旋转导向闭环钻井系统

通过对比研究国内外有代表性的旋转导向钻井系统的组成及特点 ,介绍了旋转导向闭环钻井系统的集成方式、井下定向控制单元、地面监测系统 ,论述了旋转导向钻井工具在旋转钻进时具有连续三维导向和增大延伸长度的能力 ,可提高钻速 ,缩短建井周期 ,降低钻井成本 ,并详细阐述了国内正在开发的旋转导向闭环钻井系统(MRSS)的定向控制原理、5个组成部分及主要技术特点。认为只有开发和集成钻井信息管理与决策软件 。

现代井下钻井工具及旋转导向闭环钻井系统

大位移井和复杂井眼轨迹的控制须实现连续旋转井下闭环导向钻井 ,这一需求推动了井眼轨迹控制手段的提高 ,为此 ,探讨了适用于旋转导向闭环钻井的井下工具的发展概况 ,提出了比较可行的井下钻井工具发展和研究方向。研究结果表明 ,应重视旋转导向闭环钻井技术的发展 ,静态式可调偏量机构是井下闭环控制的主要方式 ,应采用直接侧向力法控制钻头轨迹。

旋转导向钻井系统及其控制方法研究进展

旋转导向钻井技术是一种新型的井身结构,可用于完井作业和水平井、大斜度井,实现井下导向和定向功能。旋转导向系统是旋转导向钻井技术的核心,其控制技术的发展直接关系到整个钻井工程的成败。介绍了旋转导向钻井系统的基本结构、工作原理,详细分析了基于不同类型控制方法的控制系统控制策略研究进展,并指出旋转导向钻井系统控制技术实际应用中存在的问题和不足,提出了未来我国旋转导向技术发展方向:完善现有的推靠式和指向式系统,开展混合式旋转导向系统地面监控,构建双向通讯、随钻测量子系统等。

旋转导向钻井系统下行通讯接收功能的开发

在旋转导向钻井系统中,导向控制命令是由地面监控装置通过系统的下行通讯通道向井下导向工具发送。用钻井液负脉冲的方式传输下传信号,采取了三降三升为主要特点的命令字脉宽编码方式。地面命令发送装置将指令转换成一定脉宽的钻井液排量变化,用5位指令码表示相应的导向力级别和工具面角。在井下导向工具中设计了下行通讯接收装置。由装置的数据采集部分检测反映钻井液脉冲变化的井下泥浆电机的输出电压或频率,经数据处理和解释,以信号阈值判断和脉宽识别为核心,由5个指令码的脉冲宽度时间和顺序计算得到正确的下传导向命令字。为了提高下行信号传输的可靠性和抗干扰能力,在接收装置的硬件和软件中采用了相应的措施。试验结果证明了这种下行通讯方案的可行性。

旋转导向钻井系统的功能、特性和典型结构

旋转导向系统是一个机、电、液一体化的井下闭环控制工具系统,是大位移井钻井的重要导向工具。在介绍其功能、特性的基础上,主要从应用角度出发,重点介绍目前旋转导向系统的典型产品,如Auto Trak系统、Pow-er Drive系统和Geo-Pilot系统等的基本原理、结构及有关参数。

旋转导向钻井系统关键技术研究与实钻试验

为了加快我国海上油气藏开发的步伐,降低勘探开发成本,中海油田服务股份有限公司成功研制了一套旋转导向钻井系统。文中主要对该系统中的关键技术,如导向机构、井下涡轮发电机、地面指令下传装置的组成与工作原理进行了论述,并对其实钻试验作了简要介绍。

调制式旋转导向钻井系统工作原理研究

旋转导向钻井技术是 2 0世纪 90年代发展起来的以旋转导向钻井系统为核心的钻井新技术 ,其中旋转导向钻井系统主要由井下旋转导向钻井工具系统、双向通讯系统和地面监控系统三大部分组成。在简述旋转导向钻井系统国内外发展概况和结构特点后 ,着重论述了调制式旋转导向钻井系统的总体方案设计 ;井下调制式旋转导向工具系统的结构设计和导向力的控制 ;井下随动稳定平台控制系统的结构设计和控制原理。对稳定平台的计算结果表明 ,稳定平台的摆动幅度在± 14°时 ,系统的控制力仅下降 1% 。

调制式旋转导向钻井系统稳定平台控制原理及性能分析

对调制式旋转导向钻井系统稳定平台的控制原理进行了研究,设计了由上、下涡轮发电机、控制轴及电子仓组成的三环控制稳定平台。对稳定平台性能的理论分析和仿真模拟结果表明,国内首创设计的发电机式稳定平台控制系统不但具有良好的稳定性、可控性和可观性,而且当钻井参数在较大范围内发生变化时,系统仍然具有很好的跟踪特性、抑制扰动特性、随动稳定特性及很强的抗干扰能力。

全旋转闭环指向式导向钻井工具控制系统

在总结国际先进旋转导向钻井技术并基于动态指向式导向钻井工具原理样机的基础上,分析了全旋转闭环指向式导向钻井工具的控制系统设计原理。旋转导向钻井系统主要由地面闭环控制系统、井下闭环控制系统及双向通讯系统等部分组成。导向偏置机构有由2个内外偏心环构成,通过控制电机的转角来实现两个内外偏心环的转动,从而达到驱动偏置机构实现导向轴预定偏置的目的。

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。

静态推靠式旋转导向钻井系统的钻压传递效率

国内研制的静态推靠式旋转导向钻井系统正全面开展现场试验及初步应用,该系统正常钻进时导向翼肋施加到井壁上的静态推靠力会产生较大的摩擦力,有可能影响钻压传递效率和钻井速度。为此,基于该系统的结构及工作原理,考虑井壁无台阶和有台阶两种情况,分别建立了钻压传递效率分析模型,模拟分析了钻压传递效率随名义钻压、井壁摩擦系数,以及导向翼肋推靠力和前倒角的变化规律。研究结果表明:(1)该旋转导向系统对名义钻压有最小值要求,适当提高名义钻压有助于提高钻压传递效率;(2)无论井壁是否有台阶,如果导向翼肋推靠力之和越大、井壁摩擦系数越大,那么钻压传递效率就越低,当井壁有台阶时钻压传递效率明显低于井壁无台阶时的对应值;(3)井壁有台阶时导向翼肋前倒角对钻压传递效率影响明显,前倒角越大则钻压传递效率越低(甚至自锁)。结论认为,该研究成果有助于指导钻井现场合理选择和调控钻压。

旋转导向钻井系统稳定平台变结构控制研究

通过构建旋转导向钻井系统稳定平台的数学模型和分析稳定平台的工作环境,提出了稳定平台变结构控制方案。验证了稳定平台控制系统对于变结构控制的不变性条件,构造了滑动模态。采用指数趋近率和柔化符号函数法,设计了大幅度削减振颤的控制律。对设计出的变结构控制系统进行了计算机仿真和地面模拟试验,结果表明,该控制算法鲁棒性强,控制精度比较高,跟踪速度快,具有良好的控制效果。

国内外旋转导向钻井系统导向原理

旋转导向钻井技术是目前世界上最具代表性和先进性的钻井技术,该技术的核心是旋转自动导向系统。总结了国内外旋转导向钻井系统的发展概况,对各系统的导向机构工作原理进行了对比分析,并就旋转导向钻井系统未来的发展和完善提出了看法。

动态指向式旋转导向钻井工具测控系统设计与性能分析

为了开发高性能的旋转导向钻井工具系统,进行了动态指向式旋转导向钻井工具测控系统设计与性能分析。在自行设计的动态指向式旋转导向钻井工具原理样机的基础上,设计了测控系统,分析了其关键技术;通过模拟实际钻井工况,测试分析了测控方案的可行性,检验了测量信号处理与控制算法的有效性。测试结果表明,应用互补滤波算法,能够将工具面角动态测量波动降低84%;采用永磁同步电机电流环、电机转速环、稳定平台对地转速环和稳定平台位置环的四环控制系统,除满足导向钻井的性能指标外,在粘滑度为200%工况下,还可以将系统工具面角波动控制在±5°范围内。研究结果表明,互补滤波算法能够有效提高工具面角的动态测量精度,四环控制系统能够实现工具面角的快速稳定控制,测控性能指标能够满足钻井工程技术要求。

旋转导向钻井系统的工作方式分析

总结了旋转导向钻井技术的发展概况 ,分析了旋转导向钻井系统的井下工具系统的测控方式、偏置方式和导向方式 ,并对各系统的不同工作方式做了对比分析。在此基础上 ,提出了一种新的旋转导向钻井系统分类方式 ,并依据这种分类方式对下一步旋转导向钻井系统的发展情况做了一些简单预测。

旋转导向钻井系统中的一种下行通讯方案

井眼轨道自动控制技术已成为当今钻井技术研究的热点,其技术关键之一就是地面和井下的信息传输问题。根据井眼轨道自动控制系统的基本构成和实现要求,对信息的传输方式进行了比较和筛选,提出了通过控制钻具旋转速度的方式将地面的指令传送给井下系统的通讯方式。其研究结果将对井眼轨道自动控制系统的设计及实现具有参考价值。

新型旋转导向井下闭环钻井工具

近年来大位移井和复杂轨迹井眼的需求不断增加 ,对井下钻井工具的研制提出了新的要求。利用现有的动力导向技术 ,钻压施加困难 ,难以发挥高效钻头的作用 ,“滑动”方式下大摩阻的存在使井底工具面的控制难度加大 ,井眼水平延伸受到限制。为减小摩阻 ,使钻柱具有更大的延伸能力 ,实现对井眼轨迹的精确控制 ,国内外纷纷致力于井下可控工具和旋转导向闭环钻井系统的研究。本文介绍了 2类可实现井下全方位控制的偏置机构及目前国内外已有的几种旋转导向闭环钻井系统。

Geo-Pilot旋转导向钻井系统在水平分支井中的应用

为了克服地层倾角大(5～8°)及油层深度比设计深度浅(着陆时发现油层深度提前了约10 m)的影响,渤海旅大27-2油田某并在φ216 mm井眼中使用了Geo-Pilot旋转导向钻井系统。在使用该系统中采取了钻头上部增加限流器、增大水眼面积和控时钻进等措施来满足作业要求,最终创下了渤海水平分支井井斜最大的记录,也刷新了Geo-Pilot旋转导向钻井系统在井斜95°以上井眼中钻出分支井眼的世界记录。事实证明:Geo-Pilot旋转导向钻井系统可用来解决在软地层中钻水平分支井出现的井下摩阻大、造斜困难等问题。

旋转导向钻井系统稳定平台测试台架设计

为了验证旋转导向钻井系统稳定平台在旋转状态下井斜测量及控制的准确性,设计了一种能够改变空间姿态并且模拟钻铤转速变化及扭矩载荷波动的测试台架。该测试台架通过机、电、液一体化设计,实现了全程自动化控制。现场应用表明,该稳定平台测试台架结构设计合理,强度足够,其功能满足了稳定平台测试的需要。

旋转导向钻井工具地面监测和控制系统研究

地面监测和控制系统是旋转导向钻井系统的关键组成部分,是整个系统的指挥中心。针对偏心位移控制式旋转导向钻井系统,论述了TMCS系统的总体设计、工作流程、系统设计及现场试验情况。TMCS系统的主要目的是验证旋转导向系统液压、机械、通信及供电系统的可行性和稳定性,主要由主控制器MCU、压力负脉冲接收解码模块、工具面角及井斜测量模块、井下导向机构信号采集模块及CAN总线数据通信模块构成,系统使用CAN总线技术进行数据通信及测试接口管理。现场试验结果表明,TMCS系统可以较好地进行信息测量、采集及传输。