旋转导向钻井工具的研制原理
旋转导向钻井工具的研制原理
第26卷 第5期2005年9月石油学报AC TA PETROL EI SIN ICAVol.26 No.5Sept.2005 基金项目:国家高技术研究发展计划(863)“旋转导向钻井系统关键技术研究”(2003AA602013)和中国石油化工集团公司重大攻关项目(J P01005)联合资助。
作者简介:闫文辉,男,1965年9月生,1999年获西安石油学院硕士学位,现为西安石油大学副教授,硕士生导师,主要从事石油机械设计及设备检测与故障诊断方面的教学和科研工作。
E 2mail :ywh369@文章编号:0253Ο2697(2005)05Ο0094Ο04旋转导向钻井工具的研制原理闫文辉 彭 勇 张绍槐(西安石油大学机械工程学院 陕西西安 710065)摘要: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。
关键词:旋转导向钻井工具;测试元件;导向控制;井眼参数;随钻测量中图分类号:TE82 文献标识码:AMechanism of rotary steering drilling toolYAN Wen 2hui PEN G Y ong ZHAN G Shao 2huai(College of Mechanical Engineering ,X i πan S hi you Universit y ,X i πan 710065,China )Abstract :The working principle and structure of a rotary steering drilling tool are introduced.The main technical properties of the tool are described.The tool mainly includes three parts :①unit of stabilization platform ;②unit for controlling and assigning work 2ing liquid ;③unit of Push 2the 2Bit working structure.The wellbore data can be transmitted to measurement while drilling (MWD )u 2nit f rom the test component in the tool through a short distance communication component and then transmitted to the instrument on ground by MWD unit.At the same time ,the receiver in the component receives the instruction f rom the instrument on ground ,and then control the high 2pressure hole located on the upper plate hose by controlling and assigning working liquid with a controller in the stabilization platform unit.The unit for controlling and assigning working liquid takes the filtered mud as the working liquid distribu 2ted in three mud pipes in turn.The mud provides the “pad ”with a motive force and maintains the direction of the join force on the position in accord with the high 2pressure hole on the upper valve all the time.Thus there will form a side force near the bit flapping the wall of the well.The adjustment of the size and direction of the side force acted on the wall and the flapping f requency could di 2rectly control the steering state of the drilling tool.K ey w ords :rotary steering drilling tool ;measurement unit ;steering control ;wellbore data ;measurement while drilling 旋转导向钻井技术是20世纪90年代初发展起来的一项自动化钻井新技术。
旋转导向钻井工具的研制原理
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件等构成了稳定平台单元。 上、 下盘阀， 上盘阀的轴向力调节弹簧与控制轴， 以 及相应的密封部件共同构成了工作液控制分配单元。 带泥浆喷嘴的柱塞和推靠 井壁的推板构成 了偏置执行机构。 三、 旋 转导 向钻 井 工具 的设 计 特点 旋转导 向钻井工具设计， 在复杂的井下工作条件和国内现有的条件下 ， 设
计 特 点有下 面几 个方 面 ： （ 一） 稳定 平 台的上部 支撑与 下部支 撑分别 采用 圆锥 滚子轴承保护器能够把轴承密封在润滑油内， 对轴承 进 行保 护 ， 并对 轴承 之 间的游 隙进行 了详尽 的设 计 ， 有效 的对 轴承 的工 作环 境
进 行 了改善 ， 进而 提 高了轴 承 的使 用 时间 。 （ 二） 通 过实 践模拟 试验 以及理论 分析得 出 ， 上盘 阀高压 孔的 圆心角 为２ ０ ０ ０
旋转导 向钻 井工 具依 据井下 工程 、 地 质 以及几 何参数 的监 测与 要求 ， 根 据 已经设定好的程序指令， 对井斜与方位进行调整。 旋转导 向钻井工具的核心部 件 由推靠柱 塞 、 推板 、 工作 液控制 阀 以及 稳定 平台等部 件构 成 ， 是 属于 机 电一 体 化的智能导向工具。 泥浆通过钻头水眼产生的钻柱内外压差是推板的动力 。 稳 定平台控制调节并稳定工作液控制阀。 三个推板之间的相位差应保持１ ２ ０ ｏ 旋转 状态下的钻柱 ， 推板在特定的方位的伸出， 必须需要工作液控制阀的压力对其 进行同步调整， 使推板与井壁接触 ， 产生侧向力推动钻头的方向发生改变 ， 进而 使井斜与方位发生改变 。 达到旋转导向钻井的目的。 钻柱导向钻井工具及推板 的工具 面 角在旋 转 时 ， 旋转 导 向钻 井工 具 中的 稳定 平 台单 元能 够使 其保 持 稳 定。 涡 轮发 电机 、 测 控 电子 系统 以及 电子 仓共 同构成 了稳定 平 台单元 。 工作液 控 制单元是由上、 下盘阀两部分构成的开关系统。 上盘阀又称为高压阀孔 ， 为弧形 长孔状 ， 对高压钻井液作用在推板上的力保持一定的时间， 使侧向控制力的作 用 效果 得 到保证 。 柱塞 和推 靠井 壁 的推 板共 同构 成 了偏置 执行 单元 。 旋转钻井条件下近钻头处的井斜角、 方位角和工具面角等参数 ， 由井眼几 何 参数 传感 器进 行测量 ， 短程 通讯 元件 对其进 行 传输 ， 随 钻测量 仪 收到数 据后 再把数据传输到地面。 信息智能处理综合决策系统 ， 通过实钻井眼与设计井眼 相对位置的偏差 ， 对工具面角参数机械能改变。 井下信息处理中心收到泥浆泵 排量载波下传的决策代码后， 进行识别、 解释并处理。 然后， 井下控制器对稳定 平台 的控 制轴进 行调 整 。 工具 面 角得到 调整 ， 导 向执 行机 构推靠 井壁 的方 向 同 时得到改变， 钻柱在连续旋转状态下的三维导向也相应的得到实现。 ：， 旋 转 导向钻 井 工具 的结 构分 析 稳定平台单元、 工作液控制分配单元及偏置执行机构三部分构成了旋转导
自动旋转导向钻井工具结构原理及特点
自动旋转导向钻井工具结构原理及特点[摘要] 自动旋转导向钻井工具弥补了滑动式导向钻井工具在定向井钻井,特别是在大位移井及长距离水平井的使用中暴露的缺点与不足。
浅显分析国内外在定向钻井工具技术差距,从结构原理和特点上出发阐述了自动旋转导向向钻井工具的。
[关键词] 自动旋转导向钻井工具一.前言现有的滑动式导向钻井工具在定向钻井,特别是在大位移井及长距离水平井的使用中暴露出不少缺点与不足。
自动旋转导向钻井工具可以弥补这些缺点,是目前定向钻井工具发展的一个热点及方向。
笔者据此介绍美国三家公司的自动旋转导向钻井工具的结构原理及特点。
针对现有定向钻井工具的缺点和不足,浅析今后旋转导向钻井工具结构设计的发展趋势。
迄今为止,定向钻井技术经历了三个里程碑:①利用造斜器(斜向器)定向钻井;②利用井下马达配合弯接头定向钻井(造斜率是弯接头弯角、井下马达刚度和地层岩石硬度的函数);③利用导向马达(弯壳体井下马达)定向钻井(弯角点离钻头的距离近得多,因此产生的造斜率大)。
目前这三种定向钻井工具在世界各地被广泛使用,并促进了定向钻井技术的快速发展,使得今天人们能够应用斜井、丛式井、水平井技术开发油田。
二.目前国内定向钻井工具现状随着石油工业的发展,为了获得更好的经济效益,需要开发深井、超深井、大位移井和长距离水平井,而且常常要在更复杂的地层,如高陡构造带钻井。
这些都对定向钻井工具提出了更高的要求。
目前以井下马达为主的定向钻井工具已不能满足现代钻井技术的要求,主要存在以下缺点和不足:(1)利用井下马达导向时是滑动钻进,钻柱弯曲比旋转钻进时严重,井壁与钻柱间的轴向摩擦力大,使钻压很难加在钻头上。
在大延伸井和水平井中这一情况更严重,在极端情况下会造成钻柱屈服,因此它限制了水平井和大斜度井的深度。
(2)在地面对井下马达进行扭方位操作时,旋转摩擦、钻头扭矩、钻杆的扭转弹性变形等都妨碍了工具面的控制,从而影响井下马达在大斜度井和水平井中的使用。
旋转导向钻井系统原理简介 (1)
旋转导向钻井系统 原理简介
该专利描述其目的是：使 钻铤相对井眼轴线有一个 很小的偏离，从而使钻头 具有横向前进。
早期的旋转导向钻井思想
这是1959年申请专利的旋 转导向系统。
导向 钻井
液压驱动一个靠近钻头的导 引鞋，同样控制井眼轨迹。 导引鞋处在非旋转筒内，液 压控制其伸出或缩回，而无 需起下钻。
可连续定向造斜。
早期的旋转导向钻井思想
• 结构：
– 下部偏置部分：在旋转过程中始终给钻头一个侧向力； – 中部控制部分：始终控制侧向力的方向； – 上部MWD部分：测量信息及传输；
• 关键是控制总成内的不转动的部分，具有一个称作“惯性平台” 的部分，实际上是由井下计算机控制的“电子液压伺服系统”， 可以保证控制轴不受整个钻柱转动的影响。控制轴可以给定偏 置部分一个轨迹控制所需要的导向方位角。
• 基本数据：
– – – – – – – – 长度：4.9米； 排量：500～1000gpm 转速：40～220rpm 压降：〈100psi 最小钻头压降：500psi 最高温度：120°C 泥浆密度：7.5～20ppg 数据传输：通过MWD
二. 大位移井的轨迹控制技术
• PowerDrive 的优越性
PowerDrive
• 完全的旋转导向系统： – 整个钻柱，从上到下，全部都在旋转，没 有静止的部分； – 但在下部控制总成内部，有不旋转的部分；
旋转导向造斜能力工具介绍 -回复
旋转导向造斜能力工具介绍-回复什么是旋转导向造斜能力工具？旋转导向造斜能力工具是一种用于在石油和天然气钻井过程中实现井眼偏斜的工具。
它通过旋转方向的改变和摆动的运动来实现钻井井眼倾斜的目标。
这种工具通常由一系列旋转导向工具组成，包括导向翼、模块短节、固定尾节和导向电缆。
旋转导向造斜能力工具的工作原理：1. 导向翼：导向翼通过改变旋转方向来实现井眼的偏斜。
导向翼带有特殊的翼片，当工具旋转时，翼片会向外张开，使整个工具发生摆动运动。
通过控制翼片的摆动程度和空间角度，可以实现井眼的倾斜。
2. 模块短节：模块短节是旋转导向造斜能力工具中的关键部件。
它由多个独立的模块组成，每个模块都配有导向翼和连接机构。
当模块短节暴露在井眼中时，它们可以相互连接，并形成一个稳定的整体。
通过改变短节的数量和排列方式，可以调整井眼的倾斜程度。
3. 固定尾节：固定尾节是连接在模块短节后部的部件。
它通常由金属材料制成，并具有保持整个工具稳定的作用。
固定尾节的特殊形状可以帮助工具在钻进的过程中控制井眼的方向。
4. 导向电缆：导向电缆是连接在旋转导向造斜能力工具上的电器线，在钻进过程中传输控制指令和数据。
导向电缆通过与地面上的控制台通信，使钻井工程师能够实时监控工具的位置和状态，并做出相应的调整。
旋转导向造斜能力工具的应用范围：旋转导向造斜能力工具在石油和天然气钻井工程中具有广泛的应用。
以下是一些常见的应用场景：1. 建立水平井眼：在水平井眼中，旋转导向造斜能力工具可以通过控制翼片的旋转方向和摆动程度来使井眼偏斜，从而实现水平井眼的构建。
这可以提高井眼的排水能力和采油效果。
2. 侧向钻进：旋转导向造斜能力工具可以在垂直井眼中实现侧向钻进。
通过调整导向翼的摆动程度和空间角度，可以将钻头引导到目标油气层的侧向位置，增加钻探范围和采油效率。
3. 水平井段控制：在水平井眼中，旋转导向造斜能力工具可以实现水平段的控制。
通过控制导向翼的旋转和摆动，可以调整井眼的方向和轨迹，使其与目标油气层的位置保持一致。
贝克休斯旋转导向原理
贝克休斯旋转导向原理贝克休斯旋转导向原理是指在石油钻井中，通过旋转钻具来实现钻井方向控制的一种方法。
该原理是由美国工程师贝克和休斯在20世纪30年代提出的，是钻井技术中的重要突破之一。
在传统的钻井方法中，钻井工具靠施加扭矩和推力来实现钻井，但是在某些情况下，需要改变钻井的方向，以便达到特定的目标。
贝克休斯旋转导向原理就是为了解决这一问题而提出的。
该原理的关键是利用钻杆的扭转来改变钻井方向。
在钻井过程中，通过在钻杆上加装一种叫做导向装置的工具，可以使钻杆在钻井过程中产生不同的方向偏差。
这种导向装置通常由可调节的导向翼片组成，可以根据需要进行调整。
当钻杆旋转时，导向装置会产生一个由切向力和摩擦力组成的向下施加的力，这个力会使钻杆发生弯曲，从而改变钻井方向。
通过调整导向装置的角度和位置，可以实现钻井方向的精确控制。
贝克休斯旋转导向原理的优点在于可以实现高精度的钻井方向控制。
相比传统的钻井方法，旋转导向技术可以实现更小的偏差角度和更精确的方向控制。
这对于一些需要在地下目标点附近进行操作的任务非常重要，比如在石油开采中需要在油层下方进行侧向钻井。
贝克休斯旋转导向原理也可以提高钻井的效率和安全性。
传统的钻井方法需要频繁地停工和更换钻具，而旋转导向技术可以减少停工时间，提高钻井的连续性。
同时，由于钻井方向的精确控制，可以避免一些潜在的危险情况，提高钻井作业的安全性。
贝克休斯旋转导向原理的应用范围非常广泛。
除了石油开采领域，旋转导向技术还可以应用于其他领域，比如地质勘探、水井钻探、盐井钻探等。
在这些领域中，旋转导向技术可以帮助钻井工程师更好地了解地下地层的情况，提高勘探和钻探的效率。
总的来说，贝克休斯旋转导向原理是钻井技术中一项重要的突破，通过旋转钻具来实现钻井方向控制。
该原理具有高精度、高效率和高安全性的优点，广泛应用于石油开采和其他领域。
随着技术的不断发展，相信旋转导向技术将会在未来的钻井领域中发挥更大的作用。
旋转导向钻井技术(简版)
扩大应用范围
03
旋转导向钻井技术的应用范围不断扩大，不仅适用于直井和斜
井，还可应用于水平井、分支井和多分支井的钻井作业。
旋转导向钻井技术的发展前景
技术创新
随着科技的不断进步，旋转导向钻井技术将不断创新和完善，提高 钻井效率和精度。
智能化发展
未来旋转导向钻井技术将与智能化技术相结合，实现钻井过程的自 动化和智能化，进一步提高钻井效率和安全性。
操作难度大
旋转导向钻井技术的操作 难度较大，需要专业技术 人员进行操作和维护。
维护保养成本高
旋转导向钻井技术的维护 保养成本较高，需要定期 进行检测和维修。
03
技术应用
旋转导向钻井技术在石油工业中的应用
水平井和复杂结构井的钻井
旋转导向钻井技术能够实现水平井和复杂结构井的高效钻井，提 高油藏的采收率。
案例概述
某研究机构致力于旋转导向钻井技术的研发，经过多年的 研究与实践，成功开发出具有自主知识产权的旋转导向钻 井系统。
技术研发
该研究机构在旋转导向钻井技术方面取得了多项突破，包 括高精度导航控制、钻头稳定器设计、信号传输技术等关 键技术。
成果与效益
该研究机构的旋转导向钻井技术成果得到了广泛应用，为 国内外石油公司提供了技术支持与解决方案，推动了该技 术的发展与进步。
地热能开发
在地热能开发领域，旋转导向钻 井技术有助于实现地热井的高效、 精确钻进。
地下水开采
在地下水开采领域，旋转导向钻 井技术能够优化井位布局，提高 开采效率。
旋转导向钻井技术的未来发展技术将不断 进行技术创新和改进，提高钻井精度和效率。
智能化与自动化
分析认为旋转导向钻井技术在该地区油气田开发中取得了良好的应用效 果，建议进一步推广该技术，提高油气勘探开发水平。
旋转导向工具导向模块部件组成及原理
旋转导向工具导向模块部件组成及原理摘要：本文主要对旋转导向钻井工具研发的关键技术之一导向模块的研究情况作了简要介绍，并对目前导向模块的机械设计结构、供电、通讯、控制系统的工作原理、非接触供电部分的试验设计做了详细的说明，确定了存在的技术难点及下一步我们要主攻的研究方向。
关键词：旋转导向工具导向模块非接触供电电磁感应定向控制一、旋转导向结构旋转导向钻井工具由双向通讯系统、MWD随钻测井系统以及导向系统三部分组成。
导向系统是其主要执行机构，是能否实现定向自动控制的重要部件。
导向头设计结构，如图1所示。
图1：导向头结构图导向头从结构上分为旋转轴和不旋转导向外套两大部分。
旋转轴从导向套中间穿过与钻头连接，带动钻头与钻柱一起旋转，导向套与旋转轴之间镶有金刚石耐磨片的硬质合金滑动轴承，以保证相对转动时产生较小的磨损。
三个可伸缩翼肋布置在导向套中，由地面大控制闭环或地下小控制闭环控制其伸缩量以进行方位和井斜的控制。
二、导向头各部件组成与工作原理(一)导向头各部件组成导向头部分由初级电路模块、非接触供电及通讯模块、次级电路及近钻头井斜工具面测量模块、液压模块等组成。
其中初级电路模块、非接触供电的内套部分和中心轴一起旋转，而非接触供电的外套部分、次级电路及近钻头井斜工具面测量模块、液压模块置于不旋转导向套中。
1.初级电路模块包括信号解调电路、信号与能量载波调制电路。
它用于接收上部泥浆发电机向下传递的电能及地面给出的命令信号给出的轨迹井斜方位信号并经过处理后输出。
再通过信号与能量载波调制电路与命令信号、轨迹井斜方位信号进行相应的调制，输出给非接触供电及通讯模块。
2.非接触供电及通讯模块信号与电能的共同传递还会带来信号调制和双向同步传输能量与信号的问题。
信号调制的关键是如何进行优化调制以达到最小的错码率。
双向同时传输的主要问题是在一条通路上如何进行下传150W交流电能的同时上传控制信号。
这些方面都需要进行深入的理论研究及实验。
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第26卷 第5期2005年9月石油学报AC TA PETROL EI SIN ICAVol.26 No.5Sept.2005 基金项目:国家高技术研究发展计划(863)“旋转导向钻井系统关键技术研究”(2003AA602013)和中国石油化工集团公司重大攻关项目(J P01005)联合资助。
作者简介:闫文辉,男,1965年9月生,1999年获西安石油学院硕士学位,现为西安石油大学副教授,硕士生导师,主要从事石油机械设计及设备检测与故障诊断方面的教学和科研工作。
E 2mail :ywh369@文章编号:0253Ο2697(2005)05Ο0094Ο04旋转导向钻井工具的研制原理闫文辉 彭 勇 张绍槐(西安石油大学机械工程学院 陕西西安 710065)摘要: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。
关键词:旋转导向钻井工具;测试元件;导向控制;井眼参数;随钻测量中图分类号:TE82 文献标识码:AMechanism of rotary steering drilling toolYAN Wen 2hui PEN G Y ong ZHAN G Shao 2huai(College of Mechanical Engineering ,X i πan S hi you Universit y ,X i πan 710065,China )Abstract :The working principle and structure of a rotary steering drilling tool are introduced.The main technical properties of the tool are described.The tool mainly includes three parts :①unit of stabilization platform ;②unit for controlling and assigning work 2ing liquid ;③unit of Push 2the 2Bit working structure.The wellbore data can be transmitted to measurement while drilling (MWD )u 2nit f rom the test component in the tool through a short distance communication component and then transmitted to the instrument on ground by MWD unit.At the same time ,the receiver in the component receives the instruction f rom the instrument on ground ,and then control the high 2pressure hole located on the upper plate hose by controlling and assigning working liquid with a controller in the stabilization platform unit.The unit for controlling and assigning working liquid takes the filtered mud as the working liquid distribu 2ted in three mud pipes in turn.The mud provides the “pad ”with a motive force and maintains the direction of the join force on the position in accord with the high 2pressure hole on the upper valve all the time.Thus there will form a side force near the bit flapping the wall of the well.The adjustment of the size and direction of the side force acted on the wall and the flapping f requency could di 2rectly control the steering state of the drilling tool.K ey w ords :rotary steering drilling tool ;measurement unit ;steering control ;wellbore data ;measurement while drilling 旋转导向钻井技术是20世纪90年代初发展起来的一项自动化钻井新技术。
国外钻井实践证明,在水平井、大位移井、大斜度井、三维多目标井中推广应用旋转导向钻井技术,既提高了钻井速度、减少了事故,也降低了钻井成本。
国外目前主要有3种不同类型的旋转导向钻井系统,即:Auto Trak 旋转闭环钻井系统、Power Drive 调制式全旋转导向钻井系统和Geo 2Pilot 旋转导向自动钻井系统[1～8]。
国内学者也对该技术进行了介绍并开展了相关的研究工作[9～14]。
胜利石油管理局与西安石油大学联合,研制和开发了具有自主知识产权的旋转导向钻井系统。
该旋转导向钻井技术主要包括井下旋转自动导向钻井系统、地面监控系统以及将上述两部分相结合的双向通讯技术[15]。
笔者主要对井下旋转自动导向钻井系统中的旋转导向钻井工具进行了介绍。
1 旋转导向钻井工具工作原理旋转导向钻井工具的最基本功能有2种:①导向功能;②稳斜或不导向功能。
导向功能是指当需要向某一个井斜、方位导向时,可由稳定平台通过控制轴将上盘阀高压孔的中心即工具面角调整到与所需导向的井斜、方位相反的位置上,这时钻具沿所需的井斜及方位进行 第5期闫文辉等:旋转导向钻井工具的研制原理95 钻进,并由各随钻测试仪器随时监测井眼轨迹。
稳斜功能(不导向)是使稳定平台带动上盘阀,使其和钻柱以不同的某一转速作匀速转动(如20～40r/min ),这时在360°工具面角的方向上,不断有类似巴掌的推板伸出并推靠井壁,综合作用则表现为不导向,亦即稳斜钻进。
旋转导向钻井系统原理如图1所示。
图1 旋转导向钻井系统工作原理Fig.1 Principle of rotary steering drilling system 根据对井下工程、地质及几何参数的监测和要求,旋转导向钻井工具可以按已设定的程序或给定的指令调整井斜和方位。
它是一种机、电一体化智能导向工具,靠近钻头的推靠柱塞和推板、工作液控制阀以及稳定平台是它的核心部件。
推板的动力来自于泥浆经过钻头水眼后所产生的钻柱内外压差;工作液控制阀(上、下盘阀的相对位置)的调节和稳定则由稳定平台控制;3个推板的相位差为120°;钻柱在旋转状态下,任意一个或两个推板通过某一特定的方位时,借助工作液控制阀所施加的压力(泥浆压差)来同步调整推板的伸出,使其与井壁接触,并对钻头产生一个侧向力(即利用井壁对推板的反作用力)来推动钻头改变原方向,达到改变井斜或方位的目的,从而实现旋转导向钻井。
旋转导向钻井工具中稳定平台单元的作用是在钻井工具中产生一个不受钻杆旋转影响、相对稳定的平台,从而能够使钻柱导向钻井工具及推板的工具面角在旋转时保持稳定。
稳定平台单元由上、下2个涡轮发电机、测控电子系统及电子仓组成。
上涡轮发电机是系统动力发生器,提供井下电源,其旋转方向为顺时针方向;下涡轮发电机是扭矩发生器,其旋转方向为逆时针。
2个涡轮发电机之间设置密封电子仓,电子仓中有控制电路和测量工具面角、井斜角的三轴重力加速度计、短程通讯、下传信号接受器及其电路等。
为了使稳定平台在旋转的钻柱内维持稳定,必须使施加到控制轴上的力矩平衡。
工作中平台受到的主要力矩包括驱动上盘阀旋转的扭矩、钻柱旋转带来的机械摩擦阻力矩和作为电能发生器的涡轮发电机本身的电磁力矩。
作为力矩发生器的下涡轮电机电枢在磁场中也会产生一个电磁力矩,即驱动动力矩。
涡轮发电机与扭矩发生器的扭矩联合作用实现可控调节与平衡。
按照其功能,稳定平台控制机构由涡轮发电机、控制电路、检测电路、通讯电路和驱动电路等6大部分组成。
2个井下涡轮发电机利用钻井液的动能为平台中的电气设备提供电源,同时作为平台稳定控制的执行器控制与其相联的液压控制单元中的上盘阀。
旋转导向钻井工具中的工作液控制单元是一个盘阀开关系统,由上、下盘阀2部分组成。
上盘阀由稳定平台控制轴带动,其上开有1个作为工作液泥浆通道的孔,称为高压阀孔,见图2(a )所示;下盘阀固定在偏置机构单元本体内,上开有3个孔,分别与偏置执行机构的3个柱塞相通,见图2(b )所示。
上盘阀孔为弧形长孔状,能使高压钻井液作用在推板上的力具有一定的作用时间,以保证侧向控制力的作用效果,钻井液通过过滤网再流向上盘高压阀孔。
当上盘阀的高压孔与下盘阀的某1个或者2个孔相通时,高压泥浆将推动偏置执行单元的相应柱塞,并由柱塞推动推板,将力作用在井壁上,该作用力的方向则由上盘高压孔的位置确定。
液压控制单元的核心就是在稳定平台的作用下,控制上盘阀高压孔的位置(工程上的工具面角)。
图2 上盘阀和下盘阀结构Fig.2 Structure of upper and below valves 旋转导向钻井工具中的偏置执行单元主要由柱塞和推靠井壁的推板组成,在工作液控制单元的控制下,依次将高压泥浆通向柱塞,再由柱塞将力施加给推板,使其与井壁接触,避免柱塞直接与井壁接触而造成钻96 石 油 学 报2005年 第26卷 具卡死或井壁挤毁。