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。      

旋转导向钻井工具稳定平台单元机械系统的设计

稳定平台单元机械系统的设计是旋转导向钻井工具的关键和难点之一。其作用是保证在钻井时不受钻柱旋转的影响，配合旋转导向钻井系统的指令系统对导向工具的工具面角随钻实时调控，实现导向功能，并承担与MWD之间的测控信息无线传输。介绍了旋转导向钻井工具稳定平台的基本原理，展示了所设计的稳定平台单元机械结构图。指出了稳定平台单元机械系统设计的几个特点：进行了稳定平台整体支承方案选择分析，确定了稳定平台整体重量上挂在稳定平台上主支撑座的上挂式方案；进行了轴承选型的对比分析，确定了滚动轴承结构的设计方案，为了提高其使用寿命特设计了轴承保护器；进行了稳定平台主轴控制转动时驱动力矩与阻力矩的分析，给出了所需扭矩的供需平衡的解决办法；进行了影响稳定平台主轴整体刚度的因素分析，提出了提高稳定平台整体刚度的办法；进行了稳定平台旋转主轴的静平衡和动平衡分析；说明了选择防磁材料的原因和轴向累计加工、安装误差的调整方法等。这些措施的实施从机械设计方面保证了整个稳定平台功能的实现。     

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。     

旋转导向钻井工具稳定平台振动模态计算

旋转导向钻井工具稳定平台的闭环控制是调制式旋转导向钻井系统的关键。巨大的动态冲击载荷引起的振动会严重影响稳定平台的正常工作和动力学性能。针对新开发设计的稳定平台,建立了振动模态分析的力学模型,利用有限元软件进行了稳定平台的振动模态分析,计算了其固有频率和振型。通过对计算结果的分析,认为应适当调整局部形状尺寸,尽量增大稳定平台刚度,为稳定平台的结构设计和动力学分析提供了理论依据。     

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。     

调制式旋转导向钻井工具稳定平台控制机构研究

深入研究了调制式旋转导向钻井工具中的稳定平台控制机构的结构原理和控制原理。介绍和分析了一种用井下涡轮发电机作为力矩发生器,通过调节其电磁力矩的方法来实现稳定平台控制的方法。在推导控制对象数学模型的基础上对控制系统进行了相应的计算机仿真,仿真结果表明了该控制方案的可行性和有效性。     

静态式可控偏心器旋转导向钻井工具造斜能力分析

介绍了静态式可控偏心器旋转导向工具的结构和造斜原理,对比分析了该结构在旋转导向钻井中的优越性.通过BHA力学分析确定钻具组合的结构,计算相关影响因素作用下钻头力的大小,根据岩石非均匀破碎模型预测了导向工具的造斜能力.     

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。     

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。     

旋转导向钻井工具液压分配系统的设计

工作液控制分配单元的设计是旋转导向钻井工具导向功能的实现关键和难点之一,该单元的工作特性主要取决于上盘阀高压孔圆心角、上下盘阀摩擦副的结构尺寸和摩擦副的密封性。上盘阀高压孔圆心角的大小,决定工具推靠力的作用形式,直接影响工具的导向能力、使用寿命和密封性,理论分析表明,当3个“巴掌”作用合力的覆盖面角αo=60°时,该圆心角的最优值为θ=180°。由于工具中的扭矩发生器所能提供的驱动力矩有一定限制,为了实现对控制轴的稳定控制,应该尽量减小控制轴上阻力矩之一的上下盘阀摩擦副之间的摩擦阻力矩,该摩擦阻力矩主要受上下盘阀摩擦副结构的影响,给出了上下盘阀的结构及主要尺寸,并定量分析了该摩擦阻力矩。     

旋转导向钻井工具3D参数化虚拟样机设计

简述了旋转导向工具的结构组成和工作原理.利用SolidWorks软件平台对某型旋转导向工具进行3D参数化设计.采用SolidWorks自带的有限元插件COSMOSWorks建立了该工具的三维有限元网格模型,对芯轴进行了有限元分析,分析结果证明芯轴的结构设计合理,强度满足工况要求.虚拟样机设计和有限元计算结果为进一步改进和优化旋转导向钻井工具提供了理论依据.     

旋转导向钻井工具稳定平台监控系统通信设计

提出采用无线通信方式来解决通信过程中需要多次停机的问题,及时、准确地将井下工具工作情况传输到PC机中,对现场进行监测,并通过组态软件对传输过程进行分析,同时对异常情况及时做出处理,实现对现场运行情况的实时控制。通信采用半双工异步传输的工作方式,通信协议采用Modbus协议。通信试验结果表明,单片机能将现场实时数据通过无线数传模块传输给PC机,并在MCGS制作的人机界面中显示出来,准确无误。     

旋转导向闭环钻井系统

通过对比研究国内外有代表性的旋转导向钻井系统的组成及特点,介绍了旋转导向闭环钻井系统的集成方式、井下定向控制单元、地面监测系统,论述了旋转导向钻井工具在旋转钻进时具有连续三维导向和增大延伸长度的能力,可提高钻速,缩短建井周期,降低钻井成本,并详细阐述了国内正在开发的旋转导向闭环钻井系统(MRSS)的定向控制原理、5个组成部分及主要技术特点。认为只有开发和集成钻井信息管理与决策软件,才能充分发挥旋转导向闭环钻井系统的效益     

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。     

旋转导向钻井工具试验台加载控制系统的研究

为了测试在实际钻井过程中钻井工具的工作性能,研制了旋转导向钻井工具性能测试试验台,并开发了一种加载控制系统,应用于试验台模拟加载装置。该试验台主要用来模拟钻井工具在实际钻井过程中所受的扭矩和轴向力。根据其数学模型分别建立了模拟加载装置的液压缸、磁粉制动器和比例溢流阀的传递函数;运用模糊推理方法使用模糊自适应PID控制器计算出输入和输出之间的关系,进行PID参数的最佳调整;然后应用Matlab软件中Simulink模块将所设计的控制方法与常规PID控制方法的仿真结果比较。分析结果显示:模糊自适应PID控制方法具有更快的响应时间、更强的抗干扰能力;设计的模糊自适应PID控制方法提高了指向式旋转导向钻井工具试验台控制的灵敏度,满足对试验台较高控制精度的要求。所得结论可为旋转导向钻井工具的性能研究提供参考。     

旋转导向系统在彭页HF-1井的应用

由于彭页HF-1井在钻进过程中钻速仅在2.62 m/h左右,同时井眼轨迹难以控制,最大井斜角达到16°,采用螺杆钻具纠斜效果仍不明显,这些都给该井的施工带来困难,所以决定采用哈里伯顿旋转导向技术。为此介绍了EZ-Pilot旋转导向系统的结构、性能及其优点,基于其在彭页HF-1井的应用情况,分析了其应用效果。现场应用情况表明,采用EZ-Pilot旋转导向系统解决了传统导向造斜工具施工长水平段水平井时存在的摩阻大、井眼清洁度低的问题,满足该井钻完井施工作业要求。在机械钻速、井眼质量等方面,旋转导向系统都表现出良好的性能,其机械钻速要明显高于螺杆钻具,特别是在水平井段这种优势更明显,同时井眼的狗腿度每30 m仅在6°以内,保证了井眼的光滑。     

导向钻具在冀东油田的应用研究

通过分析定向井使用常规钻具组合的局限性，提出在冀东油田定向钻井中引入导向钻具的必要性。探讨了导向钻具的配套选择、钻井参数、轨迹控制及效益评价等问题。五口试验井实践表明，在一定条件下使用导向钻具，可取得明显的经济效益。