新型动态指向式旋转导向钻井工具试验装置设计

旋转导向推力测试装置设计优化
张玉霖;卢涛;贾建波;杨恒灿;菅志军;丁旭东
【期刊名称】《石油机械》
【年(卷),期】2022(50)12
【摘要】为了提高推靠式旋转导向推靠力测量精度,进而提高井眼轨迹控制精度,设计了一套推靠力测试装置。

利用有限元软件对该测试装置进行了受力分析,找出了
影响测量精度的主要原因,并针对性地提出了改进措施,对测试装置进行了结构优化。

对改进后的测试装置进行了受力分析,分析计算结果和试验结果均显示,优化后的结
构很好地消除了干扰,大幅降低了测量误差,达到了精确测量推靠力的目的。

该测试
装置已经大量应用于中海油服自研旋转导向的批量制造之中,成为旋转导向制造过
程中的关键测试设备之一。

研究结果可为提高井眼轨迹控制精度提供重要参考。

【总页数】6页(P40-45)
【作者】张玉霖;卢涛;贾建波;杨恒灿;菅志军;丁旭东
【作者单位】中海油田服务股份有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TE921
【相关文献】
1.旋转导向钻井工具导向力优化设计
2.全自动电能表推力测试装置设计与研究
3.旋转导向钻井导向力测试标定系统设计
4.H_2/Air连续旋转爆震发动机推力测试
(Ⅱ)-双波模态下的推力5.H_2/Air连续旋转爆震发动机推力测试(I)单波模态下的推力
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

本技术为一种指向式旋转导向钻井工具，包括本体外壳，本体外壳上贯通设置中心孔，本体外壳的底端花瓣式连接中空的钻头座；中心孔内设置能轴向移动且能周向转动的导向内筒，导向内筒的底端通过旋转支撑轴摆动连接钻头座，导向内筒上套设能推拉导向内筒沿轴向移动的导向外筒，导向内筒通过轴向移动改变钻头座与本体外壳之间的弯角；导向内筒的顶端设置能驱动导向内筒周向转动的旋转驱动结构，导向内筒通过周向转动改变钻头座的方位，旋转驱动结构包括中空的螺杆输出轴，螺杆输出轴的底端通过连接轴驱动导向内筒周向转动。

该工具能同时调节工具的弯角和方位，自动导向钻井，实现钻进过程中井眼轨迹的控制。

权利要求书1.一种指向式旋转导向钻井工具，包括本体外壳，所述本体外壳上沿轴向贯通设置中心孔，其特征在于，所述本体外壳的底端花瓣式连接中空的钻头座；所述中心孔内设置能轴向移动且能周向转动的导向内筒，所述导向内筒的底端通过中空的旋转支撑轴摆动连接所述钻头座，所述导向内筒上套设能推拉所述导向内筒沿轴向移动的导向外筒，所述导向内筒通过轴向移动改变所述钻头座与所述本体外壳之间的弯角；所述导向内筒的顶端设置能驱动所述导向内筒周向转动的旋转驱动结构，所述导向内筒通过周向转动改变所述钻头座的方位，所述旋转驱动结构包括中空的螺杆输出轴，所述螺杆输出轴的顶端连接能驱动所述螺杆输出轴转动的螺杆马达，所述螺杆输出轴的底端通过中空的连接轴驱动所述导向内筒周向转动；所述螺杆输出轴、所述连接轴、所述导向内筒和所述旋转支撑轴的内腔轴向贯通构成钻井液通道。

2.如权利要求1所述的指向式旋转导向钻井工具，其特征在于，所述本体外壳内还设置能驱动所述导向外筒轴向移动且能调节所述导向内筒转速的调节结构。

3.如权利要求2所述的指向式旋转导向钻井工具，其特征在于，所述导向内筒的底端偏心设置倾斜的支撑块容置槽，所述支撑块容置槽内设置支撑块，所述支撑块内设置第一球形凹槽；所述旋转支撑轴的顶端设置支撑轴球头，所述旋转支撑轴向下延伸穿设于所述钻头座内，所述支撑轴球头能摆动连接于所述第一球形凹槽内以改变所述钻头座与所述本体外壳之间的方位和弯角。

旋转导向工具导向模块部件组成及原理摘要：本文主要对旋转导向钻井工具研发的关键技术之一导向模块的研究情况作了简要介绍，并对目前导向模块的机械设计结构、供电、通讯、控制系统的工作原理、非接触供电部分的试验设计做了详细的说明，确定了存在的技术难点及下一步我们要主攻的研究方向。

关键词：旋转导向工具导向模块非接触供电电磁感应定向控制一、旋转导向结构旋转导向钻井工具由双向通讯系统、MWD随钻测井系统以及导向系统三部分组成。

导向系统是其主要执行机构，是能否实现定向自动控制的重要部件。

导向头设计结构，如图1所示。

图1：导向头结构图导向头从结构上分为旋转轴和不旋转导向外套两大部分。

旋转轴从导向套中间穿过与钻头连接，带动钻头与钻柱一起旋转，导向套与旋转轴之间镶有金刚石耐磨片的硬质合金滑动轴承，以保证相对转动时产生较小的磨损。

三个可伸缩翼肋布置在导向套中，由地面大控制闭环或地下小控制闭环控制其伸缩量以进行方位和井斜的控制。

二、导向头各部件组成与工作原理(一)导向头各部件组成导向头部分由初级电路模块、非接触供电及通讯模块、次级电路及近钻头井斜工具面测量模块、液压模块等组成。

其中初级电路模块、非接触供电的内套部分和中心轴一起旋转，而非接触供电的外套部分、次级电路及近钻头井斜工具面测量模块、液压模块置于不旋转导向套中。

1.初级电路模块包括信号解调电路、信号与能量载波调制电路。

它用于接收上部泥浆发电机向下传递的电能及地面给出的命令信号给出的轨迹井斜方位信号并经过处理后输出。

再通过信号与能量载波调制电路与命令信号、轨迹井斜方位信号进行相应的调制，输出给非接触供电及通讯模块。

2.非接触供电及通讯模块信号与电能的共同传递还会带来信号调制和双向同步传输能量与信号的问题。

信号调制的关键是如何进行优化调制以达到最小的错码率。

双向同时传输的主要问题是在一条通路上如何进行下传150W交流电能的同时上传控制信号。

这些方面都需要进行深入的理论研究及实验。

25旋转导向钻井系统（简称RSS）是指在钻具不停的旋转工况下，能够随时完成对井眼轨迹的调整。

由于旋转导向钻井技术能够很好的解决摩阻扭矩、井眼净化、位移延伸、轨迹控制等难点，所以，被称为钻井工业的一场革命创新。

上个世纪90年代，国际上多家石油服务公司分别研制了各自的旋转导向钻井系统。

目前，已经技术成熟并进行商业化应用的石油技术服务公司主要有：斯伦贝谢、哈里伯顿、贝克、威德福等。

一、旋转导向钻井系统简介1.旋转导向钻井系统构成旋转导向钻井系统的组成如下图1所示。

其主要有图中所标注的四部分组成即地面监控系统、双向通讯系统、随钻测量系统、井下导向工具。

其中井下导向工具是旋转导向钻井系统的最重要组成部分，也是技术上的难点和核心。

旋转导向钻井系统的最主要特点是：旋转导向、实时监控、双向通讯等。

图1　旋转导向钻井系统组成示意图2.旋转导向钻井系统分类旋转导向钻井系统依据导向方式和原理可分为两种：推靠式和指向式。

这两种方式的工作机理都是依靠其各自的偏置机构偏置钻头或钻具，产生导向作用。

其中偏置机构依据工作方式划分为静态式和动态式。

静态偏置式是井下导向工具在旋转钻进中不与钻具一起旋转，而是稳定在某一设计方向上提供导向力；动态偏置式是井下导向工具在旋转钻进中与钻具一起旋转，导向工具在旋转时定时支出向某一设定方向提供导向力。

相对比而言，指向式系统具有造斜能力强、应用范围广等优势，能够满足各种复杂情况。

二、国外最新的旋转导向系统1.斯伦贝谢公司的PowerDrive系统斯伦贝谢初始的PowerDrive系统是全旋转导向，其井下导向工具具有三个支撑导向棱块。

当井下工具开始工作后，地面监控系统通过双向通讯系统向导向工具发送指令需要在某个方向导向时，导向工具每旋转一周三个导向棱块都在该方向的相反方向伸出一次，顶向井壁产生支撑力，使钻头偏向所需固定方向，导向棱块转离该方向后自动收回。

斯伦贝谢公司由最初研发的PowerDrive系列工具，后续发展了指向式的PowerDrive Xceed系列旋转导向工具，近期该公司又发布了新型高造斜率的指向式旋转导向工具（PowerDrive Archer）。