旋转导向工具设计及其旋转导向机理研究

1、1998年8月西北大学学报(自然科学版 A ug. 1998第28卷第4期Jo urnal of N or thw est U niv ersity (N atur al Science Editio n V ol. 28No. 4旋转导向工具设计及其旋转导向机理研究狄勤丰1 张绍槐2 周凤岐1 薄珉3(1 西北工业大学航天与宇航技术博士后流动站, 710072, 西安; 2 西安石油学院石油工程系, 710065, 西安;3 辽河油田钻井处, 124040, 辽宁盘锦; 第一作者, 35岁, 博士后摘要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。结果表明, 这种

2、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。关键词旋转导向; 钻井工程; 轨迹控制; 导向力; 导向机理分类号TE242大位移井由于其独特的优点和技术难度, 已成为代表当今石油工业的热点之一。在大位移井钻井技术中, 导向钻井技术具有举足轻重的作用1, 4, 5。随着位移和井深的不断增加, 旋转导向技术的作用越来越明显。大位移井的关键问题是摩阻、扭矩过大, 井眼净化困难, 只有通过旋转钻柱才能解决这些问题, 因而大位移井的井眼轨迹控制必须采用旋转导向技术。但是由于钻柱旋转, 给导向功能的实现带来了很大困难15。目前, 国内外许多公司或研究机构都以大量的

3、投入进行这方面的研究工作。本文提出一种配几何导向的旋转导向钻井系统方案RSDS(Ro tary Steering Drilling System , 并研究其导向机理。1旋转导向系统RSDS 的总体设计旋转导向工具首先要能满足在旋转状态条件下实现导向功能的要求, 同时要能适应钻井工程特有的恶劣工作环境。后者决定了导向工具的设计应尽量减少易损元件的使用, 力求结构简单, 最大幅度地 提高系统的可靠性。因而在设计旋转导向工具时必须尽可能地减少使用可能导致旋转导向工具发生故图1旋转导向系统的结构简图Fig. 1T he Schematic Diag ram of the Ro tar y Steer

4、 ing Sy stem 国家自然科学基金资助项目(N o. 59474003第一作者亦为西安石油学院副教授300西北大学学报(自然科学版 第28卷障的元件。在参考文献1中, 我们设计了如图1所示的旋转导向系统RSDS, 其主要由地面监控系统、其中旋转导向钻具组合是旋转导向系统的核心, 主要由旋转导向M WD 系统和井下旋转导向组合组成。工具、近钻头测量系统和控制系统组成。近钻头测量系统的任务是实时测量近钻头处的井眼轨迹参数, 为旋转导向提供基础依据。控制系统的任务是根据设计轨迹的要求和实际井眼轨迹, 控制旋转导向工具的工作状态, 使钻头沿着要求的空间轨迹钻进。图1中, M WD 系统安装在无

5、磁钻铤内部。专用柔性钻铤也是由无磁材料制成, 是刚性较低、柔性较好的特殊钻铤。使用柔性钻铤的目的是为了减少上部钻具对旋转导向钻具组合的限制, 从而使导向工具能充分发挥其导向能力。利用柔性钻铤, 可使旋转导向钻具组合在井下保持有较好的刚性结构(弹性变形较小 。另一方面, 与近钻头扶正器配合, 可保证钻头空间姿态测量系统尽可能地测得井眼轴线的空间位置参数。此外, 如图1所示的底部钻具组合, 是一典型的稳斜钻具组合, 这种结构上的安排能使BHA 在非导向工作状态时具有较好的稳斜效果。旋转导向钻具组合的结构长度一般在4m 5m 范围内。在旋转导向钻具组合内部同心安装有一密闭压力室, 通过对压力室的旋转

6、方向的控制, 就可实现对控制轴的运动的控制, 继而实现对旋转导向钻具组合的受力控制。近钻头空间姿态测量系统就装在该压力室内, 利用该系统, 可在旋转状态条件下测出钻头处的井斜角、方位角以及导向工具的工具面角5。2旋转导向工具的结构及工作原理实现旋转导向技术的关键是如何在钻柱旋转过程中进行侧向力大小和方向的有效控制, 并且具有很好的可靠性, 因而旋转导向技术的核心就是研究旋转导向工具的结构及其工作原理。经过对现行各种导向工具的工作原理及使用特点的充分研究, 并参考文献1, 提出了一可调节式旋转导向工具, 其结构见图2。其主要由3个伸缩翼肋以及控制3个翼肋伸缩的控制阀组成。伸缩翼肋的伸缩由钻井液提

7、供动力, 并由控制阀分配。控制阀的结构见图3, 它实为一盘阀系统, 由上下两部分组成。 上盘阀由控制轴带图2可调节式旋转导向工具示意图图3控制阀结构示意图V第4期狄勤丰等:旋转导向工具设计及其旋转导向机理研究301动。上盘阀上有3个孔, 其中之一与空心控制轴相通, 称为高压阀孔, 其余两个与低压室相通, 称为低压阀孔。高压阀孔做成如图所示弧形长孔形状, 目的是为了使高压钻井液作用在翼肋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。钻井液通过控制轴上的带筛孔的元件进入控制轴再流向上盘高压阀孔。下盘与导向工具轴体相固联, 上面有3个直径相同的圆孔, 圆孔下的通道通向伸缩翼肋的活塞室。3个

8、圆孔之间的相位相差120°。当导向工具处于工作状态时, 控制轴中的流体进入开关打开, 钻井液由筛孔通向上盘高压孔眼。下盘随钻头一起同步旋转, 当其中的一个孔眼与上盘高压孔眼位于同一轴线上时(两孔相接 , 与之相连的伸缩机构被高压钻井液推动, 活塞外推, 翼肋与井壁接触, 并给井壁施加一作用力。该作用力的方向则由上盘高压孔眼的位置确定。当上盘高压孔眼在控制机构作用下处于井眼高边方向上时, 该作用力方向就沿井眼高边方向, 井壁对它的反作用力就指向井眼低边。此时, 导向工具就处于全力降斜状态。当上盘高压孔眼在控制机构作用下处于井眼低边方向上时, 该作用力方向就指向井眼低边方向, 井壁的反作

9、用力就指向井眼高边。此时, 导向工具就处于全力增斜状态。当上盘高压孔眼在控制机构作用下处于90°相位时, 导向工具就处于90°降方位状态。当上盘高压孔眼在控制机构作用下处于270°相位时, 则导向工具就处于90°增方位状态。研究表明, 对于旋转导向系统RSDS 来讲, 90°扭方位状态实际上也是全力扭方位状态。在钻头每一转过程中, 下盘孔眼都与上盘高压阀孔相通一次, 与之相接的伸缩块伸缩一次。相通时, 伸缩块伸出; 不相通时, 下盘阀孔就与上盘阀的低压孔相通, 伸缩机构活塞腔内的压力卸压, 伸缩块在复位弹簧的作用下和井壁的推动下回收。低压室与井

10、眼环空相通, 保持环空压力。导向工具在控制阀的控制下实现定向功能, 而伸缩翼肋在随钻头旋转的过程中的有规律受控伸缩则产生一定的控制力。伸缩翼肋对井壁的作用是在钻头每一转的过程中获得动态实现, 并不像静止式导向工具的伸缩翼肋相对井壁的周向位置保持不变, 这正是调节式旋转导向工具的特点所在。3旋转导向工具的导向机理由上面的分析研究可知, 通过对上盘阀的控制, 可实现导向工具面的实时定位和调整。这是实现旋转导向的关键之一。而事实上, 旋转导向的另一个关键问题是如何在旋转导向过程中实现导向工具导向能力的改变。对旋转导向工具的工作特点进行仔细研究后可以发现, 旋转导向工具的工作特点与导弹控制技术中的旋转

11、式(单通道 导弹具有一定的相似性。参考旋转式导弹的控制原理, 可以得到旋转导向工具对导向力大小和方向的调节和控制机理。设导向工具处钻具内外压力分别为P i (钻具内部液体压力 和P 0(环空液体压力 , 伸缩机构的活塞直径为d , 则作用在井壁上的力可由下式求解:2i F 0=4 d (P -P 0 。(1一般情况下, 导向工具的伸缩机构的活塞直径恒定, 翼肋作用力的大小主要取决于导向工具处钻具内外的液体压差。在某一工作井深, 由于钻速一般较慢, 若钻井液压力改变较小, 那么, 井底处钻具内外压差可近似看作定值。此时, 翼肋对井壁的作用力也可近似看作定值。由于导向工具的工作是通过调节3个伸缩翼

12、肋的伸缩来进行的, 因而存在导向工具的合力大小和合力方向的控制问题。合力的大小和方向主要由控制轴来控制。当需要最大导向能力时, 控制轴稳定在一不变的方向, 此时控制阀上盘高压孔方向恒定, 导向工具作用力的合力方向就沿该方向的反方向。在旋转过程中, 每个翼肋依次在该方向与井壁接触。导向工具侧向作用力的合力大小即为每个翼肋与井壁的接触力F 0。在导向过程中, 有时并不需要以最大导向能力方式工作。在这种情况下, 可使控制轴围绕某一平衡方向摆动。合力的大小由摆动幅度决定, 合力的方向则为该平衡方向。当摆动幅度达到某一程度时, 导,302西北大学学报(自然科学版 第28卷述方便, 以后称导向力合力方向为

13、“工具面方向”, 任一瞬时包含控制轴和高压阀孔的平面称为控制面。一般导向状态时导向钻具组合的侧向受力情况见图4。图中的 0为一般导向状态要求的工具面角, 0为控制轴摆动(变化 幅度。从图中可以看出, 控制轴摆动平衡方向为D 方向, 即图中的 F k 矢量方向, 此代表工具面方向。 控制轴摆动一周期(从E 经A 摆到C , 再回摆到E 时导向工具侧向作用力的平均合力F k 的大小F k 为:F k =F 0从式(2 中可看到, 平均合力 F k 的大小F k 取决于 0的值, 随着 0的增加, 平均合力 F k 的大小由F 0逐渐降为零。图5中给出了力F k 随 0的变化曲线。0(0 0 0(2

14、图4造斜导向工具的侧向受力分布及合力矢量图5控制力随 0变化的取值图Fig. 4T he Distribution of Side F or ce and Bias Fo rce V ector Fig. 5T he Co ntro l F or ce and It s Changing Rat es w it h 0因此在一般导向状态, 导向合力的大小调节可采用控制面的摆动来实现, 当摆动幅度 0越大时(最大为 , 合力越小。导向工具的工作状态与导向力大小可概括如下: 0=0, F k =F 0, 最大导向工作状态, 工具面方向由 0决定; 0= ,0< 0< , F k =0,

15、 F k =“中性”工作状态; 0F 0, 一般工作状态, 工具面方向由 0确定。 0由于通过控制轴的摆动可调节导向作用力合力的大小和方向, 这就为利用控制机构根据实际需要来实时控制导向工具的导向能力提供了技术基础5。4结论旋转导向工具是旋转导向钻井系统RSDS 的核心工具, 其决定了旋转导向钻井系统的工作特色和工作能力; 导向工具为一由控制轴控制的水力伺服机构, 3个相位均匀分布的翼肋在钻井液动力作用下, 在要求的方向上依次伸出, 从而使导向工具具有侧向控制力的作用。使翼肋伸缩运动的钻井液动力由控制轴控制的盘阀分配, 盘阀的高压阀孔所在方向的反方向决定了导向力的方向; 通过控制轴(面 的定位

16、和摆动, 既可决定导向力合力的大小, 又可决定导向力合力的方向。这种导向工具的最大优点是, 在控制过程中, 翼肋对井壁的作用力基本不变, 并不需要特殊的控制装置来控制翼肋上作用力的大小; 在翼肋作用力一定的情况下, 导向合力的大小只与控制轴摆动幅度有关。通过改变控制轴的摆动幅度, 可实现不同的导向工作状态, 使导向工具具有需要的导向能力; 以钻井液为驱动动力, 既可以省略其他驱动方式, 又可以使井下控制系统或测量系统等得到很好的冷却。和其他驱动方式相比, 系统第4期狄勤丰等:旋转导向工具设计及其旋转导向机理研究303参考文献1Bar r J . D , Cleg g J . M , R uss

17、ell M . K Steerable Ro tary Dr illing W ith an Exper imental System . SPE 29382, 19942王同良. 国外水平井、大位移井钻井技术新进展. 世界石油工业, 1997, 4(1 :37423P ayne M . L , Cocking D A , Hatch A J. Critical T echno lo gies fo r Success in Ex tended Reach Drilling. SP E 28293, 19944狄勤丰, 张绍槐. 井下闭环钻井系统的研究与开发. 石油钻探技术, 1997, 25

18、(2 :56595狄勤丰. 井下闭环钻井技术的理论研究:学位论文.四川省南充市:西南石油学院国家重点实验室, 1997责任编辑曹大刚The Designing of the Rotary Steering Tooland It s Steering Mechanism1 2 1 3 Di Q infeng Zhang Shao huai Zhou Fengqi Bo M in(1 Colleg e of A str onautics, N o rt hw ester n P olyt echnical U niver sity , 710072, Xi an; 2 Depar tment of

19、 Oil Enginecing , Xi an Pet ro leum Instit ute , 710065, Xi an; 3 Dr illing Depart ment of L iao He Oilfield, 124010, L iaoning P anjing Abstract A rotary steering tool schem e w as developed , and its steering mechanism w as investigated in-tensively in this paper. T he results show that this kind

20、o f steering tool can not only realize the contr ol of the mag nitude and directio n of the bias for ce, but also is sim ple in structure and hig h in reliability. Key words rotary steering ; drilling engineering ; w ell trajector y contr ol ; bias force ; steer ing mechanism 学术动态全国高校自然科学学报评比标准修订研讨会在海南举行1998年2月27日至3月5日, 国家教委科技司委托高校自然科学学报研究会举办的全国高校自然科学学报评比标准修订研讨会在海南大学举行。全国26所大学自然科学学报的负责人应邀出席会议, 西北地区的西北大学、兰州大