静态推靠式旋转导向系统偏置机构导向力仿真与分析

介绍了静态推靠式旋转导向系统的结构和工作原理,建立了旋转导向钻井工具的力学模型,得到了钻头处挠度和转角在导向合力作用下的计算式及工作状态下导向工具偏置导向合力与钻头处导向力之间的关系;利用三维建模软件SolidWorks建立了静态推靠式旋转导向钻井工具的三维模型,在ADAMS软件中建立有限元仿真模型,进行仿真后得到钻头处导向合力在工具面角、偏置导向合力等影响作用下的变化曲线关系,对比了在导向合力作用下钻头和翼肋处的偏置量与钻头转角的计算值与仿真值,验证了推导的力学模型中钻头转角和挠度曲线公式的正确性,理论计算值与ADAMS仿真数值解较为接近。在推导的芯轴的变形和钻头转角的基础下,若已知造斜率可以反向推导计算出所需要的导向合力,进而可以分解出3个翼肋上分力的大小即可以通过调控每个导向翼肋上的液压力来更加精确、实时地控制井眼轨迹,为静态推靠式旋转导向系统的偏置机构程序控制开发奠定基础。

静态推靠式旋转导向控制模型与造斜率预测方法

推靠式旋转导向工具的防斜、稳斜能力强,能基本满足复杂地层安全高效钻进的需要,但目前的造斜率预测方法没有考虑推靠块控制方式及钻进过程的影响,存在造斜率预测精度低的问题。为此,考虑导向工具的结构特性,建立了静态推靠式旋转导向控制模型,给出了可靠的导向力控制方案,利用下部钻具组合力学模型及钻头–地层相互作用模型,得到了基于零侧向钻速条件下的造斜率预测模型,并引入折算系数对造斜率预测结果进行了修正。实例计算及敏感性分析结果表明,该方法预测精度高,能够满足井眼轨迹精确控制的需要;导向合力、钻压、钻头与稳定器的距离对推靠式旋转导向工具的造斜能力影响显著,现场施工时为了充分发挥导向合力的作用,要适当减小钻头与稳定器的距离、降低钻压,以提高旋转导向工具的造斜能力。研究结果为旋转导向钻具组合优选、钻井参数优化等提供了理论依据。

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。

旋转导向钻井液力推力的计算与分析

文章介绍了正在研制的调制式旋转导向钻井工具MRST的组成及其工作原理 ;它由测控短节、偏置导向执行机构两大部分组成 ,是在钻柱全旋转且相对于井壁没有静止支撑点的条件下进行导向钻井的。工具偏置导向执行机构的执行是以钻井液为制导动力源 ,即作用在执行机构伸缩块上的内外压差而产生的液力推力 ,液力推力的大小与制导效果密切相关 ;为此 ,采用常规钻井水力学计算程序 ,对MRST在正常钻井工作条件下液力推力的大小及其影响因素进行了计算分析。结果表明 ,就目前国内陆上钻井设备所具有的条件 ,所研制的MRST是可以适应 70 0 0m井深以内的井对导向力控制要求的 ;但作用在MRST伸缩块上的液力推力是随井深、排量、钻井液密度及流变性等的变化而变化的 ,实际应用MRST时应考虑上述因素变化对MRST工作性能产生的影响 ;此外 ,也可考虑通过微调排量的办法来调整MRST导向力的大小。

旋转导向推力测试装置设计优化

为了提高推靠式旋转导向推靠力测量精度,进而提高井眼轨迹控制精度,设计了一套推靠力测试装置。利用有限元软件对该测试装置进行了受力分析,找出了影响测量精度的主要原因,并针对性地提出了改进措施,对测试装置进行了结构优化。对改进后的测试装置进行了受力分析,分析计算结果和试验结果均显示,优化后的结构很好地消除了干扰,大幅降低了测量误差,达到了精确测量推靠力的目的。该测试装置已经大量应用于中海油服自研旋转导向的批量制造之中,成为旋转导向制造过程中的关键测试设备之一。研究结果可为提高井眼轨迹控制精度提供重要参考。

推靠式旋转导向系统推靠机构设计及实验验证

为了研制推靠式旋转导向系统,设计了一种推靠机构。推靠机构带有独立的液压控制系统,通过控制电机和柱塞泵的旋转以及电磁阀的开关实现翼肋的伸出、收缩及自锁。详述了推靠机构的结构以及液压控制系统原理,介绍了翼肋伸缩的控制过程,推导了翼肋行程及推靠力的计算方法。并根据推靠机构的设计,研制了实验装置,对推靠机构、液压控制原理、翼肋伸缩和翼肋伸出后的自锁功能、翼肋的行程和推靠力等进行了验证。实验表明翼肋的最大行程约为26 mm,最大推靠力约为3. 5 t,翼肋伸出后可以自锁。

静态推靠式旋转导向钻井工具防自锁设计方法

基于静态推靠式旋转导向(SRS)钻井工具的结构和工作原理,建立SRS钻井工具受力分析模型,给出防止导向翼肋自锁的倒角优化设计方法。结合实例分析井底实际钻压随导向翼肋前倒角变化,以及前倒角上限随导向翼肋推靠力和名义钻压上限变化。结果表明:导向翼肋与井壁台阶是否自锁与导向翼肋倒角设计、钻井参数(推靠力、钻压)及井壁摩擦系数有关;井底实际钻压随导向翼肋前倒角增加而迅速减小;前倒角上限随推靠力之和增大而减小、随名义钻压上限增大而增大、随侧倒角增大而略有减小;对于Φ216 mm井眼中使用的SRS钻井工具,推荐导向翼肋前倒角45°左右,侧倒角45°~60°,侧倒角较大时还应适当减小前倒角。

推靠式旋转导向系统推力变化平缓的控制方法

随着石油天然气开采难度越来越大,水平井、大位移井等高难度井越来越多,对旋转导向系统的需求也不断增加。目前国内推靠式旋转导向系统的控制方法比较复杂,且推力变化不平缓。针对上述情况,通过研究矢量分解以及高次谐波的作用,提出了一种简单且推力变化平缓的控制方法。该方法软件实现简单,而且由于推力变化平缓而降低了控制系统执行机构的设计难度,具有很好的工程应用价值。

推靠式导向翼肋与井壁接触作用分析

基于Hertz接触理论,建立了静态推靠式旋转导向(SRS)钻井工具的导向翼肋与井壁接触的理论分析模型,初步分析了接触应力的分布规律及其与各影响因素的关系;结合正交试验法分析了理论模型中各因素对最大接触应力的影响程度。结果显示,推靠力对最大接触应力影响最大,随推靠力的增大而近似呈线性增加;井壁弹性模量和翼肋曲率半径对其影响次之,随井壁弹性模量的增大而增大,随翼肋工作面曲率半径的增大而减小;井壁泊松比和翼肋厚度对其影响几乎可以忽略不计。现场使用SRS钻井工具时,可以适当减小推靠力或者增大导向翼肋的曲率半径来降低导向翼肋陷入井壁的风险。