡轮发电机的整体性能满足设计及使用要求。所得结论对自动垂直钻井工具的研制具有参考作用。     

我国首套自主开发的垂直钻井工具试验成功

<正>2014年4月22日,由国家油气钻井装备工程技术研究中心与西安石油大学共同研制的、我国首套具有自主知识产权的自动垂直钻井工具完成全部厂内试验,取得阶段性成功。试验包括室内台架试验及综合打水2部分。自2013年6月试验台架和样机产出后,就着手进行各种电机匹配调试、试验台架组装、试验数据采集、试验结果分析和参数调整等。在试验过程中,研究团队主要攻克了3个难关:一是测量信号与地面通讯及测量信号的稳定性;二是测量结果的存储及3个组成结构之间的配合问题;三是在钻井工况模拟试验过程中,