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。     

旋转导向钻井工具导向力优化设计

以旋转导向钻井工具的导向工况为背景，从旋转导向钻井工具执行机构侧向力的规律分析入手，推导了侧向力和工具导向力的解析式，总结出了执行机构侧向力及其覆盖面角的变化规律、工具导向力及其覆盖面角的变化规律、工具导向力在导向方向及其垂直方向上两个分量的变化规律。从保持导向力平稳等目标出发，以上盘阀高压孔圆心角为基本变量，给出了最优的导向力及其产生的务件，为工具结构参数的设计提供了依据。     

旋转导向钻井工具控制轴刚度分析

基于旋转导向钻井工具中稳定平台控制轴的结构特点，建立了控制轴的力学模型和有限元模型，利用有限元软件对控制轴的横向和纵向刚度进行了分析．结果表明：在理论上该控制轴振动加速度应小于12．32才能保证控制轴的正常工作，否则，必须进一步提高整个控制轴的抗弯刚度；最大位移点发生在下涡轮上端。通过分析，得出了旋转导向钻井工具的使用约束条件，并且为旋转导向钻井工具的结构改进提供了理论依据。     

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。     

旋转导向钻井工具导向执行机构设计

旋转导向钻井工具可以根据井下工程、地质、几何参数的监测及实际需要，按已设定的程序或交互式给定的指令进行井身轨迹（包括井斜、方位）的控制和调整，有两种基本控制执行模式，一是导向执行模式，二是稳斜或不导向执行模式。导向执行机构是该工具功能实现的最终执行机构。文章介绍了导向执行机构的工作原理，给出了其三维CAD结构图，指出了设计时应注意的问题、设计难点和采取的主要措施。指出导向执行机构的设计需考虑的主要因素有：导向执行机构所产生的推靠力应均匀，避免对井壁产生过大的冲击力；保证导向执行机构本体中通往钻头的钻井液主通道的流畅，尽量降低压力损失；保证通往３个推力柱塞的钻井液流量与主流道流量的合适比例；提高推靠井壁的巴掌的耐摩性。初步计算了巴掌的推靠力。室内功能实验证明所设计的导向执行机构结构设计方案基本正确。     

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.     

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。     

旋转导向钻井工具外壳的优化设计

在导向钻井中,导向钻井工具处于核心地位。旋转导向钻井工具的核心是在旋转状态下能按控制指令使伸缩块改变作用在钻头上的合力或钻具偏心度,从而进行导向。它在钻井作业中始终保持旋转状态,克服了滑动导向作业中出现的摩阻过大、井眼清洗不完善两大问题。     

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。     

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     

井下随钻测量涡轮发电机的设计与工作特性分析

依据经典的二维涡轮设计理论,研究了井下随钻测量涡轮发电机涡轮设计过程中应遵循的原则及约束条件。根据发电机电枢的双反应原理,采用相量法建立了发电机研究模型和内阻数学模型,通过数值分析手段研究了发电机外特性和电压调整率与电枢反应电抗之间的关系。研究结果表明,发电机内阻具有的电流负反馈和功率因数角负反馈特性,在一定程度上改善了电压调整率,并确定出了获得最佳电压调整率时电枢反应电抗的变化区域。根据涡轮发电机实验测量数据,结合发电机电磁特性的理论分析以及涡轮设计理论,计算分析了涡轮的实际工作特性参数。     

旋转导向钻井轨迹控制理论及应用技术研究

研究了调制式旋转导向钻井系统控制井眼轨迹的原理和方式,依据实钻轨迹和设计轨迹的偏差大小,给出了轨迹控制方法.根据控制原理,设计了一套从地面控制井下的工具,以实现轨迹控制的指令算法.基于所研究的理论和算法,开发了应用于导向钻井系统的地面监控软件系统,重点介绍了井眼轨迹控制系统的程序设计与实现方法.     

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。     

偏置工具后置式旋转导向系统导向性能分析

对新提出的偏置工具后置式旋转导向系统的导向机理、导向性能及其影响因素等做了理论分析 ,由此得出 5点结论 :(1)偏置工具后置导向的造斜能力随钻压的增加而减小 ,通过控制钻压可在一定程度上控制工具的造斜率 ;(2 )偏置工具后置导向的底部钻具组合中 ,应使偏置工具与近钻头稳定器间的距离保持在 6m以上 ,按常规钻具选配 ,其间可接 1根 (约 9m)钻铤 ;(3)不论增斜还是降斜 ,偏置工具后置的导向能力远优于前置方式 ;(4)近钻头处的钻压、弯矩、冲击、振动等是整个底部钻具组合中最强的 ,将偏置工具安放于工作环境相对较好的后置位置 ,可改善偏置工具的工作条件 ,减少其非正常损坏的几率 ;(5 )偏置工具后置在非导向状态下 ,其柔性钻铤以下的底部钻具组合相当于一套稳斜或微增斜钻具组合 ,符合导向钻具组合的施工需要。     

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。     

旋转导向钻井工具执行机构推靠力分析

以旋转导向钻井工具导向能力关键参数———执行机构推靠力为研究对象,从单个“巴掌”在钻柱旋转1周内的作用力分析入手,在上盘阀高压孔圆心角θ=180°的条件下,给出了3个“巴掌”的作用力和作用合力(即执行机构的推靠力)的解析计算式,讨论了它们的变化规律,包括推靠力覆盖面角的变化规律、推靠力在导向方向分量及其垂直方向分量的变化规律。分析可知:推靠力在导向方向的分量连续且平稳,在导向的工况下,执行机构推靠力在导向方向的分量在(0.866~1.0)P0之间,波动较小,波动幅值为7.2%,而它在垂直于导向方向的分量不连续且幅值均在(-0.5~0.5)P0之间,占单个巴掌作用力的50%。