第26卷 第5期2005年9月
石油学报
AC TA PETROL EI SIN ICA
Vol.26 No.5Sept.
2005
基金项目:国家高技术研究发展计划(863)“旋转导向钻井系统关键技术研究”
(2003AA602013)和中国石油化工集团公司重大攻关项目(J P01005)联合资助。
作者简介:闫文辉,男,1965年9月生,1999年获西安石油学院硕士学位,现为西安石油大学副教授,硕士生导师,主要从事石油机械设计及设备
检测与故障诊断方面的教学和科研工作。E 2mail :ywh369@https://www.doczj.com/doc/1c12882527.html,
文章编号:0253Ο2697(2005)05Ο0094Ο04
旋转导向钻井工具的研制原理
闫文辉 彭 勇 张绍槐
(西安石油大学机械工程学院 陕西西安 710065)
摘要: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。
关键词:旋转导向钻井工具;测试元件;导向控制;井眼参数;随钻测量中图分类号:TE82 文献标识码:A
Mechanism of rotary steering drilling tool
YAN Wen 2hui PEN G Y ong ZHAN G Shao 2huai
(College of Mechanical Engineering ,X i πan S hi you Universit y ,X i πan 710065,China )
Abstract :The working principle and structure of a rotary steering drilling tool are introduced.The main technical properties of the tool are described.The tool mainly includes three parts :①unit of stabilization platform ;②unit for controlling and assigning work 2ing liquid ;③unit of Push 2the 2Bit working structure.The wellbore data can be transmitted to measurement while drilling (MWD )u 2nit f rom the test component in the tool through a short distance communication component and then transmitted to the instrument on ground by MWD unit.At the same time ,the receiver in the component receives the instruction f rom the instrument on ground ,and then control the high 2pressure hole located on the upper plate hose by controlling and assigning working liquid with a controller in the stabilization platform unit.The unit for controlling and assigning working liquid takes the filtered mud as the working liquid distribu 2ted in three mud pipes in turn.The mud provides the “pad ”with a motive force and maintains the direction of the join force on the position in accord with the high 2pressure hole on the upper valve all the time.Thus there will form a side force near the bit flapping the wall of the well.The adjustment of the size and direction of the side force acted on the wall and the flapping f requency could di 2rectly control the steering state of the drilling tool.
K ey w ords :rotary steering drilling tool ;measurement unit ;steering control ;wellbore data ;measurement while drilling
旋转导向钻井技术是20世纪90年代初发展起来的一项自动化钻井新技术。国外钻井实践证明,在水平井、大位移井、大斜度井、三维多目标井中推广应用旋转导向钻井技术,既提高了钻井速度、减少了事故,也降低了钻井成本。国外目前主要有3种不同类型的旋转导向钻井系统,即:Auto Trak 旋转闭环钻井系统、Power Drive 调制式全旋转导向钻井系统和Geo 2Pilot 旋转导向自动钻井系统[1～8]。国内学者也对该
技术进行了介绍并开展了相关的研究工作[9～14]。胜利石油管理局与西安石油大学联合,研制和开发了具有自主知识产权的旋转导向钻井系统。该旋转导向钻
井技术主要包括井下旋转自动导向钻井系统、地面监控系统以及将上述两部分相结合的双向通讯技术[15]。笔者主要对井下旋转自动导向钻井系统中的旋转导向钻井工具进行了介绍。
1 旋转导向钻井工具工作原理
旋转导向钻井工具的最基本功能有2种:①导向功能;②稳斜或不导向功能。导向功能是指当需要向某一个井斜、方位导向时,可由稳定平台通过控制轴将上盘阀高压孔的中心即工具面角调整到与所需导向的井斜、方位相反的位置上,这时钻具沿所需的井斜及方位进行
第5期闫文辉等:旋转导向钻井工具的研制原理95
钻进,并由各随钻测试仪器随时监测井眼轨迹。稳斜功能(不导向)是使稳定平台带动上盘阀,使其和钻柱以不同的某一转速作匀速转动(如20～40r/min ),这时在
360°工具面角的方向上,不断有类似巴掌的推板伸出并
推靠井壁,综合作用则表现为不导向,亦即稳斜钻进。旋转导向钻井系统原理如图1
所示。
图1 旋转导向钻井系统工作原理
Fig.1 Principle of rotary steering drilling system
根据对井下工程、地质及几何参数的监测和要求,
旋转导向钻井工具可以按已设定的程序或给定的指令调整井斜和方位。它是一种机、电一体化智能导向工具,靠近钻头的推靠柱塞和推板、工作液控制阀以及稳定平台是它的核心部件。推板的动力来自于泥浆经过钻头水眼后所产生的钻柱内外压差;工作液控制阀(上、下盘阀的相对位置)的调节和稳定则由稳定平台控制;3个推板的相位差为120°;钻柱在旋转状态下,任意一个或两个推板通过某一特定的方位时,借助工作液控制阀所施加的压力(泥浆压差)来同步调整推板的伸出,使其与井壁接触,并对钻头产生一个侧向力(即利用井壁对推板的反作用力)来推动钻头改变原方向,达到改变井斜或方位的目的,从而实现旋转导向钻井。旋转导向钻井工具中稳定平台单元的作用是在钻井工具中产生一个不受钻杆旋转影响、相对稳定的平台,从而能够使钻柱导向钻井工具及推板的工具面角在旋转时保持稳定。稳定平台单元由上、下2个涡轮发电机、测控电子系统及电子仓组成。上涡轮发电机是系统动力发生器,提供井下电源,其旋转方向为顺时针方向;下涡轮发电机是扭矩发生器,其旋转方向为逆时针。2个涡轮发电机之间设置密封电子仓,电子仓中有控制电路和测量工具面角、井斜角的三轴重力加速度计、短程通讯、下传信号接受器及其电路等。为了使稳定平台在旋转的钻柱内维持稳定,必须使施加到控制轴上的力矩平衡。工作中平台受到的主要力矩包括驱动上盘阀旋转的扭矩、钻柱旋转带来的机械摩擦阻力矩和作为电能发生器的涡轮发电机本身的电磁力矩。作为力矩发生器的下涡轮电机电枢在磁场中也会产生一个电磁力矩,即驱动动力矩。涡轮发电机与扭矩发生器的扭矩联合作用实现可控调节与平衡。按照其功能,稳定平台控制机构由涡轮发电机、控制电路、
检测电路、通讯电路和驱动电路等6大部分组成。2
个井下涡轮发电机利用钻井液的动能为平台中的电气设备提供电源,同时作为平台稳定控制的执行器控制与其相联的液压控制单元中的上盘阀。
旋转导向钻井工具中的工作液控制单元是一个盘阀开关系统,由上、下盘阀2部分组成。上盘阀由稳定平台控制轴带动,其上开有1个作为工作液泥浆通道的孔,称为高压阀孔,见图2(a )所示;下盘阀固定在偏置机构单元本体内,上开有3个孔,分别与偏置执行机构的3个柱塞相通,见图2(b )所示。上盘阀孔为弧形长孔状,能使高压钻井液作用在推板上的力具有一定的作用时间,以保证侧向控制力的作用效果,钻井液通过过滤网再流向上盘高压阀孔。当上盘阀的高压孔与下盘阀的某1个或者2个孔相通时,高压泥浆将推动偏置执行单元的相应柱塞,并由柱塞推动推板,将力作用在井壁上,该作用力的方向则由上盘高压孔的位置确定。液压控制单元的核心就是在稳定平台的作用下,控制上盘阀高压孔的位置(工程上的工具面角)
。
图2 上盘阀和下盘阀结构
Fig.2 Structure of upper and below valves
旋转导向钻井工具中的偏置执行单元主要由柱塞
和推靠井壁的推板组成,在工作液控制单元的控制下,依次将高压泥浆通向柱塞,再由柱塞将力施加给推板,使其与井壁接触,避免柱塞直接与井壁接触而造成钻
96 石 油 学 报2005年 第26卷
具卡死或井壁挤毁。
旋转导向钻井技术信息闭环流程如图3所示。由旋
转导向钻井工具中的井眼几何参数传感器测得旋转
图3 旋转导向钻井技术信息传输流程
Fig.3 Flow sheet of inform ation transmission in rotary
steering drilling system
钻井条件下近钻头处的井斜角、方位角和工具面角等
参数,并通过短程通讯元件将上述参数传输到随钻测
量仪,再继续由随钻测量仪的上传通道将数据传输到地面。根据实钻井眼与设计井眼的相对位置的偏差,通过信息智能处理综合决策系统来调整钻头走向,即改变工具面角参数,并将决策代码通过泥浆泵排量载波下传到井下信息处理中心进行指令接收、识别、解释和处理,从而通过井下控制器调整稳定平台的控制轴,实施工具面角的调整、改变导向执行机构推靠井壁的方向,从而实现钻柱在连续旋转状态下的三维导向。
2 旋转导向钻井工具的结构特点
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及偏置执行机构3部分组成。图4所示为自主开发的旋转导向钻井工具的三维CAD 结构图。稳定平台单元主要由涡轮发电机、控制电路电子仓、扭矩发生器、轴承支撑及密封部件等组成;工作液控制分配单元主要由上盘阀、下盘阀、上盘阀轴向力调节弹簧、上盘阀控制轴和相应的密封部件组成;偏置执行机构主要由带泥浆喷嘴的柱塞和推靠井壁的推板(图5)组成。图6为设计加工完成的旋转导向钻井工具功能样机局部照片
。
图4 旋转导向钻井工具三维CAD 结构
Fig.4 3D CAD structure of rotary steering drilling
tool
图5 推板结构
Fig.5 Structure of pushing
pad
图6 旋转导向钻井工具功能样机局部照片
Fig.6 P art photo of function m achine which had set up
rotary steering drilling tool
第5期闫文辉等:旋转导向钻井工具的研制原理97
3 旋转导向钻井工具的设计特点
针对复杂的井下工作条件和国内现有的条件,旋转导向钻井工具设计具有以下技术特点:①在稳定平台的上部支撑中采用圆锥滚子轴承,下部支撑采用圆柱滚子轴承与推力圆柱滚子轴承组合结构。为了改善轴承的工作环境,提高其使用寿命,特设计了轴承保护器,将轴承密封在润滑油中,同时精心设计了轴承的游隙。②经理论分析与模拟试验确定,上盘阀高压孔的圆心角选为200°,以确保了上盘阀相对井壁不动而下盘阀保持旋转状态的情况下始终存在一个推板来推靠井壁,防止冲击式推靠力对钻柱的冲击。在保证密封与寿命的前提下,下盘阀表面有一部分突起,以减少摩擦面积。上、下盘阀均采用硬质合金的制造材料或表面喷涂高耐磨性材料。③稳定平台控制轴使扭矩与负载相匹配。为了提高稳定平台控制轴的驱动扭矩,采用了较大涡轮发电机定子反扭矩的设计原理,同时尽量降低工作液控制分配单元上、下盘阀之间的摩擦扭矩,减小控制轴的转动惯量,降低负的摩擦扭矩。
4 结 论
(1)研制完成了国内第一台具有自主知识产权的旋转导向钻井工具功能样机。旋转导向钻井工具的结构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;指出了该工具研制过程中遇到的3大设计难点并提出了解决方法;在油田进行了功能试验。
(2)旋转导向钻井工具的基本功能有导向、稳斜或不导向2种。该功能的实现需要进行钻井技术信息传输,即通过该工具的测试单元、短程通讯和MWD、地面智能处理综合决策系统进行通信,形成决策代码;通过泥浆泵排量载波下传信息指令,工具测试单元进行接收、处理;通过稳定平台控制轴实施工具面角的调整,改变偏置执行机构推靠井壁的方向来实现。
参考文献
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究[J].石油机械,2002,30(3):7Ο9.
(收稿日期2005Ο01Ο07 改回日期2005Ο04Ο04 编辑 黄小娟)
自动旋转导向钻井工具结构原理及特点 [摘要] 自动旋转导向钻井工具弥补了滑动式导向钻井工具在定向井钻井,特别是在大位移井及长距离水平井的使用中暴露的缺点与不足。浅显分析国内外在定向钻井工具技术差距,从结构原理和特点上出发阐述了自动旋转导向向钻井工具的。 [关键词] 自动旋转导向钻井工具 一.前言 现有的滑动式导向钻井工具在定向钻井,特别是在大位移井及长距离水平井的使用中暴露出不少缺点与不足。自动旋转导向钻井工具可以弥补这些缺点,是目前定向钻井工具发展的一个热点及方向。笔者据此介绍美国三家公司的自动旋转导向钻井工具的结构原理及特点。针对现有定向钻井工具的缺点和不足,浅析今后旋转导向钻井工具结构设计的发展趋势。 迄今为止,定向钻井技术经历了三个里程碑:①利用造斜器(斜向器)定向钻井; ②利用井下马达配合弯接头定向钻井(造斜率是弯接头弯角、井下马达刚度和地层岩石硬度的函数);③利用导向马达(弯壳体井下马达)定向钻井(弯角点离钻头的距离近得多,因此产生的造斜率大)。 目前这三种定向钻井工具在世界各地被广泛使用,并促进了定向钻井技术的快速发展,使得今天人们能够应用斜井、丛式井、水平井技术开发油田。 二.目前国内定向钻井工具现状 随着石油工业的发展,为了获得更好的经济效益,需要开发深井、超深井、大位移井和长距离水平井,而且常常要在更复杂的地层,如高陡构造带钻井。这些都对定向钻井工具提出了更高的要求。目前以井下马达为主的定向钻井工具已不能满足现代钻井技术的要求,主要存在以下缺点和不足: (1)利用井下马达导向时是滑动钻进,钻柱弯曲比旋转钻进时严重,井壁与钻柱间的轴向摩擦力大,使钻压很难加在钻头上。在大延伸井和水平井中这一情况更严重,在极端情况下会造成钻柱屈服,因此它限制了水平井和大斜度井的深度。 (2)在地面对井下马达进行扭方位操作时,旋转摩擦、钻头扭矩、钻杆的扭转弹性变形等都妨碍了工具面的控制,从而影响井下马达在大斜度井和水平井中的使用。 (3)在导向钻进时,钻柱的扭转弹性变形会引起工具面角不稳定,从而导致井眼轨迹扭曲,进一步加大钻柱受到的摩擦力,同样限制了钻井深度。
第26卷 第5期2005年9月 石油学报 AC TA PETROL EI SIN ICA Vol.26 No.5Sept. 2005 基金项目:国家高技术研究发展计划(863)“旋转导向钻井系统关键技术研究” (2003AA602013)和中国石油化工集团公司重大攻关项目(J P01005)联合资助。 作者简介:闫文辉,男,1965年9月生,1999年获西安石油学院硕士学位,现为西安石油大学副教授,硕士生导师,主要从事石油机械设计及设备 检测与故障诊断方面的教学和科研工作。E 2mail :ywh369@https://www.doczj.com/doc/1c12882527.html, 文章编号:0253Ο2697(2005)05Ο0094Ο04 旋转导向钻井工具的研制原理 闫文辉 彭 勇 张绍槐 (西安石油大学机械工程学院 陕西西安 710065) 摘要: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。 关键词:旋转导向钻井工具;测试元件;导向控制;井眼参数;随钻测量中图分类号:TE82 文献标识码:A Mechanism of rotary steering drilling tool YAN Wen 2hui PEN G Y ong ZHAN G Shao 2huai (College of Mechanical Engineering ,X i πan S hi you Universit y ,X i πan 710065,China ) Abstract :The working principle and structure of a rotary steering drilling tool are introduced.The main technical properties of the tool are described.The tool mainly includes three parts :①unit of stabilization platform ;②unit for controlling and assigning work 2ing liquid ;③unit of Push 2the 2Bit working structure.The wellbore data can be transmitted to measurement while drilling (MWD )u 2nit f rom the test component in the tool through a short distance communication component and then transmitted to the instrument on ground by MWD unit.At the same time ,the receiver in the component receives the instruction f rom the instrument on ground ,and then control the high 2pressure hole located on the upper plate hose by controlling and assigning working liquid with a controller in the stabilization platform unit.The unit for controlling and assigning working liquid takes the filtered mud as the working liquid distribu 2ted in three mud pipes in turn.The mud provides the “pad ”with a motive force and maintains the direction of the join force on the position in accord with the high 2pressure hole on the upper valve all the time.Thus there will form a side force near the bit flapping the wall of the well.The adjustment of the size and direction of the side force acted on the wall and the flapping f requency could di 2rectly control the steering state of the drilling tool. K ey w ords :rotary steering drilling tool ;measurement unit ;steering control ;wellbore data ;measurement while drilling 旋转导向钻井技术是20世纪90年代初发展起来的一项自动化钻井新技术。国外钻井实践证明,在水平井、大位移井、大斜度井、三维多目标井中推广应用旋转导向钻井技术,既提高了钻井速度、减少了事故,也降低了钻井成本。国外目前主要有3种不同类型的旋转导向钻井系统,即:Auto Trak 旋转闭环钻井系统、Power Drive 调制式全旋转导向钻井系统和Geo 2Pilot 旋转导向自动钻井系统[1～8]。国内学者也对该 技术进行了介绍并开展了相关的研究工作[9～14]。胜利石油管理局与西安石油大学联合,研制和开发了具有自主知识产权的旋转导向钻井系统。该旋转导向钻 井技术主要包括井下旋转自动导向钻井系统、地面监控系统以及将上述两部分相结合的双向通讯技术[15]。笔者主要对井下旋转自动导向钻井系统中的旋转导向钻井工具进行了介绍。 1 旋转导向钻井工具工作原理 旋转导向钻井工具的最基本功能有2种:①导向功能;②稳斜或不导向功能。导向功能是指当需要向某一个井斜、方位导向时,可由稳定平台通过控制轴将上盘阀高压孔的中心即工具面角调整到与所需导向的井斜、方位相反的位置上,这时钻具沿所需的井斜及方位进行
Φ178旋转导向钻井工具机械结构设计 摘要:旋转导向钻井技术是石油工业工程技术领域的关键技术之一，得到了石油钻井工程界的极大关注，发挥着越来越重要的作用，主要应用于水平井、大位移井、超深井、三维多目标井等复杂结构的井作业。本文综述了旋转导向钻井工具的国内外现状，闸明了在我国发展旋转导向钻井技术的重要性和必要性，介绍了它的工作原理及结构组成，指出了研制该工具的主要技术特点。调制式旋转导向钻井工具的导向执行机构是靠内外泥浆液压力差驱动的原理来实现的，这是旋转导向钻井工具能否正常工作的关键。所以，对其液压盘阀分配系统进行分析计算，及其在井下不同工况下所受的力进行分析计算。分析了旋转导向钻井系统的井下钻井工具系的偏置方式和导向方式，完成了导向执行机构机械部分的设计。 关键词:旋转导向钻井工具；机械结构设计；压力差；
Φ178 Rotary Steerable Drilling Tool Mechanical Structure Design Abstract:In many oil industry engineering filed key technologies,rotary steerable drilling technology is one that has been paid much attention to in recent years and exhibits more and more importance in oil drilling industry, mainly used in horizontal well,extended reach well,ultra-deep well ,3D multi-target well the complex structure of multi-lateral wells in wells operating. This paper reviews the domestic and international drilling tool status, illustrates the development of rotary steerable drilling technology of the importance and necessity to introduce the working principle and its composition, that the development of the main technical features of the tool. Modulated rotary steerable drilling tool driven by the executing agency is the pressure difference between inside and outside the mud fluid-driven principles to achieve, which is whether the drilling tool to work the key. Therefore,its hydraulic disc distribution system analysis and calculation, and its different working conditions in underground analyzing and calculating the force. Analysis of downhole rotary steerable drilling tool drilling system orientation bias way. Complete guide the design of mechanical parts of the implementing agencies. Key words: Rotary steering drilling tool；Mechanical parts design；Pressure difference
万方数据
万方数据
第２１卷第２期陈红新等：适用于旋转导向钻井工具的非接触式电能传输方法１１５ Ｌ面ｄｉ十虿１，ｉｄ￡＋ｉ（￡）Ｒ—Ｖｏ（６）求解得 ｉ＝皂ｓｉｎ（叫ｔ）ｅ－÷（７） ６Ｕ』一 由式（７）可知，减小回路的电感对提高发射电流有着特别重要的意义。在设计时，发射线圈采用扁带线，以减小电感【４Ｊ。 在理论分析和计算的基础上，采用罗果夫斯基线圈【４’５］对发射线圈中的电流进行了测量。罗果夫斯基线圈的结构如图７所示，传输被测电流的导体从线圈中心穿过，设电流传输导线与罗果夫斯基线圈每匝中心的距离为ｒ，被测电流为ｉ（￡），则穿过线圈每匝的磁感应强度Ｂ，为 Ｂ，＝／ｚｉ（￡）／（２丌，．）（８） 图７用罗果夫斯墨线圈测量发射电流 感应电压乱（￡）与Ｂ，的关系为 “（￡）一，ｚＳ挚（９）根据式（８）可推出 础）＝筹掣ｔｉｔ＝Ｍ警（１０） Ｚ丁ｃｒａ￡ 式（１０）中，２为线圈匝数；Ｓ为每匝线圈的面积；Ｍ＝ｐｎＳ／（２ｒｔｒ）。 式（１０）中，示波器测出的电压配（￡）与被测电流ｉ（￡）的导数成正比，为了得到Ｕ（￡）与ｉ（￡）的正比关系，在电路中设置了Ｒ、Ｃ积分电路。当电缆的波阻抗Ｚ远远大于罗果夫斯基线圈的感抗∞Ｌ时，可略去测量线圈的内压降，认为Ｕ（￡）全部降落在Ｚ上。另外，通过对积分电路中Ｒ、Ｃ的选择可使Ｒ》１／（ｃＪＣ，因而可认为通过Ｃ的电流ｉｃ（￡）≈“（￡）／Ｒ，故Ｃ上的电压“ｃ（￡）为 “ｔ）一钟幽）一志弘ｍ 一志『Ｍ警一拦ｍ，…， 测量过程中需要消除强磁场在电缆外皮中产生的噪声电流而引起的共模干扰，这种噪声电流引起的电压降将耦合到被测信号上。干扰信号的大小与电缆的耦合阻抗有关，即 Ｚ—ＶＮ／ｔＮ（１２）式（１２）中，Ｖ。为噪声电压，ＪＮ为噪声电流。为消除干扰，采取了如下措施：采用双屏蔽电缆，减小感生电流和耦合阻抗；缩短接地回路，消除地电位升高而造成的影响。采用以上措施后获得良好的效果，对比情况如图８和图９所示。 ８ ４ －４ －８ 八八／＼八 ．Ｖ１Ｖ２Ｖ卜“Ｉ 图８采取抗干扰措施后的测试结果 图９未采取抗干扰措施的测试结果 ４结束语 针对导向钻井工具的特点，设计了一种适合于旋转件与非旋转件之间的非接触式电能发射系统。采用单片机、驱动电路、脉冲变压器、脉冲电容器等小体积、高电压、大电流器件，制作了高能量密度的电能发射装置，通过慢充电、快放电方式在发射线圈上产生冲击大电流。在理论分析和计算的基础上，采用罗果夫斯基线圈对发射电流进行了测量，测量过程中采用了良好的屏蔽和接地等噪声抑制措施，得到了满意的结果，发射线圈上的实测电流峰值为８ｋＡ。研究结果表明，包括发射线圈在内的电能发射电路的Ｒ、Ｌ、Ｃ等参数对发射电流的影响 （下转第１１９页） 万方数据
φ178旋转导向钻井工具设计及控制轴的动力学分析 摘要：旋转导向钻井技术是现代导向钻井技术的发展方向，主要应用于大位移井、多分支井等复杂结构的井作业。本文综述了旋转导向钻井工具的国外现状，阐明了在我国发展旋转导向钻井技术的重要性和必要性，介绍了它的工作原理及结构组成 ,指出了研制该工具的主要技术特点。调制式旋转导向钻井工具的导向执行机构是靠外泥浆液压力差驱动的原理来实现的，这是旋转导向钻井工具能否正常工作的关键。所以，对其液压盘阀分配系统和控制轴进行分析计算，及其在井下不同工况下所受的力进行分析计算。分析了旋转导向钻井系统的井下钻井工具系统的测控方式，偏置方式和导向方式。完成了导向执行机构机械部分的设计，最后，对控制轴进行了动力学分析，并对工具进行了经济型评价和总结。 关键词：旋转导向钻井；设计；动力学分析
Design and Control of the Dynamic Analysis of Shaft of 178 mm Diameter Rotary Steerable Drilling Tool Abstract Rotary steerable drilling technology is the development of modern drilling technology-oriented direction, mainly used in extended reach well, the complex structure of multi-lateral wells in wells operating. This paper reviews the domestic and international drilling tool status, illustrates the development of rotary steerable drilling technology of the importance and necessity to introduce the working principle and its composition, that the development of the main technical features of the tool. Modulated rotary steerable drilling tool driven by the executing agency is the pressure difference between inside and outside the mud fluid-driven principles to achieve, which is whether the drilling tool to work the key. Therefore,its hydraulic disc distribution system and control valve axis analysis and calculation, and its different working conditions in underground analyzing and calculating the force. Analysis of downhole rotary steerable drilling tool drilling system monitoring and control system mode, manner and orientation bias way. Complete guide the design of mechanical parts of the implementing agencies, and finally, axis of the dynamic analysis of the control, and the tools of the economic evaluation and summary. Keywords Rotary Steerable Drilling; Design; Dynamic Analysis
旋转导向钻井技术介绍 引言 近十几年来，水平井、大位移井、多分支井等复杂结构井和“海油陆采”的迅速发展。为了节约开发成本和提高石油产量，对那些受地理位置限制或开发后期的油田，通常通过开发深井、超深井、大位移井和长距离水平井来实现，进而造成复杂结构的井不断增多。目前通行的滑动钻井技术已经不能满足现代钻井的需要。于是，自20世纪80年代后期，国际上开始加强对旋转导向钻井技术的研究；到90年代初期，旋转导向钻井技术已呈现商业化。国外钻井实践证明，在水平井、大位移井、大斜度井、三维多目标井中推广应用旋转导向钻井技术，既提高了钻井速度，也减少了钻井事故，从而降低了钻井成本。旋转导向钻井技术是现代导向钻井技术的发展方向。 旋转导向钻井技术 旋转导向钻井法是在用转盘旋转钻柱钻井时随钻实时完成导向功能。钻进时的摩阻与扭阻小、钻速高、钻头进尺多、钻井时效高、建井周期短、井身轨迹平滑易调控。此外，其极限井深可达15 km，钻井成本低。旋转导向钻井技术的核心是旋转自动导向钻井统，如图1所示。它主要由地面监控系统、地面与井下双向传输通讯系统和井下旋转自动导向钻井系统3部分组成。 1、地面监控系统 旋转导向钻井系统的地面监控系统包括信号接收和传输子系统及地面计算存储分析模拟系统，有的还具有智能决策支持系统。旋转导向钻井系统的主要功能通过闭环信息流监视并随钻调控井身轨迹，其关键技术是从地面发送到井下的下行控制指令系统。 2、地面与井下双向传输通讯系统 目前已提出的信号传输方式有4种，即钻井液脉冲、绝缘导线、电磁波和声波。通过比较分析，笔者发现这4种传输方式各有优缺点和应用局限，如表1所示。
3、井下旋转自动导向钻井系统 井下旋转自动导向钻井系统是旋转自动导向系统的核心，它主要由3部分构成，即测量系统、导向机构、CPU和控制系统。 （1）测量系统测量系统主要用于监测井眼轨迹的井斜、方位及地层情况等基本参数，使钻井过程中井下地质参数、钻井参数和井眼参数能够实时测量、传输、分析和控制。它经历了随钻测量(MWD)、随钻测井(LWD)、随钻地震(SWD)、随钻地层评价测试技术(FEMWD)和地质导向技术(GST)几个阶段。 （2）导向机构导向机构代表了目前导向技术的先进水平。按原理不同，导向机构原理可分为: ①导向力原理。推力式（或称偏置式）旋转导向工具和指向式旋转导向工具。推力式旋转导向工具是通过侧向力推靠钻头来改变钻头的井斜和方位。而指向式旋转导向工具是预先定向给钻头一个角位移，通过为钻头提供一个与井眼轴线不一致的倾角来使钻头定向造斜。 ②控制原理。可变径稳定器式旋转导向工具和调制式旋转导向工具。前者是先通过电磁阀调节在伸缩块上的液压，以使导向力矢量满足所需导向目标；再通过定向控制系统进行方位与井斜的控制（图2）。而后者是通过调节涡轮发电机负载电流改变涡轮发电机绕组回路阻抗，以使携带高强度永磁铁的涡轮叶片与稳定平台内的扭矩线圈耦合产生不同的电磁转矩和加速度，进而使旋转换向阀保持一个相对于井壁的固定角度，即工具面角，最终实现控制轴在受控状态下的运动状态改变（图3）。 ③套筒旋转与否原理。全旋转导向工具和不旋转套筒旋转导向工具。全旋转导向工具与井壁动态接触，其旋转控制阀在垂直井段随钻柱一起旋转。不旋转套筒旋转导向工具与井壁静态接触，其外套不随钻柱旋转。
本科毕业设计（论文）开题报告 题目：φ178旋转导向钻井工具设计 及控制轴动力学分析 学生： 院（系）：机械工程学院
专业班级： 指导教师： 完成时间：2011 年 3 月8 日
造斜率由工具本身确定，不受钻进地层岩性的影响，在软地层及不均质地层中效果明显，缺点是钻柱承受高强度的交变应力，钻柱容易发生疲劳破坏。另外，高精度加工是保证这种系统导向效果的关键。 2.1.2AutoTrak旋转导向钻井系统 AutoTrak系统是一套集钻进和随钻测量为一体的定向钻井系统，能够在旋转钻井过程向造斜钻进，主要是因为它有一个独特的非旋转可调扶正器滑套，此扶正器滑套并非真的不旋转，只是相对钻头驱动轴而言它几乎是不旋转，因此在旋转钻进过程中，此扶正器滑套可以保持一种相对静止的状态，从而保证钻头沿着某一特定的方向钻进．非旋转扶正器滑套有元件：近钻头井斜传感器、电子控制元件、液压控制阀和活塞，见图1．通过液压可推动活塞分别对3 个稳定块施加不同的压力，其合力就使钻具沿某一特定方向偏移，从而在钻进过程中使钻头产生1 个侧向力，保证钻头沿这一方向定向钻进． 图1 AutoTrak部结构 2.1.3 Power Drive旋转导向钻井系统 斯伦贝谢公司的旋转导向系统主要是指PowerDrive系统，包括PowerDrive X5110 、PowerDrive X5900 、PowerDrive X5 、PowerDrive X5675 、PowerDrive X5475 、PowerDrive Xceed 900、Power vorteX ，除了Power vorteX 是动力式旋转导向系统外，其他均为全旋转式旋转导向系统，PowerDrive X5 系列旋转导向工具可通过PowerPulse 和TeleScope工具实时测量井下数据，测量近钻头地层状态、钻头振动情况和钻头转速，利用近钻头伽马射线显示地质和井眼成像，自动纠斜。它适用的井眼尺寸为5.25～26 in ，可用常规钻井液，最高耐温150 ℃，流量围480 ～1900 gpm ，最高耐压20000 psi ，其中，PowerDrive X51100 型最大转速200 r／min ，最大造斜率3°／100 f t ，PowerDrive X5475 型最大转速250 r／min ，最大造斜率
Welleader?旋转导向钻井系统 COSL的Welleader?旋转导向钻井系统可以在钻柱旋转同时实现井眼轨迹的自动控制。系统通过精准的导向力矢量控制实现钻头姿态的快速响应，具有高精度近钻头井斜角及工具面角测量能力，能够实现井斜自动闭环控制，可适应复杂地层条件及钻井条件，完成定向井，复杂三维轨迹定向井、大位移井等的钻井作业，井眼轨迹控制能力强，井身质量好。该系统可与COSL的Drilog?随钻测井系统组合实现精准的地质导向钻井。 n? 旋转定向钻井 Welleader?旋转导向钻井系统在钻具旋 转钻进过程中实现精确导向控制，扭矩、 摩阻小、钻出井眼平滑、建井周期短， 可有效降低钻井施工成本。 n? 地面实时控制 通过程控分流装置CDL，可将地面控制 指令下传到井下。Welleader?通过检测 泥浆排量的变化解析指令并执行。指令 下传可在钻进过程中进行，不影响钻井 时效。 n? 精确闭环控制 Welleader?系统的导向单元通过电机泵 液压系统驱动，闭环控制三个导向翼肋 的导向力，形成稳定的导向合力的大小 和方向。定向钻进过程中，导向数据和 仪器状态可通过MWD实时上传，定向 井工程师可根据需要实时下传指令，控 制井眼轨迹。
n? 近钻头测量 Welleader?近钻头测量模块位于钻头后1.3m以内(675规格仪器为1.1m)，可在第一时 间得到仪器姿态和近钻头钻头井斜，为导向控制提供精确导航。 n? 多种控制模式 Welleader?支持导向模式、扶正器模式、稳斜模式等多种控制方式，除可通过设定导向 力方向和大小灵活调整井斜和方位，还可设定目标井斜控制钻头自动稳斜钻进。 n? 涡轮发电机供电 Welleader?自带大功率涡轮发电机，为导向控制单元提供稳定电源。发电机涡轮可根据 现场情况选配，适用多种排量范围。 n? 强大轨迹控制能力 Welleader?的稳定轨迹控制能力已先后在新疆、东北、华北、渤海等不同地质环境的实 际钻井中得到验证，其系列规格仪器可适用于8.5″和12.25″井眼，实钻30m控制狗 腿度可达6.5°。 n? 实时地质导向 Welleader?可与Drilog?无缝衔接，地质工程师可第一时间获得随钻测井数据，可实时决 策，优化调整井眼轨迹，以实现精确着陆和层中钻进。 仪器规格 675系列 950系列 仪器外径 178mm 244mm 仪器总长 8.03 m 10.24 m 适应井眼 215.9mm（8--‐1/2″） 标准 311mm（12--‐1/4″）标准 造斜率 0～6.5° 0～6° 连接扣型 上部：5--‐1/2″API I F. B ox 下部：4--‐1/2″API R eg.Box 上部：6--‐5/8″API R eg. B ox 下部：6--‐5/8″API R eg. B ox 适应排量 1500～2400 L/min 2200～5600 L/min 最大转速 160 r pm 最大扭矩 20 k Nm 45 k Nm 最大钻压 20 t 35 t 最高工作温度 150 ℃ 最高工作压力 20000 p si 最高振动 20 g rms(5Hz～1 k Hz) 最高冲击 500 g@1ms 半正弦 井斜 量程0～180°；精度±0.1°（井斜大于5°） 近钻头测量 距钻头距离 1.1 m 1.3 m
旋转导向钻井技术及Power-V导向系统介绍 摘要：旋转导向钻井技术主要指井眼轨迹自动控制的闭环自动钻井技术，是20世纪90年代初期发展起来的一项钻井新技术，代表着当今国际钻井技术的最新发展方向，对超深井、超薄油层水平井、大位移井、分支水平井等轨迹控制具有独特效果。本文分析了旋转导向钻井系统的技术特点，介绍了国内外旋转导向钻井系统的发展、应用情况。并详细介绍了斯伦贝谢公司旋转导向系统Power-V的组成和工作原理。 1.概述 所谓旋转导向钻井，是指钻柱在旋转钻进过程中实现过去只有传统泥浆马达才能实现的准确增斜、稳斜、降斜或者纠方位功能。旋转导向钻井技术的核心是旋转导向钻井系统，如图1所示。它主要由井下旋转自动导向钻井系统、地面监控系统和将上述2部分联系在一起的双向通讯技术3部分组成。旋转导向钻井系统的核心是井下旋转导向工具，旋转导向钻井系统主要由以下几部分组成： ①测量系统:包括近钻头井斜测量、地层评价测量，MWD/LWD随钻测量仪器等，用于监测井眼轨迹的井斜、方位及地层情况等基本参数。 ②控制系统:接收测量系统的信息或对地面的控制指令进行处理，并根据预置的控制软件和程序，控制偏置导向机构的动作。 图1 旋转自动导向钻井系统功能框图 2.旋转导向钻井技术的特点 旋转导向钻井技术与传统的滑动导向方式相比有如下突出特点： ①旋转导向代替了传统的滑动钻进：一方面大大提高了钻井速度，另一方面
解决了滑动导向方式带来的诸如井身质量差、井眼净化效果差及极限位移限制等缺点，从而大大提高了钻井安全性，解决了大位移井的导向问题； ②具有不必起下钻自动调整钻具导向性能的能力，大大提高了钻井效率和井眼轨迹控制的灵活性，可满足高难特殊工艺井的导向钻井需要； ③具有井下闭环自动导向的能力，结合地质导向技术使用，使井眼轨迹控制精度大大提高。 旋转导向钻井技术的上述特点，使其可以大大提高油气开发能力和开发效率，降低钻井成本和开发成本，满足了油气勘探开发形势的需要。 3．国内外旋转导向钻井系统发展应用情况 目前，国外旋转自动导向钻井系统研究、应用成熟的有3种（如图2）：Baker Hughes Inteq公司的Auto Trak系统，Halliburton Sperry-sun公司的Geo-Pilot 系统，以及Schlumberger Anadrill公司的Power Drive系统。其中，旋转导向钻井系统形成了两大发展方向：一、不旋转外筒式闭环自动导向钻井系统: Auto Trak 和Geo-Pilot；二、全旋转自动导向钻井统:Power Drive。 图2 国外3种旋转导向工具原理图 3.1 Auto Trak旋转导向钻井系统 Baker Hughes Inteq在1997年推出的Auto Trak。截止到2000年上半年，该系统已下井575次，井下工作时间累计7万小时，总进尺100万米。其6 3/4“系统创下了单次下井工作时间92h，进尺2986m的世界纪录，8 1/4”系统创下了单次下井工作时间167h，进尺3620m的世界纪录。
导向钻井技术 一概述 1．定义 钻井技术发展的新阶段是自动化钻井。所谓自动化钻井就是钻井的全部过程依靠传感器测量各种参数，并用计算机采集，进行综合解释与处理，然后再发出指令，最后由各相关设备自动执行，使整个钻井过程变成一个无人操作的自动控制过程。 自动化钻井的全过程分六个环节： (1)地面实时测量主要用综合录井仪。 (2)井下随钻测量目前主要用MWD/LWD/FEWD等。 (3)数据实时采集由相关计算机（井下或地面）完成。 (4)数据综合解释并发出指令应用人工智能优化钻井措施。 (5)地面操作自动化地面操作自动化（铁钻工/自动排管机） (6)井下操作自动控制钻头自动导向（轨迹自动控制）。 以上六个环节中，井下随钻测量和井下自动控制是关键环节，同时也是关键技术，二者结合起来实际上是井眼轨迹自动控制技术（即自动导向钻井技术）（AutoTrak自动跟踪/ClosedLoopSteeringDrilling 闭环钻井）。
导向钻井实际就是井眼轨迹控制问题，无论是常规直井或特殊工艺井，都需要井眼轨迹控制。直井需要防斜打直，定向井需要按设计井眼轨道控制钻头钻进的轨迹。传统的导向钻井（即井眼轨迹控制）是由井下导向工具配以适当的钻井参数来实现的，自动导向钻井是由井下计算机根据随钻采集的参数自动控制导向工具来实现的。 2．发展沿革 自动导向钻井技术是钻井工程领域的高新技术，代表着世界最先进的钻井技术发展方向。目前，在世界范围内水平井、大位移井、分支井等高难度的复杂井正蓬勃发展，常规钻井技术难以适应需要，必 须依靠先进的导向技术才能保证井眼轨迹的准确无误。
迄今为止，定向钻井技术经历了三个里程碑：(1)利用造斜器(斜向器)定向钻井；(2)利用井下马达配合弯接头定向钻井；(3)利用导向马达(弯壳体井下马达)定向钻井。这三种定向钻井工具的广泛使用，促进了定向钻井技术的快速发展，使得今天人们能够应用斜井、丛式井、水平井、水平分支井技术开发油田。 随着石油工业的发展，为了获得更好的经济效益，需要钻深井、超深井、大位移井和长距离水平井，而且常常要在更复杂的地层如高陡构造带钻井。这些都对定向钻井工具提出了更高的要求。 为了克服滑动导向技术的不足，从20世纪80年代后期，国际上开始研究旋转导向钻井技术，到20世纪90年代初期多家公司形成了商业化技术。旋转导向钻井系统实质上是一个井下闭环变径稳定器与测量传输仪器（MWD/LWD）联合组成的工具系统。它完全抛开了滑动导向方式，而以旋转导向钻进方式，自动、灵活地调整井斜和方位，大大提高了钻井速度和钻井安全性，轨迹控制精度也非常高，非常适