Φ178旋转导向钻井工具机械结构设计说明书

西安石油大学本科毕业设计(论文） 178旋转导向钻井工具机械结构设计摘 要:旋转导向钻井技术是石油工业工程技术领域的关键技术之一，得到了石油钻井工程界的极大关注，发挥着越来越重要的作用，主要应用于水平井、大位移井、超深井、三维多目标井等复杂结构的井作业。本文综述了旋转导向钻井工具的国内外现状，闸明了在我国发展旋转导向钻井技术的重要性和必要性，介绍了它的工作原理及结构组成，指出了研制该工具的主要技术特点。调制式旋转导向钻井工具的导向执行机构是靠内外泥浆液压力差驱动的原理来实现的，这是旋转导向钻井工具能否正常工作的关键。所以，对其液压盘阀分配系统进行分析计算，及其在井下不同工况下所受的力进行分析计算。分析了旋转导向钻井系统的井下钻井工具系的偏置方式和导向方式，完成了导向执行机构机械部分的设计。 关键词:旋转导向钻井工具；机械结构设计；压力差； 178 Rotary Steerable Drilling Tool Mechanical Structure DesignAbstract:In many oil industry engineering filed key technologies,rotary steerable drilling technology is one that has been paid much attention to in recent years and exhibits more and more importance in oil drilling industry, mainly used in horizontal well,extended reach well,ultra-deep well ,3D multi-target well the complex structure of multi-lateral wells in wells operating. This paper reviews the domestic and international drilling tool status, illustrates the development of rotary steerable drilling technology of the importance and necessity to introduce the working principle and its composition, that the development of the main technical features of the tool. Modulated rotary steerable drilling tool driven by the executing agency is the pressure difference between inside and outside the mud fluid-driven principles to achieve, which is whether the drilling tool to work the key. Therefore,its hydraulic disc distribution system analysis and calculation, and its different working conditions in underground analyzing and calculating the force. Analysis of downhole rotary steerable drilling tool drilling system orientation bias way. Complete guide the design of mechanical parts of the implementing agencies.Key words: Rotary steering drilling tool；Mechanical parts design；Pressure difference目 录第一章 绪论11.1 本论文研究的目的、价值和意义11.2 国内外研究状况及趋势21.2.1 国内旋转导向钻井系统研究与发展现状21.2.2 国外旋转导向钻井系统研究与发展现状31.3 毕业设计论文的主要内容9第二章 旋转导向钻井装置的方案对比分析102.1 旋转导向钻井工具的分类102.2 三种旋转导向钻井系统的结构特征和对比102.2.1 Auto Trak旋转导向钻井系统102.2.2 Power Drive旋转导向钻井系统112.2.3 三种不同旋转导向方式对比152.3 旋转导向钻井方案的选择152.4 旋转导向钻井工具工作原理15第三章 旋转导向钻井工具机械部分设计183.1 导向机构的导向原理及组成183.2 上盘阀高压孔圆弧角的确定223.3 柱塞的相关计算223.4 巴掌结构233.5 盘阀泥浆过流的有效面积计算243.6 巴掌销钉的强度校核263.7 挡块上的螺钉强度校核263.8 盘阀连接螺钉强度校核273.9 液压盘阀系统的设计273.9.1 上盘阀的结构设计计算373.9.2 上盘阀传动轴的校核30 3.9.3下盘阀的设计.31 3.9.4上下盘阀导通时间计算.323.10 盘阀加压弹簧的设计343.11 工具体的校核35第四章 旋转导向钻井工具经济性评价38 4.1 旋转导向工具的加工成本384.2 旋转导向工具的经济效果38第五章 结论及展望405.1 结论405.2 展望与建议40参考文献.41致 谢43I第1章 绪论1.1 本论文研究的目的、价值和意义为了节约开发成本和提高石油产量，对那些受地理位置限制或开发后期的油田，通常通过开发深井、超深井和长距离水平井来实现，进而造成复杂结构的井不断增多，这就要加快旋转导向钻井工具研究的步伐。20世纪80年代后期，国际上开始加强对旋转导向钻井的研究。旋转导向钻井法是在用转盘旋转钻柱钻井时,随钻实时完成导向功能。其优点是：在输送钻头时的摩阻小，钻速高(是滑动钻井的2-3倍)、钻头进尺多、钻井时效高、建井周期短，井身轨迹平滑易调控。此外，其极限井深可达15km。钻井成本低。因此，旋转导向钻井技术是现代导向钻井技术发展的必然方向。到90年代初期，国外旋转导向钻井技术已呈现商业化。中国古代钻井技术被称为中国古代文明的第五大发明。开创了世界钻井历史的先河新中国成立后，我国石油工业有了举世瞩目的巨大成就。我国石油产量现居全世界第5至第8位，我国的钻井规摸已跃居全世界第3位，钻井业已走出国门参与国际竞争。当前，国际钻井技术发展的总趋势是以信息化、智能化、自动化为特点，向自动化钻井阶段发展自20世纪80年代后期，国际上开始加强对旋转导向钻井技术的研究，到90年代初期，旋转导向钻井技术已呈现商业化。另一方面随着油气田的日益减少，大位移井的相对重要性和技术、经济优势越来越显著，而它所面临的技术难度也是前所未有的。主要是轨迹控制的精度要求大幅度提高，控制难度明显增加，同时又必须尽量保证有足够的速度以保证钻井成本的相对下降。要实现这一目标，就要求首先实现井下闭环控制，可以使井眼轨迹控制工作最大限度的避免由人为经验来解决不确定性干扰因获引起的复杂问题，并使井眼轨迹控制类似于导弹飞行控制，保证井眼轨迹控制的精度和准确性得以大幅度提高。井下闭环钻井技术代表了当今井眼轨迹控制技术的最高水平，经济的、资源的、技术的因素决定了必须研究井下闭环钻井技术。其正实现井下闭环控制，传统钻井工具已不能满足要求，必须研制更加灵活的、全方位可调的旋转导向井下工具。其核心是能在旋转状态下按控制指令动作以改变作用在钻头上的合力或改变钻具偏心程度的偏三导向机构。旋转导向钻井时的摩阻与扭阻小、钻速高、钻头进尺多、钻井时效高、钻井周期短、井身轨进平滑，每米进尺成本低，是现代导向钻井的发展方向。旋转导向系统是一个集机、电、液于一体的闭环自动控制系统，并以旋转钻井为其技术特征，所以在减少井下摩阻、提高钻深能力和控制精度方面具有独特的优势，所以成为大位移井长稳斜段钻井作业的常用工具，也适合于水平井水平段（特别是薄油水层水平井）的钻进与控制作业。目前国内也正在研制开发旋转导向系统，从各个油田和区块的应用实例看，旋转导向钻井工具具有在旋转钻进时连续导向的能力，可以提高井眼的清洁度和机械钻速，减少压差卡钻；还具有井眼轨迹自动控制的能力，从而提高井眼轨迹的光滑度，降低扭矩和摩阻，也就相应地增加了水平井的延伸长度。但该系统对设备要求比较高，要求设备、钻具等能承受高转速、大扭矩、高泵压，在某种程度上加大了对设备、钻具等的损伤，而且该系统造价比较昂贵，一次性投入较大，并不是每个区块和地层都适用这种钻井技术。1.2 国内外研究状况及趋势1.2.1 国内旋转导向钻井系统研究与发展现状20世纪90年代，西安石油大学等国内少数研究机构开始关注旋转导向钻井技术，主要进行情报调研和初步的概念性探索研究。1991年，西安石油大学张绍槐教授组织力量进行了“井眼轨迹制导技术”的中国石油天然气总公司(CNPC)“九五”立项调研；1994年，西安石油大学张绍槐教授等又开展了井下旋转自动导向钻井系统RCLD(Rotary Close-Loop Drilling System)的研究，并以国家自然科学基金项目为依托研究了井身轨迹控制技术、钻井智能信息与模拟技术以及随钻地震技术(SO)等。21世纪初国家科技部和中石油、中石化、中海油都纷纷立项研究旋转导向钻井技术，西安石油大学参加了这些研究项目并于2002年初建立了我国第一个多学科的导向钻井研究所。胜利油田在我国导向钻井技术应用和研究方面也一直处于全国第一的领先地位，曾于1989年在河50井组钻成功一个井场井数最多的丛式井，并且己成功地为20多个油田提供了水平井技术服务，成功钻探的水平井数量占同期全国所钻水平井总数的三分之二；1996年，胜利油田钻井工艺研究院研究了可控变径稳定器；1999年胜利油田开始进行旋转自动导向钻井系统的跟踪调研、论证和初步研究方案设计等工作，同年引进了地层评价随钻测量系统(FEWD)并进入卡塔尔国际市场；2000年进行了旋转导向钻井系统开发可行性研究，2001年“旋转导向钻井系统整体方案设计及关键技术研究”、“旋转导向钻井技术研究”分别被列为国家“863”前瞻性研究项目及中国石化集团公司科技攻关项目，胜利油田与西安石油学院合作开始共同研制和开发具有自主知识产权的旋转导向系统调制式旋转导向钻井系统MRSS（Modulated Rotary Steerable System)。在全面完成国家“863”前瞻性研究攻关项目的基础上，2003年“旋转导向钻井系统关键技术研究”被列为国家“863正式科技攻关项目。MSS调制式旋转导向钻井系统为动态偏置推靠式系统，目前己在其关键技术研究方面取得突破，对该系统已建立起系统的力学物理、数学模型，理论研究比较完善成熟，已形成了功能性样机，系统的部分功能已在地面得到验证。由中海油与西安石油大学等研究单位承担的国家“863”课题“旋转导向三维可控钻井技术研究”也取得了突破，研究的可控偏心器式旋转导向钻井工具系统，为静态偏置推靠式系统，目前己进行了偏心机理、井下BHA组合力学性能等一定的理论研究和工具系统各单元样机的现场试验，其在陆地和海上油田的现场试验结果表明：在井斜约60的大斜度稳斜井段，井斜控制和方位控制都达到了控制要求，采用的旋转导向钻具组合还可提高钻压，最高可达240KN，为“十一五”期间旋转导向钻井工具系统的进一步完善和应用奠定了坚实的工程化基础，在国内旋转导向钻井系统关键技术研究方面有一定的突破。2002年至2005年上半年，该工具系统的随钻电阻率、自然伽马测量工具单元样机进行了7次陆地油田钻井试验，主要技术指标达到了最高耐压140 MPa，最高工作温度150，连续工作时间200 h，实现了国内首次对随钻电阻率和地层自然伽马的测量。2005年1月，该工具系统的井下工程参数测量短节在四川MP37井下井试验，钻井作业40. 95 h，钻井进尺320 m，取得了较好的试验效果。2005年以来，对该工具系统的钻井液脉冲上传信息技术及MWD工具分别在四川、冀东和渤海等油田进行了钻井试验，钻井深度达到2850 m，工作时间达到86 h，最长时间200 h，完全达到了设计要求，目前该系统在井下的软件和硬件接口以及总控系统都可以满足作业需求，并与其他井下仪器具有良好的兼容性能。2006年5月30日该工具系统的旋转导向可控偏心移交器单元样机在长庆油田Ning37-32井进行了钻井试验，国内首次利用具有自主知识产权的旋转导向可控偏心器钻井技术实现成功钻井。此外，文献中有偏置工具后置式系统的介绍，该系统为静态偏置外推指向式系统，国内仅对其导向性能等做了初步的理论分析研究。由于美国实行的技术封锁，国内缺少国外先进的旋转一导向系统实物样机作为参考，加之研发费用高，在关键技术方面还是存在着重重困难，样机现场试验效果与国外技术相比还存在较大的差别目前还无法形成应用于现场的能力。1.2.2 国外旋转导向钻井系统研究与发展现状国外从20世纪80年代末期开始旋转导向钻井系统的理论研究。导向钻井系统最初只用在定向井、丛式井，随油田开发的增多，逐渐用到了大斜度井、水平井、兰维多目标井、大位移井等。因此导向钻井相应的发展也经历了三个阶段：初级导向钻井、地面人工控制的导向钻井及全自动的井下闭环旋转导向钻井。初级导向钻井是利用弯外壳螺杆钻具，在造斜段(或降斜段)、稳斜段分别实行滑动钻进和旋转钻进。地面人工控制的导向钻井系统是使用变径稳定器加螺杆钻具，采用遥控方式，通过改变井下稳定器的直径来改变井下动力钻具的力学特性，进行造斜(或降斜)和稳斜钻进，但在造斜段(或降斜段)同样需要滑动钻进。滑动钻进时机械钻速低，携岩能力差，井眼清洗不完善，容易发生粘吸卡钻。全自动的井下闭环旋转导向钻井系统是从地面人工控制的导向钻井系统发展成的，可实施井下自动侧量、辨别处理、控制的自动系统。这种系统在造斜、降斜、稳斜段内均能实行旋转钻进，有利于提高机械钻速，而且携岩能力好，井眼清洗完善，可大大减少压差卡钻现象。旋转导向钻井工具是20世纪90年代初，随着水平井、大位移井、丛式并等复杂井和“海油路采”的迅速发展，而出现的一种新型钻井工具。到20世纪90年代中期，美、英、德、意、日五个国家的8家大公司进行研制并垄断了其工程应用和商业化技术服务市场，例如德国的自动垂直井钻井系统VDS、美国Baker Hughes Inteq公司的自动直井钻井系统SDD、Halliburton公司的自动导向钻井系统AGS、美国能源部资助的自动定向钻井系统ADD、英国Cameo公司的可导向的旋转钻井系统SRD、Baker Hughes lnteq公司的旋转导向井下闭环钻井系统RCLS及日本提出的RCDOS系统，尤其是Baker Hughes公司的AatoTrak和Schlumberger公司的Power Drive取得了很好的应用效果。目前己形成或正在开发旋转导向钻井系统的公司的具体情况如下表1-1所示。表1-1 现有的旋转导向钻井系统目前，闭环自动导向钻井技术已经形成了两个主要的发展大方向：一个是以Baker Hughes Inteq公司的Auto Trak RCLS系统为代表的不旋转外筒式闭环自动导向钻井系统，它以其精确的轨迹控制精度和完善的地质导向技术为特点，非常适用于高开发难度的特殊油藏的开发方案设计和导向钻井作业，Halliburton公司的Geo-Pilot系统也属于这一类导向钻井系统；另外一个是以Schlumberger Anadrill公司的Power Driver SRD系统为代表的全旋转自动导向钻井系统，它以其同样精确的轨迹控制精度和特有的位移延伸钻井能力为特点，非常适用于超深井、边缘油藏的开发方案中的深井、大位移井的导向钻井作业。这两大方向又以Baker Hughes Inteq公司的AutoTrak RCLS、 Schlumberger Anadril公司的Power Drive SRD和Halliburton Sperry-sun公司的Geo-Pilot系统这三大系统为代表，分为三大类型，后面将对他们分别进行详细介绍。尽管目前闭环自动导向钻井技术存在两个发展方向，但其长远发展方向都将是集两者优点于一身的闭环自动导向钻井技术。(1)Auto Trak旋转导向钻井系统AutoTrak系统是一套集钻进和随钻测量为一体的定向钻井系统，能够在旋转钻井过程向造斜钻进，主要是因为它有一个独特的非旋转可调扶正器滑套，此扶正器滑套并非真的不旋转，只是相对钻头驱动轴而言它几乎是不旋转，因此在旋转钻进过程中，此扶正器滑套可以保持一种相对静止的状态，从而保证钻头沿着某一特定的方向钻进。非旋转扶正器滑套内有元件:近钻头井斜传感器、电子控制元件、液压控制阀和活塞，见图1-1。通过液压可推动活塞分别对3个稳定块施加不同的压力，其合力就使钻具沿某一特定方向偏移，从而在钻进过程中使钻头产生1个侧向力，保证钻头沿这一方向定向钻进。图1-1 AutoTrak内部结构Auto Trak结合了当前最为先进的MWD，LWD技术，满足了地质导向和钻井作业的双重需要：同时结合MDL、 MNP、MDP等工具，实现随钻测井的要求。工具包含地面与井下的双向通讯系统、导向系统和LW以随钻测井系统三个部分。1)地面与井下的双向通讯系统此系统可使操作者能在不停钻的情况下，用钻井液脉冲从地面向井下工具发出指令改变井眼轨迹、造斜率、方位改变率及降斜率等，指示井底发射器有选择地发送需要的信息。为了能使地面指令向下传输，开发了一项通过在井上调制排量来向下传递命令的新技术：立管上安装一个旁通触发器，可在地面把部分钻并液送回钻井液池，相应的流盆变化导致井下发电机的电压变化，这样加载了信息的排量变化顺序就送到井下并在井下得到解释。它可以把地层参数、井下温度、井眼轨迹参数、井底压力及工具的运行状态等数据用钻井液正脉冲传输到地面，并在地面接收译码。此工具的上传数据采用了己经成功应用20多年的MWD中的井下遥控脉冲发射器。2) Auto Trak RCLS的导向系统RCLS系统的井下偏置导向工具由不旋转外套和旋转心轴两大部分通过上下轴承连接形成一可相对转动的结构，旋转心轴上接钻柱，下接钻头，起传递钻压、扭矩和输送钻井液的作用，不旋转外套上设置有井下CPU，控制部分和支撑翼肋。当周向均布的三个支撑翼肋分别以不同液压力支捧于井壁时，将使不旋转外套不随钻柱旋转，同时，井壁的反作用力将对井下偏置导向工具产生一个偏置合力。通过控制三个支撑翼肋的支出液压力的大小，可控制偏置力的大小和方向，以控制导向钻井。液压力的大小由井下CPU控制井下控制系统来调整。井下CPU在下井前，预置了井眼轨迹数据。井下工作时，可将MWD测量的井眼轨迹信息或LWD测量的地层信息与设计数据进行对比，自动控制液压力，也可根据接收到的地面指令调整设计参数，控制液压力，以实现导向钻进。3) LWD(随钻测井)系统该系统能够使钻头得到精确的地质导向，并取代了有线测井。它还具有GAMMA测井和电阻率测井功能。（2）Power Drive旋转导向钻井系统 Power Drive旋转导向钻井系统的核心是旋转导向工具，其导向原理与Baker Hughes公司的RCLS导向钻井工具类似，都是利用近钻头导向块的伸缩与井壁相互作用产生导向力，但是结构有所不同。Power Drive旋转导向系统具有自我稳定的钻井液动力和密封控制单元，通过旋转稳定传感器同步调整井眼走向。当需要在某个方向导向时，钻柱在旋转状态下，相位相差1200随钻柱一起旋转的3个导向块中的某一块，它每一次通过某一特定的垂向或径向方位时，通过控制系统施加的液压，使同步导向块伸出与井壁接触，并对钻头产生一侧向力，推动钻头离开该方向，达到改变井斜和方位的目的，转离该方向后，滑块自动缩回。图1-2 Power Drive盘阀控制机构示意图斯伦贝谢公司的旋转导向系统主要是指PowerDrive系统，包括PowerDriveX51100、PowerDriveX5900、PowerDriveX5、PowerDrivX5675、PowerDriveX475、PowerDriveXceed900、Power vorte X除了Power vorte X是动力式旋转导向系统外，其他均为全旋转式旋转导向系统，PowerDriveX5系列旋转导向工具可通过Power Pulse和Tele Scope工具实时测量井下数据，测量近钻头地层状态、钻头振动情况和钻头转速，利用近钻头伽马射线显示地质和井眼成像，自动纠斜。它适用的井眼尺寸为51426in，可用常规钻井液，最高耐温150，流量范围4801900gpm，最高耐压20000psi，其中，Power DriveX51100型最大转速200rmin，最大造斜率3100ft，PowerDriveX5475型最大转速250rmin，最大造斜率8100ft。Power Drive Xceed系列可以用于裸眼侧钻、随钻扩眼或用双芯钻头钻研磨性地层，其使用参数与PowerDriveX5系列大致相同，适用的井眼尺寸为8381712in，可用常规钻井液，最高耐温150，流量范围4501800gpm，最高耐压20000psi，最大转速350rmin，其中，PowerDriveXceed900型最大造斜率6.5/100ft，PowerDriveXceed675型最大造斜率8100ft。Power vorteX是一种高性能的导向钻井工具，可以提升所需的井下动力，增加井眼的稳定性，自动纠斜，有智能的高性能动力组件，可适用于434in的井眼，最高耐温150。相对前面两种钻井系统而言，Power Drive调制式旋转导向系统在结构设计方面更为简单，小型化趋势好，全旋转工作方式使钻柱对井壁没有静止点，从而可以保证这种系统更能适合各种复杂的环境，钻井极限井深更深，速度更快，在大位移井、三维多目标井及其它高难度特殊工艺井中更具竞争力。由于在钻具与井壁间不会产生阻碍钻屑流动的瓶颈，所以提高了携屑液流的通过能力。因为钻具没有产生摩擦的固定部件，也提高了机械钻速。由于没有固定部件或慢速旋转部件与套管、斜向器或井壁接触，所以发生机械故障和压差卡钻的几率大幅度下降，从而提高了钻具寿命。全旋转系统可以使用任何类型的钻井液。斯伦贝谢公司的Power DriveXceed钻具可以解决钻软地层和裸眼侧钻过程中旋转导向钻具所遇到的问题。这套系统唯有近钻头稳定器与井壁接触，在钻软地层时不再需要借助翼片推靠井壁或慢速旋转钻具来控制方位。井下钻具与地面的通讯是借助于Power Pluse MWD遥测系统来实现的，它包括一整套随钻电子测量工具。Power Drive Xceed与Power Pluse相互结合，Power Drive Xceed就可以在钻进过程中向井口提供钻具面、井斜角、方位等实时测量数据。根据所获得的信息，可从井口发出指令以保持或改变钻头轨迹。钻具内部的电子测量工具会自动调整钻具的位置，使钻具在不与井壁接触的情况下始终处于井眼的高边，但工作寿命有待进一步提高。（3）Geo-Pilot旋转导向钻井系统 Geo-Pilot系统是Halliburton公司下属的Speny sun公司开发的旋转导向系统，又称RST（Rotary Steerable Tool）。其主要特征是下部驱动主轴可在壳体内旋转成一定角度，相当于形成一个可调弯角，可对井斜和方位进行纠正。Geo-Pilot系统采用控制钻柱弯曲特征来实现钻头轴线的有效导控，其优点是造斜率由工具本身确定，不受钻进地层岩性的影响，在软地层及不均质地层中效果明显，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。另外，高精度加工是保证这种系统导向效果的关键。图1-3 Geo-Pilot 主体综合以上国外各种旋转导向钻井系统旋转导向钻具的工作方式，其主要有两种类型。一种是靠侧向力推靠钻头原理的旋转导向钻井工具称“推靠钻头”(Push the Bit)导向原理工具，这类原理的导向工具已有多种，其导向方式示意图如1-4(a)所示。另外一种是近年来提出的定向给钻头以角位移简称“定向钻头”或“指向钻头”(Point the Bit)原理的旋转导向工具，其指向方式示意图如1-4 (b)所示。这种原理的典型产品有2000年Spent Sun和JNOC公司合作开发的Geo-Pilot.这种“指向钻头”原理的旋转导向工具，其原理相对较新，在原井眼井斜5以上才可增斜、稳斜，在井斜较大时可降斜，但难以在直井中防斜。 图1-4 （a)推靠钻头式旋转导向钻井工具图1-4 （b）指向钻头式旋转导向钻井工具1.3 毕业设计论文的主要内容(1)查阅、收集有关钻转导向钻井工具的资料，理解钻转导向钻井工具原理与结构，了解国内外钻转导向钻井工具的研究与应用现状和发展趋势，搞清本次毕业设计所要设计的内容，在此基础上完成开题报告；(2)查阅有关钻转导向钻井工具的外文资料并选定一篇进行翻译；(3)分析旋转导向钻井工具的结构特点及其所存在的缺陷，提出钻转导向钻井工具的的设计方案；(4)画出结构草图，并根据任务书所给数据进行计算和校核，确定钻转导向钻井工具的各零部件具体尺寸，如有需要，对初步方案和草图进行修改，并进行整个工具经济性评价；(5)画出钻转导向钻井工具的装配图和各零部件的零件图；(6)完成毕业设计论文。第二章 旋转导向钻井装置的方案对比分析2.1 旋转导向钻井工具的分类旋转导向系统按导向方式可分为两类：一种是靠侧向力推靠钻头原理的旋转导向钻井工具称“推靠钻头”(Push the Bit)导向原理工具；另外一种是近年来提出的定向给钻头以角位移简称“定向钻头”或“指向钻头”(Point the Bit)原理的旋转导向工具。旋转导向系统按偏置机构的工作方式又可分为静态偏置式(Static Bias)和动态偏置式(Dynamic Bias)即调制式(Modulated)二种。调制式旋转导向钻井工具是依靠工具执行机构推靠井壁，使其给钻头一反作用侧向力为原理工作的，是当今国内外钻井界已经商业化的3种导向原理之一的钻井工具。按传感器不同区分，分为静止式(如AUTO TRAK RCLS和POWER DRIVE SRD系统)和捷联式(3S)两种；以导向方式区分，有偏置钻头式(bias the bits，如AUTO TRAK RCLS和POWER DRIVE SRD系统)和倾斜钻头式(pointing the bits，如GEO PILOTS系统)两种；以工具结构不同区分，有不旋转外筒式(AUTO TRAK RCLS和GEO PILOTS系统)和调制式(POWER DRIVE SRI)系统)两种;还有根据工具尺寸进行分类的，不同的工具尺寸也不尽相同。MRST主要采用偏置钻头、旋转外筒式，其传感器为静止式。相比较而言，偏置钻头工作方式的调制式旋转导向钻井系统的井下工具系统具有以下特点：(1)以钻井过程中自然存在的钻井液压差为动力，其结构简单紧凑；(2)这种工具系统的力的工作方式使其能适合各种复杂的环境；(3)全旋转工作方式使钻柱对井壁没有静止点，从而可以保证井下安全，实现复杂井眼轨迹的能力强，钻进速度快。2.2 三种旋转导向钻井系统的结构特征和对比2.2.1 Auto Trak旋转导向钻井系统Auto Trak旋转导向钻井系统系统的井下偏置导向工具由不旋转外套和旋转心轴两大部分通过上下轴承连接形成一可相对转动的结构，旋转心轴上接钻柱，下接钻头，起传递钻压、扭矩和输送钻井液的作用，不旋转外套上设置有井下CPU，控制部分和支撑翼肋。图2-1是井下偏置导向工具的导向原理示意图。当周向均布的三个支撑翼肋分别以不同液压力支撑于井壁时，将使不旋转外套不随钻柱旋转，同时，井壁的反作用力将对井下偏置导向工具产生一个偏置合力。通过控制三个支撑翼肋的支出液压力的大小，可控制偏置力的大小和方向，以控制导向钻井。液压力的大小由井下CPU控制井下控制系统来调整。井下CPU在下井前，预置了井眼轨迹数据。井下工作时，可将MWD测量的井眼轨迹信息或LWD测量的地层信息与设计数据进行对比，自动控制液压力，也可根据接收到的地面指令调整设计参数，控制液压力，以实现导向钻进。图2-1 RCLS井下偏置导向工具的导向原理示意图在钻井时该系统可以设置两种钻进模式：保持摸式。这种模式可使井眼轨迹保持一定的井斜角和方位角。它在井下微处理设有造斜力或降斜力、变方位力、井斜角和方位角3个参数.若井眼轨迹与预定的井斜角或方位角发生偏差，井下微处理器将用设定好的造斜力或变方位力来修正井眼轨迹，直到恢复预定的井斜角和方位角。设定造斜力和变方位力主要是为了控制井眼狗腿度。保持模式可同时施加造斜力和变方位力。导向模式。这种钻进模式如同利用导向马达滑动钻进方式，可控制井眼轨迹的变化。须设里导向块产生合力矢的大小和方向两个参数。合力矢的方向相当于弯壳体马达的工具面角。合力矢的大小是为了控制井眼轨迹的变化率。与导向马达相比，该旋转导向工具能更精确地控制井眼轨迹，钻头侧向力和井眼狗腿度可由闭环系统连续控制。2.2.2 Power Drive旋转导向钻井系统Power Drive旋转导向钻井系统的核心是旋转导向工具，其导向原理与Baker Hughes公司的RCLS导向钻井工具类似，都是利用近钻头导向块的伸缩与井壁相互作用产生导向力，但是结构有所不同。Power Drive旋转导向系统具有自我稳定的钻井液动力和密封控制单元，通过旋转稳定传感器同步调整井眼走向。当需要在某个方向导向时，钻柱在旋转状态下，相位相差1200随钻柱一起旋转的3个导向块中的某一块，它每一次通过某一特定的垂向或径向方位时，通过控制系统施加的液压，使同步导向块伸出与井壁接触，并对钻头产生一侧向力，推动钻头离开该方向，达到改变井斜和方位的目的，转离该方向后，滑块自动缩回。1) Power Drive旋转导向钻井系统井下控制单元井下工具包含控制器、旋转换向阀及测量机构。它们都置于钻柱中间，可以保持相对静止。为了与无磁钻挺一起旋转，将一密封压力套安装在中央，它通过联接器和控制轴与偏置单元控制阀相连接，其方向由内部的传感器监控。单级轴向流体转子也安装在其上以获得同心逆时针旋转。转子轴承也支撑着其线圈在压力套内部的交流发电机的永磁极结构，这可使传感器处理器和控制系统所需能源得到基本满足。来自被称为“扭矩装里”的交流发电机并作用在压力套上的逆时针扭矩，可以通过增大其电负载来平衡产生于旋转着的钻挺并通过支撑轴承传递的顺时针扭矩以及产生于偏置单元中的盘阀的顺时针扭矩进行控制。通过对内部传感器测得的方向与在控制系统存贮器中存贮的要求方向进行比较可以推导出负载的控制信号和逆时针扭矩信号。压力套及其内部装置、以及安装在其上的转子和扭矩装置构成了“控制单元”。控制单元的功能包括：偏置控制；提供测量数据:钻头轴线的实际井斜角和方位角。控制单元的运动由地面软件进行控制。Power Drive产品可以选择具有：通过编程实现对井斜角和方位角的内部自动控制的功能，这就要求系统应具有信号以适应速串下传的功能，但同时也会大大降低信号上传的要求。为了获得测量及定向数据，利用控制单元中的传感器来测量控制单元坐标中的重力及磁力矢盒。该系统所用单三轴力反馈加速度计，伺服机构作用在敏感单元上，在其三个相互垂直方向上的重心附近。加速度计壳体内充满着粘性液体，以缓解伺服机构对高频震动的响应，使其对震动和冲击具有较大的抵抗力。它的直径为1英寸，具有开发用于更小井眼的Power Drive系统的潜力。2) Power Drive井下偏叉导向工具的结构原理RSRD系统由控制部分稳定平台和翼肋支出及控制机构组成。控制部分稳定平台内部包括测盆传感器、井下CPU和控制电路，通过上下轴承悬挂于外筒内，靠控制两端的涡轮在钻井液中的转速使该部分形成一个不随钻柱旋转的、相对稳定的控制平台。与Auto Trak RCLS系统靠独立的液压系统为支撑翼肋的支出提供动力来源不同的是，Power Drive SRD系统的支撑冀肋的支出动力来源是钻并过程中自然存在的钻柱内外的钻井液压差。如图2-2所示，有一控制轴从控制部分稳定平台延伸到下部的其肋支出控制机构，底端固定上盘阀，由控制部分稳定平台控制上盘阀的转角。下盘阀固定于井下偏置工具内部，随钻柱一起转动，其上的液压孔分别与翼肋支撑液压腔相通。在井下工作时，由控制部分稳定平台控制上盘阀的相对稳定性:随钻柱一起旋转的下盘阀上的液压孔将依次与上盘阀上的高压孔接通，使钻柱内部的高压钻井液通过该临时接通的液压通道进入相关的挥肋支撑液压腔，在钻柱内外钻井液压差的作用下将冀肋支出。这样，随着钻柱的旋转，每个支撑其肋都将在设计位置支出，从而为钻头提供一个侧向力，产生导向作用。图 2-2 Power Drive 盘阀控制机构示意图2.2.3 Geo-Pilot旋转导向钻井系统 Geo-Pilot系统是Halliburton公司下属的Sperry- Sun公司开发的旋转导向系统，又称RST (Rotary Steerable Tool)。这是一种和Auto Trak、 Power Drive S作原理和结构形式有较大区别的另一种旋转导向系统，其主要特征是下部驱动主轴可在壳体内偏转成一定角度，相当于形成一个可调弯角，可对井斜和方位进行纠正。1) Geo-Pilot系统井下偏置导向工具的结构原理Sperry-Sun公司的Geo- Pilot旋转导向钻井系统也是一种不旋转外筒式导向工具，但与Baker Hughes Inteq公司的Auto Trak RCLS系统和Schlumberger Anadrill公司的Power Drive SRD系统不同的是，Geo-Pilot旋转导向钻井系统不是靠偏置钻头进行导向，而是靠不旋转外筒与旋转心轴之间的一套偏置机构使旋转心轴偏置，从而对于不旋转外套固定，从而始终将旋转心轴向固定方向偏置，为钻头提供一个方向固定的倾角。2) Geo-Pilot总体外观和参数介绍图2-3 Geo-Pilot 主体如图2-3所示，Geo-Pilot系统有关结构和工作参数如下：公称直径171mm；上部外径194mm；长度6.1m；连接上扣(母扣)114.3mm；连接下扣(REG母或公扣)114.3mm；造斜、降斜5/30m；最大狗腿度10/30m；最大主轴扭矩27.115Nm；最大转速250r/min；最大流量4545kg/min；最大钻压245kN；钻井液类型以水基钻井液为主；最大含砂量2%；压降0.46MPa(在22Us排量下的计算值)外观结构；最大提拉力333kN；上接MWD；地面软件为INSILE钻机信息系统；井斜仪测量精度与范围0.1，测量传感器距钻头位置；井斜、方位17.3m，伽马13.8m，振动13.8m，电阻率11.7m，近钻头井斜0.9m；电源为铿电池；最大工作周期不少于200h(旋转导向)。其导向原理如图2-4所示：图2-4 Geo-Pilot 的导向原理2.2.3 三种不同旋转导向方式对比旋转式导向钻井工具，按导向方式不同主要分为3种类型，静态偏置推靠式导向钻具，调制式旋转导向钻具，静态偏置指向式导向钻具。从工作原理和适应井下工作环境方面来讲，三种工作方式的旋转导向钻井系统各有其特点。静态偏置指向式导向钻具采用控制钻柱弯曲特征，来实现钻头轴线的有效导控，其优点是造斜率由工具本身确定，不受钻进地层岩性的影响，在软地层及不均质地层中效果明显，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。另外，高精度加工是保证这种系统导向效果的关键。静态偏置推靠式导向钻具采用了静态式工作原理，主要靠钻具的偏心控制来改变钻头上的侧向力。这种系统的优点是可以利用成熟的控制技术来实现偏心距的控制，但是井下复杂条件使得这种系统具有许多缺点，如位移工作方式、静止外套、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。相对而言，调制式旋转导向工具系统在结构设计方面更为简单，小型化趋势好，全旋转工作方式使钻柱对井壁没有静止点，从而可以保证这种系统更能适合各种复杂的环境，钻井极限井深更深，速度更快，在大位移井、三维多目标井及其它高难度特殊工艺井中更具竞争力，但工作寿命有待进一步提高。三种旋转导向工具系统的对比见表 2-1。表2-1 三种不同方式旋转导向系统对比工作方式代表系统旋转导向程度造斜能力钻井安全性位移延伸能力螺旋井眼适应井眼尺寸静态偏置推靠式Auto Trak RCLS工具系统外筒不旋转6.5/30m中低存在215.9 311.2mm调制式Power Drive SRD全旋转8.5/30m高高存在152.4 311.2mm静态偏置指向式Geo-Pilot工具系统外筒不旋转5.5/30m中中消除215.9 311.2mmAuto Track RCLS:位移工作方式、静止外套、小型化能力差、结构复杂等。Power Drive SRD:钻头和钻头轴承的磨损较严重，工作寿命有待进一步提高。Geo-Pilot:钻柱承受高强度的交变应力，钻柱容易发生疲劳破坏。2.3 旋转导向钻井方案的选择推靠式旋转导向系统的特点：侧向力大，造斜率高，但旋转导向钻出的井眼狗腿大，轨迹波动大，不平滑。钻头和钻头轴承的磨损较严重。指向式旋转导向系统的特点：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，但是造斜率较低。经过反复的论证和分析，这两种方案中，推靠式经过了大量的实践，其可靠性强，并得到了不断的技术改进和完善。而指向式控制较难，偏心机构的弯轴及两个偏心环的设计较难，执行机构的控制较推靠式有一定的难度，并且导向能力比较弱，不能满足大位移、定向钻井等钻井作业，因此，我选择了调制式的全旋转导向钻井系统为自己的设计方向。2.4 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：导向功能；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 -40 r/ 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2-5所示：图2-5 旋转导向钻井系统工作原理根据对井下工程、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2-6( 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2-6( 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 2-6 上盘阀和下盘阀结构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具卡死或井壁挤毁。第三章 旋转导向钻井工具机械部分设计3.1 导向机构的导向原理及组成导向机构是旋转导向钻井系统的核心部分，主要由三个伸缩巴掌和控制系统的控制盘阀组成。主要功能是根据轨迹控制要求，向钻头提供不同大小和方向的侧向力。如图4-1原理图所示，旋转导向钻井工具的导向力直接来源于工具执行机构柱塞推靠井壁所产生的反作用力推靠力，该力在导向方向的分量称为导向力，同时产生的与导向方向垂直的分量，称为扩径力，该扩径力使井径较之钻头有所扩大。在工作过程中接受由地面发出的指令，并通过稳定平台单元调控工作液来控制分配单元上盘阀高压孔的位置。上下盘阀泥浆控制分配单元将过滤后的泥浆依次分配到三个柱塞，给巴掌提供推靠动力，并使该推靠力的合力方向始终保持在上盘阀高压孔的位置，在近钻头出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。当导向机构处于工作状态时，控制轴中的流体进入开关打开，钻井液由筛孔通向上盘高压孔眼。下盘随钻头一起同步旋转，当其中的一个孔眼与上盘高压孔眼位于同一轴线上时两孔相接，与之相连的伸缩机构被高压钻井液推动，活塞外推，翼片与井壁接触，并给井壁施加一作用力。该作用力的方向则由上盘高压孔眼的位置确定。当上盘高压孔眼在控制机构作用下处于井眼高边方向时，该作用力方向就沿井眼高边方向，井壁对它的反作用力就指向井眼低边。此时，导向机构就处于全力降斜状态。当上盘高压孔眼在控制机构作用下处于井眼低边方向时，该作用力方向就指向井眼低边方向，井壁的反作用力就指向井眼高边，此时，导向机构就处于全力增斜状态。当上盘高压孔眼在控制机构作用下处于90相位时，导向机构就处于90降方位状态。当上盘高压孔眼在控制机构作用下处于270相位时，则导向机构就处于90增方位状态。研究表明，对于RSDS系统来讲，90扭方位状态实际上也是全力扭方位状态。在钻头每一转过程中，下盘孔眼都与上盘高压阀孔相通一次，与之相接的伸缩块伸缩一次。相通时，伸缩块伸出；不相通时，下盘阀孔就与上盘阀的低压孔相通，伸缩机构活塞腔内的压力卸压，伸缩块在复位弹簧的作用下回收。低压室与井眼环空相通，保持低压室内的环空压力。导向机构在控制阀的控制下实现定向功能，而伸缩翼片在随钻头旋转的过程中的有规律受控伸缩则产生一定的控制力。伸缩翼片对井壁的作用是在钻头每一转的过程中获得动态实现，并不象静止式导向机构的伸缩翼片相对井壁的周向位置保持不变，这正是调节式导向机构的特点所在。由其工作过程，我们可知导向机构的两部分组成：a、工作液控制分配单元；b、偏执机构单元。工作液控制分配单元由盘阀加压弹簧、上盘阀和下盘阀、上盘阀控制轴和相应的密封部件组成，结构如图3-2。图 3-1 伸缩块对井壁的侧向导向力产生原理图 3-2 工作液控制分配单元偏执机构单元由柱塞、柱塞套、巴掌和挡块组成，结构如图3-3. 图 3-3 偏执机构单元其他部件如下:(1)外筒 是一个长约860mm，直径为176mm的金属筒，上下两端由母扣连接如图3-4所示；(2)柱塞 有三个，均布在外筒上，利用钻具的内外压力差工作，如图3-5所示；(3)柱塞套 柱塞在柱塞套内往复运动。 图3-4 执行机构本体图3-5 柱塞 由旋转导向钻井的原理和工作过程可知，其核心部件为导向偏置机构，而导向偏执机构主要由控制液分配单元和偏执机构单元组成。控制液分配单元的结构和工作方式决定了偏执机构的工作方式和结构。在控制液分配单元中下盘阀的高压孔圆弧角是设计中的关键，因为上盘阀的高压孔圆弧角的大小与巴掌的推靠力的大小有很大的关系。在导向工具工作过程中，高压孔和下盘阀的低压孔导通一次就驱动一个巴掌作用于井壁，关闭时就失去作用力。下盘阀和钻柱一起转动，而上盘阀保持静止，在这个过程中，对于伸缩的巴掌的力是不变的，在一段时间内存在，在某一段时间内消失，是一个有冲击的作用力。但是在工作过程中每次可以有俩个巴掌同时伸出，它们的合力是一个连续的力的分量。因此高压孔圆弧角的设