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。     

导向钻井工具稳定平台试验数据无线通信系统

旋转导向钻井工具稳定平台研发过程中,有大量参数调试和数据回放,通常停机后再利用仿真工具进行数据存取,实时性和通用性受到限制。为此,设计了旋转导向钻井工具稳定平台试验数据无线通信系统。该系统既可保证数据的无障碍传输,又可避免相互之间的串扰。试验表明,该系统实现了调试设备与稳定平台之间的不间断、实时数据传输,提高了稳定平台的调试可视性和开发效率,也适用于旋转垂直钻井工具稳定平台的试验研究。     

旋转导向钻井工具稳定平台静力学有限元计算

稳定平台安装在旋转导向钻井工具的内部，对其外形尺寸有特殊要求，要求尽可能地细小，同时又要承载巨大的动态冲击载荷，所以旋转导向钻井工具稳定平台的刚度和稳定平台控制轴的强度直接关系到稳定平台能否正常工作及其寿命的长短。针对开发设计的稳定平台进行了静力学分析，分别建立了稳定平台刚度分析和控制轴强度分析的力学模型，利用有限元分析软件计算了稳定平台的刚度和控制轴的强度。从计算结果可以看出，稳定平台控制轴的最大应力不超过306MPa．发生在靠近下轴承处，强度安全系数大于2．7，满足强度要求。发电机涡轮处最大横向位移为0．528mm，刚度安全系数大于2．8，满足刚度要求。稳定平台最大挠度为3．321mm，偏大，可能会影响稳定平台的动态平衡性能，有必要进一步采取措施，改进设计。     

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。     

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。     

动态指向式旋转导向钻井工具设计探讨

旋转导向钻井技术在钻大位移井、分支井时具有独特的优越性。井下旋转导向工具是旋转导向钻井系统的核心部件。分析了国内外的旋转导向钻井系统的现有工作方式及优缺点,提出了动态指向式旋转导向钻井工具的设计新思想,介绍了其工作原理及结构,并详述了该工具的设计重点、难点及解决措施。     

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。     

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。     

旋转导向井下工具控制系统设计及室内试验

旋转导向钻井系统在长水平段水平井、大位移井、分支井等复杂结构井的钻井过程中,可以消除粘滑卡钻,携岩效果好,具有显著提高机械钻速、减少井下故障、降低钻井成本的优势。中国石化胜利油田钻井工艺研究院与美国AGP公司合作开发了旋转导向井下工具系统,该系统由井下专用螺杆和地面转盘双动力驱动,通过控制导向翼肋的定向支出来控制井眼轨迹。其导向和非导向状态及每个导向翼肋的支出均采用独立电磁阀控制,既保证了系统的可靠性,又保证了控制精度,并且简化了控制方法。井下专用螺杆驱动内部心轴不仅给钻头提供动力,还给液压系统提供动力。室内测试证明,该系统控制方法简单可靠,可实现性强,为以后的实际应用推广提供了依据。介绍了旋转导向井下工具系统的整体设计方案,对其控制系统及各部分的结构、工作原理进行了详细研究。      

页岩气旋转式井壁取心器转向机构设计与优化

转向机构作为页岩气旋转式井壁取心器的连接转向装置,其性能决定了取心器的过弯通过能力.鉴于此,设计了一种新型转向机构.该机构中心由一个胡克铰链连接,四周设置4组由移动副和弹簧连接的球面副;利用拆杆法建立了转向机构各零件的静力学平衡方程,确定了转向机构的工作空间,建立了取心器过弯能力与水平井曲率半径的函数关系;以通过能力最...