第26卷 第5期2005年9月石油学报AC TA PETROL EI SIN ICAVol.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@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:AMechanism of rotary steering drilling toolYAN 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。