旋轉(zhuǎn)導向推力測試裝置設計優(yōu)化

張玉霖 盧濤 賈建波 楊恒燦 菅志軍 丁旭東

摘要：為了提高推靠式旋轉(zhuǎn)導向推靠力測量精度，進而提高井眼軌跡控制精度，設計了一套推靠力測試裝置。利用有限元軟件對該測試裝置進行了受力分析，找出了影響測量精度的主要原因，并針對性地提出了改進措施，對測試裝置進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。對改進后的測試裝置進行了受力分析，分析計算結(jié)果和試驗結(jié)果均顯示，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)很好地消除了干擾，大幅降低了測量誤差，達到了精確測量推靠力的目的。該測試裝置已經(jīng)大量應用于中海油服自研旋轉(zhuǎn)導向的批量制造之中，成為旋轉(zhuǎn)導向制造過程中的關(guān)鍵測試設備之一。研究結(jié)果可為提高井眼軌跡控制精度提供重要參考。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)導向；推靠力測試系統(tǒng)；有限元分析；設計優(yōu)化

中圖分類號：TE921 文獻標識碼：A DOI：10.16082／j．cnki．issn．1001-4578.2022.12.006

Design and Optimization of the RSS Push Force Test Device

Zhang Yulin Lu Tao Jia Jianbo Yang Hengcan Jian Zhijun Ding Xudong

（China Oilfield Services Limited）

Abstract：Inorder to improve the measurement accuracy of the push force of the push-the-bit rotary steerable system（RSS），and improve the accuracy of wellbore trajectory control， a set of push force test device was de- signed.The force analysis of the test device was conducted by using the finite element software and the main factors influencing the measurement accuracy were identified. Accordingly，the improvement measures were put forward and the test device structure was optimized. The optimized test device was analyzed by using the finite element soft- ware.The analysis and test results show that the optimized structure eliminates the interference and reduces the measurement error greatly， which achieves the accurate measurement of push force. This test device has been widely applied in the RSS batch manufacturing of COSL，becoming one of the key test equipment in the manufac- ture of RSS.Theresearch results provide an important reference for improving the accuracy of wellbore trajectory control.

Keywords：rotary steerable system; push force test system; finite element analysis; design optimization

0引言

旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)（1—］是當代定向鉆井技術(shù)發(fā)展的最新成果，是目前油氣勘探開發(fā)行業(yè)最先進的定向鉆井技術(shù)裝備。其可在全井段保持旋轉(zhuǎn)鉆進，并根據(jù)需要及時調(diào)整軌跡，實施三維定向井軌跡控制，具有精準命中靶區(qū)、建井周期短、鉆井質(zhì)量高、大幅提高采收率等特點，代表著當今世界鉆井技術(shù)發(fā)展的最高水平，被譽為石油鉆井技術(shù)“皇冠上的明珠”。該技術(shù)最早誕生于20世紀90年代，一經(jīng)問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)品的應用推廣，每年全球市場規(guī)模達到了80億美元左右，占到了定向鉆井市場的75％以上。

近幾年，國內(nèi)旋轉(zhuǎn)導向技術(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)品應用規(guī)模迅速提升，已經(jīng)突破1000井次、100萬m進尺應用大關(guān)，呈現(xiàn)出了良好的發(fā)展勢頭。中國作為油氣資源需求大國，該技術(shù)對提升油氣產(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 靠式屬于被動式導向工具，工具的導向性能與推靠效果高度相關(guān)，對地層依賴較大。指向式屬于主動式導向工具，對地層依賴較??；2種系統(tǒng)各有特點，研究并提升系統(tǒng)的測量及控制精度對提升旋轉(zhuǎn)導向的應用效果至關(guān)重要。筆者針對推靠式旋轉(zhuǎn)導向推靠力測試需求，設計了推靠力測試裝置，并對測試裝置存在的若干問題進行研究，對測試裝置進行了設計優(yōu)化，可大幅提升系統(tǒng)的控制精度和應用效果。

1 推靠力與導向力矢量關(guān)系

推靠式旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)的推靠功能主要由偏置短節(jié)［6—”］實現(xiàn)。在偏置短節(jié)的外圓上周向均布3個獨立的推靠臂（見圖1中推靠力F1、F2、F3），3個推靠力互成120°，3力平面匯交［12—17］，其合力F的方向α可按公式（1）來計算，導向力矢量與合力F大小相等，方向相反。

式中：F1、F2、F3為3個推靠力，N；F為3個推靠力的合力，N；θ。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個分力決定，分力的測控誤差會對合力的大小和方向產(chǎn)生很大影響。假設F1、F2、F3分別為1000、1000、1200N且F2 測控誤差范圍從10％至30％，為了計算方便，假設θ。為0°，計算數(shù)據(jù)見表1。由表1可見，F(xiàn)2測控誤差為30％時，合力的角度誤差達到了36.59°。

2推靠力測試系統(tǒng)研制

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

推靠力測試系統(tǒng)由1個測力盤、3組推力傳感器、信號采集處理模塊及測控監(jiān)視系統(tǒng)構(gòu)成（見圖2）。通過壓差傳感器可以算出3個推靠臂的理論推力，通過推力傳感器可以測量3個推靠臂實際推力，對比可知兩者的差值，并建立壓力與推靠力的線性關(guān)系。

2.2 測試試驗

圖3為推靠力測試系統(tǒng)實物照片（這里將優(yōu)化前的測力盤稱為A），利用該系統(tǒng)先對一個推靠臂進行推靠力測試，檢測其理論推力與實際推力的偏差情況及推靠力與壓力的線性關(guān)系，再同時進行3個推靠臂的推力測試。

圖4為1個推靠臂的測試曲線。由圖4可以看出，實測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，差值最大達到5kN。

圖5是3個推靠臂推力同時測試的曲線。設置1＃、2＃和3＃推靠臂的推力分別為推力1、推力2和推力3。對1＃推靠臂從0～24 MPa進行一個完整的升程和降程的推力測試，設置2＃、3＃推靠臂的壓力為0，則2＃和3＃的實測推力應該為0，但實際結(jié)果卻并非如此。從圖5可以看出，2＃、3＃的實測推力會隨著1＃推靠臂壓力的升高而逐漸變大，這說明1＃推靠臂的推力對2＃和3＃推靠臂造成了影響。用相同的測試方法對2＃和3＃進行單獨的推力測試，也發(fā)現(xiàn)了同樣的情況。

對單獨推靠臂和3個推靠臂同時推力測試發(fā)現(xiàn)，該測試系統(tǒng)存在以下2個問題，極大地影響導向力測控精度，必須加以分析解決：單個推靠力測量精度較低，實測推力和理論推力存在較大偏差；測力盤A變形引起的3個推靠臂推力測量相互干擾，極大地影響推力測量精度。

2.3 結(jié)果分析

針對上述問題，對系統(tǒng)各部件的受力情況進行分析，可以初步鎖定問題的根源在于測力盤A的變形過大。測力盤A進行單路推力測量時受力變形如圖6所示。測力盤A可以簡化為一個懸臂梁，主要有5個方面的變形因素：測力傳感器變形X1，測力盤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：

式中：X為測試系統(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，雖然實際上X2、X3、X4、X5無法完全消除，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個因素：力、長度、彈性模量和面積。只要選用高強度材料，增加固定螺栓的直徑、縮短螺桿的長度，便可大大減小這4方面的變形量，使X，所占比重越大，測量的準確度也就越高。

2.4 主要零部件有限元分析

對測力盤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各因素的受力變形量進行比較。40Cr的材料屬性見表2。

運用有限元軟件對4個零件的變形逐一進行分析，首先對測力盤A進行受力變形分析，分析結(jié)果如圖7所示。

按照上述方法依次對傳感器固定螺栓、安裝固定螺栓、推靠臂進行分析。將4個零件的變形進行對比，結(jié)果見表3。由表3可以看出，對每個推靠臂進行單獨測量時，測力盤A是主要變形因素，變形量占到了84％，其余變形量則遠遠小于X2，可以忽略不計，測力盤A的變形是影響測量精度的主要因素。由此可知：只要設法減小測力盤A的變形量，就可大大減小推靠臂實測推力與理論推力之間的差值，從而提高系統(tǒng)的測試精度。

單個推靠力測試時測力盤A的應力和變形分布見圖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個點處的變形量，見表4。由表4可以看出，從1＃到2＃傳感器的相鄰區(qū)間，5個點變形量逐漸減小，2＃傳感器的正對位置（節(jié)點19922處）變形量為0.075mm，這種影響在3個推靠力同時測量時表現(xiàn)尤為明顯。

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

3 測試系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 測力盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

原有測力盤A呈喇叭狀，采取小端固定的方式，傳感器受力時，測力盤相當于一個懸臂梁（見圖9）。由材料力學可知，在相同結(jié)構(gòu)參數(shù)下，簡支梁的撓度是懸臂梁的1／6，變形量大幅降低。

基于這一思路，在測力盤A的基礎上，設計了一種新結(jié)構(gòu)的測力盤B，見圖10。測力盤B呈紡錘狀，伸出3個橋狀翼肋，用于安裝測力傳感器。采用兩端同時固定的方式進行安裝，每2個測力橋之間設計一條加強筋，進一步加強測力盤的結(jié)構(gòu)強度。

3.2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)有限元分析

對優(yōu)化后的測力盤B進行有限元受力分析，材質(zhì)依然選用國標40Cr。先進行單個推靠力測試的受力分析。再進行3個推靠力同時測試的受力分析，將測力盤B的變形與測力盤A的變形進行對比，結(jié)果見表5。由表5可知，測力盤B的變形大幅減小，僅為測力盤A變形的2.67％，優(yōu)化效果非常明顯。

將測力盤B的變形與其余幾個零件的變形進行對比，結(jié)果見表6。由表6可知，測力盤B的變形量與其余3個干擾因素的變形量相當。測力盤的變形占比從之前的84％下降到12.5％。

3.3 測試試驗

對測力盤B進行推靠力測試試驗，結(jié)果見圖11。由圖11可知，實測推力和理論推力之間的差值約為0.9kN，比測力盤A的測試差值5kN小了80％左右，說明優(yōu)化后的測力盤B確實減小了理論推力和實測推力之間的偏差，優(yōu)化效果非常理想。

同2.2設置推力1、推力2和推力3，對1＃推靠臂進行推力測試，壓力從0～24 MPa進行一個完整的升程和降程，設置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＃設定壓力的增大呈線性增加，2＃和3＃推力則沒有任何變化，說明了優(yōu)化后的測試系統(tǒng)不會相互干擾。

4 結(jié)論

（1）闡述了推靠式旋轉(zhuǎn)導向的工作原理，并針對推靠式旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)推靠力測試需要，設計了一種測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了推靠力測試及標定功能。

（2）進行了推靠力測試試驗，對試驗中出現(xiàn)問題的原因進行了深入分析，找出了影響測量精度的關(guān)鍵因素；并運用有限元軟件對各個零件受力變形情況進行分析，分析結(jié)論與試驗問題相互印證。

（3）根據(jù)分析結(jié)果對測力盤結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，再次運用有限元軟件對優(yōu)化結(jié)構(gòu)進行仿真分析。仿真結(jié)果顯示，優(yōu)化結(jié)構(gòu)大大降低了測力盤的變形量和互相干擾，解決了3個推靠臂推力測試相互干擾，導致測量精度低的問題，優(yōu)化結(jié)果在后續(xù)的試驗測試中得到了很好地驗證。

（4）所研制的推靠力測試裝置實現(xiàn)了推靠力的精確測量，為導向力的精確測控奠定了基礎，該測試系統(tǒng)已成功應用于儀器制造和使用，成為旋轉(zhuǎn)導向技術(shù)裝備產(chǎn)業(yè)化必備的測試設施之一。

參考文獻

[1]馮定，王鵬，張紅，等.旋轉(zhuǎn)導向工具研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］．石油機械，2021，49（7）：8—15

FENG D， WANG P，ZHANG H，et al.Research Sta- tus and Development Trend of Rotary Steerable System Tool [J]. China Petroleum Machinery，2021， 49 （7）：8-15.

[2]王敏生，光新軍.定向鉆井技術(shù)新進展及發(fā)展趨勢［J］．石油機械，2015，43（7）：12—18．

WANG M S，GUANG X J. Advances and Trend of Di- rectional Drilling Technology [J].China Petroleum Machinery，2015，43（7）：12-18.

[3]薛啟龍，丁青山，黃蕾蕾.旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術(shù)最新進展及發(fā)展趨勢［J］．石油機械，2013，41（7）：1—6．

XUE Q L， DING Q S， HUANG L L. The Latest Pro- gress and Development Trend of Rotary Steering Drilling Technology [J]. China Petroleum Machinery，2013， 41（7）：1-6.

[4]趙金海，唐代緒，朱全塔，等.國外典型的旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)［J］．國外油田工程，2002，18（11）：33-36.

ZHAO J H， TANG D X，ZHU Q T，et al. Typical ro- tary guide drilling system abroad [J].Foreign Oilfield Engineering，2002，18（11）：33-36.

[5]孫銘新，韓來聚，李作會.靜態(tài)偏置推靠鉆頭式旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)介紹［J］．石油礦場機械，2003，32（6）：4-7.

SUN M X，HANG L J，LI Z H. Introduction of static bias push-the-bit rotary naviyational system [J].Oil Field Equipment，2003，32（6）：4-7.

[6]狄勤豐，張紹槐，周鳳岐，等.旋轉(zhuǎn)導向工具設計及其旋轉(zhuǎn)導向機理研究［J］.西北大學學報（自然科學版），1998，28（4）：299—303．

DI QF，ZHANG S H， ZHOU FQ，et al. The Desig- ning of the Rotary Steering Tool and It''s Steering Mech- anism [J].Journal of Northwestem University （Natural Science Edition），1998，28（4）：299-303.

[7]畢研濤，柳貢慧，馬清明，等.靜態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導向鉆具靜力學特性分析［J］．石油機械，2021，49（7）：1-7.

BI Y T，LIU G H，MA Q M，et al. Analysis of Statics Characteristics of Static Push-the-Bit Rotary Steerable System [J].China Petroleum Machinery，2021，49 （7）：1-7.

[8]王恒，孫明光，張進雙，等.靜態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導向工具造斜率預測分析［J］．石油機械，2021，49（2）：15-21.

WANG H，SUN M G， ZHANG J S， et al. Analysis of Statics Characteristicsof Static Push-the-Bit Rotary Steerable System [J].China Petroleum Machinery， 2021，49（2）：15-21.

[9]彭勇，閆文輝，李軍強.旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具執(zhí)行機構(gòu)推靠力分析［J］．石油機械，2005，33（11）：24—27

PENG Y，YAN W H，LI J Q.Analysis ofthrust force of actuating mechanism on rotary steering drilling system [J]. China Petroleum Machinery，2005，33（11）： 24-27.

[10]張進雙，胡金艷，現(xiàn)代井下鉆井工具及旋轉(zhuǎn)導向閉環(huán)鉆井系統(tǒng)［J］.石油大學學報（自然科學版），2001，25（6）：47-51

ZHANG J S，HU J Y. Adavanced bottom hole drilling tools and the rotary steering closed loop system [J].Shiyou Daxue Xuebao，2001，25（6）：47-51

[11]張玉霖.旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)導向力測試裝置設計及優(yōu)化［D］．北京：北京工業(yè)大學，2013．

ZHANG Y L.The rotary steering system force test de- vice design and optimization [D].Beijing：Beijing industry university，2013.

[12]趙金海，趙金洲，韓來聚，等.推靠式旋轉(zhuǎn)導向鉆具力學性能研究［J］．石油鉆采工藝，2004，26（1）：13-15.

ZHAO J H，ZHAO JZ，HAN LJ，et al.Study on mechanical property of push-the-bit rotary steering BHA [J].Oil drilling & production technology， 2004，26（1）：13-15.

[13]程載斌，姜偉，蔣世全，等.旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)三翼肋偏置位移矢量控制方案［J］．石油學報，2010，31（4）：676-683.

CHENG Z B，JIANG W，JIANG S Q，et al.Control scheme for displacement vector of three-pad biasing ro- tary steerable system[J]. Acta Petrolei Sinica， 2010，31（4）：676-683.

[14]杜建生，劉寶如，夏柏林.靜態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)三支撐掌偏置機構(gòu)控制方案［J］.石油鉆采工藝，2008，30（6）：5—10．

DU J S，LIU B R，XIA B L. The control scheme for three-pad static bias device of push-the-bit rotary steer- able system [J].Oil drilling & production technolo- gy，2008，30（6）：5-10.

[15]湯楠，霍愛清，崔琪琳.基于狀態(tài)空間法的旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具控制系統(tǒng)研究［J］．石油學報，2004，25（2）：89-92.

TANG N，HUO A Q，CUI Q L. Control system in ro- tary steering drilling tool based on state space method[J].Acta Petrolei Sinica，2004，25（2）：89-92.

[16]李漢興，姜偉，蔣世全，等.可控偏心器旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具研制與現(xiàn)場試驗［J］．石油機械，2007，35（9）：71-74.

LIH X，JIANG W， JIANG S Q， et al. Development and in-situ test of encentricity controllerfor rotary steering drilling [J].China Petroleum Machinery， 2007，35（9）：71-74.

[17]孫銘新，于波，李靜.偏置工具后置式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)導向性能分析［J］．石油機械，2002，30（10）：4—5．

SUN MX，YU B，II J.Steering ability of rotary steer- ing drilling system with rear-mounted bias tool [J].Chi-na Petroleum Machinery，2002，30（10）：4-5.

第一作者簡介：張玉霖，高級工程師，生于1979年，2002年畢業(yè)于江漢石油學院機械專業(yè)，現(xiàn)主要從事定向鉆井技術(shù)研究和井下工具研制工作。地址：（065201）河北省三河市。E-mail：zhangy119＠cosl．com．cn。

通信作者：盧 濤，E-mail：lutao9＠cosl．com．cn。

收稿日期：2022—10—20

（本文編輯 南麗華）