靜態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的導(dǎo)向力變化規(guī)律模擬研究

韓東東(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

1 引言

隨著我國石油資源的不斷開采，水平井、大位移井、多分支井等復(fù)雜井越來越多。而旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)就能夠很好地解決這些復(fù)雜井鉆井的技術(shù)難題。目前，國內(nèi)已經(jīng)研制出靜態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，現(xiàn)場應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的工具面調(diào)控誤差較大，誤差來源可能為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的調(diào)控機制。由于推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的導(dǎo)向合力與偏心位移調(diào)控不完全等效，工具面調(diào)控誤差很可能院子調(diào)控機制。為了減小工具面調(diào)控誤差，需要理論與實驗探究導(dǎo)向合力調(diào)控還是偏心位移調(diào)控更合適?；陟o態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理，通過模擬實驗?zāi)M研究靜態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的兩種調(diào)控模式，為下一步優(yōu)選調(diào)控模式和提高調(diào)控精度提供技術(shù)支持。

2 實驗裝置

2.1 水平實驗架

如圖1 所示，水平實驗架是整套裝置的主體部分，用于安裝驅(qū)動電機、固定模擬井筒、安裝測量傳感器等，在前后兩端有加壓手輪，可根據(jù)需求加壓。

圖1 水平井眼鉆柱動力學(xué)模擬裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 模擬旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具

模擬旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。為了使模擬鉆井工具的工作模式與現(xiàn)場實際情況相吻合，非旋轉(zhuǎn)套與旋轉(zhuǎn)芯軸兩部分由軸承相連接。旋轉(zhuǎn)芯軸上端與鉆柱相連，下端與接鉆頭相連，其主要功能是傳遞鉆壓與扭矩。模擬旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具主要由旋轉(zhuǎn)芯軸、臺階、推力組合滾針軸承、翼肋槽、非旋轉(zhuǎn)套以及下主軸短節(jié)組成。由于模擬旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具尺寸太小，翼肋處采用碟簧代替液壓單元施加推靠力本次模擬實驗主要研究在基礎(chǔ)力較大和較小時導(dǎo)向合力、偏心位移、鉆頭側(cè)向力的調(diào)控方向隨鉆進參數(shù)(鉆壓、轉(zhuǎn)速)變化規(guī)律。其中，基礎(chǔ)力是指三個導(dǎo)向翼肋提供的推靠力中最小的那個力；基礎(chǔ)力較大是指三個導(dǎo)向翼肋提供的推靠力均較大；基礎(chǔ)力較小是指三個導(dǎo)向翼肋提供的推靠力至少有一個比較小?；A(chǔ)力較大時，采用兩片并聯(lián)兩串聯(lián)+兩串聯(lián)碟簧組合方式(兩組碟簧剛度較小而另一組較大，剛度大的碟簧產(chǎn)生的推靠力明顯大于另外兩組)；基礎(chǔ)力較小時，采用兩串聯(lián)+一串聯(lián)四墊片組合(碟簧組合剛度一樣但壓縮量不同，一組推靠力明顯小于另外兩組)。

圖2 模擬旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具結(jié)構(gòu)簡圖

3 實驗方案及流程

3.1 實驗方案

(1)將碟簧按照預(yù)先設(shè)置的組合方式裝到非旋轉(zhuǎn)外套孔隙內(nèi)，放上三個翼肋，然后將整體推入加粗井筒內(nèi)，當(dāng)翼肋中心與位移傳感器對齊時停止推入，記錄初始徑向。然后繼續(xù)推進直到位移傳感器到達非旋轉(zhuǎn)套下端。之后安裝鉆頭側(cè)向力傳感器，轉(zhuǎn)動加壓手輪，使壓力傳感器貼近鉆頭。然后開始采集鉆壓、徑向位移、鉆頭側(cè)向力等相關(guān)數(shù)據(jù)。做完一組數(shù)據(jù)采集后，轉(zhuǎn)動加粗套筒旋轉(zhuǎn)90°，重復(fù)測量三次。測量結(jié)束后，應(yīng)用MATLAB和Excel 將所得數(shù)據(jù)進行處理，通過建立折線圖的方式直觀表現(xiàn)出偏心位移、導(dǎo)向合力和鉆頭側(cè)向力三者方向上的差異。

(2)基礎(chǔ)力較大時工具面角隨鉆進參數(shù)(鉆壓、轉(zhuǎn)速)變化規(guī)律模擬采用兩片并聯(lián)兩串聯(lián)+兩串聯(lián)碟簧組合方式，改變鉆壓、轉(zhuǎn)速，探究導(dǎo)向翼肋處導(dǎo)向合力方向、偏心位移方向，以及鉆頭側(cè)向力方向變化規(guī)律。

(3)基礎(chǔ)力較小時工具面角隨鉆進參數(shù)(鉆壓、轉(zhuǎn)速)變化規(guī)律模擬采用兩片串聯(lián)四墊片+兩串聯(lián)組合，改變鉆壓、轉(zhuǎn)速，探究導(dǎo)向翼肋處導(dǎo)向合力方向和偏心位移方向，以及鉆頭側(cè)向力方向變化規(guī)律。

3.2 實驗流程

(1)模擬參考工具面角0°時調(diào)控方向變化規(guī)律(相當(dāng)于全力增斜狀態(tài))。

(2)模擬參考工具面角90°時調(diào)控方向變化規(guī)律(相當(dāng)于全力增方位狀態(tài))。

(3)模擬參考工具面角180°時調(diào)控方向變化規(guī)律(相當(dāng)于全力降斜狀態(tài))。

(4)模擬參考工具面角270°時調(diào)控方向變化規(guī)律(相當(dāng)于全力減方位狀態(tài))。

4 結(jié)語

本文利用模擬旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具通過改變翼肋處的基礎(chǔ)力與鉆進參數(shù)進行模擬實驗，實驗數(shù)據(jù)經(jīng)過處理之后可以的到以下認(rèn)識。(1)在研究工具面角隨鉆進參數(shù)的變化規(guī)律過程中，可以觀察到無論參考工具面如何變化，偏心位移和導(dǎo)向合力的方向基本上不易受轉(zhuǎn)速、鉆壓的影響，始終比較穩(wěn)定。(2)參考工具面角為0°、90°、180°時，鉆頭側(cè)向力方向與導(dǎo)向合力方向更接近，此時應(yīng)采用導(dǎo)向合力調(diào)控模式；參考工具面角為270°時，鉆頭側(cè)向力方向與偏心位移方向更接近，此時應(yīng)采用偏心位移調(diào)控模式。