推靠式旋轉導向鉆井工具導向能力測試系統(tǒng)

劉慶龍

(1.中國石油大學石油工程學院，山東 青島 266555；2.中石化勝利石油工程公司鉆井工藝研究院，山東 東營 257017)

旋轉導向鉆井技術是以旋轉導向鉆井工具為核心的鉆井新技術，通過實時控制鉆井軌跡，命中最佳地質(zhì)目標，具有機械鉆速高、井身軌跡控制精度高、井眼凈化效果好及位移延伸能力強等特點[1]。該技術在老油田后期開發(fā)、提高采收率，以及油層薄、形狀特殊的難采油藏具有顯著優(yōu)勢。目前，旋轉導向鉆井技術仍處于快速發(fā)展階段，哈里伯頓及斯倫貝謝等國外鉆井服務公司分別推出了各自的旋轉導向工具，取得了巨大的經(jīng)濟效益，壟斷了國內(nèi)外市場。國內(nèi)也有多家研究機構開展了這方面的工作，如勝利油田鉆井院、中海石油、中國地質(zhì)大學、中國石油大學、西安石油大學及中石油勘探開發(fā)研究院等單位，但大多在起步階段，系統(tǒng)功能、使用壽命、測控精度及售后服務等方面，皆與國外技術水平有較大差距。

經(jīng)過十多年的研究和探索，勝利油田鉆井工藝研究院成功開發(fā)出推靠式旋轉導向鉆井工具，為其國產(chǎn)化邁進了一大步[2～4]。為了進一步提高其導向鉆井的精度和鉆井工具的性能，迫切需要設計一套測試旋轉導向鉆井工具導向能力的設備，通過在地面條件下模擬導向機構井下工作過程中的巴掌推力特征、推靠位置，及其受到井底粘滑及鉆鋌轉速等因素的影響情況，檢驗旋轉導向機構的性能指標，為推靠式旋轉導向工具的軟/硬件設計與改進、控制方案的優(yōu)化、導向能力與導向精度測試、鉆井方案的實施提供技術支持。

為了在下井前檢驗所設計的旋轉導向工具的導向能力，國外鉆井服務公司都自行研制開發(fā)了導向能力測試設備，由于技術保密緣故，謝絕參觀與購買，而國內(nèi)尚未開發(fā)出相關的導向能力測試設備。筆者所在的科研團隊，基于導向翼肋作用下模擬井筒應變的分析和導向翼肋作用下模擬井筒的有限元分析，模擬井筒應變傳感器的優(yōu)化布局，設計了具有自主知識產(chǎn)權的推靠式旋轉導向鉆井工具導向能力測試系統(tǒng)。

1 總體設計①

在推靠式旋轉導向鉆井工具中，通過控制3個導向翼肋的定向支出拍打周圍的井壁來控制井眼軌跡，實現(xiàn)造斜效果，其基本結構如圖1所示。但是，在實際鉆井過程中，由于諸多原因，可能造成導向翼肋拍打井壁的位置不對、拍打力度不合適，造成導向鉆井精度下降，鉆井軌跡偏離。因此需要研制導向能力測試裝置，確定推靠式旋轉導向鉆井工具的導向翼肋在拍打過程中，實際產(chǎn)生的推靠力和推靠位置，進而對導向工具的導向能力進行評估。

圖1 推靠式旋轉導向鉆井工具及導向翼肋結構

測試裝置通過測量沿鉆鋌一周的模擬井筒外壁的應變分布規(guī)律，判斷導向翼肋拍打過程中實際產(chǎn)生的推靠位置和推靠力，為真實鉆井提供數(shù)據(jù)支持。試驗裝置由模擬井筒與測試短接、信號調(diào)理與現(xiàn)場采集單元、信號傳輸單元、監(jiān)控計算機4部分組成。

模擬井筒與測試短接，選擇一定尺寸的不銹鋼管模擬井筒，將圖1所示的推靠式旋轉導向工具置于模擬井筒中，模擬井筒上、下兩端固定。導向工具旋轉過程中，導向翼肋張開拍打模擬井筒內(nèi)壁，使模擬井筒外壁產(chǎn)生變形。通過均勻貼在模擬井筒外壁的32組應變片，測量沿鉆鋌一周的模擬井筒外壁的導向翼肋拍打所產(chǎn)生的應變分布規(guī)律，然后分析并計算導向翼肋拍打過程中實際產(chǎn)生的推靠位置和推靠力。

2 導向翼肋作用下模擬井筒應變分析

模擬井筒在測試過程中受到多種載荷(軸向拉力和壓力、扭矩、彎曲力矩、離心力及導向翼肋推靠力等)作用時會產(chǎn)生軸向和環(huán)向應變，同時由于溫度的變化也會使模擬井筒產(chǎn)生應變。下面主要分析測量短接受到Z方向的軸向載荷(包括重力)、導向翼肋推靠力及溫度等變化，對模擬井筒產(chǎn)生的應力與應變。

2.1 軸向載荷應力與應變分析

模擬井筒受到的軸向載荷主要有由自重產(chǎn)生的拉力、由鉆井液產(chǎn)生的浮力和因井口加鉆壓而產(chǎn)生的壓力。當模擬井筒受到軸向載荷作用時，模擬井筒的軸向和環(huán)向各點受到相同的應力作用，所以具有相同的應變。

2.2 溫度變化產(chǎn)生的應變分析

當溫度變化時，模擬井筒受到圍繞Z方向的一對扭矩Ω作用時，模擬井筒的軸向和環(huán)向也具有相同的應變。

2.3 導向翼肋推靠應力與應變分析

當模擬井筒某一位置受到導向翼肋推靠力作用時，模擬井筒的軸向和環(huán)向不同位置將產(chǎn)生不同的應變，應變分布與導向翼肋推靠力的大小和位置有關。

綜上所述，當模擬井筒受到軸向載荷(包括重力)、導向翼肋推靠力及溫度變化等作用時，模擬井筒將產(chǎn)生一定的應變。但是，軸向載荷(包括重力)及溫度變化等對模擬井筒的軸向和環(huán)向具有相同的應變，所以軸向載荷(包括重力)及溫度變化等作用產(chǎn)生的應變可以看作“共模信號”，可以通過應變片的“半橋”或“全橋”信號調(diào)理電路予以消除。而只有導向翼肋推靠力會使模擬井筒的軸向和環(huán)向不同位置產(chǎn)生不同的應變，且應變分布與導向翼肋推靠力的大小和位置有關，所以可以通過在模擬井筒的軸向和環(huán)向不同位置粘貼相應的應變片來測量應變分布，從而確定導向翼肋推靠力的大小和位置。

3 導向翼肋作用下模擬井筒的有限元分析

ANSYS軟件是集結構、流體、電場、磁場及聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，可以對復雜情況下的應力載荷作用下進行分析[5]，通過ANSYS有限元仿真軟件模擬井筒的某一位置受到不同大小的導向翼肋推靠力作用時，導向翼肋推靠力的大小、位置與模擬井筒軸向、環(huán)向應變分布之間關系，為應變傳感器的布局及推靠力大小/位置計算等提供依據(jù)。

對于沿環(huán)向分布的各點和沿軸向分布的各點(圖2、3)，當受到導向翼肋推靠力作用后，各點將同時產(chǎn)生環(huán)向應變和軸向應變，它們的變化分布規(guī)律分別如圖4、5所示。

圖2 沿環(huán)向分布的單元位置

圖3 沿軸向分布的單元位置

圖4 沿環(huán)向各點應變的分布規(guī)律

圖5 沿軸向各點應變的分布規(guī)律

綜合沿環(huán)向分布和軸向分布的各點，在受到導向翼肋推靠力作用后，產(chǎn)生環(huán)向應變和軸向應變變化分布規(guī)律，可以得出以下結論：

a. 最大應變均出現(xiàn)在接觸線上，環(huán)向應變值或軸向應變值最大的位置即為導向翼肋推靠位置。而且，在同樣的導向翼肋推靠力作用下，沿環(huán)向各點的環(huán)向應變比軸向應變靈敏度高。所以，可以通過沿環(huán)向不同位置環(huán)向粘貼相應的應變片，來測量沿環(huán)向不同位置的應變，最大應變的位置即為導向翼肋所作用的位置。

b. 對于軸向分布的各點，最大應變點出現(xiàn)在導向翼肋上、下兩端的作用區(qū)域，距離越遠應變越小，當距離導向翼肋上、下兩端的距離大于100mm時應變已很小，可以忽略。所以，軸向的應變測量最佳位置為距導向翼肋上、下兩端小于100mm作用區(qū)域。

c. 應變大小與導向翼肋所作用推靠力基本呈線性關系，因此可以通過應變片測量某點(應變最大點)應變的大小，可以相對準確地推算導向翼肋所作用推靠力的大小。

這些結論是應變傳感器布局和導向翼肋推靠力的大小/位置計算的依據(jù)。

4 模擬井筒應變傳感器的優(yōu)化布局

應變片選用KFG-2-1K-D16-11 N1M2，靈敏系數(shù)2.13±1.0%，標稱電阻1000±3.5Ω，溫度范圍-196～+150℃，應變柵長度2mm，引出線長度1m，外型尺寸7.2mm×4.5mm。其中，應變柵長度和外型尺寸都選擇得較小，原因是：可以在模擬井筒的環(huán)向(周長方向)布置更多的應變片，從而保證能在所在位置獲得更高的測量分辨率。

下面根據(jù)有限元仿真分析得到的結論，來優(yōu)化模擬井筒應變傳感器的布局。

4.1 應變片粘貼方向的確定

通過有限元仿真分析得到的結論：對于環(huán)向分布和軸向分布的各點，在受到導向翼肋推靠力作用后，環(huán)向應變比軸向應變靈敏度高約兩倍。所以應變片應測量環(huán)向應變，應變柵的敏感方向應與環(huán)向應變一致，即應變柵的敏感方向為環(huán)向(垂直于軸向)，如圖6所示。

圖6 應變片的粘貼方向

4.2 模擬井筒軸向的應變片布局

由有限元仿真分析得到結論：軸向各點應變最大為導向翼肋上、下兩端的作用區(qū)域。當距離導向翼肋上、下兩端大于100mm時應變已很小，可以忽略。對應地，模擬井筒應變片的軸向布局如圖10所示，軸向的應變測量分別選擇導向翼肋上、下兩端的A′和B這兩個位置，因為這兩個位置應變最大，所以在A′和B位置的應變片，可以用來測量由于導向翼肋推靠力的作用而引起的A′和B相應位置的模擬井筒的應變變化，從而推算導向翼肋推靠力的位置和大小。

而A和B′與A′和B的距離分別為120mm(大于100mm)，所以在A和B′位置的應變片幾乎不受導向翼肋推靠力的影響，即導向翼肋推靠力的作用不會引起A和B′位置應變片的應變。而軸向載荷(包括重力)及溫度變化等對模擬井筒的的各位置具有相同的應變，即在A和B′與A′和B位置的應變片都將受到相同的環(huán)向應變。所以軸向載荷(包括重力)及溫度變化等作用產(chǎn)生的應變可以看做是共模信號，可以通過應變片的“半橋”或“全橋”信號調(diào)理電路來消除由于重力、溫度及扭矩等共模信號對測量結果的影響。這里，A和B′主要用于消除這些共模信號。

4.3 模擬井筒環(huán)向的應變片布局

由有限元仿真分析得到結論：對于環(huán)向分布的各點，當受到導向翼肋推靠力作用后，在導向翼肋與管壁接觸線處的環(huán)向應變最大，都為拉應變，然后沿圓周逐漸減小至壓應變，再逐漸增大至拉應變狀態(tài)，但是最后一點的應變值(導向翼肋推靠位置軸對稱的位置)比接觸線處的拉應變小得多。所以，只要在環(huán)向不同位置均勻粘貼相應的應變片，用來測量環(huán)向不同位置的應變，最大應變的位置即為導向翼肋所作用的位置(徑向角度)。

為了保證位置測量的分辨率和應變片安裝的便捷，應變片采用以下方式布局：模擬井筒外壁的周長為72.6cm，將周長進行32等分，每兩等分分別粘貼一片應變片A組(A′用于測量，A用于補償消除共模信號)和B組(B用于測量，B′用于補償消除共模信號)應變片，A組和B組應變片的位置交錯，以增加應變測量的分辨率，相當于在環(huán)向均與地布置32個應變測點。將被測點用鉛筆畫好十字交叉線以便定位，應變片在周向展開的模擬井筒壁的定位如圖7所示。

圖7 應變片在展開的模擬井筒壁的布局

由有限元仿真分析得到結論：模擬井筒某位置的應變大小與導向翼肋所作用的推靠力基本呈線性關系，因此可以通過應變片測量某位置(應變最大點)應變的大小，可以相對準確地推算導向翼肋所作用的推靠力。

5 計算機測控系統(tǒng)

計算機測控系統(tǒng)是整個測試裝置的神經(jīng)中樞，是試驗工作得以開展的前提條件和實現(xiàn)試驗自動化一體操作的核心平臺，主要完成以下工作：

a. 測試過程自動化。通過友好的人機交互，按照預定的測試要求控制整個測試過程，操作員能夠通過監(jiān)控軟件的各個顯示界面，動態(tài)監(jiān)控試驗過程中的一切可能信息，及時了解測試過程的進展情況，保證測試過程自動、平穩(wěn)而又有序地進行。

b. 信號采集。32組應變片的應變信號的實時采集與監(jiān)控。

c. 數(shù)據(jù)處理。對采集得到的32組應變片的應變信號進行濾波、信號對比、計算，得到導向翼肋推靠力的位置和大小，并輸出測試報告。

計算機測控系統(tǒng)采用美國NI公司的虛擬儀器技術[6，7]，主要由兩部分構成：底層硬件選用CompactDAQ以太網(wǎng)模塊化硬件平臺與模塊；上層軟件選用LabVIEW中文版圖形化軟件開發(fā)平臺。

5.1 硬件

計算機測控系統(tǒng)的硬件選用CompactDAQ以太網(wǎng)模塊化硬件平臺及模塊，主要由應變信號測量單元、信號調(diào)理與現(xiàn)場采集單元、信號傳輸單元和監(jiān)控計算機4部分組成。

應變信號測量單元通過模擬井筒不同位置粘貼的應變片，將相應位置的應變變化裝換成應變片電阻的變化，應變信號測量單元由模擬井筒外壁粘貼的32對應變片和相應的引線端子排組成。

信號調(diào)理與現(xiàn)場采集單元將測試短接的32路應變片所產(chǎn)生的應變電阻信號，通過8個應變片專用模塊NI9237(每個4路，采用半橋連接)進行信號調(diào)理并放大，進行24位高精度A/D轉換成數(shù)字信號，最后通過以太網(wǎng)機箱cDAQ-9188將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控計算機，各部分統(tǒng)一安裝在一制柜中，安裝于測試短接附近。

信號傳輸單元是各部分信號聯(lián)系的樞紐，用于各部分之間信號傳輸，其中測試短接與信號調(diào)理及現(xiàn)場采集單元之間的距離較近(1～2m)，但傳輸?shù)氖俏⑷跣盘?，易受外界電磁干擾，因此采用屏蔽電纜，信號調(diào)理及現(xiàn)場采集單元與監(jiān)控計算機之間需要實時傳輸32路信號，具有距離較遠(約100m)且數(shù)據(jù)量大的特點，所以采用一根以太網(wǎng)連接傳輸信號。

監(jiān)控計算機是整個測試裝置的神經(jīng)中樞，用于監(jiān)控整個測試進程，并提供友好的人機交互界面和強大的數(shù)據(jù)分析處理/儲存能力。經(jīng)由以太網(wǎng)接收信號調(diào)理與現(xiàn)場采集單元傳送過來的32路信號，通過導向翼肋拍打所產(chǎn)生的應變分布來分析、計算導向翼肋拍打過程中實際產(chǎn)生的推靠位置和推靠力大小。

5.2 軟件

軟件開發(fā)采用模塊化設計，在系統(tǒng)監(jiān)控、過程操作及系統(tǒng)組態(tài)等方面提供了很好的人機界面，使用Excel電子表格管理試驗數(shù)據(jù)。

計算機測控系統(tǒng)的軟件的主要功能包括：

a. 試驗過程自動化，友好的人機界面。自動控制整個試驗進程，提供友好的人機界面，在監(jiān)控畫面上能動態(tài)顯示試驗過程中的一切可能的信息。軟件主界面和測試界面如圖8、9所示。

b. 自動測量。實現(xiàn)模擬井筒0～360°范圍內(nèi)32路應力與應變的自動精確測量，實時動態(tài)顯示并保存數(shù)據(jù)。

c. 數(shù)據(jù)處理。通過0～360°范圍內(nèi)32路應變的自動測量結果，進行濾波、信號對比和計算，得到導向翼肋推靠力的位置和大小，并輸出測試報告。

圖8 主界面

圖9 測試界面

6 結束語

筆者介紹了一套具有自主知識產(chǎn)權的推靠式旋轉導向鉆井工具導向能力測試系統(tǒng)，專門用于測試推靠式旋轉導向工具的導向能力，為推靠式旋轉導向鉆井系統(tǒng)提供一套導向能力測試設備與測試方法，在不同轉速及井底粘滑等條件下，測量導向機構工作過程中產(chǎn)生的推靠力大小與推靠位置，為導向機構控制系統(tǒng)的設計、控制算法的改進及機械與傳動機構的優(yōu)化等工作提供強有力的技術保障。經(jīng)一年多的試驗運行，各項指標均達到了設計要求，為設計、制造和推廣國產(chǎn)化的推靠式旋轉導向鉆井工具提供了可靠的保證。