一種靜止推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的設(shè)計方案

江　波　李曉軍　程召江　王飛躍

（西部鉆探鉆井工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依　834000）

一種靜止推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的設(shè)計方案

江波李曉軍程召江王飛躍

（西部鉆探鉆井工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依834000）

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)是在鉆柱旋轉(zhuǎn)鉆進時，隨鉆實時完成導(dǎo)向功能的一種先進的鉆井系統(tǒng)。介紹了西部鉆探工程公司自主設(shè)計的靜止推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的設(shè)計方案，采用模塊化的設(shè)計理念將整個系統(tǒng)分為地面監(jiān)控系統(tǒng)、雙向通訊和動力模塊、MWD 模塊和導(dǎo)向短節(jié)4大模塊，各模塊采用獨立封裝結(jié)構(gòu)，用標(biāo)準(zhǔn)化接頭連接，方便檢測、維修和后續(xù)作業(yè)。重點介紹了導(dǎo)向短節(jié)的結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的工作原理。

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)；模塊化；導(dǎo)向短節(jié)；工作原理

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)根據(jù)其作用原理可分為推靠式和指向式兩類，推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具根據(jù)其導(dǎo)向執(zhí)行機構(gòu)是否與上部鉆柱同步旋轉(zhuǎn)，又可分為旋轉(zhuǎn)推靠式和靜止推靠式兩類。若不考慮具體的結(jié)構(gòu)、所處位置，單純從功能特性來劃分，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)可分為地面監(jiān)控系統(tǒng)、動力和通訊系統(tǒng)、井下數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)、導(dǎo)向控制系統(tǒng)和導(dǎo)向執(zhí)行機構(gòu)5大功能系統(tǒng)。但實際情況是5大功能系統(tǒng)并不是彼此獨立的，除了地面監(jiān)控系統(tǒng)之外，其他4大系統(tǒng)之間在空間結(jié)構(gòu)上是彼此交錯滲透的。例如，動力和通訊系統(tǒng)貫穿整個底部鉆具組合，其電源電路和數(shù)據(jù)收發(fā)電路很可能分布在兩段鉆鋌內(nèi)；井下數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)的一部分電路板可能與動力通訊系統(tǒng)的電路板安裝在一起并處在同一段鉆鋌內(nèi)，另一部分電路板很可能與導(dǎo)向控制系統(tǒng)安裝在一起；動力和通訊系統(tǒng)的一部分、導(dǎo)向控制系統(tǒng)、導(dǎo)向執(zhí)行機構(gòu)可能安裝在同一處機械機構(gòu)上。

顯然，將旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)劃分成5大系統(tǒng)的意義僅限于分析和整體設(shè)計，以此來指導(dǎo)具體設(shè)計、加工、安裝和維護旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)是不現(xiàn)實的。因此筆者采用模塊化的方法將旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)進行重新劃分。各模塊是一套封裝起來的獨立的結(jié)構(gòu)，根據(jù)其組成部分和主要作用來命名。文中主要介紹西部鉆探鉆井工程技術(shù)研究院自主設(shè)計的一套靜止推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的組成部分、結(jié)構(gòu)和工作原理。

1　旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的組成部分及管串結(jié)構(gòu)

該套靜止推靠式的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)由地面監(jiān)控系統(tǒng)和井下工具構(gòu)成。井下工具分為導(dǎo)向短節(jié)、MWD模塊、雙向通訊和動力模塊3大模塊，各模塊間通過標(biāo)準(zhǔn)化接頭連接。該標(biāo)準(zhǔn)化接頭包含鉆桿扣和導(dǎo)電裝置，可同時完成各模塊間的連接、密封和電子連接。MWD模塊由無磁鉆鋌和MWD探管構(gòu)成，作用是測量井斜和方位并將測得的數(shù)據(jù)發(fā)送給脈沖發(fā)生器和導(dǎo)向控制系統(tǒng)。雙向通訊和動力模塊主要由無磁鉆鋌、泥漿發(fā)電機、脈沖發(fā)生器、電子倉等構(gòu)成，作用是為井下工具提供電能，完成地面-井下雙向通訊的大部分工作（捕捉地面監(jiān)控系統(tǒng)下傳的指令信號，向地面發(fā)送鉆井液正脈沖信號）。導(dǎo)向短節(jié)是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)在鉆柱旋轉(zhuǎn)的條件下進行定向鉆井時的井下決策和執(zhí)行機構(gòu)，作用是將轉(zhuǎn)盤扭矩傳遞給鉆頭并控制鉆頭側(cè)向切削地層的側(cè)向力大小和方向。導(dǎo)向短節(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工況復(fù)雜，承受的載荷復(fù)雜，其性能和壽命直接決定旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的優(yōu)劣，是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)最核心的部分。導(dǎo)向短節(jié)是一套機—電—液高度一體化的井下工具，包括導(dǎo)向執(zhí)行機構(gòu)、導(dǎo)向控制系統(tǒng)、無接觸傳輸裝置3個分系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)芯軸、不旋轉(zhuǎn)外筒、下接頭等機械結(jié)構(gòu)。導(dǎo)向執(zhí)行機構(gòu)也可以叫作可控偏執(zhí)穩(wěn)定器，翼片可以自由伸縮來推靠井壁。導(dǎo)向控制系統(tǒng)是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)相對獨立的井下分析、決策機構(gòu)，作用是分析、計算井眼軌跡偏差和導(dǎo)向短節(jié)姿態(tài)，并據(jù)此或根據(jù)地面發(fā)送的指令控制導(dǎo)向執(zhí)行機構(gòu)工作。無接觸傳輸裝置的任務(wù)是實現(xiàn)信號和電能在相對旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)芯軸和不旋轉(zhuǎn)外筒間的傳遞。旋轉(zhuǎn)芯軸、不旋轉(zhuǎn)外筒和下接頭等機械結(jié)構(gòu)是導(dǎo)向短節(jié)的承載結(jié)構(gòu)，是導(dǎo)向短節(jié)3個子系統(tǒng)的載體，并傳遞鉆壓和扭矩。

該套旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的井下管串如圖1所示，鉆頭位于井下鉆柱的最底端。鉆頭上部通過鉆桿扣與導(dǎo)向短節(jié)下部相連，導(dǎo)向短節(jié)上部通過標(biāo)準(zhǔn)化接頭與MWD模塊相連。MWD模塊上部通過標(biāo)準(zhǔn)化接頭與扶正器連接，扶正器的上部是與其一體的柔性短節(jié)，柔性短節(jié)的上部也是一個標(biāo)準(zhǔn)化接頭，與雙向通訊和動力模塊連接。柔性短節(jié)和扶正器的作用是傳遞轉(zhuǎn)盤扭矩，降低上部鉆柱剛度對導(dǎo)向短節(jié)性能的影響。雙向通訊和動力模塊通過鉆桿母扣與上部鉆柱底端的公扣相連，上部鉆柱的頂端通過鉆桿扣與方鉆桿相連。地面監(jiān)控系統(tǒng)位于地面。

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的地面監(jiān)控系統(tǒng)、雙向通訊和動力模塊和MWD模塊相對導(dǎo)向短節(jié)來說是國內(nèi)比較成熟的技術(shù)，自主研制開發(fā)的難度也不高，因此重點講述的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的導(dǎo)向短節(jié)。

圖1　旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)

2　導(dǎo)向短節(jié)的結(jié)構(gòu)

如圖2a所示，導(dǎo)向短節(jié)由旋轉(zhuǎn)芯軸、不旋轉(zhuǎn)外筒、導(dǎo)向肋板、下接頭、上TC軸承組、無接觸傳輸裝置、導(dǎo)向控制系統(tǒng)、液壓模塊、下TC軸承組等主要部分構(gòu)成。

圖2　導(dǎo)向短節(jié)及局部放大圖

旋轉(zhuǎn)芯軸、不旋轉(zhuǎn)外筒和下接頭構(gòu)成導(dǎo)向短節(jié)的主體結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)芯軸上端面的標(biāo)準(zhǔn)化接頭連接MWD模塊，下端面通過鉆桿扣與下接頭連接，旋轉(zhuǎn)芯軸的主要作用是實現(xiàn)導(dǎo)向短節(jié)與MWD模塊的機械連接和電子溝通，此外，轉(zhuǎn)盤扭矩也是通過旋轉(zhuǎn)芯軸傳遞給鉆頭的。不旋轉(zhuǎn)外筒套在旋轉(zhuǎn)芯軸的外側(cè)，相對旋轉(zhuǎn)芯軸可旋轉(zhuǎn)，外形結(jié)構(gòu)類似于三翼直棱穩(wěn)定器，不同的是翼片的中間是鏤空的，形成一個有臺階的鏤空槽，主要作用是作為導(dǎo)向控制系統(tǒng)和導(dǎo)向執(zhí)行機構(gòu)的載體。下接頭是一個雙母接頭，有2個鉆桿扣，上部的鉆桿扣與旋轉(zhuǎn)芯軸連接后將不旋轉(zhuǎn)外筒軸向固定，下部鉆桿扣連接鉆頭。

在導(dǎo)向短節(jié)的三大主體結(jié)構(gòu)上安裝有導(dǎo)向執(zhí)行機構(gòu)、導(dǎo)向控制系統(tǒng)、TC軸承組和無接觸傳輸裝置。

導(dǎo)向執(zhí)行機構(gòu)是一套由一系列機械結(jié)構(gòu)和液壓模塊子系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜的機—電—液一體化的系統(tǒng)，包括不旋轉(zhuǎn)外筒、3個液壓模塊、3個導(dǎo)向肋板、6個板簧和板簧限位塊等。如圖2a和2c所示，3個液壓模塊裝入3個周向均勻分布的翼片的鏤空槽內(nèi)。3個導(dǎo)向肋板位于液壓模塊外側(cè)，通過銷軸固定在翼片鏤空槽的上部，恰好蓋住3個鏤空槽，可繞銷軸旋轉(zhuǎn)一定的角度。如圖2b和2c所示，長梯形的板簧位于翼片的鏤空槽內(nèi)的臺階上，處在導(dǎo)向肋板下方，與液壓模塊平行放置（因此在圖2b中去掉液壓模塊才能看見板簧）。板簧下側(cè)較窄的一端被板簧限位塊緊緊壓在翼片鏤空槽內(nèi)的臺階上，上側(cè)較寬的一端通過螺釘與導(dǎo)向肋板固定在一起。每個翼片的鏤空槽內(nèi)裝有2個板簧和2個板簧限位塊，位于液壓模塊的兩側(cè)，位置對稱。液壓模塊的活塞恰好嵌入導(dǎo)向肋板下側(cè)的圓孔內(nèi)。導(dǎo)向肋板是導(dǎo)向短節(jié)直接與井壁接觸的部分，因此其外側(cè)需要鑲嵌一組硬質(zhì)合金塊以提高導(dǎo)向肋板的耐磨能力。

導(dǎo)向控制系統(tǒng)由基體和控制電路構(gòu)成，如圖2a所示，安裝在不旋轉(zhuǎn)外筒和旋轉(zhuǎn)芯軸間的環(huán)空內(nèi)中部偏上的位置，與旋轉(zhuǎn)芯軸間有一定的間隙，通過密封系統(tǒng)和限位裝置緊貼在不旋轉(zhuǎn)外筒的內(nèi)壁，旋轉(zhuǎn)芯軸轉(zhuǎn)動時導(dǎo)向控制系統(tǒng)和不旋轉(zhuǎn)外筒相對旋轉(zhuǎn)芯軸靜止。導(dǎo)向控制系統(tǒng)下部有3個周向均勻分布的導(dǎo)電插槽和螺紋孔，螺紋孔的作用是將液壓模塊的上部與導(dǎo)向控制系統(tǒng)連接起來，導(dǎo)電插槽的作用是連通液壓模塊和導(dǎo)向控制系統(tǒng)的供電和通訊線路。

TC軸承組共有上下兩組，每組由內(nèi)TC軸承和外TC軸承構(gòu)成一對摩擦副，內(nèi)外TC軸承可相對轉(zhuǎn)動。如圖2a所示，上TC軸承組安裝在不旋轉(zhuǎn)外筒上端面和旋轉(zhuǎn)芯軸臺階面之間，下TC軸承組安裝在不旋轉(zhuǎn)外筒下端面和下接頭臺階面之間。兩組TC軸承共同作用，降低旋轉(zhuǎn)芯軸和下接頭相對不旋轉(zhuǎn)外筒旋轉(zhuǎn)時端面和內(nèi)外徑向的摩擦力，提高導(dǎo)向短節(jié)的耐磨能力，使旋轉(zhuǎn)芯軸居中。

無接觸傳輸裝置由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，定子固定在不旋轉(zhuǎn)外筒內(nèi)壁，位于導(dǎo)向控制系統(tǒng)上部。轉(zhuǎn)子固定在旋轉(zhuǎn)芯軸外壁。無接觸傳輸裝置的定轉(zhuǎn)子間有一定的間隙，旋轉(zhuǎn)芯軸帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，不旋轉(zhuǎn)外筒上的定子相對靜止。無接觸傳輸裝置的作用是完成旋轉(zhuǎn)芯軸和導(dǎo)向控制系統(tǒng)在相對旋轉(zhuǎn)條件下的電能和信號傳輸。

3　旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的工作原理

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)工作時，轉(zhuǎn)盤驅(qū)動方鉆桿旋轉(zhuǎn)帶動井下的上部鉆柱、雙向通訊和動力模塊、帶柔性短節(jié)的扶正器、MWD模塊、導(dǎo)向短節(jié)的旋轉(zhuǎn)心軸和下接頭旋轉(zhuǎn)，最終驅(qū)動鉆頭旋轉(zhuǎn)破碎巖石。

該套旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)有2種閉環(huán)控制方式，分別稱作小閉環(huán)控制和大閉環(huán)控制。小閉環(huán)控制即井下閉環(huán)控制，導(dǎo)向短節(jié)內(nèi)的導(dǎo)向控制系統(tǒng)綜合分析自身測得的近鉆頭井斜、導(dǎo)向執(zhí)行機構(gòu)的高邊方向和接收自MWD探管發(fā)來的井眼方位數(shù)據(jù)，計算井眼軌跡發(fā)生的偏差，并據(jù)此控制導(dǎo)向執(zhí)行機構(gòu)進行導(dǎo)向作業(yè)。大閉環(huán)控制指的是地面人工干預(yù)下的閉環(huán)控制，地面監(jiān)控系統(tǒng)收到井下MWD模塊和導(dǎo)向控制系統(tǒng)通過雙向通訊和動力模塊中的脈沖發(fā)生器發(fā)送的井眼軌跡數(shù)據(jù)和導(dǎo)向短節(jié)姿態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)過解碼分析后判斷井下工況。地面人員制定相應(yīng)的指令，編碼后通過信號下傳裝置向井下發(fā)送。雙向通訊&動力模塊捕捉到下傳指令后，將其發(fā)送給導(dǎo)向控制系統(tǒng)，導(dǎo)向控制系統(tǒng)根據(jù)地面指令控制導(dǎo)向執(zhí)行機構(gòu)進行導(dǎo)向作業(yè)。

導(dǎo)向控制系統(tǒng)可直接控制的是導(dǎo)向執(zhí)行機構(gòu)的液壓模塊。液壓模塊是一套獨立于鉆柱內(nèi)壓力和環(huán)空壓力的液壓體系，內(nèi)部設(shè)有電機、液壓泵、閥門組、傳感器、壓力補償系統(tǒng)、工作液缸等設(shè)備和結(jié)構(gòu)。導(dǎo)向控制系統(tǒng)的控制電路直接操控液壓模塊的電機帶動液壓泵將液壓油打入工作液缸，工作液缸內(nèi)的閥門組使液壓油產(chǎn)生一定的壓力，帶壓液壓油推動液壓模塊活塞伸出。

導(dǎo)向控制系統(tǒng)可根據(jù)實際情況控制3個周向均勻分布的液壓模塊活塞以不同的液壓力伸出，推動3個周向均勻分布的導(dǎo)向肋板克服板簧的阻力后繞銷軸旋轉(zhuǎn)。導(dǎo)向肋板的下側(cè)從翼片的鏤空槽內(nèi)伸出并以不同的推靠力靠向井壁，在摩擦力的作用下不旋轉(zhuǎn)外筒將不隨旋轉(zhuǎn)芯軸旋轉(zhuǎn)。同時井壁產(chǎn)生的3個反作用力的合力可形成任意大小和方向的導(dǎo)向力，推靠鉆頭側(cè)向切削井壁地層，進而完成導(dǎo)向作業(yè)。

當(dāng)不需要導(dǎo)向作業(yè)時，導(dǎo)向控制系統(tǒng)控制液壓模塊停止工作，此時板簧和板簧限位塊產(chǎn)生的杠桿力回收導(dǎo)向肋板，導(dǎo)向肋板將液壓模塊活塞壓回初始位置。

實際上該套旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)有3種工作模式：導(dǎo)向模式、保持模式和待命模式。導(dǎo)向模式的導(dǎo)向力合力方向相當(dāng)于彎接頭馬達的工具面方向，合力的大小決定狗腿度的大小。保持模式指的是在達到目標(biāo)井斜后，導(dǎo)向力合力的作用由造斜變?yōu)楸３帜繕?biāo)井斜，防止軌跡偏移。待命模式指的是導(dǎo)向肋板和液壓模塊活塞全部收回，適用于活動鉆具、起下鉆、劃眼和側(cè)鉆等工況。

4　結(jié)論

（1）文中論述的靜止推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計方法，各模塊的接口標(biāo)準(zhǔn)化，方便檢測、維修，方便后續(xù)掛載測井、井下安全等。

（2）提出一種導(dǎo)向短節(jié)的結(jié)構(gòu)，將導(dǎo)向控制系統(tǒng)、導(dǎo)向執(zhí)行機構(gòu)和無接觸傳輸裝置3個子系統(tǒng)合理布局在旋轉(zhuǎn)芯軸、不旋轉(zhuǎn)外筒和下接頭等承載結(jié)構(gòu)上，關(guān)鍵部位做抗磨處理，提高導(dǎo)向短節(jié)的使用壽命。

（3）旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)有2種控制方式和3種工作模式，都是通過導(dǎo)向控制系統(tǒng)控制導(dǎo)向執(zhí)行機構(gòu)3個液壓模塊液壓力的大小來調(diào)整導(dǎo)向力合力的大小和方向?qū)崿F(xiàn)的，當(dāng)液壓模塊停止工作后，導(dǎo)向肋板的回收是通過板簧的回彈來實現(xiàn)的。

［1］狄勤峰，張紹槐.一種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具設(shè)計方案及其旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向功能的實現(xiàn)［J］.石油鉆采工藝，1998，20（3）：15-19.

［2］艾才云，穆總結(jié)，宋朝暉，等.?311mm垂直鉆井系統(tǒng)的工作原理與現(xiàn)場應(yīng)用［J］.鉆采工藝，2010，33（3）：40-42.

［3］AI Caiyun, MU Zongjie, et al. ?311 automatic vertical drilling system［R］. CNPC International Wellbore Technology Seminar, 2010:100-105.

［4］杜建生，劉寶林，夏柏如.靜態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)三支撐掌偏置機構(gòu)控制方案［J］.石油鉆采工藝，2008，30（6）：5-10.

（修改稿收到日期2015-05-04）

〔編輯薛改珍〕

Design scheme of a static push-the-bit rotary steering drilling system

JIANG Bo, LI Xiaojun, CHENG Zhaojiang, WANG Feiyue
（Drilling Engineering and Technology Research Institute, Xibu Drilling Corporation, Karamay 834000, China）

The Drilling Engineering and Technology Research Institute of the Xibu Drilling Engineering Company has started self-development of rotary steering drilling system over years of follow-up study of rotary steering drilling system. This paper mainly presents the design scheme and structure of the static, push-the-bit rotary steering drilling system. The system is of modularized design and is divided into surface monitoring system, two-way communication and power module, MWD module and steering sub, of which the steering sub is the technical difficulty and key point in the rotary steering drilling system and is also the focus of this paper. Based on the proposed design scheme and structure, the paper also explains the working principle of this rotary steering system, provides a viable technical plan for the development of rotary steering system and is of guidance significance to the research of rotary steering system.

rotary steering drilling system; modularized; steering sub; working principle

TE21

A

1000 – 7393（ 2015 ） 03 – 0019 – 04

10.13639/j.odpt.2015.03.005

江波，1984年生。2011年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院油氣井工程，現(xiàn)主要從事井下工具的研制與開發(fā)工作。電話：18699012571。E-mail：paaljiang@qq.com。

引用格式：江波，李曉軍，程召江，等.一種靜止推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的設(shè)計方案［J］.石油鉆采工藝，2015，37（3）：19-22.