復(fù)合式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具原理與導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)分析*

劉江民,閆文輝，彭 勇,韓薛云

(西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

0 引 言

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)已成為自動(dòng)化、智能化鉆井的高尖端鉆井技術(shù)[1]，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)包括：地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、雙向通訊系統(tǒng)、井下測(cè)量系統(tǒng)、井下控制系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具等，該系統(tǒng)將幾何導(dǎo)向和地質(zhì)導(dǎo)向有效的集成為一體，可以實(shí)時(shí)根據(jù)工程參數(shù)和地質(zhì)參數(shù)導(dǎo)向鉆頭鉆進(jìn)[2]。隨著世界油價(jià)暴跌，石油開(kāi)采成本的控制成為各大油田追求的目標(biāo)，再者非常規(guī)油氣田的開(kāi)發(fā)等對(duì)鉆井裝備的要求越來(lái)越高。國(guó)外的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)已經(jīng)向推靠與指向復(fù)合的全旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向方向發(fā)展。

筆者通過(guò)分析現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)及其組成機(jī)構(gòu)，結(jié)合指向式和推靠式的優(yōu)點(diǎn)提出了復(fù)合式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具。復(fù)合式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具是一種全旋轉(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)指向式，通過(guò)井下和地面雙向閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的井斜和方位的控制，從而實(shí)現(xiàn)了一趟鉆完成直井和定向段的施工作業(yè)。導(dǎo)向方式采用液壓系統(tǒng)內(nèi)推鉆頭軸的方式改變鉆頭的角度，從而使鉆頭沿著設(shè)定的方向鉆進(jìn)。筆者結(jié)合旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的原理提出復(fù)合式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其導(dǎo)向力進(jìn)行了分析。

1 復(fù)合式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具工作原理及導(dǎo)向執(zhí)行單元結(jié)構(gòu)

1.1 復(fù)合式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具工作原理

根據(jù)地質(zhì)和幾何參數(shù)預(yù)設(shè)井眼軌跡，復(fù)合式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具可以根據(jù)預(yù)設(shè)軌跡進(jìn)行鉆進(jìn)，也可以根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)反饋的參數(shù)在鉆進(jìn)過(guò)程中實(shí)時(shí)的調(diào)整方位和井斜。

復(fù)合式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具工作原理如圖1所示，主要由穩(wěn)定平臺(tái)單元、液壓分配單元和導(dǎo)向執(zhí)行單元構(gòu)成，可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向和穩(wěn)斜兩種功能。當(dāng)需要導(dǎo)向時(shí)，穩(wěn)定平臺(tái)通過(guò)控制軸將上盤(pán)閥高壓孔的中心即工具面角調(diào)整到與所需導(dǎo)向的井斜、方位相同的位置上，此時(shí)穩(wěn)定平臺(tái)相對(duì)靜止，只有在該工具面角的井斜和方位上有柱塞作用于鉆頭軸，使鉆具沿著該井斜和方位進(jìn)行鉆進(jìn)；當(dāng)需要穩(wěn)定鉆進(jìn)時(shí)，穩(wěn)定平臺(tái)控制上盤(pán)閥以不同于鉆柱的轉(zhuǎn)速勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，在周向360°工具面角的方向上，不斷的有柱塞作用于鉆頭軸，使其穩(wěn)斜鉆進(jìn)[2]。

復(fù)合式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的穩(wěn)定平臺(tái)和液壓分配單元與調(diào)制推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具[3-4]相同，該工具的核心部分是導(dǎo)向執(zhí)行單元，導(dǎo)向執(zhí)行單元主要驅(qū)動(dòng)軸、鉆頭軸、柱塞組件、調(diào)節(jié)環(huán)組件和萬(wàn)向節(jié)組件等，驅(qū)動(dòng)軸與鉆鋌相連接，且驅(qū)動(dòng)軸上安裝有相位差為120°的三個(gè)柱塞，柱塞的動(dòng)力來(lái)源于鉆井泥漿(鉆柱內(nèi)、外存在壓差)，驅(qū)動(dòng)軸與鉆頭軸通過(guò)萬(wàn)向節(jié)相連接，鉆具在全旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，柱塞中的任意一個(gè)或兩個(gè)通過(guò)泥漿壓差來(lái)同步作用于鉆頭軸的導(dǎo)向套筒，使鉆頭軸繞著萬(wàn)向節(jié)單元偏轉(zhuǎn)，使鉆頭改變?cè)械姆轿唬瑥亩_(dá)到導(dǎo)向鉆進(jìn)的目的。

圖1 復(fù)合式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具工作原理示意圖

1.2 導(dǎo)向執(zhí)行單元結(jié)構(gòu)

復(fù)合式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的導(dǎo)向執(zhí)行單元的三維結(jié)構(gòu)如圖2所示。液壓分配單元由上盤(pán)閥控制軸、鉆井液過(guò)濾網(wǎng)、盤(pán)閥座、上盤(pán)閥和下盤(pán)閥等構(gòu)成[5]；導(dǎo)向執(zhí)行單元由調(diào)節(jié)環(huán)組件、摩擦環(huán)、驅(qū)動(dòng)軸、柱塞組件、導(dǎo)向套筒、鉆頭軸、萬(wàn)向節(jié)組件和鉆頭接頭等組成。柱塞推靠單元包括柱塞組件調(diào)節(jié)環(huán)組件、摩擦環(huán)、驅(qū)動(dòng)軸、柱塞組件、導(dǎo)向套筒等；萬(wàn)向節(jié)單元包括驅(qū)動(dòng)軸、萬(wàn)向節(jié)組件、鉆頭軸等。

圖2 復(fù)合式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向執(zhí)行單元三維結(jié)構(gòu)圖 1.上盤(pán)閥控制軸 2.鉆井液過(guò)濾網(wǎng) 3.盤(pán)閥座 4.上盤(pán)閥 5.下盤(pán)閥 6.調(diào)節(jié)環(huán)組件 7.摩擦環(huán) 8.柱塞組件 9.驅(qū)動(dòng)軸 10.導(dǎo)向套筒 11.萬(wàn)向節(jié)組件 12.鉆頭軸 13.鉆頭接頭

驅(qū)動(dòng)軸與鉆柱螺紋連接，鉆柱為鉆頭旋轉(zhuǎn)提供輸入扭矩并通過(guò)中空的鉆井液通道為柱塞及鉆頭提供鉆井液；萬(wàn)向節(jié)為中空萬(wàn)向節(jié)，上端接驅(qū)動(dòng)軸，下端接鉆頭軸，其主要作用是將驅(qū)動(dòng)軸與鉆頭軸的剛性連接轉(zhuǎn)換為柔性連接，可保證鉆頭軸在周向360°任意位置偏轉(zhuǎn)，萬(wàn)向節(jié)的中空部分起到傳遞鉆井液的作用。

1.2.1柱塞行程與調(diào)節(jié)環(huán)偏心量計(jì)算

柱塞推靠單元主要作用是給鉆頭軸提供偏轉(zhuǎn)力，傳統(tǒng)的推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的依靠伸縮巴掌推靠井壁使鉆具發(fā)生彈性變形，從而使鉆頭軸改變?cè)瓉?lái)的方向，在作用過(guò)程中巴掌需要不斷伸出收回，以至于巴掌因磨損嚴(yán)重而壽命較低 ，為了克服這一缺陷，采用柱塞內(nèi)推導(dǎo)向套筒以及萬(wàn)向節(jié)組合的方式使鉆頭軸改變方向。

柱塞的推靠力取決于柱塞面積和柱塞所在位置鉆柱內(nèi)外壓差等。取水平推力為13 kN為設(shè)計(jì)值。在鉆井過(guò)程中，柱塞所在位置鉆柱內(nèi)外最大壓降為12 MPa，正常工作時(shí)作用在柱塞上的鉆井液壓降為4～7 MPa，取柱塞直徑為φ50 mm，可以求得柱塞工作最大壓力和最小壓力分別為13.7 kN和7.9 kN[5]，即為單個(gè)柱塞作用在導(dǎo)向套筒上的推靠力。

圖3 導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖1.驅(qū)動(dòng)軸 2.調(diào)節(jié)環(huán)位置 3.柱塞位置 4.萬(wàn)向節(jié) 5.鉆頭軸

該工具設(shè)計(jì)用于鉆φ216 mm的井，鉆具最大外徑為φ179 mm，則環(huán)空間隙：

e=(D-d)/2

(1)

由式(1)得e為18.5 mm，萬(wàn)向節(jié)中心距鉆頭距離L2設(shè)計(jì)為0.8 m，萬(wàn)向節(jié)中心距柱塞中心距離L1設(shè)計(jì)為0.6 m，柱塞中心距調(diào)節(jié)環(huán)中心距離l設(shè)計(jì)值為0.2 m，則調(diào)節(jié)環(huán)調(diào)節(jié)的偏心位移e1小于環(huán)空間隙e，極限偏轉(zhuǎn)角可由幾何關(guān)系：

θm=tan-1[e/(l+L1)]

(2)

由式(2)得θm為1.3°，取θ的設(shè)計(jì)值1°。此時(shí)調(diào)節(jié)環(huán)偏心位移：

e1=(l+L1)tanθ

(3)

(4)

由式(3)得e1為14 mm，此時(shí)柱塞的行程可由式(4)得e2為10.5 mm，調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的柱塞推靠行程為環(huán)空間隙量e[6]，是通過(guò)推板推靠井壁使鉆具發(fā)生彈性變形而達(dá)到這一位移，對(duì)于復(fù)合式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具，當(dāng)柱塞位移達(dá)到調(diào)節(jié)環(huán)控制的偏心位移e1時(shí)，鉆具并沒(méi)有發(fā)生變形，而是通過(guò)調(diào)節(jié)環(huán)調(diào)節(jié)偏心位移，使的鉆頭軸繞萬(wàn)向節(jié)發(fā)生偏轉(zhuǎn)角θ可繼續(xù)增加柱塞的行程e0使鉆具發(fā)生彈性變形，取e0為8 mm。這樣柱塞的設(shè)計(jì)行程em由式(5)計(jì)算為18.5 mm:

em=e0+e2

(5)

此時(shí)鉆頭軸的偏轉(zhuǎn)角θ1由式(6)計(jì)算得1.8°:

θ1=tan-1(em/L1)

(6)

1.2.2導(dǎo)向執(zhí)行單元幾何造斜率計(jì)算

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的性能的主要指標(biāo)是造斜率，復(fù)合式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的由于有萬(wàn)向節(jié)的存在，且在調(diào)節(jié)環(huán)偏心量之內(nèi)偏轉(zhuǎn)時(shí)，鉆具的變形量相對(duì)較小，因此可假設(shè)該工具在井下可以保持原有的剛性形狀，可以采用修正的三點(diǎn)定圓法[7]計(jì)算其幾何造斜率。以鉆頭中心為原點(diǎn)，鉆頭軸軸線為y軸，垂直于鉆頭軸的沿井眼軸線內(nèi)法線方向?yàn)閤軸建立坐標(biāo)系如圖4所示。

(7)

式中：L1為下穩(wěn)定器到鉆頭的距離，m；L2為下穩(wěn)定器到彎外殼彎點(diǎn)的距離，m；L3為上穩(wěn)定器到彎外殼彎點(diǎn)的距離，m；γ為鉆頭軸的偏轉(zhuǎn)角，(°)。

圖4 復(fù)合式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具示意圖

由之前計(jì)算得知γ為1.8°，L1和L2分別為0.8 m，代入式(7)得在L3取1.12 m時(shí)，造斜率Km最大為23.16°/30 m，根據(jù)鉆具結(jié)構(gòu)取L3為3.5 m，此時(shí)設(shè)計(jì)造斜率為17.24°/30 m。

1.2.3萬(wàn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)

復(fù)合式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具設(shè)計(jì)用于鉆φ216的井，轉(zhuǎn)盤(pán)扭矩為10 kN·m，由于十字軸式萬(wàn)向節(jié)有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零件少，傳動(dòng)效率高等特點(diǎn)，根據(jù)傳遞的扭矩及井下的尺寸限制，此處根據(jù)十字軸式萬(wàn)向節(jié)設(shè)計(jì)了中空的單十字軸式萬(wàn)向節(jié)[8]，為了滿足鉆壓、扭矩和鉆井液的三重傳遞。萬(wàn)向節(jié)單元包括驅(qū)動(dòng)軸、萬(wàn)向節(jié)組件和鉆頭軸，如圖5所示，箭頭所指的方向即為鉆壓和鉆井液的傳遞方向，驅(qū)動(dòng)軸與鉆頭軸通過(guò)萬(wàn)向節(jié)相連，鉆壓通過(guò)驅(qū)動(dòng)軸傳遞給萬(wàn)向節(jié)十字軸，接著傳遞給鉆頭軸，從而能保證鉆頭處的鉆壓。

圖5 萬(wàn)向節(jié)單元部分結(jié)構(gòu)圖與鉆壓傳遞示意圖 1.驅(qū)動(dòng)軸 2.密封環(huán)1 3.彈簧 4.調(diào)整套筒 5.密封環(huán)2 6.軸承 7.十字軸 8.密封件 9.鉆頭軸

1.2.4調(diào)節(jié)環(huán)單元的結(jié)構(gòu)

調(diào)節(jié)環(huán)單元結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示，調(diào)節(jié)環(huán)的主要功能是限制鉆頭軸上導(dǎo)向套筒的最大偏心量，固定套筒通過(guò)螺紋與驅(qū)動(dòng)軸相連，可拆卸的調(diào)節(jié)環(huán)a通過(guò)螺栓固定在驅(qū)動(dòng)軸上，調(diào)節(jié)環(huán)b安裝在導(dǎo)向套筒上，通過(guò)改變與調(diào)節(jié)環(huán)b接觸的調(diào)節(jié)環(huán)a的直徑來(lái)改變工具的最大偏轉(zhuǎn)角度，根據(jù)調(diào)節(jié)環(huán)的最大偏角量對(duì)調(diào)節(jié)環(huán)a設(shè)置了4個(gè)角度等級(jí)分別使得鉆頭偏轉(zhuǎn)角度為：0.6°、0.8°、0.9°和1°[9-10]，調(diào)節(jié)環(huán)a 根據(jù)鉆井需求更換與角度對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)環(huán)。與之相對(duì)應(yīng)的幾何造斜率為造斜率分別為13.41°/30 m、15.32°/30 m、16.28°/30 m和17.24°/30 m。

圖6 調(diào)節(jié)環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖 1.驅(qū)動(dòng)軸 2.固定環(huán)1 3.螺栓 4.調(diào)節(jié)環(huán)a 5.密封環(huán)1 6.調(diào)節(jié)環(huán)b 7.密封環(huán)2 9.導(dǎo)向套筒

2 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)復(fù)合式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的工作原理和導(dǎo)向執(zhí)行單元的結(jié)構(gòu)的分析，得出以下結(jié)論。

(1) 該工具結(jié)合了推靠式和指向式的優(yōu)點(diǎn)，即通過(guò)穩(wěn)定平臺(tái)穩(wěn)定工具面角，柱塞內(nèi)推導(dǎo)向套筒使鉆頭偏轉(zhuǎn)，其是一種全旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)指向式鉆井工具。

(2) 該工具的推靠力推靠導(dǎo)向套筒，通過(guò)萬(wàn)向節(jié)偏轉(zhuǎn)，比傳統(tǒng)的推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的造斜率要高，更容易造斜，其幾何造斜率最大為17.24°/30 m。

(3) 該工具的造斜率可控范圍寬。

[1] 姜 偉，周建良，程載斌,等. 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工程力學(xué)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2015.

[2] 閆文輝，彭 勇，張紹槐.旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的研制原理[J].石油學(xué)報(bào)，2005,9(5):98-101.

[3] 閆文輝，彭 勇，張紹槐,等.旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具穩(wěn)定平臺(tái)的機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].鉆采工藝，2006,29(4):73-75.

[4] 閆文輝，彭 勇，施紅勛,等.旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具液壓分配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].鉆采工藝，2005, 28(5):69-72.

[5] 閆文輝，彭 勇.旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].天然氣工業(yè)，2006,26(11):70-72.

[6] 李軍強(qiáng). 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具有關(guān)力學(xué)問(wèn)題研究[D].西安:西安理工大學(xué)，2005.

[7] 劉修善，何樹(shù)山，皺 野.導(dǎo)向鉆具幾何造斜率的研究[J].石油學(xué)報(bào)，2004(25)：83-87.

[8] 李遠(yuǎn)志.新型靜態(tài)偏執(zhí)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)導(dǎo)向控制研究[D].天津:天津大學(xué)，2013.

[9] JPT staff. Hybrid Rotary Steerable System Delivers Higher Build Rates and Smoother Holes[J].Society of Petroleum Engineers. 2013, April 1 doi:10.2118/0413-0032-JPT.

[10] Amanov B, Bethancourt R E. Optimized Drilling Performance by Innovative Application of High Build Rate Rotary Steerable System to Sidetrack from Vertical Pilot Hole in Challenging 3D Wells in Unstable Formations[J].Society of Petroleum Engineers. 2016, January 26, doi:10.2118/178151-MS.