PDC钻头对推靠式旋转导向工具的适配性

针对使用推靠式旋转导向工具配套PDC钻头钻井过程中出现造斜率不达标的问题,进行PDC钻头切削结构对推靠式旋转导向工具适配性研究。基于纵横弯曲连续梁理论,考虑井径扩大率对工具的影响,建立推靠式旋转导向工具BHA力学分析模型,再结合PDC钻头与地层相互作用模型,提出以井斜趋势角作为评价推靠式旋转导向工具与PDC钻头适配性的指标,定量分析钻头结构参数对推靠式旋转导向工具造斜能力的影响,并进行相关试验。结果表明:随着PDC钻头内锥深度变浅、冠部高度变短,旋转导向工具造斜能力越强;PDC钻头切削齿后倾角越大、摩擦角越大,工具造斜性能越强;PDC钻头保径对工具造斜能力影响较大,钻头主动保径和被动保径面积越小,工具造斜能力越强;钻头被动保径刀翼越窄,工具造斜能力越强;当钻头保径总长一定时,随着主动保径与被动保径面积比值变小,工具造斜能力呈先增加后减小,存在最佳主动保径与被动保径比例使推靠式旋转导向工具造斜能力达到最大;模型井斜趋势角的预测值与试验值基本一致,最大误差仅为6.71%,验证了本文所建立模型的准确性。

“璇玑”推靠式旋转导向工具在直井中的应用

Welleader是中海油田服务股份有限公司自主研发的“璇玑”系统推靠式旋转导向工具,其在工作时使用3个独立翼肋持续推靠井壁,依靠井壁的支撑产生偏置,从而进行导向作业。常规Welleader通过重力加速度表进行导向作业,但重力加速度表在垂直状态下的测量误差较大,导向执行效果差。而装配了磁通门的Welleader由于不受重力影响,具备更加精准的直井造斜能力。目前,Welleader在2种导向模式下的作业经验较少,无法对其作业能力进行系统对比和评估,对其直井作业能力认识不清晰。因此,文章分析了装配了磁通门和重力加速度表的Welleader在某试验井的12-1/4"井眼中多个直井造斜和降斜打直井段中的应用,通过整理和分析重要实钻试验数据,综合阐述了该工具在2种导向模式下进行直井相关作业的准确性和可靠性,以期为后续相关作业提供参考。

柔性短节位置对带旋转导向工具底部钻具组合动力学特性的影响

针对具有超长细比特征的底部钻具组合(BHA),运用有限元结点迭代方法,研究柔性短节在不同位置对带位移工作方式旋转导向工具RSBHA的三维动态变形和动态应力的影响,并且分析在不同钻压和转速情况下柔性短节位置的变化对最大动态应力的影响。结果表明:在合理的位置加入柔性短节能够减小RSBHA的横向动态位移,并且使得最大动态应力明显下降,起到减振的效果,反之将会明显增加动态应力;柔性短节位置对最大动态应力的影响远大于钻压和转速,合理地确定柔性短节位置对提高井下工具的安全性和测量数据的准确性有重要作用。

旋转导向工具的径向补偿组合动密封设计

针对导向钻井工具中导向工具下端在正常钻进和导向钻进2种工作状态下的动密封要求,通过分析工作环境和性能要求,设计一种导向钻井工具的组合密封装置。该组合密封由波纹管、机械密封和螺旋密封等组成,达到井下工具动密封的径向补偿、高温、高压、耐腐蚀等设计要求,提高井下密封的可靠性和使用寿命,为井下恶劣环境下的动密封设计提供一种新的设计方法。

带旋转导向工具的底部钻具组合横向振动特性研究

为了提高旋转导向工具的井眼轨迹控制效果及作业安全性,研究了带静态推靠式旋转导向工具底部钻具组合(RSBHA)的横向振动特征。静态推靠式旋转导向工具通过控制3个导向翼肋的驱动压力实现井眼轨迹控制,可以将其等效为偏心距和偏心方位角已知的偏心稳定器;建立RSBHA的三维小挠度静力学模型,基于加权余量法确定RSBHA在钻压作用和井壁约束下的空间构形,获得上切点的位置;以上切点到钻头的距离作为横向振动的有效长度建立有限元模型,利用振型叠加法求解RSBHA的横向振动响应,分析工作参数和结构参数对其横向振动的影响。算例结果发现:转速约为138 r/min时,RSBHA的动态位移在距钻头8.20,18.10,24.60和31.60 m处较大;钻压对RSBHA最大弯曲应力的影响较小;偏心距和偏心方位角对RSBHA横向振动特性的影响较大,对于某些特定的偏心距和偏心方位角,RSBHA最大弯曲应力会明显增加。研究结果表明,结构参数和工作参数对RSBHA的横向振动影响较大,应对其进行优化设计,以确保旋转导向工具的应用效果和钻井作业安全。

旋转导向工具驱动芯轴刚度与疲劳强度设计方法

综合考虑钻压、井斜角、芯轴重力、钻井液作用、芯轴自转和涡动角速度、芯轴结构和材料参数等因素的影响,提出了动态条件下三翼肋静态偏置位移式旋转导向工具驱动芯轴刚度和疲劳强度设计方法;分析评价了基本参数和优化参数工况下芯轴的刚度和疲劳安全性。本文研究成果可为旋转导向工具驱动芯轴的设计、优化以及安全钻进参数的选取提供参考。

旋转导向工具心轴弯曲对悬臂轴承影响的研究

指向式旋转导向工具利用心轴的弯曲变形达到导向钻进的目的,在轴承受力分析的基础上,选择滚针轴承达到心轴上部的悬臂轴承限制心轴弯曲的目的,但是心轴的弯曲会影响滚针轴承的工作及寿命。通过对心轴弯曲变形的力学分析,建立了心轴在静态偏置状态下的挠曲线方程,得出在滚针轴承处心轴的挠度值与偏置力之间的关系曲线,利用试验验证了力学分析的合理性;并通过试验研究了在静态和动态2种工作条件下心轴弯曲对滚针轴承工作的影响。结果表明,心轴的弯曲变形是滚针轴承失效的主要原因;采用组合轴承或硬质合金轴承可以改变轴承的受力状态以延长轴承的工作寿命。

一种旋转导向工具设计方案及其旋转导向功能的实现

导向工具是导向钻井系统的核心，是实现井下闭环钻井的关键因素之一。旋转导向工具能克服滑动导向工具存在的诸多缺陷，是大幅度提高钻井工作能力的有效工具，必将成为未来导向钻井的主流。文中提出了一种旋转导向工具设计方案，并对其实现旋转导向的机理进行了深入研究。作者认为，这种导向工具设计方案不但能够实现旋转导向力方向和大小的有效控制，而且结构简单，可靠性好。

推靠式旋转导向工具造斜能力影响因素

旋转导向工具相比于滑动导向工具具有机械钻速快、摩阻扭矩小、水平位移延伸能力强、井眼轨迹易调控等优点。推靠式旋转导向工具引入国内市场后,总体应用情况较好,但在部分地区也出现了工具造斜能力不足的问题。根据底部钻具组合纵横弯曲梁方法,建立了推靠式旋转导向工具变截面BHA力学模型以及井斜趋势角分析模型,并在此基础上分析了BHA结构参数、钻压、钻头各向异性和岩石可钻性对工具造斜能力的影响规律。分析结果表明,偏置力、第1跨钻柱长度及外径、第2跨钻柱外径、钻头侧向切削能力对工具造斜能力的影响较大。根据分析结果对推靠式旋转导向工具的底部钻具结构进行了优化,在塔中地区取得了较好的应用效果。

指向式旋转导向工具造斜能力影响因素研究

国内对于指向式旋转导向工具造斜能力的研究较少,如果不了解指向式旋转导向工具造斜性能的影响因素,施工中就不能充分发挥其轨迹控制能力。根据底部钻具组合纵横弯曲法,分别建立了工具外筒及心轴纵横弯曲连续梁模型,并根据导向原理,建立了井斜趋势角分析模型,在此基础上分析了BHA结构参数、钻压、钻头各向异性和岩石可钻性对工具造斜能力的影响规律。分析结果表明,心轴第一跨和第二跨长度、偏置机构位置及偏置力大小对指向式旋转导向工具的造斜能力影响较大;指向式旋转导向工具的造斜能力不易受地层环境的影响,相对于推靠式工具更加稳定,适用范围更广。

旋转导向工具双轴综合标定系统研究与设计

引言 旋转导向钻井系统（Rotary Steerable Drilling）是目前世界最先进、高效的石油定向钻井工具，能够在钻具旋转模式下夹现三维复杂井眼轨迹的钻进作业和控制；能够实时接受地面控制指令，重新规划和变更井眼轨迹，通过与随钻测井系统（MWD／LWD）挂接、配合，能够进一步实现精确的地质导向功能。

旋转导向工具多列块式滑动轴承载荷研究

多列块式径向滑动轴承是推靠式旋转导向工具轴承系统新近采用的一种轴承形式。为了研究近钻头端径向滑动轴承摩擦副的载荷特性,采用Augmented Lagrange摩擦接触非线性算法,考虑旋转导向工具几何非线性效应,利用ANSYS Workbench软件,进行了滑动轴承各列摩擦块的力学分析。对钻头压力为200 kN、翼肋推力分别为10和25 kN的2种载荷工况下摩擦副应力分析结果表明:选用材料满足载荷工况强度要求;轴承内、外圈各列摩擦块的最大应力分布以半周分界呈现2种变化规律,近翼肋和近钻头的2列摩擦块应力水平及分布受外载荷影响较大,近钻头列摩擦副的载荷明显高于其他3列;翼肋推力的增大导致内圈各列摩擦块在2种载荷工况下的最大应力比值达6倍以上,远高于外圈摩擦块,使内、外圈摩擦块的最高应力水平接近相等;轴承内圈近翼肋和近钻头的两列摩擦块在工作中承受较高应力幅的周期性交变载荷,易发生疲劳破坏。研究结果为推靠式旋转导向工具多列块式滑动轴承的设计与合理使用提供了理论支持。

旋转导向工具环空掉块运移规律数值模拟

页岩气水平井钻井使用旋转导向工具后,井壁掉块卡钻事故时有发生。为此,结合现场井壁掉块形状和大小,利用球面填充法建立掉块模型,借助计算流体力学软件Fluent和离散单元法软件EDEM,研究了掉块运移的影响因素。数值模拟结果表明:在现场施工排量条件下,遇阻掉块运移离开旋转导向环空时间为5~15 min,当钻井液排量大于35 L/s时可显著提高掉块的运移速度;增加钻井液密度会使掉块摆脱遇阻,为预防卡钻建议将钻井液密度维持在1.9 g/cm^(3)以上;当钻井液黏度为20~60 mPa·s时,其对环空中可活动掉块的运移有一定促进作用,但不影响已经遇阻和遇卡掉块。所得结论对预防水平井钻井中,旋转导向工具井壁掉块卡钻和钻井液安全循环时间制定具有一定的理论指导作用。

旋转导向工具下入通过性研究

研究旋转导向工具通过大曲率井段的力学特征,对于水平井钻井设计和旋转导向工具选择有重要意义。为此,基于纵横弯曲梁理论提出了一种受迫变形条件下的刚性旋转导向工具下入能力分析方法,并考虑临界压力和井壁约束下的工具弯曲极限状态,给出了工具的挠度变化范围和下入安全性准则。采用过尺寸钻头复合钻进方式,旋转导向工具通过能力有大幅提升;对旋转导向工具实际下入过程进行通过安全性分析计算,考虑井壁作用和上部轴向力作用,对管柱施加一个轴向外载荷压力,得到实际下入过程的弯曲挠度值,校核旋转导向工具下入摩阻力和强度,工具可以安全下入,不会发生屈服破坏。研究结果表明,建立的计算模型有较高的准确性和较好的适用性,可以为现场钻井过程中大曲率井段旋转导向工具下入安全性评价提供指导。

内推指向式旋转导向工具及其导向力分析

旋转导向工具提供的导向力及工具结构决定了工具的实际造斜能力,是工具性能的重要评价指标之一。文章通过对内推指向式旋转导向工具导向执行机构力学建模,给出内推指向式旋转导向工具导向力的计算表达式,分析了工具结构参数、摩擦系数及钻井液压差对工具导向力的影响。研究表明,随摩擦系数增大,工具导向力小幅上升但工具稳定性显著降低,应通过封装和润滑设计减小工具摩擦系数;随工具导向执行机构调整楔块倾角增大,工具导向稳定性提高但导向力减小,在工具设计中应注意平衡二者关系;工具运动件质量和运动参数对工具导向力几乎没有影响,主要通过增大钻具内外钻井液压差和伺服液缸活塞有效面积来提高工具导向力。

第二代旋转导向工具

《勘探和石油》(E&P)2004年4月号报道，Suhlumberger公司最近成功研制并应用了商品名称为“动力驱动超级工具”

旋转导向工具中声波短传的信号处理方法研究

前言 旋转导向闭环钻井技术是当今国内外开发的各种先进钻井技术与工艺中具突破性和战略意义的技术,它将计算机控制技术揉合于钻井工具,代表了当今世界钻井技术发展的最高水平。西安石油大学井下测控研究所研究的可控偏心器是智能导向钻井工具,可实现井下闭环旋转导向智能钻井系统。

新型旋转导向工具在页岩气开发中的应用

现阶段,页岩气开发技术具有寿命长、资源潜力高以及生产周期比较长已经逐渐成为研究能源的重点以及关键。为了可以提高页岩气开采的效率,开始逐渐使用水平井等,传统的旋转导向工具已经逐渐不能满足发展的需求,因此,就需要不断研究成本低以及效率高的新型旋转导向工具,促进页岩气开发的效率。本文主要研究了新型旋转导向工具在页岩气开发中的应用。

475型旋转导向工具关键技术研究

简要介绍475型旋转导向工具的基本组成,包括导向机构、井下涡轮发电机、井下非接触式电能和信号耦合器、近钻头方位伽马等部分,并对475型旋转导向工具造斜能力进行了仿真分析,分析结果达到了项目研制要求。还对工具各部件工作原理、关键技术及研制进展进行了论述,同时就目前开展的部分测试与试验进行了简要介绍。

旋转导向工具在涪陵页岩气田钻井中的试验应用

为了适应涪陵页岩气田分层立体开发、超长水平段钻井的需要,克服井眼轨迹差,上提下放摩阻、扭矩大,常规钻具组合定向施工易拖压,水平段穿行率较低等一系列钻井技术难题,引进并推广哈里伯顿Geo-Pilot旋转导向工具,实施三开长水平段旋转导向作业。涪陵页岩气田试验应用表明,Geo-Pilot旋转导向工具测斜精度高,在井筒清洁、提高定向效率、减少井下压差卡钻风险、降低井下复杂等方面具有明显优势,并有助于随钻判断层位、精细化控制轨迹,宜在包括页岩气在内的超长水平井和构造复杂区块推广应用,实现勘探开发最大综合效益。