动态指向式旋转导向钻井工具设计探讨

２００９年第３８卷石油矿场机械第！期第６３页０１Ｉ。ＦＩＥＩ．ＤＥＱＵＩＰＭＥＮＴ２００９・３８ｆ２）：６３～６６

文章编号：１００１－３４８２（２００９）０２－００６３—０４

动态指向式旋转导向钻井工具设计探讨李俊１，倪学莉１，张晓东２（Ｉ．海洋石油工程股份有限公司，天津３００４５１；２．西南石油大学机电工程学院，成都６１０５００）

摘要：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。关键词：旋转导向钻井工具；稳定平台；偏置结构；指向式中图分类号：ＴＥ９２１．２０２文献标识码：Ａ

ＡｐｐｒｏａｃｈｉｎｇｏｆＤｙｎａｍｉｃＰｏｉｎｔ－ｔｈｅ－ｂｉｔＲｏｔａｒｙＳｔｅｅｒｉｎｇＤｒｉｌｌｉｎｇＴｏｏｌ

ＬＩＪｕｎｌ，ＮＩ

Ｘｕｅ—ｌｉｌ，ＺＨＡＮＧＸｉａｏ—ｄｏｎ９２

（１．ＯｆｆｓｈｏｒｅＯｉＺＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｔｉａｎｊｉｎ３００４５１，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｅｔｒｏｎｉｃ

Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＰｅｔｒｏｌｅｕｍＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１０５００，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｏｔａｒｙｓｔｅｅｒｉｎｇｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｐｒｅｓｅｎｔｓｉｔｓｐｒｉｏｒｉｔｙｉｎｄｒｉｌｌｉｎｇｅｘｔｅｎｄｅｄｒｅａｃｈｗｅｌｌａｎｄｂｒａｎｃｈｗｅｌｌ．Ｄｏｗｎｈｏｌｅｒｏｔａｒｙｓｔｅｅｒｉｎｇｔｏｏｌｉｓｔｈｅｃｏｒｅｏｆｒｏｔａｒｙｓｔｅｅｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍａｎｄｔｈｅｂａｓｉｃｏｆａｃｈｉｅｖｉｎｇｒｏｔａｒｙｓｔｅｅｒｉｎｇ．Ｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｍｏｄｅａｎｄｒｅｌａｔｉｎｇｍｅｒｉｔｓｏｆｒｏｔａｒｙｓｔｅｅｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍａｔ

ｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ；ｎｅｗｔｈｏｕｇｈｔｏｆｄｅｓｉｇｎｉｎｇｄｙｎａｍｉｃｐｏｉｎｔ—ｔｈｅ—ｂｉｔｒｏｔａｒｙｓｔｅｅｒｉｎｇ

ｄｒｉｌｌｉｎｇｔ００１．ｐｒｏｐｏｓｅｄ；ｉｔｓｏｐｅｒａｔｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ．Ｔｈｅｓｔｒｅｓｓ，ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙａｎｄｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｉｎｄｅｓｉｇｎｉｎｇｄｙｎａｍｉｃｐｏｉｎｔ‘‘ｔｈｅ‘－ｂｉｔｒｏｔａｒｙｓｔｅｅｒｉｎｇｄｒｉｌｌｉｎｇｔｏｏｌｄｅｔａｉｌｅｄｌｙｗｅｒｅｄｅ‘。ｓｃｒｉｂｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｏｔａｒｙｓｔｅｅｒｉｎｇｄｒｉｌｌｉｎｇｔｏｏｌ；ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄｐｌａｔｆｏｒｍ；ｂｉａｓｕｎｉｔ；ｐｏｉｎｔ—ｔｈｅ－ｂｉｔ

旋转导向钻井技术是２０世纪９０年代发展起来的一项尖端自动化钻井新技术，已被各国先进的石油公司相继采用，并逐步趋于成熟。该技术是世界钻井技术的一次质的飞跃［】］。与传统的滑动导向钻井相比，旋转导向钻井技术由于井下工具一直在旋转状态下工作，因此井眼净化效果更好，井身轨迹控制精度更高，位移延伸能力更强，更适合于海洋油气资源开发，以及在油田开发后期的复杂油气藏中钻超深井、高难定向井、丛式井、水平井、大位移井、分支井及三维复杂结构井等特殊工艺井。对井场设置困难的地区，尤其是近海油田开发区，大位移井可以节省建造钻井平台和人工岛的费用，因此，旋转导向钻井技术显得尤为重要。井下旋转导向工具是旋转导向系统的核心部件，目前还有许多技术难题有待解决，本文提出了一些方案供进一步研究。

１现有旋转导向钻井系统及其功能与特性１．１现有旋转导向钻井系统目前，国外已有３套旋转导向钻井系统，即：ＡｕｔｏＴｒａｋ旋转闭环钻井系统；ＰｏｗｅｒＤｒｉｖｅ调制式

收稿日期：２００８—１０—０８作者简介：李俊（１９８１一），男，江西南昌人，硕士，２００８年毕业于西南石油大学机械电子工程专业，主要研究方向为仪表控制系统设计，Ｅ－ｍａｉｌ：１ｉｊｕｎ４９２９＠１６３．ｃｏｒｎ。

万方数据・６’・４－１＂油矿场机械２００９年２月全旋转导向钻井系统；Ｇｅｏ—Ｐｉｌｏｔ旋转导向自动钻井系统ｏｊ。ａ）ＡｕｔｏＴｒａｋ旋转闭环钻井系统１９９３年，意大利ＡＧＩＰ公司与美国ＢａｋｅｒＩＩｕｇｈｃｓ公司合作，在早期的垂直钻井系统（ＶＤＳ）和Ａ井钻井装置（ＳＴ）Ｄ）基础上研制了旋转闭环系统（ＲＣＩ。Ｓ）。１９９６年在４口井中试验获得成功，１９９７年注册为ＡｕｔｏＴｒａｋ，正式推向市场。ｂ）ＰｏｗｅｒＤｒｉｖｅ旋转导向钻井系统１９９４年。英圜Ｃａｍｃｏ公司研制的旋转导向钻并（ＳＲＤ）系统在英格兰Ｍｏｎｔｒｏｓｅ地区井中试验获得成功。１９９９—０５，Ｃａｍｃｏ公司与美国Ｓｃｈｌｕｍｂｅｒｇｅｒ公司的Ａｎａｄｒｉｌｌ公司合并，ＳＲＤ系统注册为ＰｏｗｅｒＤｒｉｖｅ，２０００年改进为ＰｏｗｅｒＤｒｉｖｅＸｔｒａ。ｃ）Ｇｅｏ—Ｐｉｌｏｔ旋转导向自动钻井系统１９８９年。日本国家石油公司（ＪＮＯＣ）开始研究遥控动态定向系统（ＲＣＤ（）Ｓ）；１９９３年美国Ｓｐｅｒｒｙ－Ｓｕｎ公司研制了适合于转盘钻进的自动定向系统（ＡＧＳ），同年在英格兰ＷｙｔｃｈＦａｒｍ油田首次进行商业应用。１９９９年，２公司合作以Ｈａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ公司的名义推出了Ｇｅｏ—Ｐｉｌｏｔ旋转导向自动钻井系统。１．２功能与特性。３。ａ）以旋转方式钻进，减少滑动摩阻，提高钻探能力。ｂ）井眼光滑。减少事故冈素。ｃ）稳定器的活塞按程序交替伸缩，可较好地控制井眼方向。ｄ）适合于钻大位移井稳斜段，钻速较快。２旋转导向钻井工具工作方式及发展趋势２．１工作方式按照国际惯例，目前的旋转导向钻井井下工具系统根据其导向方式可以划分为推靠式（ＰｕｓｈｔｈｅＢｉｔ）和指向式（ＰｏｉｎｔｔｈｅＢｉｔ）２种。偏置机构的工作方式又可分为静态偏置式（ＳｔａｔｉｃＢｉａｓ）和动态偏置式（ＤｙｎａｍｉｃＢｉａｓ，即调制式（Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ））２种。目前，国内外已开发出的旋转导向钻井系统将偏置方式和导向方式结合在一起，更科学、更具有概括性，可分为３类一］。ａ）静态偏置推靠钻头工作方式的旋转导向钻井系统（ＡｕｔｏＴｒａｃｋＲＣＩ。Ｓ，ＷｅｌｌＤｉｒｅｃｔｏｒ）。ｂ）静态偏置指向钻头工作方式的旋转导向钻井系统。又可分为：①静态偏置外推指向钻头工作方式的旋转导向钻井系统（ＡＧＳ，Ｗｅｌｌ—ＧｕｉｄｅＲＳＳ，Ｒｅｖｏｌｍｉｏｎ）；②静态偏置内推指向钻头工作方式的旋转导向钻井系统（ＲＣＩ）（）Ｓ，Ｇｅｏ—ｐｉｌｏｔ，ＰｏｗｅｒＤｒｉｖｅ—Ｄｉｒｅｃｔ，Ｗｅｌｌ—ＧｕｉｄｅＲＳＳ，Ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）。

ｃ）动态偏置推靠钻头工作方式的旋转导向钻

井系统（ＰｏｗｅｒＤｒｉｖｅＳＲＤ）。从【作原理和适应井卜．工作环境方面来讲，这３类系统各有优点．但也都存在不足：静态偏置指向钻头系统缺点是钻柱承受高强度的交变应力，钻柱容易发生疲劳破坏。静态偏置推靠钻头系统具有许多缺点，如位移工作方式、静ｔｋ５＇ｂ套、小型化能力差、结构复杂等，所有这些都会影响这种系统的发展。动态偏置推靠钻头系统钻头和钻头轴承的磨损较严重，工作寿命有待进一步提高。２．２发展趋势随着旋转导向钻井二ｒ：具的地位不断提高，针对我团旋转导向工具设汁中的不足，优化设计旋转导向钻井工具，结合动态与指向工作模式的优点，从应用情况看指向式旋转导向钻井工具具有许多优点：能钻出较平滑的井眼；摩阻和扭矩较小；可以使用较大的钻压；机械钻速较高；有助于发挥钻头的性能；钻头及其轴承承受的侧向载荷较小；极限位移增加，

可更好地保证井身质量和井下安全。设计与开发出动态指向式旋转导向钻井工具，能够更好地对井斜和方位进行控制，具有更长寿命的动态偏置指向钻头工作方式的旋转导向钻井系统投入现场应用，可降低狗腿严重度，提高机械钻速和钻具寿命，节约钻井经济成本。具有引领旋转导向钻井工具新方向、发挥出动态与指向优越性的特点，必将推进我国旋转导向钻并工具新的发展。

３动态指向式旋转导向钻井工具的设计３．１结构组成及工作原理

新型动态偏置指向钻头工作方式的旋转导向钻井工具由稳定平台结构、偏置机构和导向方式３大部分组成Ｌｓ－７３。３．１．１稳定平台单元

旋转导向钻井工具中稳定平台由上、下２个涡轮发电机、测控电子系统和电子仓组成，如图ｌ。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个涡轮发电机之间没置密封电子仓，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，传感器监测钻铤和马达输出轴的旋转，

万方数据第３８卷第２期李俊．等：动态指向式旋转导『；Ｊ钻井Ｔｎ设汁探讨并对方位和倾角进行测量等。

图ｌ全旋转导向工具稳定平台结构旋转导向钻井工具中稳定平台的作用足保证在钻进时不受钻柱旋转的影响。而能够实现导向作用

的动态稳定系统。能够同步配合旋转导向钻井系统的指令系统对导向工具面角随钻井下实时调控。３．１．２偏置机构偏置结构由ｌ套由几个可控制的偏心圆环组合形成，如图２。偏置结构中装有ＣＰＵ检测装置、电子马达等检测与驱动元件，偏置机构中串接了１根柔性钻具，通过稳定平台计算机检测到的井斜与方位变化的信号结果。将检测到的信号输送给偏置装置中的ＣＰＵ，当需要调整角度时，装置中的ＣＰＵ驱动控制系统中的动力模块电子马达，在旋转导向过程中，偏置工具的偏心导致其上、下２跨钻柱发生弯曲，使钻头处钻柱的轴线和井眼轴线之间出现夹角，由于钻头的转角而实现旋转导向。

图２井下偏置导向工具结构３．１．３导向方式本研究采取偏置内推指向方式，如图３。工作方式为外筒内有一靠机械力使之变形弯曲的内轴迫使钻头有角位移，以使钻头定向造斜，如图４。指向式系统不需爱翼叻推靠井擘来改变方向，因此其导向效果不受地层不完整或井眼扩径的影响。从而指向式系统在软地层或扩径的井眼中比推靠式效果好。指向式系统可钻出更规则的井眼，减少螺旋和突起。能够更好地对井斜和方位进行控制。具有更长寿命，与钻头选择无关，降低卡钻和失效等风险，

提供了作业上的优势。卜～沙一

钻头

图３旋转导向工具偏置内推指向方式示意

图４旋转导向钻井Ｔ具系统指向方式示意３．２设计重点、难点及解决方案在钻井过程中，由于钻井工具处在井下高温、高压的工作环境中。有钻井液及地层流体的腐蚀；有含碎屑的钻井液在高压、高速流动时带来的冲蚀；有钻柱在高速旋转、钻头切削地层和钻井液压力波动产生的严重振动等，其工作环境和工作条件异常恶劣，给井下工具的设计带来一定的难度。针对目前旋转导向钻井工具设计现状存在的不足，提出了今后的研究方向。３．２．１旋转导向驱动稳定平台主轴扭矩系统优化拇１０］