基于旋转导向钻进方式的可控弯接头发展现状

旋转导向钻井工具是旋转导向钻井系统的核心工具,代表了目前导向技术的先进水平,其最基本的功能是导向功能和稳斜功能。文章概述了导向钻井工具的发展,叙述了滑动导向钻进方式的缺点与不足,介绍了现在世界上已成功商业化的几种自动旋转导向钻井工具的结构原理。可控弯接头属于指向式导向工具,本文着重探讨了可控弯接头导向机构的结构、导向原理、特点以及发展现状。

可控弯接头变异万向轴和轴承的强度模拟分析

为了促进我国旋转导向钻井技术发展,对智能型井下闭环旋转导向工具——可控弯接头的结构和工作原理进行了介绍,并用ANSYS软件对旋转导向钻井工具中的变异万向轴和推力轴承进行了研究,分析了推力轴承、滚子和变异万向轴的相互作用及应力分布情况。分析结果表明,接触配合中危险区域的最大应力为234 MPa,发生在轴承上与滚子接触的球窝边缘部分,与赫兹理论相符;变异万向轴和推力轴承都能较好地满足强度要求。

可控弯接头钻井工具的偏心机构控制仿真实验

可控弯接头钻井工具的偏心机构控制方法决定着可控弯接头钻井工具的成败。对已提出的一种基于该可控弯接头钻井工具的控制方法进行了验证。通过Labview软件和Solid Works软件联合仿真实验,并运用牛顿插值法,验证了在外套旋转和不旋转2种情况下,调整导向轴偏置角β公式的正确性,调整导向轴方位角θ公式的正确性以及调整导向轴偏置角β公式和调整导向轴方位角θ公式联合使用的正确性,并得到了各种情况下导向轴的运动轨迹,可为以后的研究提供参考。

可控弯接头导向控制理论研究

提出了一种动态偏置指向式旋转导向钻井工具的工具角与工具面角调节的控制方法。通过建立运动学模型,分别对钻井工具的工具角调节方法与工具面角调节方法进行了理论论证,并将2种不同参数的调节方法加以合并,对导向工具的整个控制过程进行分析,提出3种对可控弯接头工具角与工具面角的控制方式,利用MATLAB软件分别对工具角和工具面角调节过程进行轨迹仿真。研究实现了导向工具根据工作需要对工具角和工具面角的灵活调节,并且在工具角与工具面角调节完成后使整个系统处于稳定状态。

基于可控弯接头钻井工具的偏心机构控制方法

基于可控弯接头工具的偏心机构提出了一种控制方法。通过分析,得出导向轴偏置方位和角度与内外偏心环转动角度的关系。运用逆解法,得到了内偏心环顺时针转过角度和外偏心环顺时针转过角度唯一对应的偏心机构偏置目标。通过该方法可以实现预先想要设定的偏心机构偏置目标位置。

基于可控弯接头指向角的PDC钻头破岩效率分析

为了提高指向式井下闭环可控弯接头的破岩效率,利用ABAQUS软件对PDC钻头在加压回转载荷作用下,连续破碎砂岩进行动力学仿真分析,并利用Python语言对ABAQUS软件进行二次开发,生成参数化定义插件,以达到优化仿真流程的目的。研究旋转导向钻进过程中不同指向角大小对PDC钻头破岩效率的影响,得到了指向角分别为0.0°、2.5°和5.0°对破岩体积、钻头进尺、破岩速度及钻头扭矩的影响规律。研究结果表明:可控弯接头在导向钻进整个过程中,不同指向角变化对钻头扭矩作用并不明显;但当指向角为0.0°时,PDC钻头破岩效率最高,钻头进尺深度最大;指向角为5.0°的破岩效率明显比2.5°的破岩效率要高;指向角越大,其钻头轴向钻进速度波动越大。研究结果对于井下闭环可控弯接头的实际操作以及钻头破岩效率的提高具有一定的理论指导意义。

全旋转内置式可控弯接头运动特性

为准确了解钻井过程中导向钻井工具可控弯接头的井下运动规律,根据空间机构理论,建立了全旋转内置式可控弯接头的运动模型,采用Matlab进行模拟仿真,分析了不同工具角、不同工具面角以及不同工作状态下系统的运动规律,并通过Solidworks三维仿真验证模型的正确性。通过仿真得出了关键部件内偏心环、外偏心环、钻头的角速度和位移等运动学基本参数,揭示了可控弯接头的运动特征,研究了转速、偏心距与钻头运动轨迹的关系,求得了系统中各参数随时间变化的规律。研究结果表明,随着两个伺服电机转动角速度的变化,工具角调节速度和调节加速度呈余弦规律连续变化。研究结果为全旋转内置式可控弯接头的井眼轨迹控制提供了理论依据。

井下闭环可控弯接头导向节受力摩擦磨损研究

导向节是旋转导向钻井工具可控弯接头重要的组成部分。为研究导向节工作过程中钢球在滚道内所受接触应力、摩擦力及磨损的影响,根据Hertz(赫兹)接触理论,运用MATLAB软件计算了导向节中钢球与滚道之间接触应力的大小,建立了钢球与滚道之间的几何模型,分析了转角、轴间摆角和角速度对摩擦力的影响以及对体积磨损率大小的影响规律。研究结果表明:钢球在内滚道产生的接触应力总大于对应的钢球在外滚道产生的接触应力;比较并验证了钢球与保持架间的摩擦力较钢球与滚道间的摩擦力相差较大且变化不明显;根据体积磨损率与转角、轴间摆角、角速度之间的关系曲线,当导向节的旋转外套旋转一周,角速度为50πrad/s时,随着轴间摆角的增大而体积磨损率逐渐减小,当轴间摆角2θ为12°时,体积磨损率随着角速度的增大而增大。研究结果可为可控弯接头整体性能的提高提供指导。

可控弯接头中钢球与滚道摩擦磨损研究

在旋转导向钻井系统中,可控弯接头是重要的导向钻井工具。介绍了可控弯接头结构,并对该结构中钢球的受力和接触情况进行阐述。采用赫兹理论对钢球与滚道进行分析计算,了解其在工作过程中具体的运动情况以及在受到工作载荷之后的摩擦磨损状态;通过MATLAB软件分析机构中各因素对摩擦应力的影响程度及趋势,为机构后续设计及改进提供依据。

可控弯接头偏心环摩擦及扭矩分析

可控弯接头导向偏心环受力情况直接关系到其能否完成旋转导向钻井。通过对可控弯接头进行结构简化与力学模型的建立,分析了可控弯接头在承受轴向钻压时的受力情况,并运用取微元的方法对偏心环组所受摩擦力进行分析,分别分析了外偏心环与内偏心环在它们速度相对大小发生变化时各自所受摩擦力与扭矩的情况。得出了驱动内、外偏心环所需要的最大扭矩及可控弯接头导向过程平稳时内、外偏心环速度情况。

可控弯接头密封结构设计研究

旋转导向钻井工具在国内已有较大的发展,现已成型的导向钻具几乎全为钻头推靠式导向方式。可控弯接头导向钻具的设计研究为国内全旋转钻头指向式导向钻具的发展奠定了理论基础,其研制尚处于起步阶段,有许多关键技术亟待解决。简要介绍了旋转导向钻井工具结构和工作原理;针对其结构特点和实际的井下工作环境,对其密封结构进行重点研究。设计一种带有压力补偿的组合密封结构,为存在动态压力突变的钻井液-润滑油这一位置的密封问题提供一种理想的解决方案,并对关键密封部件进行有限元分析,以保证密封结构具有径向补偿、耐高温、耐高压、耐腐蚀、抗冲击、长寿命等特点,为可控弯接头原理样机的试制与相关原理性试验奠定良好的理论基础。

可控弯接头导向能力分析

可控弯接头是闭环旋转导向钻井工具的关键执行部件之一,它是一种位移工作方式的钻井工具,该工作方式以控制导向工具执行机构的偏置量为特点,用以改变井下钻具在钻进过程中的井斜角达到造斜的效果。文章分析了所设计的可控弯接头结构的钻头降井斜力以及造斜率,为可控弯接头的设计提供了理论指导,从而达到良好的工程设计结构。

可控弯接头偏心环旋转振动分析

可控弯接头偏心环振动情况直接关系到旋转导向钻井系统的稳定性。本文以全旋转指向式旋转导向钻井工具的导向工况为背景,从偏心环控制可控弯接头导向过程入手分析,对可控弯接头偏心环旋转过程进行了力学分析,建立受力模型。推导了偏心环径向的运动微分方程,计算出了偏心质量引起的离心惯性力。对偏心环进行模态分析,得出各阶振型以及固有频率。为之后全旋转指向式旋转导向钻井工具的结构设计提供理论基础。

新型全旋转动态指向式旋转导向钻井系统设计

在研究现有旋转导向系统构成和关键组成单元结构及工作原理的基础上,分析了国内外旋转导向钻井系统的结构特点,并结合现场旋转导向系统的使用原则提出了新型全旋转动态指向式旋转导向钻井系统。该系统主要由地面监控系统、地面与井下双向传输通信系统、钻井液发电系统、井下控制系统、井下测量系统和导向机构组成。系统将井下闭环和地面闭环相结合,实现旋转钻进过程中连续井斜和方位的调整,节省了频繁起下钻时间;系统的可控弯接头的偏心机构由内、外2个偏心环组成,并利用内、外偏心和矢量进行轨迹控制。可控弯接头偏心机构通过控制外偏心环伺服电机来驱动,可实现导向轴的摆动,保证可控弯接头实现导向钻进。

旋转导向钻具导向节轴承圆周间隙角研究

导向节轴承是旋转导向钻井工具可控弯接头中传递扭矩和钻压的关键部件,导向节轴承中钢球与沟道之间的间隙将影响可控弯接头中导向轴偏置角的准确性和稳定性。根据导向节轴承的结构组成及钢球与沟道的结构特点,建立钢球与沟道截面的几何模型和沟道曲面的曲面方程及数学模型;根据钢球与沟道截面的几何模型,利用MATLAB软件计算导向节轴承中壳内钢球和套内钢球与沟道之间的圆周间隙角的大小。结果表明:导向架内、外球面沟道面为椭圆曲面,无论导向轴朝哪个方向偏置都不影响钢球的圆周间隙角大小;导向轴偏置角为0时,钢球总的圆周间隙角恒定不变且最大,偏置角不为0时,圆周间隙角随转角的增大呈周期性变化并呈现出波动性;套内钢球与沟道之间的圆周间隙角的波动性大于壳内钢球的圆周间隙角的波动性,圆周间隙角的波动性是导致导向轴转动过程中产生振动和噪声的重要原因。