全旋转指向式导向钻井工具结构设计与仿真

为了提高全旋转指向式导向钻井工具的设计效率,缩短研发周期,笔者首先设计了该钻井工具的导向执行机构,简化导向执行机构的空间机构模型,通过自由度的计算,得出了该机构具有确定的运动。再对该钻井工具的结构组成和导向原理进行分析,得到了其导向控制方法是通过控制全旋转指向式导向钻井工具的双偏心环和旋转外套的角位移关系,调节其工具角和工具面角,实现导向钻井。最后利用SolidWorks和ADAMS软件对钻井工具虚拟样机进行三维实体建模及运动仿真,仿真结果表明该钻井工具可以实现工具面角(0~360)°和工具角(0~5)°的无级调节,验证了所设计的全旋转指向式导向钻井工具结构和导向原理的可行性,为原理样机的加工奠定了基础。

旋转导向钻井工具稳定平台控制功能试验研究

为了实现在全旋转状态下的钻井导向控制,在调制式旋转导向钻井工具内设置了一个可以自动调整和保持工具面角度的稳定平台。设计了基于角速度和角位置串级控制的惯导稳定平台功能的试验样机。通过以电动机为动力的齿轮驱动和全流量清水涡轮驱动的功能试验,对稳定平台的算法和控制参数进行了调试。在发电机转速为500～800r/min、下盘阀转速约为60r/min和摩擦扭矩为0.8～7.5N·m的工作条件下,系统阶跃响应调整时间约为3s,试验结果证明了系统设计和控制方案的可行性和有效性。

旋转导向钻井工具的研制原理

介绍了旋转导向钻井工具的工作原理及结构,指出了研制该工具的主要技术特点。旋转导向钻井工具主要由稳定平台单元、工作液控制分配单元和偏置执行机构单元3部分组成,其测试元件将测得的井眼参数通过短程通讯传输到随钻测量仪,再由随钻测量仪将信息传输到地面。同时,旋转导向钻井工具接收由地面发出的指令,并通过稳定平台单元调控工作液来控制分配单元中的上盘阀高压孔的位置。工作液控制分配单元将过滤后的泥浆依次分配到3个柱塞,给推板提供推靠动力,并使该推靠力的合力方向始终保持在上盘阀高压孔所对应的位置,在近钻头处形成拍打井壁的侧向力。通过对侧向力的大小、方向和拍打频率的调整,可直接控制该工具的导向状态。

调制式旋转导向钻井工具稳定平台控制机构研究

深入研究了调制式旋转导向钻井工具中的稳定平台控制机构的结构原理和控制原理。介绍和分析了一种用井下涡轮发电机作为力矩发生器 ,通过调节其电磁力矩的方法来实现稳定平台控制的方法。在推导控制对象数学模型的基础上对控制系统进行了相应的计算机仿真 。

调制式旋转导向钻井工具控制阀力学模型及仿真分析

设计调制式旋转导向钻井工具控制阀的关键问题之一是上盘阀高压孔的设计。通过对调制式旋转导向钻井工具液压盘阀机构的工作原理、力学模型的理论和仿真分析,给出了上盘阀高压孔圆心角的最优设计参数;讨论了充液、泄液滞后时间对巴掌支撑力的影响,提出了调制式旋转导向钻井工具控制阀机械设计和控制的理论依据。

旋转导向钻井工具稳定平台单元机械系统的设计

稳定平台单元机械系统的设计是旋转导向钻井工具的关键和难点之一。其作用是保证在钻井时不受钻柱旋转的影响,配合旋转导向钻井系统的指令系统对导向工具的工具面角随钻实时调控,实现导向功能,并承担与MWD之间的测控信息无线传输。介绍了旋转导向钻井工具稳定平台的基本原理,展示了所设计的稳定平台单元机械结构图。指出了稳定平台单元机械系统设计的几个特点进行了稳定平台整体支承方案选择分析,确定了稳定平台整体重量上挂在稳定平台上主支撑座的上挂式方案;进行了轴承选型的对比分析,确定了滚动轴承结构的设计方案,为了提高其使用寿命特设计了轴承保护器;进行了稳定平台主轴控制转动时驱动力矩与阻力矩的分析,给出了所需扭矩的供需平衡的解决办法;进行了影响稳定平台主轴整体刚度的因素分析,提出了提高稳定平台整体刚度的办法;进行了稳定平台旋转主轴的静平衡和动平衡分析;说明了选择防磁材料的原因和轴向累计加工、安装误差的调整方法等。这些措施的实施从机械设计方面保证了整个稳定平台功能的实现。

旋转导向钻井工具执行机构推靠力分析

以旋转导向钻井工具导向能力关键参数--执行机构推靠力为研究对象,从单个'巴掌'在钻柱旋转1周内的作用力分析入手,在上盘阀高压孔圆心角θ=180°的条件下,给出了3个'巴掌'的作用力和作用合力(即执行机构的推靠力)的解析计算式,讨论了它们的变化规律,包括推靠力覆盖面角的变化规律、推靠力在导向方向分量及其垂直方向分量的变化规律.分析可知:推靠力在导向方向的分量连续且平稳,在导向的工况下,执行机构推靠力在导向方向的分量在(0.866～1.0)P0之间,波动较小,波动幅值为7.2%,而它在垂直于导向方向的分量不连续且幅值均在(-0.5～0.5)P0之间,占单个巴掌作用力的50%.

旋转导向钻井工具发电机电磁转矩控制及其优化

全旋转导向钻井工具的导向功能是通过调节其下涡轮发电机输出电磁转矩实现的。根据PWM斩波型控制电路模型,推导出旋转导向钻井工具涡轮发电机电磁转矩的数学表达式,通过数值计算确定了电磁转矩与控制量之间的关系,并进行了台架试验验证。从电机磁场储能角度讨论了发电机输出脉动转矩产生的内在原因及其计算方法,并在斩波型控制电路中引入有源功率因数校正技术,设计了一种可提高功率因数和电路稳定性的优化控制电路。试验测试结果表明,斩波优化控制电路消除了谐波脉动转矩,在增强电路稳定性的同时也增加了电磁转矩的调节范围。

静态式可控偏心器旋转导向钻井工具造斜能力分析

介绍了静态式可控偏心器旋转导向工具的结构和造斜原理 ,对比分析了该结构在旋转导向钻井中的优越性。通过 BHA力学分析确定钻具组合的结构、计算相关影响因素作用下钻头力的大小 ,根据岩石非均匀破碎模型预测了导向工具的造斜能力。

旋转导向钻井工具信号下传系统研究

结合旋转导向钻井系统自身的特点,选择钻井液脉冲作为旋转导向钻井工具信号下传的方式,对信号下传系统钻井液压力脉冲的传播特性进行了深入研究;分析了各种钻井参数对钻井液压力脉冲幅值的影响,给出了钻井液压力脉冲的时间特性,并结合钻井液压力脉冲的传播特性和旋转导向钻井工具的自身特性设计了相适应的指令系统和编码方式。经现场试验验证,所研制的旋转导向钻井工具信号下传系统解码成功率高,能够满足旋转导向钻井的需要。

旋转导向钻井工具智能PID控制

稳定平台是调制式全旋转导向钻井工具的关键,其驱动机构是一个强非线性、强扰动和参数变化大的时变系统,常规的PID控制难以获得满意的动态响应速度和稳定的静态性能。根据旋转导向钻井工具稳定平台的工作特点,结合智能控制,研究了一种基于间接专家系统的智能PID控制,详细分析了控制策略和参数调试准则,并进行了台架模拟试验测试。结果表明,智能PID控制可以较好地克服强扰动、强非线性和参数大范围变化等因素,获得稳定的控制性能。

新型指向式旋转导向钻井工具导向轴振动特性研究

导向轴是指向式旋转导向钻井工具实现导向钻进的关键部件。在钻进过程中,导向轴受力复杂,易发生振动而影响旋转导向钻具的导向稳定性、精确性和可靠性,影响井眼轨迹控制、井壁质量和钻进效率等。以导向轴为研究对象,对其所受偏心环组的导向驱动力、旋转外套的转矩和地层岩石的侧向力进行受力分析,建立了导向轴力学模型,分析所受载荷。基于动力学理论和有限元方法对导向轴进行了纵向和横向2种振动的模态分析及谐响应分析;探讨了导向轴偏摆角对导向轴固有频率的影响,以及转矩、钻进压力和导向轴偏摆角对导向轴振动特性的影响。结果表明:导向轴偏摆角由0°增至6°过程中,横向振动固有频率增大较为明显,横向振动为导向轴的主要振动形式,距离导向节0.52 m处的导向轴与偏心环组连接处位置横向振幅较大;转矩和钻进压力对导向轴的纵向振动影响较大,随着转矩由1000 N·m增大至1600 N·m,导向轴的纵向振幅增大约1.3倍。

动态指向式旋转导向钻井工具设计探讨

旋转导向钻井技术在钻大位移井、分支井时具有独特的优越性。井下旋转导向工具是旋转导向钻井系统的核心部件。分析了国内外的旋转导向钻井系统的现有工作方式及优缺点,提出了动态指向式旋转导向钻井工具的设计新思想,介绍了其工作原理及结构,并详述了该工具的设计重点、难点及解决措施。

导向钻井工具稳定平台试验数据无线通信系统

旋转导向钻井工具稳定平台研发过程中,有大量参数调试和数据回放,通常停机后再利用仿真工具进行数据存取,实时性和通用性受到限制。为此,设计了旋转导向钻井工具稳定平台试验数据无线通信系统。该系统既可保证数据的无障碍传输,又可避免相互之间的串扰。试验表明,该系统实现了调试设备与稳定平台之间的不间断、实时数据传输,提高了稳定平台的调试可视性和开发效率,也适用于旋转垂直钻井工具稳定平台的试验研究。

全旋转内置式导向钻井工具动力学分析及仿真

全旋转内置式导向钻井工具是旋转导向钻井系统的重要部件之一,是一种全新结构形式的动态指向式井下闭环旋转导向钻井工具。为了研究全旋转内置式旋转导向钻井工具的运动状况,依据空间机构原理,建立了全旋转内置式导向钻井工具的动力学集中参数模型,进行了系统动力学分析,并通过Adams仿真验证了模型的正确性。结果表明:从理论上得出了关键部件偏心环和导向轴的速度、姿态等运动学基本参数,能够揭示姿态机构的运动特征,阐明偏心环和导向轴的转速、偏心距与钻头运动的关系,求得了导向系统中各参数随时间的变化规律,为全旋转内置式导向钻井工具的研究以及实现对钻井系统的最优设计打下理论基础。

井下闭环导向钻井工具双环积分滑模控制研究

带有双偏心环偏置机构的旋转导向钻井工具在导向钻进时,由于旋转外套传递的钻压以及复杂的井下工况等不确定性及非线性因素,造成钻井工具的轨迹精确度难以控制,为此,提出了一种轨迹跟踪控制理论--双环积分滑模控制。首先,对一种旋转导向钻井工具中的双偏心环偏置机构进行模型简化,将其简化为二自由度的连杆机构;其次,对机构模型进行分析,构建其运动学方程和动力学模型;然后,设计了双环积分滑模控制器,并用Lyapunov函数证明了所设计的控制系统的稳定性;最后,利用MATLAB软件进行仿真分析,证实了该控制方法有较好的抗干扰能力和控制精度。

新型指向式旋转导向钻井工具关节轴承动力学特性研究

新型指向式旋转导向钻井工具中,连接偏心环组和导向轴的关节轴承的动力学特性是影响旋转导向钻井工具的导向稳定性和控制精度的主要原因之一。为获得关节轴承的动力学特性,分析导向角和井下温度对其动力学特性的影响,对关节轴承所受载荷进行了分析和简化,建立了关节轴承的有限元模型。在转速、径向载荷和井下温度共同作用下,基于动力学理论和有限元方法,通过数值模拟手段对关节轴承进行了瞬态动力学分析,获得了关节轴承应力、径向位移、径向速度和径向加速度的时间历程曲线以及动态特性。结果表明:随着导向钻井工具导向角的增大,关节轴承前4阶固有频率明显增大,第5阶、第6阶固有频率有微小增大,主振型为第3阶、第4阶对应的径向弯曲;关节轴承最大应力出现在外圈内表面,井深每增加1 km,最大应力增加约86 MPa。关节轴承径向位移波动峰值约为0.228 mm,0~0.25 s内,径向速度和径向加速度有较大波动,表明存在微小振动。研究结果对提高旋转导向钻井工具的控制精度和导向稳定性以及关节轴承的合理使用提供理论参考。

旋转导向钻井工具稳定平台振动模态计算

旋转导向钻井工具稳定平台的闭环控制是调制式旋转导向钻井系统的关键。巨大的动态冲击载荷引起的振动会严重影响稳定平台的正常工作和动力学性能。针对新开发设计的稳定平台,建立了振动模态分析的力学模型,利用有限元软件进行了稳定平台的振动模态分析,计算了其固有频率和振型。通过对计算结果的分析,认为应适当调整局部形状尺寸,尽量增大稳定平台刚度,为稳定平台的结构设计和动力学分析提供了理论依据。

旋转导向钻井工具试验台主轴驱动液压系统的稳定性

旋转导向钻井工具试验台的研究与应用对旋转导向钻井工具的研制和开发具有重要意义。为实现旋转导向钻井工具试验台主轴的精确稳定旋转,设计了一种试验台主轴驱动液压系统。根据液压系统工作原理建立了该系统的数学模型,得到了输入电压与液压马达输出转速之间的传递函数;利用Routh判据和Bode图判定该系统不稳定,当给系统加入动压反馈回路适当增加系统阻尼后,系统达到了稳定性要求;通过MATLAB/Simulink对该系统进行了仿真分析,分析结果表明:该系统在比例积分微分(PID)控制下,当无负载干扰时,试验台主轴转速能被精确控制;当对系统加入0~1500 N·m的随机负载干扰时,该系统也能快速达到稳定状态。可见该系统的控制精度达到了试验台主轴稳定旋转的设计要求,可以作为试验台主轴驱动液压系统的指导参数。

旋转导向钻井工具3D参数化虚拟样机设计

简述了旋转导向工具的结构组成和工作原理。利用SolidWorks软件平台对某型旋转导向工具进行3D参数化设计。采用SolidWorks自带的有限元插件COSMOSWorks建立了该工具的三维有限元网格模型,对芯轴进行了有限元分析,分析结果证明芯轴的结构设计合理,强度满足工况要求。虚拟样机设计和有限元计算结果为进一步改进和优化旋转导向钻井工具提供了理论依据。