可控偏心器旋转导向钻井工具偏心位移控制分析

介绍了所研制的可控偏心器旋转导向钻井工具的工作原理。可控偏心器旋转导向钻井工具主要是通过导向机构的合成偏心位移矢量来控制井眼轨迹,这与国内外目前研究的旋转导向钻井工具在导向控制原理方面有着本质的区别。分析了可控偏心器旋转导向钻井工具合成偏心位移的形成与分解原理,以及导向机构位置状态发生改变时偏心位移矢量的控制过程。     

可控偏心器旋转导向钻井工具研制与现场试验

研制的可控偏心器旋转导向钻井工具主要由驱动轴,导向机构、定位总成、测控单元、轴承支撑系统等部分组成。该工具通过偏心执行机构——导向机构来实现井眼轨迹的控制。导向机构由3个互成120°角的翼肋及液缸组成,3个翼肋的伸出量在钻具的相应位置形成1个偏心位移矢量,使可控偏心器偏离井眼中心线,形成1个等效弯接头,通过调整3个翼肋的偏心位移矢量,可形成不同的工具面角和弯接头弯角。现场试验证明,该工具的工作原理可行,满足旋转导向钻井井眼轨迹的控制要求。     

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目前的钻井基本上处于地面开环控制状态，它的频繁起下钻使钻井效率降低、成本提高，甚至难以实现设计的井眼轨迹。随着钻井的位移和井深不断增加，能够解决上述问题的井眼轨迹闭环控制已成为钻井行业的前沿课题。可控偏心器是结合了微电子、信息、液压、控制等技术开发的一种智能导向工具。通过它构成的井眼轨迹闭环控制系统能够实现井眼轨迹的自动控制，从而提高井眼轨迹控制精度，降低钻井成本。为此，文章根据可控偏心器的导向机理，提出了带可控偏心器的井眼轨迹闭环控制系统及控制策略；探讨了可控偏心器冀片缸压合矢量的闭环控制方法，通过仿其实验验证了其可行性，对可控偏心器的现场应用具有重要的指导意义。     

指向式旋转导向心轴系统偏置处局部特征分析

指向式旋转导向钻井系统中心轴和偏置环的配合特征对心轴系统的疲劳寿命有很大的影响。为此,建立了心轴系统受力模型,并根据偏置状态下心轴的受力情况对边界加载进行仿真分析,指出心轴最早发生失效的位置在偏置环处,因此对偏置环和心轴的局部特征及配合关系进行研究。研究结果表明,旋转导向心轴偏置处过盈配合时心轴弯曲内侧和弯曲外侧的接触应力均出现最大值;随着偏置环宽度的增大,心轴弯曲内侧的接触应力先减小后增大;随着倒角的增大,侧边截面的接触应力先减小后增大,而中心截面接触应力逐渐增大;基于心轴系统受力模型,推荐偏置环的宽度和倒角半径分别取50 mm和4 mm。     

井眼轨迹控制工具滚针轴承的偏载失效分析

国内有关高造斜率井眼轨迹控制工具上、下两端轴承的研究主要是对主轴进行偏置试验,忽略了一些实际情况。为此,通过井下工具动态测试台架模拟了井下工况,针对滚针轴承的破坏失效进行了整体理论和有限元分析。依据井眼轨迹控制工具的原理,建立了旋转心轴的力学和数学模型,同时依据所得的主轴和滚针轴承数据,用Solidworks建立了它们的全尺寸仿真模型。分析结果表明,主轴在滚针轴承处的偏斜角度为0.072 5°,滚针轴承要阻止轴的弯曲变形,在运行中主轴会给滚子施加一个向左的力;在试验中滚子的倾斜角度达到了0.029 3°,这使滚针轴承的使用疲劳寿命急剧缩短。建议对井眼轨迹控制工具的结构进行改进,采用滚针和角接触球组合轴承,使得它能同时承受径向和轴向载荷,延长轴承的使用寿命。     

井眼轨迹控制工具导向运动控制研究

基于井眼轨迹控制工具的结构特点,建立导向机构的数学模型,分析了导向过程中偏置机构合位移的形成及其分解方法。考虑了工具外套变形对主轴偏置运动的影响,以及不旋转外套发生微小转动的情况,推导出调整主轴到目标点的控制方程。根据内外偏心环初始位置及目标点坐标选择最优路径,从而使调整时间最短。利用井眼轨迹控制工具试验装置的试验数据得出仿真曲线,验证了推导方程的正确性。     

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针对大位移井眼轨迹控制技术难点,文章分析了西江24－3油田4口大位移井的井眼轨迹控制技术,探讨了大位移井井眼轨迹控制技术的机理,并对大位移井井眼轨迹的控制方案进行了优化。结果表明,西江24－3油田大位移井的井眼轨迹控制技术实际上是可调和不可调滑动导向钻具组合连续导向和旋转导向工具连续导向钻井技术的综合。旋转导向工具进行连续导向钻井具有随时可控性,轨迹控制质量高,但使用成本很高。在充分掌握滑动导向钻具组合导向力变化规律的基础上,在一定范围内,这种钻具组合仍然具有很好的应用效果。技术和经济方面的因素决定了小位移时采用滑动导向钻具组合连续导向钻井技术,而在较大位移时采用旋转导向工具的控制方法是最优的轨迹控制方案。     

智能旋转导向工具核心控制器的仿真研究

提出井眼轨迹智能导向工具——可控偏心器核心控制器的仿真研究方案,设计了可控偏心器翼片缸压合矢量控制的仿真硬件电路及相应软件。实验结果表明,在正常与扰动情况下,可控偏心器的井下控制系统能够自动将翼片缸压合矢量调整到给定值。     

旋转导向钻井轨迹控制理论及应用技术研究

研究了调制式旋转导向钻井系统控制井眼轨迹的原理和方式,依据实钻轨迹和设计轨迹的偏差大小,给出了轨迹控制方法.根据控制原理,设计了一套从地面控制井下的工具,以实现轨迹控制的指令算法.基于所研究的理论和算法,开发了应用于导向钻井系统的地面监控软件系统,重点介绍了井眼轨迹控制系统的程序设计与实现方法.     

旋转导向钻井地面监控系统研究

为了将井眼轨迹以及其他有关的钻井参数用图形和数据三维可视化地显示出来,便于现场工程技术人员直观地掌握和分析钻头所在位置以及井下导向工具对井眼轨迹的控制情况,研制了地面监控和井眼轨迹可视化子系统,该系统是调制式旋转导向钻井系统(MRSS)的指挥中心。可实时监控井下导向工具,控制井眼轨迹按设计的轨迹逼近靶区并中靶。文中介绍了MRSS地面监控子系统的总体设计;在导入设计数据和实时采集MWD上传的实钻数据的基础上,进行了设计井眼和实钻井眼的轨迹描述、轨迹偏差分析和轨迹修正设计、进而计算出MRSS轨迹控制参数及相应的下传控制指令;研究了控制指令下传给井下导向工具的方式并给出最佳指令编码方案。系统的各项功能集成在一个一体化的地面监控和井眼轨迹三维可视化软件系统中,是信息化、智能化钻定向井的创新工程。