旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向推力測(cè)試裝置設(shè)計(jì)優(yōu)化*

張玉霖 盧 濤 賈建波 楊恒燦 菅志軍 丁旭東

(中海油田服務(wù)股份有限公司)

0 引 言

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)[1-5]是當(dāng)代定向鉆井技術(shù)發(fā)展的最新成果，是目前油氣勘探開發(fā)行業(yè)最先進(jìn)的定向鉆井技術(shù)裝備。其可在全井段保持旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，并根據(jù)需要及時(shí)調(diào)整軌跡，實(shí)施三維定向井軌跡控制，具有精準(zhǔn)命中靶區(qū)、建井周期短、鉆井質(zhì)量高、大幅提高采收率等特點(diǎn)，代表著當(dāng)今世界鉆井技術(shù)發(fā)展的最高水平，被譽(yù)為石油鉆井技術(shù)“皇冠上的明珠”。該技術(shù)最早誕生于20世紀(jì)90年代，一經(jīng)問(wèn)世就引起了鉆井作業(yè)者的極大關(guān)注，隨著技術(shù)的不斷成熟和產(chǎn)品的應(yīng)用推廣，每年全球市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了80億美元左右，占到了定向鉆井市場(chǎng)的75%以上。

近幾年，國(guó)內(nèi)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)發(fā)展迅猛，中海油、中石油、中石化等多家單位開展了技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)品研制。其中中海油的進(jìn)展最具代表性，開發(fā)出了全系列商業(yè)化技術(shù)裝備，產(chǎn)品應(yīng)用規(guī)模迅速提升，已經(jīng)突破1 000井次、100萬(wàn)m進(jìn)尺應(yīng)用大關(guān)，呈現(xiàn)出了良好的發(fā)展勢(shì)頭。中國(guó)作為油氣資源需求大國(guó)，該技術(shù)對(duì)提升油氣產(chǎn)量和保障能源安全具有十分重要的意義。

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)按其工作原理可以分為推靠式(push-the-bit)和指向式(point to the bit)2種。推靠式屬于被動(dòng)式導(dǎo)向工具，工具的導(dǎo)向性能與推靠效果高度相關(guān)，對(duì)地層依賴較大。指向式屬于主動(dòng)式導(dǎo)向工具，對(duì)地層依賴較??；2種系統(tǒng)各有特點(diǎn)，研究并提升系統(tǒng)的測(cè)量及控制精度對(duì)提升旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的應(yīng)用效果至關(guān)重要。筆者針對(duì)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向推靠力測(cè)試需求，設(shè)計(jì)了推靠力測(cè)試裝置，并對(duì)測(cè)試裝置存在的若干問(wèn)題進(jìn)行研究，對(duì)測(cè)試裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，可大幅提升系統(tǒng)的控制精度和應(yīng)用效果。

1 推靠力與導(dǎo)向力矢量關(guān)系

推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的推靠功能主要由偏置短節(jié)[6-11]實(shí)現(xiàn)。在偏置短節(jié)的外圓上周向均布3個(gè)獨(dú)立的推靠臂(見圖1中推靠力F1、F2、F3)，3個(gè)推靠力互成120°，3力平面匯交[12-17]，其合力F的方向α可按公式(1)來(lái)計(jì)算，導(dǎo)向力矢量與合力F大小相等，方向相反。

圖1 平面三力匯交力系合力計(jì)算

(1)

式中：F1、F2、F3為3個(gè)推靠力，N；F為3個(gè)推靠力的合力，N；θ0為F1與X軸正向的夾角，(°)；α為合力F與X軸正向的夾角，(°)。

合力的方向、大小由3個(gè)分力決定，分力的測(cè)控誤差會(huì)對(duì)合力的大小和方向產(chǎn)生很大影響。假設(shè)F1、F2、F3分別為1 000、1 000、1 200 N且F2測(cè)控誤差范圍從10%至30%，為了計(jì)算方便，假設(shè)θ0為0°，計(jì)算數(shù)據(jù)見表1。由表1可見，F(xiàn)2測(cè)控誤差為30%時(shí)，合力的角度誤差達(dá)到了36.59°。

表1 分力誤差引起的合力角度誤差

2 推靠力測(cè)試系統(tǒng)研制

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

推靠力測(cè)試系統(tǒng)由1個(gè)測(cè)力盤、3組推力傳感器、信號(hào)采集處理模塊及測(cè)控監(jiān)視系統(tǒng)構(gòu)成(見圖2)。通過(guò)壓差傳感器可以算出3個(gè)推靠臂的理論推力，通過(guò)推力傳感器可以測(cè)量3個(gè)推靠臂實(shí)際推力，對(duì)比可知兩者的差值，并建立壓力與推靠力的線性關(guān)系。

圖2 推靠力測(cè)試系統(tǒng)

2.2 測(cè)試試驗(yàn)

圖3為推靠力測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物照片(這里將優(yōu)化前的測(cè)力盤稱為A)，利用該系統(tǒng)先對(duì)一個(gè)推靠臂進(jìn)行推靠力測(cè)試，檢測(cè)其理論推力與實(shí)際推力的偏差情況及推靠力與壓力的線性關(guān)系，再同時(shí)進(jìn)行3個(gè)推靠臂的推力測(cè)試。

圖3 推靠力測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物及測(cè)量模型

圖4為1個(gè)推靠臂的測(cè)試曲線。由圖4可以看出，實(shí)測(cè)推力和理論推力之間存在一定差值，且隨著推力增大，差值也變大，差值最大達(dá)到5 kN。

圖4 實(shí)測(cè)推力-理論推力關(guān)系曲線

圖5是3個(gè)推靠臂推力同時(shí)測(cè)試的曲線。設(shè)置1#、2#和3#推靠臂的推力分別為推力1、推力2和推力3。對(duì)1#推靠臂從0～24 MPa進(jìn)行一個(gè)完整的升程和降程的推力測(cè)試，設(shè)置2#、3#推靠臂的壓力為0，則2#和3#的實(shí)測(cè)推力應(yīng)該為0，但實(shí)際結(jié)果卻并非如此。從圖5可以看出，2#、3#的實(shí)測(cè)推力會(huì)隨著1#推靠臂壓力的升高而逐漸變大，這說(shuō)明1#推靠臂的推力對(duì)2#和3#推靠臂造成了影響。用相同的測(cè)試方法對(duì)2#和3#進(jìn)行單獨(dú)的推力測(cè)試，也發(fā)現(xiàn)了同樣的情況。

對(duì)單獨(dú)推靠臂和3個(gè)推靠臂同時(shí)推力測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該測(cè)試系統(tǒng)存在以下2個(gè)問(wèn)題，極大地影響導(dǎo)向力測(cè)控精度，必須加以分析解決：?jiǎn)蝹€(gè)推靠力測(cè)量精度較低，實(shí)測(cè)推力和理論推力存在較大偏差；測(cè)力盤A變形引起的3個(gè)推靠臂推力測(cè)量相互干擾，極大地影響推力測(cè)量精度。

2.3 結(jié)果分析

針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)系統(tǒng)各部件的受力情況進(jìn)行分析，可以初步鎖定問(wèn)題的根源在于測(cè)力盤A的變形過(guò)大。測(cè)力盤A進(jìn)行單路推力測(cè)量時(shí)受力變形如圖6所示。測(cè)力盤A可以簡(jiǎn)化為一個(gè)懸臂梁，主要有5個(gè)方面的變形因素：測(cè)力傳感器變形X1，測(cè)力盤A變形X2，安裝固定變形X3，推靠臂受壓變形X4和傳感器固定桿變形X5。系統(tǒng)總變形量可以表示為：

圖6 測(cè)力盤進(jìn)行單路推力測(cè)量時(shí)受力變形示意圖

X=X1+X2+X3+X4+X5

(2)

式中：X為測(cè)試系統(tǒng)受力總變形量，mm。

理想情況下，希望X=X1，這樣使得變形更多地反映在傳感器上，雖然實(shí)際上X2、X3、X4、X5無(wú)法完全消除，但卻可以使其盡量減小。由胡克定律可知，材料受力變形量取決于4個(gè)因素：力、長(zhǎng)度、彈性模量和面積。只要選用高強(qiáng)度材料，增加固定螺栓的直徑、縮短螺桿的長(zhǎng)度，便可大大減小這4方面的變形量，使X1所占比重越大，測(cè)量的準(zhǔn)確度也就越高。

2.4 主要零部件有限元分析

對(duì)測(cè)力盤A、推靠臂、傳感器固定桿、固定螺栓4種零件賦予同樣的材質(zhì)，這里選用40Cr。這樣做的目的是為了便于對(duì)各因素的受力變形量進(jìn)行比較。40Cr的材料屬性見表2。

表2 40Cr力學(xué)屬性

運(yùn)用有限元軟件對(duì)4個(gè)零件的變形逐一進(jìn)行分析，首先對(duì)測(cè)力盤A進(jìn)行受力變形分析，分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 測(cè)力盤A受力變形的有限元分析

按照上述方法依次對(duì)傳感器固定螺栓、安裝固定螺栓、推靠臂進(jìn)行分析。將4個(gè)零件的變形進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表3。由表3可以看出，對(duì)每個(gè)推靠臂進(jìn)行單獨(dú)測(cè)量時(shí)，測(cè)力盤A是主要變形因素，變形量占到了84%，其余變形量則遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于X2，可以忽略不計(jì)，測(cè)力盤A的變形是影響測(cè)量精度的主要因素。由此可知：只要設(shè)法減小測(cè)力盤A的變形量，就可大大減小推靠臂實(shí)測(cè)推力與理論推力之間的差值，從而提高系統(tǒng)的測(cè)試精度。

表3 4個(gè)次要零件變形情況對(duì)比

單個(gè)推靠力測(cè)試時(shí)測(cè)力盤A的應(yīng)力和變形分布見圖8。由圖8可以看出，1#推靠力引起的變形延伸到了相鄰2個(gè)傳感器(即2#和3#傳感器的安裝位置)，用探針拾取2#傳感器安裝位置附近5個(gè)點(diǎn)處的變形量，見表4。由表4可以看出,從1#到2#傳感器的相鄰區(qū)間，5個(gè)點(diǎn)變形量逐漸減小，2#傳感器的正對(duì)位置(節(jié)點(diǎn)19922處)變形量為0.075 mm，這種影響在3個(gè)推靠力同時(shí)測(cè)量時(shí)表現(xiàn)尤為明顯。

圖8 測(cè)力盤A變形擴(kuò)散分布

表4 測(cè)力盤A測(cè)力點(diǎn)附近5個(gè)節(jié)點(diǎn)變形量

綜上所述，測(cè)力盤A的變形是影響系統(tǒng)測(cè)試精度的主要原因，優(yōu)化測(cè)力盤A的結(jié)構(gòu)以減小變形量和相互干擾是改進(jìn)測(cè)量效果的主要方向。

3 測(cè)試系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 測(cè)力盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

原有測(cè)力盤A呈喇叭狀，采取小端固定的方式，傳感器受力時(shí)，測(cè)力盤相當(dāng)于一個(gè)懸臂梁(見圖9)。由材料力學(xué)可知，在相同結(jié)構(gòu)參數(shù)下，簡(jiǎn)支梁的撓度是懸臂梁的，變形量大幅降低。

圖9 測(cè)力盤受力模型

基于這一思路，在測(cè)力盤A的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新結(jié)構(gòu)的測(cè)力盤B，見圖10。測(cè)力盤B呈紡錘狀，伸出3個(gè)橋狀翼肋，用于安裝測(cè)力傳感器。采用兩端同時(shí)固定的方式進(jìn)行安裝，每2個(gè)測(cè)力橋之間設(shè)計(jì)一條加強(qiáng)筋，進(jìn)一步加強(qiáng)測(cè)力盤的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖10 測(cè)力盤B三維模型

3.2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)有限元分析

對(duì)優(yōu)化后的測(cè)力盤B進(jìn)行有限元受力分析，材質(zhì)依然選用國(guó)標(biāo)40Cr。先進(jìn)行單個(gè)推靠力測(cè)試的受力分析。再進(jìn)行3個(gè)推靠力同時(shí)測(cè)試的受力分析，將測(cè)力盤B的變形與測(cè)力盤A的變形進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表5。由表5可知，測(cè)力盤B的變形大幅減小，僅為測(cè)力盤A變形的2.67%，優(yōu)化效果非常明顯。

表5 測(cè)力盤A和測(cè)力盤B變形量對(duì)比

將測(cè)力盤B的變形與其余幾個(gè)零件的變形進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表6。由表6可知，測(cè)力盤B的變形量與其余3個(gè)干擾因素的變形量相當(dāng)。測(cè)力盤的變形占比從之前的84%下降到12.5%。

表6 測(cè)力盤B受力變形量對(duì)比

3.3 測(cè)試試驗(yàn)

對(duì)測(cè)力盤B進(jìn)行推靠力測(cè)試試驗(yàn)，結(jié)果見圖11。由圖11可知，實(shí)測(cè)推力和理論推力之間的差值約為0.9 kN，比測(cè)力盤A的測(cè)試差值5 kN小了80%左右，說(shuō)明優(yōu)化后的測(cè)力盤B確實(shí)減小了理論推力和實(shí)測(cè)推力之間的偏差，優(yōu)化效果非常理想。

圖11 測(cè)力盤B理論推力-實(shí)測(cè)推力曲線

同2.2設(shè)置推力1、推力2和推力3，對(duì)1#推靠臂進(jìn)行推力測(cè)試，壓力從0～24 MPa進(jìn)行一個(gè)完整的升程和降程，設(shè)置2#、3#推靠臂的壓力為0，結(jié)果見圖12。由圖12可知，1#推力隨著1#設(shè)定壓力的增大呈線性增加，2#和3#推力則沒(méi)有任何變化，說(shuō)明了優(yōu)化后的測(cè)試系統(tǒng)不會(huì)相互干擾。

圖12 單個(gè)推靠力測(cè)試時(shí)3個(gè)實(shí)測(cè)推力的變化趨勢(shì)

4 結(jié) 論

(1)闡述了推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的工作原理，并針對(duì)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)推靠力測(cè)試需要，設(shè)計(jì)了一種測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了推靠力測(cè)試及標(biāo)定功能。

(2)進(jìn)行了推靠力測(cè)試試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)中出現(xiàn)問(wèn)題的原因進(jìn)行了深入分析，找出了影響測(cè)量精度的關(guān)鍵因素；并運(yùn)用有限元軟件對(duì)各個(gè)零件受力變形情況進(jìn)行分析，分析結(jié)論與試驗(yàn)問(wèn)題相互印證。

(3)根據(jù)分析結(jié)果對(duì)測(cè)力盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，再次運(yùn)用有限元軟件對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果顯示，優(yōu)化結(jié)構(gòu)大大降低了測(cè)力盤的變形量和互相干擾，解決了3個(gè)推靠臂推力測(cè)試相互干擾，導(dǎo)致測(cè)量精度低的問(wèn)題，優(yōu)化結(jié)果在后續(xù)的試驗(yàn)測(cè)試中得到了很好地驗(yàn)證。

(4)所研制的推靠力測(cè)試裝置實(shí)現(xiàn)了推靠力的精確測(cè)量，為導(dǎo)向力的精確測(cè)控奠定了基礎(chǔ)，該測(cè)試系統(tǒng)已成功應(yīng)用于儀器制造和使用，成為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)裝備產(chǎn)業(yè)化必備的測(cè)試設(shè)施之一。