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%。     

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。     

旋转导向钻井工具执行机构推靠力规律分析

通过对旋转导向钻井工具执行机构柱塞个数大于2时其导向力、扩径力的分析研究,提出了“柱塞角”、“富裕角”和“间歇角”的概念,得出了工具的“柱塞”个数、工作中最多同时起作用的“柱塞”个数和导向力、扩径力之间的一般规律,指出最多的有效作用“柱塞”个数最好为大于“柱塞”总数的一半的最小整数,进一步为旋转导向钻井工具导向力优化设计及执行机械结构优化提供了理论依据。     

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。     

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。     

一种旋转导向工具设计方案及其旋转导向功能的实现

导向工具是导向钻井系统的核心,是实现井下闭环钻井的关键因素之一。旋转导向工具能克服滑动导向工具存在的诸多缺陷,是大幅度提高钻井工作能力的有效工具,必将成为未来导向钻井的主流。文中提出了一种旋转导向工具设计方案,并对其实现旋转导向的机理进行了深入研究。作者认为,这种导向工具设计方案不但能够实现旋转导向力方向和大小的有效控制,而且结构简单,可靠性好。     

智能钻井工具导向执行机构注油检测台研制

为提高智能钻井工具工作性能及技术服务质量、缩短维修和测试时间,研制了一种对工具导向执行机构进行注油检测的装置。在分析智能钻井工具导向执行机构工作原理的基础上,设计了注油检测台。针对不同系列的工具,可完全模拟导向执行机构的工作过程。通过注油油路和回油油路上设置的注油嘴和回油嘴与导向执行机构连接,对其进行注油检测。用注油检测台对导向执行机构进行注油检测,结果表明,该注油检测台能够在导向执行机构液压部件装入工具前,对各部件的性能进行检测;液压部件装入工具后,对工具的导向执行机构进行注油、排气,确保导向执行机构产生稳定的液压推力,提高工具的稳定性。     

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文章介绍了正在研制的调制式旋转导向钻井工具MRST的组成及其工作原理；它由测控短节、偏置导向执行机构两大部分组成，是在钻柱全旋转且相对于井壁没有静止支撑点的条件下进行导向钻井的。工具偏置导向执行机构的执行是以钻井液为制导动力源，即作用在执行机构伸缩块上的内外压差而产生的液力推力，液力推力的大小与制导效果密切相关；为此，采用常规钻井水力学计算程序，对MRST在正常钻井工作条件下液力推力的大小及其影响因素进行了计算分析。结果表明，就目前国内陆上钻井设备所具有的条件，所研制的MRST是可以适应7000 m井深以内的井对导向力控制要求的；但作用在MRST伸缩块上的液力推力是随井深、排量、钻井液密度及流变性等的变化而变化的，实际应用MRST时应考虑上述因素变化对MRST工作性能产生的影响；此外，也可考虑通过微调排量的办法来调整MRST导向力的大小。     

推靠式和指向式旋转导向工具的造斜性能研究

旋转导向工具是目前最先进的定向工具,对旋转导向工具造斜性能的研究有助于旋转导向的研制和应用。通过分析钻头在侧向力和转角作用下的导向机理,结合钻头的性质和旋转导向的原理,对两种工具的导向性能进行了分析。分析结果表明:推靠式旋转导向系统需要侧向攻击性能强的钻头与之匹配,可以准确快速地调节井眼轨迹,在软地层和小钻压条件下可以达到较高的造斜率;指向式旋转导向系统适合于长保径钻头以引导钻压指向钻头转角方向,其造斜效果受其他因素影响较小,造斜率稳定,井眼轨迹可预测性好。实际旋转导向工具的使用证实了上述分析结果。     

基于状态空间法的旋转导向钻井工具控制系统研究

调制式旋转导向钻井系统的工作特点是:在导向工具与钻柱同步旋转的情况下,配置机构中3个导向块在给定方位的伸缩动作可以产生导向钻井所需要的矢量力.因此,在调制式旋转导向工具中,就必须设置一个不受钻柱影响的、可以自动保持和调整工具面角度的稳定平台.对稳定平台控制系统进行了研究,建立了对象数学模型,提出了应用状态反馈法的稳定平台控制方案,以确保导向钻井过程中对各状态变量的控制要求.对闭环控制系统进行了相应的计算机仿真和功能试验,仿真和试验结果表明了该控制方案的可行性和有效性.     

滑动式导向钻具组合复合钻井时导向力计算分析

复合式滑动导向钻井方式在定向井、水平井井眼轨迹控制中有其独特的优点。对目前油田常用的复合式滑动导向钻具组合的导向力进行了计算分析。结果表明,并不是所有的复合式导向钻具组合都具有稳斜或微增效果,有的钻具组合可能具有降斜特性,因而在使用复合式导向钻具组合前,应对其进行仿真分析。在现场使用时,可以用装置角为90°或270°时的造斜力近似作为该导向钻具组合在复合钻井时的导向特征。同时,在使用复合式导向钻具组合进行井眼轨迹控制时,应注意螺杆钻具的质量,并采用合理的施工参数,以免发生钻具断脱事故。     

现代导向钻井技术的新进展及发展方向

总结了导向钻井技术的进展历程,并指出现代导向钻井先进技术正在高速发展,近年又有许多新进展.中国应迎接挑战,加大投入,加速发展.指出了滑动导向钻井和所谓“复合钻进”存在许多弊端.旋转导向钻井时的摩阻与扭阻小、钻速高、钻头进尺多、钻井时效高、钻井周期短、井身轨迹平滑、极限井深可达15km,每米进尺成本低,是现代导向钻井的发展方向.现代导向钻井的关键技术是旋转导向钻井、几何导向和地质导向钻井.文章强调了地质导向的功能.着重阐述了旋转导向钻井的原理与控制理论,旋转导向钻井系统的5大组成部分,旋转导向钻井工具的工作原理、结构类型及其进展现状和发展方向,并对加速发展我国的现代导向钻井技术提出了若干建议.     

钻具稳定器结构对复合钻井导向力的影响

单弯螺杆钻具+PDC钻头复合钻井已广泛在钻井提速和井眼轨迹控制作业中应用,对该类钻具组合导向力分析也有成熟的方法,但常常忽略螺杆稳定器结构的影响。为此,基于油气田现场作业应用的直棱和螺旋棱稳定器结构,讨论了螺杆稳定器外径和支点位置变化对钻具导向力的影响,建立了稳定器实际偏心距计算模型,提出了考虑螺杆稳定器结构影响的钻具复合钻井导向力分析方法。通过对单弯螺杆单稳定器钻具组合、单弯螺杆双稳定器钻具组合复合钻井导向力的分析,结果发现：①忽略螺杆稳定器结构的复合钻井导向力分析方法计算结果与钻具导向合力差别较大;②直棱稳定器由于棱槽包角的存在,等效外径周期性变化使得钻具组合导向力发生周期性增加或降低,变化幅度最高达50%,影响钻具导向稳定性能和疲劳寿命。进而提出建议：①计算复合钻井导向力时应采用考虑螺杆稳定器结构影响的钻具复合钻井导向力分析方法;②现场复合钻井时选用带棱槽包角为零的螺旋式稳定器或选用带棱槽包角小的直棱稳定器的螺杆钻具     

基于顶部驱动的滑动钻井导向控制技术

将北京石油机械厂顶驱的主轴旋转定位技术与MWP随钻测量仪相结合,设计并实现了基于顶部驱动钻井和井下动力钻具组合的顶驱滑动钻井导向控制系统。该系统由顶部驱动钻井装置、人机交互界面、井下动力钻具以及MWD随钻测量工具等4部分组成,将顶驱和井下动力钻具相结合,实现对旋转钻柱包括转速、转向、角度在内的完全控制,并可根据井下实时反馈的井眼轨迹信息,实现滑动钻井之前工具面的设置以及滑动钻进过程中工具面的实时监控和动态调整。内蒙SNO116-19H定向井项目的实际应用结果表明,该技术能够显著提升定向井钻进作业的整体时效和井眼质量,同时也为导向钻井的闭环控制和自动化控制奠定了基础。     

水平井螺杆钻具的受力特征

了解和掌握水平井螺杆钻具的受力特征,是正确设计和使用水平井导向动力钻具的基础。文中针对定向钻进和导向钻进两种不同工况,分别讨论了钻具的弯曲、扭转、转子离心惯性力、转子轴向力和轴承载荷、稳定器处的松扣力矩、钻头速度分析、井眼扩径情况和钻头侧向力的分布等,给出了相应的计算公式,并结合现场发生的一些现象,从理论上给出了解释。