自动垂直钻井工具纠斜机构的研究.pdf

第 2 2 卷第 4 期 2 0 1 2牟 1 2月 江 汉 石 油 科 技 J I ANGHAN P ET ROL EUM S C I E NCE AND T E CHNOL OCY V0 1 ． 2 2 No ． 4 D e c ． 2 0 1 2 自动垂直钻 井工具 纠斜机构 的研 究 吴 刚，张 策 中国石化石油机械装备重点实验室 、江汉石油管理局石油机械研究院，湖北武汉 4 3 0 2 2 3 摘 要 高陡地层防斜打快是钻井过程中普遍存在的一个技 术难题 、目前 ，国内传统的被动防斜 方法 大 多数以牺牲钻压、降低机械钻速 为代价 ，自动垂直钻井工具的主动纠斜功能有效地解决钻压和防斜之间 的矛盾 ，以达到防斜打快的 目的。综合对比国外垂钻工具的纠斜机构，对动力提取方式 、推臂结构 、纠斜 策略三个方面做 了详细的比较 ，以优选纠斜机构方案。 关键词 纠斜机构；自动垂直钻井工具；防斜打快；推臂结构 目前 ，对于地层倾角大 、高陡构造带 、山前逆 掩推覆体区域等复杂地质区域，传统的被动纠斜T 具已经不能满足该地质 区域优快钻井的需求 ，尤其 不能满足钻垂直井的要求。2 0 世纪8 O 年代末出现的 主动纠斜技术 自动垂直钻井工具 ，有效 的解决 了钻 压和防斜 的矛盾 。目前国际 上投入商业应用 的自动 垂直钻 井工具 主要有 i种 美国B a k e r H u g h e s 公 司 的 Ve r t i T r a k 垂 直 钻 井 系 统 、S c h l u m b e r g e r 公 司 的 P o w e r V 垂 直钻 井 系统 及 德 国S m a r t D r i l l i n 司 的 Z B E 垂直钻井系统。 V e r t i T r a k 自动垂直钻井 系统是美 国B a k e r H u g e s I n t e q 公 司在V D S 基 础 上综合 了高性能泥浆 马达X T R E M E 、可靠的M WD 等先进技术开发出来的一种 闭环 自动垂直钻井系统⋯ 。 Z B E 系 列 自 动 垂 直 钻 井 系 统 是 德 国 S ma r t D ri l l i n g 公司研制。其主体结构 由连接钻头／ 钻柱的主 轴和不旋转套和脉冲发生器组成。在不旋转套上有 发电机 、井斜传感器 、电子测控系统 、液压控制系 统 、防转筋板和可伸缩导向控制块和外壳等。 P o w e r V 系统是 美 国S c h l u m b e r g e 司在旋转 导 向钻井工具P o w e r D r i v e 系列产品的基础上研发的新 型 自动垂直钻井系统。它采用采用P o w e r D r i v e 旋转 导向钻井技术和井下闭环 的控制方式 ，以泥浆涡轮 发电 、泥浆压力作为执行机构动力源 ，利用钻井液 泥浆 的能量产生推臂的驱动力。在钻进时会 自 动追踪地心引力 自动感应井斜 ，自动设定和调 整 I 具侧向力 ，使井眼轨迹快速返 回垂直状态 。 1 纠斜机构结构设计 1 ． 1 动力提取方式的选择 自动垂直钻井系统其核心大多是安装在导向套 内的一组液压驱动的可控导 向纠斜装置 ，而能使该 可控 纠斜装 置正常 工作 的基本 条件是能量供给 可 靠。国外 自动垂直钻井 T具的可控导向纠斜机构的 纠斜动力是由高压钻井液 泥桨 提供 Z B E 除 外 ，但形式上各有所不同。大致归纳下 ，可将国 内外垂直钻井T具纠斜单元的动力提取方式归为 4 类” ’ 。 第一类是 以钻井液驱动内置涡轮发 电机系统发 电为整个纠斜系统提供能量 。由涡轮发电机驱动电 动机进而驱动液压泵以提供纠斜机构液压控制 系统 的液压能 并同时为电磁阀及单片机控制系统 的电 路供电。V e r ti T r a k 为其代表产品．其结构如图l 所 示 。 第二类以安装在不旋转套上发电机为整个纠斜 系统提供能量。发电机是由旋转的主轴为转子、静 止的外套为定子进行发电。由旋转的主轴和静止的 外壳之间的相对运动来发电，发电机驱动电动机进 而驱动液压泵为纠斜机构液压控制系统提供液压 第一作者简介吴刚 ．男 ，助理工程师 ．2 0 0 7 年毕 业于华 中科技大学工程力学专业 ．获学士学位 ．主要研 究方向为智能钻井 具等。 4 8 江 汉 石 油 科 技 第2 2 卷 与此 同时液压缸C 保持收缩状态不输 出推 力。纠斜 之后实际井眼移动到了希望井眼位置 ，如图3 d 所示 。 2 ． 3 第三类纠斜策略 第三类纠斜策略同压力单双缸异步纠斜，i个 液压缸公用一个油源，T作压力由一个压力调压阀 共同调节 。液压系统原理图如图4 所示 。 采用两个液压缸异步动作的控制方式 ，控制过 程可参见图5 。其 中实际的井眼用实线 圆周表示 ， 三个推臂的位置用圆周上的 个黑色圆点表示 ，钻 具移动前井眼的位置用虚线圆周表示。首先让推臂 A 对应的液压缸单独伸出，使实际井眼位置移动到 推臂A与推臂B 构 成的合力方 向与希望井眼位 置成 同一直线 的地方 ，如图5 b，然后推臂B 对应的 液压 缸也 开始投 入 工作 ，推 臂A与推臂 B 同时 丁 作 ，两者 的合力F A B ，使实际井眼向希望井 眼位置 移动 ，如图5 C 。图5 d显示 了最后实际井眼 位置移动到希望井眼位置的情况。 综合 比较上述三种纠斜策略，第一类纠斜策略 采用钻杆内外的泥浆压力差进行纠斜 ，其优点是液 压系统结构简单 ，液压控制方案简单 ，小型化能力 好 ；缺点利用泥浆作为动力源 ，液压元器件容易损 坏，推臂一直与井壁接触，磨损严重。 第二类纠斜策略采用不同压力双缸同步纠斜， 三个液压缸的压力可以分别独立调节 。液压系统采 用三个独立的液压源来分别控制 三个液压缸 的工 作 ，其优点是纠斜过程直接 ，双缸同步动作时，以 直线轨迹将偏离井眼直接纠正到期望位置。缺点为 液压系统比较复杂，元件数量和种类也较多，小型 化能力差。 第三类纠斜 策略采用三个液压缸公用 一个油 源 ，工作压力 由一个压力调压阀共同调节 ，单双缸 纠斜策略。其优点是液压缸压力有一个压力调节阀 控制 ，所用元件数量最少 ，但其纠斜控制会更加复 杂 。 3 结论 1 采用第 四种动力提取方式 ，由液压泵直 接通过 中心轴提取动力的方式大大减少电子元件的 数量， 从而使系统结构简单，可靠性提高。 2 伞状铰接结构安全可靠性强 ．推臂行程 大 ，对于垂钻工具的小型化有很大优势。 3j种 纠斜策略各有优缺点 ，第一种利用 管柱内外泥浆压差纠斜 ，不需要动力元件 ，使系统 大大简化，但是液压元件易损坏；第二种采用不同 压 力双缸 同步纠斜 ，纠斜方式直接 ，控制逻辑简 单 ，缺点是液压元器件多 ，小型化困难 ；第i种采 用 同压力单双缸异步纠斜 ．大大减少液压元件 ，缺 点是纠斜方式复杂，控制逻辑复杂。出于纠斜 具 的可靠性考虑，采用第二种纠斜策略不同压力双缸 同步纠斜。 参考文献 【 l 】 R e i c h M， O e s t e r b e r g M． ， Mo n t e s H ．S t r a i g h t d o w n t o H e c e s s ．“ p e r f o r ma n c e r e v i e w o f a v e r t i c a l d ril l i n g s y s t e m [ J ] ．S P E ，2 0 0 3 8 4 4 5 1 ． I 2 】 M． A ． C o l e b r o o k ，S ． R ． P e a c h ，F ． M． A l l e n a n d G ， C o n r a n ． Ap p l i c a t i o n o f S t e e r a b l e R o t a r y Dr i l l i n g T e c h n o l o g y ． t o Dri l l E x t e n d e d R e a c h We l l s 【 J ] ．S P E ，1 9 9 8 3 9 3 2 7 ． 【 3 J3 张雪 梅 ．垂直 钻井 工具 液压 导 向系统设 计 与优 化 硕士学位论文 [ D 】 ．武汉 武汉科技大学 ，2 0 1 0 ． 【 4 】 卢志芳． 超常环境压力下微型液压动力系统特性分析 与 研 究 硕士学位论文 【 D 】 ．武汉 武汉科技大学 。 2 0 0 9 ． 【 5 】 张萌． 自动控 向垂钻系统小型化设计的关键技术研 究 硕士学位论文 【 D 】 ．武汉中国地质大学。 2 0】 0． 编辑胡素梅