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。     

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。     

静态推靠式旋转导向系统三支撑掌偏置机构控制方案

随着国内复杂定向井、水平井以及高难度3D 井身结构井的增加，对于旋转导向钻井技术的需求也不断增加，而目前国内对静态推靠式旋转导向系统的导向机构控制方法及原理了解很少，展开相应的研究已非常必要。在外筒旋转的条件下，通过力学矢量合成原理以及数学求解分析表明，静态推靠式三液压支撑掌导向工具同时控制3 个支撑掌分力的方案不可行；外筒旋转使得三液压支撑掌导向工具存在控制“死区”，给出了这种偏置机构最大可使用偏置合力矢量幅值；采用了两支撑掌调整和控制合力矢量的大小和方向，剩余一个支撑掌浮动支撑，并给出了静态推靠式三液压支撑掌导向工具控制算法框图。该框图可为国内科研人员开展该种偏置机构研究提供理论依据。     

调制式导向工具流体测试台架设计

为了测试调制式导向工具下井前的工作状态,研制了一种能够模拟井下钻井液循环环境以及驱动工具连续旋转的地面流体测试台架。该测试台架通过检测稳定平台控制模式的切换、执行机构的推靠力大小、动作响应速度和盘阀的密封情况,实现了对导向工具的稳定平台及执行机构工作状态的检验。现场试验结果表明:该测试台架设计合理,能够检验调制式导向工具的各项功能指标。所设计的台架可为工具的改进及下井前工具运行状态的确定提供可靠的数据支持,降低仪器下井前的故障率,节省成本。     

旋转导向钻井工具BHA侧向力的有限元仿真

为了研究推靠式旋转导向钻井工具的导向能力,建立了旋转导向钻井工具BHA的力学模型,通过ANSYS有限元软件,对该工具的BHA受力与变形进行了仿真计算。分析了工具侧向力的大小及其主要影响因素,除了常规的影响因素(如钻压、井斜角、扶正器欠尺寸)之外,这种工具对侧向力的影响还包括工具覆盖面角、推靠力大小及其作用点等。仿真分析为优化井底钻具组合、研究旋转导向钻井工具导向能力及控制井眼轨迹提供了理论基础。     

旋转导向钻井技术研究新进展

井下旋转导向钻井工具是旋转导向钻井系统的核心部件,从应用情况来看,指向式旋转导向钻井工具是发展的趋势。为解决在钻大位移井、水平分支井等复杂结构井时出现的种种难题以及国内指向式旋转导向钻井技术的"瓶颈"问题,将理论与实践相结合,对旋转导向钻井技术的国内外研究现状做了分析;介绍了目前国内外运用比较广泛且典型的推靠式MRST和指向式Geo-Pilot井下闭环旋转导向钻井工具。在大量调研和文献分析的基础上,提出了研制与Geo-Pilot有所不同的新型指向式旋转导向钻井工具的思路,并着重论述了其结构与导向原理,总结出该指向式旋转导向钻井工具的特性与优点,提出了下一步的研究重点、难点与方向。     

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。     

静态偏置推靠钻头式旋转导向钻井系统介绍

文章简单介绍了旋转导向钻井技术的发展现状。对旋转导向钻井井下工具系统进行了新的分类。在此基础上。较详细地介绍了静态偏置推靠钻头式旋转导向钻井系统的发展情况及工作原理。为国内引进、应用、研究、开发先进的旋转导向钻井技术提供了依据。     

旋转导向钻井的导向动力系统研究

旋转导向钻井技术彻底扭转了传统滑动钻井的各种弊端：井眼螺旋、扩径、岩屑堆积、轴向冲击等,同时也将减少卡钻和钻井液漏失等严重事故的发生,提高钻井效率和进尺率,从而提高钻井的经济效益。旋转导向钻井工具的导向力来源目前来说有两种方式：一为利用钻柱内外的压差直接作为导向动力;二为利用钻井液的流动推动涡轮发电,再利用电能产生导向动力,但归根到底,还是利用钻井液的能量。旋转导向钻井技术是目前最先进的钻井技术。其内部的导向动力系统是实现智能钻井的关键所在。将无位置无刷直流电动机应用到井下工具中,到目前为止,在国内还没有相关的报道。文章利用电机和泵构建了旋转导向钻井的导向动力系统,并进行了相关测试,得出了相应的技术指标。     

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。     

中石油钻井工程技术现状、挑战及发展趋势

中国石油天然气集团公司（以下简称中石油）近年来自主研制了万米钻机及配套装备、近钻头地质导向、欠平衡/气体钻井/控压钻井、连续管作业机、21 MPa/35 MPa带压作业机等核心装备,发展完善了以水平井、欠平衡钻井、钻井提速、储层改造、带压作业为核心的配套技术,有力地支撑了水平井、欠平衡钻井、钻井提速、水平井分段压裂等重点工程的实施。但与国外同行相比,在自动化钻机、海洋钻完井装备、旋转导向系统、抗高温随钻测量仪器、抗高温螺杆、高效钻头、高温高密度油基钻井液、高压气井带压作业装备、低成本高效压裂液、无限制选择性压裂工具、完井技术等方面差距明显。研究结果认为：我国深层、海洋、非常规油气藏领域钻完井面临高温高压、高研磨性地层钻速低、钻井周期长、旋转导向等技术储备不足的挑战,建议在高效起下钻机、高效破岩钻头和辅助工具、旋转导向系统、井筒完整性、井下宽带信息传输技术、海洋钻井成套装备和技术、工厂化钻完井与体积压裂一体化技术等方面开展技术攻关。     

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。     

旋转导向钻井系统下行通讯接收功能的开发

在旋转导向钻井系统中,导向控制命令是由地面监控装置通过系统的下行通讯通道向井下导向工具发送。用钻井液负脉冲的方式传输下传信号,采取了三降三升为主要特点的命令字脉宽编码方式。地面命令发送装置将指令转换成一定脉宽的钻井液排量变化,用5位指令码表示相应的导向力级别和工具面角。在井下导向工具中设计了下行通讯接收装置。由装置的数据采集部分检测反映钻井液脉冲变化的井下泥浆电机的输出电压或频率,经数据处理和解释,以信号阈值判断和脉宽识别为核心,由5个指令码的脉冲宽度时间和顺序计算得到正确的下传导向命令字。为了提高下行信号传输的可靠性和抗干扰能力,在接收装置的硬件和软件中采用了相应的措施。试验结果证明了这种下行通讯方案的可行性。     

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。     

旋转导向工具下入通过性研究

研究旋转导向工具通过大曲率井段的力学特征,对于水平井钻井设计和旋转导向工具选择有重要意义。为此,基于纵横弯曲梁理论提出了一种受迫变形条件下的刚性旋转导向工具下入能力分析方法,并考虑临界压力和井壁约束下的工具弯曲极限状态,给出了工具的挠度变化范围和下入安全性准则。采用过尺寸钻头复合钻进方式,旋转导向工具通过能力有大幅提升;对旋转导向工具实际下入过程进行通过安全性分析计算,考虑井壁作用和上部轴向力作用,对管柱施加一个轴向外载荷压力,得到实际下入过程的弯曲挠度值,校核旋转导向工具下入摩阻力和强度,工具可以安全下入,不会发生屈服破坏。研究结果表明,建立的计算模型有较高的准确性和较好的适用性,可以为现场钻井过程中大曲率井段旋转导向工具下入安全性评价提供指导。