（机械电子工程专业论文）井斜实时控制理论与实验研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 本文主要探讨和研究我校与中石油钻井工程技术研究院联合研制开发的自动垂直钻 井工具( a a d d s ) 在井下复杂条件下的井斜实时检测和控制的理论及相关的技术问题，并 结合本校钻井控制实验室的a a d d s 室内原理样机，进行了相应的实验研究，取得了较好 的效果。 论文首先介绍了国内外常见的直井防斜技术及其发展状况，其中重点介绍、分析了代 表直井防斜技术发展方向的井下自动垂直钻井系统，详细叙述了目前国际上比较成熟的具 有代表性的自动垂直钻井工具，包括工具的组成结构，工作原理以及相应的特点；之后详 细介绍了a a d d s 工具的结构特点及其工作原理。论文工作的重点是研究a a d d s 自动垂 直钻井工具在井下随钻工作时对于井斜进行实时检测及控制的方法，该研究的难点是当测 斜传感器，即重力加速度计，在旋转状态下如何提取真实的井斜角，并依据该测量值进行 井斜的实时控制。论文以a a d d s 室内原理样机为对象，通过建立旋转状态下重力加速度 计的动力学模型，分析旋转状态下重力加速度计信号失真的原因，借助信号滤波技术剔除 掉影响传感器输出信号中的转动因素成份，成功提取出“实钻”状态下真实井斜信号。论 文开发了基于l a b v i e w 的计算机井斜实时测控系统，并借助该系统成功实现了对a a d d s 室内原理样机的井斜实时测控的实验研究，取得了0 1 5 0 的“井斜”控制效果。 关键词：井斜自动垂直钻井测量实时控制虚拟仪器 第1 i 页 武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t mt h i sp a p e r , i tw a se x p l o r e da n ds t u d i e dt h a ti n c l i n a t i o nc o m p l e xr e a l t i m ed e t e c t i o na n d c o n t r o lt h e o r ya n dr e l a t e dt e c h n i c a li s s u e sa b o u ta u t o m a t i cv e r t i c a ld r i l l i n gt o o l ( a a d d s ) ，w h i c hi s d e v e l o p e db yo u rs c h o o la n dt h ei n s t i t u t eo fd r i l l i n ge n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y c o m b i n e dw i t h t h ea a d d si n t e r i o rp r o t o t y p ei nd r i l l i n gc o n t r o ll a b o r a t o r yo fo u rs c h o o l ，i td i ds o m er e l a t e d r e s e a r c ha n da c h i e v e dg o o dr e s u l t s t h i s p a p e rf i r s t l y i n t r o d u c e st h ed o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a lc o m m o nv e r t i c a lw e l l a n t i - d e f l e c t i o nt e c h n o l o g ya n dd e v e l o p m e n t i tf o c u s e di n t r o d u c e sa n da n a l y z e sa u t o m a t i c v e r t i c a ld r i l l i n gs y s t e mo fu n d e r g r o u n dw h i c hr r e p r e s e n t st h e d i r e c t i o no fv e r t i c a lw e l l s a n t i - d e f l e c t i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t a n dd e s c r i b e si nd e t a i l so nt h em o r em a t u r ea n d r e p r e s e n t a t i v eo fa u t o m a t i cv e r t i c a ld r i l l i n gt o o l si nt h ew h o l ew o r l d ，i n c l u d i n gt h es t r u c t u r eo f t h et o o l sa sw e l la sw o r k i n gp r i n c i p l ea n dt h ec o r r e s p o n d i n gc h a r a c t e r i s t i c s t h e nd e s c r i b e di n d e t a i lt h ea a d d st o o l s s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dw o r kp r i n c i p l e t h ep a p e rf o c u so n s t u d y i n gt h ea u t o m a t i cv e r t i c a ld r i l l i n gt o o la a d d sd e v i a t i o nd e t e c t i o na n dr e a l t i m ec o n t r o l m e t h o di nt h eu n d e r g r o u n d t h ed i f f i c u l t yo ft h es t u d yi sh o wt h ei n c l i n o m e t e rs e n s o r ( t h e g r a v i t ym e t e r ) e x t r a c tr e a ld e v i a t i o na n g l ei nt h er o t a t i n gs t a t ea n dr e a l - t i m ec o n t r o ld e v i a t i o n b a s e do nt h em e a s u r e dv a l u e t h e s i st a r g e t e da a d d si n d o o rp r o t o t y p e ，e s t a b l i s h i n gt h e d y n a m i cm o d e lo fg r a v i t ym e t e ri nt h er o t a t i n gs t a t e ，a n da n a l y z i n gt h er e a s o no fg r a v i t y a c c e l e r o m e t e rs i g n a ld i s t o r t i o ni nt h er o t a t i n gs t a t e w i t ht h es i g n a lf i l t e r ，w e e do u tt h er o t a t i o n a l c o m p o n e n tf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h es e n s o ro u t p u t t h er e a ld e v i a t i o ns i g n a lu n d e rt h e ”r e a l d r i l l i n g ”s t a t u si ss u c c e s s f u l l ye x t r a c t e d t h i st a p e rd e v e l o p e dar e a l t i m em e a s u r e m e n ta n d c o n t r o li n c l i n a t i o ns y s t e mb a s e do nl a b v i e w t h r o u g ht h i ss y s t e m , w er e a l i z e da a d d si n d o o r i n c l i n a t i o np r o t o t y p ee x p e r i m e n t a ls t u d yo fr e a l - t i m em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l ，a n da c h i e v e d c o n t r o le f f e c tw h i c ht h ed e v i a t i o ni sn om o r et h a n0 15o k e yw o r d s ：w e l li n c l i n a t i o n ；a u t o m a t i cv e r t i c a ld r i l l i n g ；m e a s u r e m e n t ；r e a l - t i m ec o n t r o l ；v i r t u a l i n s t r u m e n t s 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 本课题研究的意义 石油又称原油，主要是各种烷烃、环烷烃、芳香烃的混合物。它是古代海洋或湖泊中 的生物经过漫长的演化形成的混合物，与煤一样属于化石燃料。今天9 0 的运输能量是依 靠石油获得的。石油运输方便、能量密度高，因此是最重要的运输驱动能源。此外它是许 多工业化学产品的原料，因此它是目前世界上最重要的商品之一【l 】。 我国石油资源集中分布在渤海湾、松辽、塔里木、鄂尔多斯、准噶尔、珠江口、柴达 木和东海陆架八大盆地，其可采资源量1 7 2 亿吨，占全国的8 1 1 3 ，从资源深度分布看， 我国石油可采资源有8 0 集中分布在浅层( 4 5 0 0 米) 分布较少。 钻井工程在油气田开发中，有着十分重要的地位，在建设一个油气田中，钻井工程往 往要占总投资的5 0 以上。一个油气田的开发，往往要打几百口甚至几千口或更多的井。 对用于开采、观察和控制等不同目的的井( 如生产井、注入井、观察井以及专为检查水洗 油效果的检查井等) 有不同的技术要求。改进钻井技术和管理，提高钻井速度，是降低钻 井成本的关键【引。 在石油钻井过程中，井斜是一个普遍现象，控制井斜对于保证钻井质量和钻井速度， 提高油气资源勘探效率具有重要意义。目前常用的常规直井防斜技术有偏轴钻具组合防斜 打快技术，偏心“刚柔”钻具组合防斜打快技术，钟摆和反钟摆钻具组合防斜打快技术， 预弯曲动力学防斜打快技术等，但这些常规的井斜控制技术普遍存在着钻速慢、效率低以 及井斜控制精度不高等问趔引。 目前国内外公认的解决导向防斜、纠斜技术的最有效的一种方法是带有井下闭环控制 系统的自动垂直钻井工具。与常规的被动纠斜方式相比，自动垂直钻井工具属于主动纠斜 方式，它能在井下随钻主动检测井斜的大小和方向，并通过改变钻头姿态实现井斜的自动 控制。西方发达国家在上个世纪8 0 年代就开展自动垂直钻井技术( 即v d s ) 及相应钻井工 具的研究，并已开发出了几种类型的系列产品【4 1 。我国在这一领域的起步较晚，但近年来 也引起了相关部门的高度重视，并把“自动垂直钻井技术”列入了国家8 6 3 在资源环境领 域的一个重点项目，本论文所开展的研究就属于该项目的一个组成部分。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外自动垂直钻井技术研究现状 国外关于自动垂直钻井技术的研究起于1 9 8 8 年的德国大陆科探井的钻探( k t b ) 计划， 垂直钻井系统( v d s ) 的成功研制为k t b 计划的顺利实施起到了重要的作用【5 】。鉴于这种技 术在油气资源勘探巨大应用潜力，相继有更多国家开展了对该项技术的商业应用研发。随 着各种自动垂直钻井工具不断推出和成功应用，人们又开始将这类技术用于自动导( 定) 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 向钻井，导向钻井工具的结构虽然较垂直钻井工具复杂，但控制原理是相似的。同时自动 导向钻井技术在与地质导向技术相结合，又开发出了各种类型的地质导向自动钻井工具， 使石油钻探技术发展到一个新的阶段。 自动垂直钻井技术是自动定向钻井技术应用的一个方面，而地质导向钻井又是导向钻 井未来的发展方向 6 】。国外在自动垂直钻井与自动定向钻井方面的研究已经有了相当的规 模，获得商业应用的有以下六种系统： 1 ) v d s ( v e r t i c a ld r i l l i n gs y s t e m ) 嘲垂直钻井系统：1 9 8 8 年，美匡 b a k e rh u g h e si n t l 公 司研制了v d s 系统，成功地解决了德国大陆科探井( k t b ) 钻井过程中井斜难以控制和不起 钻更换井底钻具组合就能改变井斜和方位的问题。至1 j 1 9 9 2 年已开发出第五代样机。 2 ) s d d ( s t r a i g h t h o l ed r i l l i n gd e v i c e ) 直井钻井装置：由意大利埃尼集团阿吉普石油公 司( e n i - a g i p ) 投资、由b a k e rh u g h e sh n e q 公司在v d s 系统的基础上开发研制。在s d d 系统中，对v d s 的液压和电子模块进行了大量改进，能够自动把井眼钻直，不须地面人工干 预。 3 ) r c l s ( r o t a r yc l o s e dl o o ps y s t e m ) 【9 n 】旋转闭环系统：1 9 9 3 年，a g i p 公司与b a k e r h u g h e si n t e q 公司合作，经过3 年的研制，于1 9 9 6 年在41 2 1 井中试验获得了成功。1 9 9 7 年， r c l s 系统注册为a u t ot r a k ，正式推向市场。在2 0 世纪末又发展成为自动井斜控制的旋转 闭环系统( v e r t it r a k ) 1 2 】。 4 ) a d d ( a u t o m a t i c a ld i r e c t i o n a ld r i l l i n g ) 1 3 】自动定向钻井：1 9 9 1 年由美国能源部资 助研制，是一种能够精确地沿着预存储在井下微处理器中的设计轨迹平滑钻进，实现井下 自动控制的钻井系统。 5 ) a g s 1 4 】和g e o p i l o t 1 5 】又称( r s t ) 旋转导向自动钻井系统：1 9 8 9 年日本国家石油公 司( j n o c ) 开始研究动态遥控定向系统( r c d o s ) ，1 9 9 3 年美国s p e r r y - s u n 公司研制出 a g s ，1 9 9 9 年这两个公司合作以h a l l i b u r t o n 公司的名义推出g e op i l o t 旋转导向钻井系统。 6 ) s r d ( s t e e r a b l er o t a r yd r i l l i n g ) 1 6 】全旋转导向钻井：1 9 9 4 年英国c a m e o 公司在英 格兰m o n t r o s e 地区进行现场井下试验获得成功。1 9 9 9 年5 月，c a m e o 公司与s c h l u m b e r g e r 公司的a n a d r i l l 公司合并，其s r d 系统注册为p o w e r d r i v e ，推出了p o w e rv i l 7 】钻井工具。 目前国际上投入商业应用的自动垂直钻井系统主要有三种：b a k e rh u g h e s 公司的v e r t i t r a k 不旋转套筒滑动导向垂直钻井系统、s c h l u m b e r g e r 的p o w e rv 全旋转导向垂直钻井系 统及德国s m a r td r i l l i n g 的z b e 垂直钻井系统。这三种系统在我国都有应用，并取得了良 好的效果。 1 2 2 国内垂直钻井系统研究现状 国内一些相关的科研单位和高校进行了自动垂直钻井系统的相关研究，如中国石油勘 探开发研究院苏义脑院士牵头公关，于上世纪9 0 年代开展了自动垂直钻井技术的研 究【l 引，并提出了“井下控制工程 的概念，后于2 0 0 3 年与武汉科技大学合作开展自动垂 直钻井工具a a d d s ( a u t oa n t i d e v i a t i o nd r i l l i n gs y s t e m ) 的研发，并成功研制了a a d d s 1 型自动垂直钻井工具原理样机。 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 1 9 9 3 年西安石油学院傅鑫生的科研组开始研究“井下闭环旋转导向智能钻井”技术； 1 9 9 5 1 9 9 7 年傅鑫生与张绍槐获国家自然科学基金资助，进行“井眼轨迹制导智能钻井的 实验与理论研究”；1 9 9 6 年起承担了中国石油天然气集团公司“九五”攻关项目：“可控偏心 器”原理样机的研制工作。1 9 9 7 年，中海石油研究中心牵头国家8 6 3 项目“海底大位移井钻 井技术”，与渤海石油公司、西安石油学院三家合作，共同研究开发了用于二维井眼轨迹控 制的“井下闭环可变径稳定器”样机。2 0 0 1 年，中石化胜利油田钻井院与西安石油大学合作 承担了国家8 6 3 课题：“旋转导向钻井系统整体方案设计及关键技术研究”。同年，在中海 石油研究中心牵头的国家8 6 3 课题：“可控( 闭环) 三维轨迹钻井技术”研究中，西安石油 学院承担了“旋转导向工具技术研究”项目，于2 0 0 5 年1 1 月1 8 日完成了海上下井试验，2 0 0 6 年1 月5 日通过国家8 6 3 计划项目验收。2 0 0 8 年9 月由胜利油田钻井院牵头、联合北京普 利门公司和中国石油大学共同研发的“捷联式自动垂直钻井工具”在坨1 8 1 井进行现场试 验，获得成功【吲。 中国地质大学( 武汉) 姚爱国等在地质垂直钻井方面也有所研究，他们在中国地质调 查局基金项目和湖北省自然科学基金项目资助下进行“微机自动控向垂钻系统的研究”和 “微机自动控向垂钻过程智能检测与控制的方法研究”，并研制了相应的垂钻样机【2 0 】。 1 3 论文工作的主要内容 1 3 1 论文工作的主要难点 本论文工作的主要内容是关于a a d d s 钻具实钻时井斜的实时测量和自动控制问题， 其主要难点是如何从安装在所研制的a a d d s 自动垂直钻具浮动活套( 该活套可能随钻杆 发生不确定的旋转) 上的重力加速度计的输出信号中提取传感器测量轴真实的倾角信号并 依据该测量值进行井斜的实时控制。 由于利用重力加速度计进行的井斜测量通常属于静态测量，即要求传感器本身须处于 静止状态( 现有各类自动垂直钻井工具的井斜实时检测都遵循这一原则) ，但由于a a d d s 钻具特殊的纠斜动力提取方法及控制元件的驱动方式，使得该钻具的浮动活套较容易发生 转动，因而也就不能保证重力加速度计静态测斜的条件。 因此要实现井斜的实时控制，井斜的实时检测，即从旋转的传感器中准确的测量、分 离真实信号就是一个关键。为了解决这一难题，必须了解测斜传感器，即所采用的重力加 速度计的工作原理，建立合理的动力学模型，进而了解所产生的各种信号的原因，以及它 们的特性，从中找出分离这些信号的有效途径，提取有用信号，计算出井斜角和重力工具 面角，再根据所得到井斜角和重力工具面角，用合理的方法进行有效的纠斜控制。 1 3 2 论文内容安排 第一章主要介绍国内外垂直钻井的发展情况。 第二章介绍直井的各种防斜打快技术，并详细介绍有关自动垂直钻井工具的机械结构 及工作原理。 第三章论述当重力加速度传感器处于旋转状态时，利用其输出信号进行井斜实时测量 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 的理论和方法，以及对传感器信号的通过滤波处理获取真实信号的方法和利用垂钻工具进 行实时纠斜的方法。 第四章介绍a a d d s 室内样机计算机测控系统以及所研制的基于l a b v i e w 的相应的测 控软件。 第五章对导向套转动情况下的纠斜控制进行实验研究，对实验数据进行简要分析。 第六章总结论文所做的工作，并对一些不足和有待改进之处提出了自己的观点。 本论文所开展的研究工作得到了国家自然科学基金项目“液控导向的自动垂直钻井工 具的理论与技术( n o 5 0 5 7 4 0 7 0 ) ”、国家8 6 3 重大专项“自动垂直钻井技术( 2 0 0 6 a a 0 6 a 1 0 2 ) ” 和湖北省自然科学基金项目“垂直钻井的井下机电液系统闭环控制理论与技术研究 ( 2 0 0 4 a b a 0 0 2 ) ”的资助。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 第二章直井防斜技术及自动垂直钻井系统 2 1 直井防斜技术 直井防斜技术的研究已有8 0 年的历史，对防斜打直起到了重要作用。然而，传统的防斜 技术多采用“轻压吊打。以牺牲钻井速度为代价。近年来发展起来的偏心钻具、偏轴钻 具、柔性钻具等钻具组合，虽然有了明显的改进，但是对于高陡构造以及造斜能力强的地层， 其井斜控制效果往往仍难以保证。呈现这种局面不是偶然的，钻具组合的内在力学性质决 定了目前的防斜技术是有局限性的。现代防斜技术的核心是解决提高井身质量和钻井速度 之间的矛盾，必须突破传统观念的束缚，积极探索新的防斜技术，实现优质与高效的统一。 2 1 1 常规防斜纠斜技术 1 满眼组合 满眼钻具一般是由几个外径与钻头直径相近的稳定器及一些外径较大的钻铤构成。其 防斜原理有二：一是由于满眼钻具比光钻铤的刚度大，并能填满井眼，在大钻压下不易弯 曲，保持钻具在井内居中，减小钻头的偏斜角，从而减小和限制因钻柱弯曲产生的增斜力； 二是在地层横向力的作用下，稳定器能支撑在井壁上，限制钻头的横向移动，同时能在钻 头处产生一个抵抗地层力的纠斜力。为了发挥满眼钻具的防斜作用，钻具上至少要有三个 稳定器，除靠近钻头有一个稳定器外，其上面还应再安放两个稳定器，保持有三点接触井 壁，通过三点直线性来保持井眼的直线性和限制钻头的横向移动。 满眼钻具由于具有刚度大和填满井眼两个特点，在直井中当地层横向力不大时，能保 持直眼钻进，在钻遇增斜或减斜地层时，也能有力地控制井斜变化率，使井斜不致过快地 增大或减小，不会形成狗腿、键槽等影响井身质量的隐患。该方法能较有效地减小底部钻 具弯曲引起的井斜，但没有纠斜能力，因此，只适用于地层造斜趋势不很强的地层。其工 具主要有满眼钻具、方钻铤、椭圆钻铤等【2 1 1 。 2 钟摆钻具组合 钟摆钻具是石油钻井中常使用的一种防斜组合钻具。它是由钻铤和按计算而设置 一定间隔的两个到三个扶正器所组成。在己产生了井斜的井眼罩钻井时，第二个成为 一个支靠点。支靠点以下倾斜钻具的重量有一个水平分力，是一个使钻具向铅垂方向 回落的推力，像钟摆作用，称做钟摆力。钟摆力促使井斜减小，是对抗增斜力的一个纠 斜力。使用钟摆钻具纠斜的方法称钟摆钻井技术。钟摆钻井技术在已产生了井斜的钻 井中，可以起到有效地减斜作用。钟摆钻井技术的关键是确定扶正器高度和控制钻压 【2 2 】 o 3 偏轴钻具组合防斜打快技术 当施加较大钻压时，偏轴钻具组合因其中安装有偏轴接头，导致在偏轴接头处产生一 弯矩作用，从而使钻具组合产生弯曲变形。转盘带动钻柱使偏轴钻具组合产生公转即弓形 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 回旋，一方面因其陀螺效应，具有稳斜作用而不易增加井斜；另一方面，因钻头均匀切削 井壁四周，克服了常规钟摆钻具川钻头朝向上井壁带来的增斜效果。再者，由于钻柱变形 使上切点值高于常规钟摆钻具从而又产生降斜分量，从而在一定程度上可抵消一部分井 斜【3 1 。 4 偏心“刚柔”钻具组合防斜打快技术 研究表明，“刚柔”钻具组合可在一定程度上防止井斜和提高钻井效率，但是缺少 “动力学效应 ，当在高陡构造等易斜地层中进行垂直钻井时，往往达不到理想的防斜 打快效果。故在“刚柔 钻具组合的基础卜，通过偏心控制设计，安放偏心控制器，形 成了偏心“刚柔 钻具组合，其基本形式为钻头“刚性 钻挺偏心控制器十“柔性” 钻挺或加重钻杆全尺寸稳定器普通钻挺。一般有如下规律在钻压相同及井斜角不变的情况 下，随着钻具组合柔度的增加，下稳定器处的弯矩在减小，降斜力在增加。理论分析和现 场实践表明，偏心“刚柔 钻具组合既保持了“刚柔 钻具组合的所有优点又增加了 动力学效应，是一种比较理想的防斜打快新技术，已经展现了良好的应用前景。 5 导向钻具防斜打快技术 随着导向钻具在水平井和更多的定向井上的成功应用，将这一技术应用于直井，可以 做到开转盘钻直井稳斜和定向纠斜。导向钻具是带有单弯或双弯壳体及稳定器的井下动力 钻具组合。当转盘转速较小时，钻头的实际转速为螺杆钻具输出转速与转盘转速之和，这 时可钻出稳斜井段一旦发生井斜需要纠斜时，可以定向方式进行作业。由于导向钻进时钻 头转速高于转盘转速，因而钻进速度较快同时因螺杆钻具一般加钻压较小，地层力相对 较小而不致引起过大井斜。据相关资料介绍，该技术在国外比较普遍，国内有所应用，并 得到了预期的技术效果。 6 反钟摆钻具组合防斜打快技术 偏轴钻具因其机理所限，主要是一种稳斜工具，降斜特性是第二位的，另外它要达到 预期变形要求有足够的变形空间，因此在小井眼中其防斜特性大大下降。在这样一种技术 需求下，反钟摆钻具组合防斜技术应运而生，它一方面表现出足够强的降斜能力，另一方 面在小井眼中应用仍有很好的降斜效果。其基本原理是通过合理设计钻具组合的刚度，使 钻具组合第一稳定器与上井壁接触，从而把钻压变为有利于降斜的因素，把钻直和钻快 统一起来。它具有以下特点：第一稳定器抵上井壁第一跨挠度向上钻压产生降斜力，钻压 越大，降斜力越大钻头倾角向下有助于降斜。 2 1 2 自动垂直钻井技术 在导向钻井技术基础上发展起来的自动垂直钻井技术实现了在防斜的同时兼顾打快 的要求i 嵋j 。 目前，国外已投入商业运行的自动垂直钻井系统主要有三种，分别是美国斯伦贝谢公 司的p o w e rv 系统、美国贝克休斯公司的v e r t i t r a k 系统以及德国智能钻井公司的z b e 系统 p j 。我国塔里木油田已经全面引进了这三种先进的钻井系统，并在施工中取得了非常好的 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 效果。以下对这三种工具做一简要介绍。 1 p o w e r v p o w e rv 是一种全自动化、全旋转的闭环导向垂直钻井系统，其主要构成是电子控制 部分和机械执行装置两大部分【4 】。电子控制部分是p o w e r v 的控制中枢，内部有钻井液驱动 的发电机( 为电控部分供电) 、陀螺仪及多种传感器，它由一个控制轴带动，既可以跟随 钻铤一起转动，也可以脱离钻铤而保持静止状态。机械执行装置的上端与电子控制系统连 接，下端与钻头连接，主要包括一个钻井液导流阀和三个呈铰链状开启、闭合的导向巴掌 睁j 。导流阀由上盘阀和下盘阀组成( 图2 1 a ) ：上盘阀固定在电子控制部分的底端，控制部 分稳定平台起到控制上盘阀转角的作用：下盘阀则固定在机械执行装置的内部，并跟着钻 柱一起旋转，上盘阀上均匀分布的三个液压孔分别将钻井液引入三个导向巴掌的密闭容腔 旧j 。当测到井斜时，控制部分会带动上盘阀转动到井眼高边位置。此时，转动着的下盘阀 上的液压孔就会逐一连通上盘阀上的弧形高压孔，高压钻井液通过导流阀进入液压腔( 图 2 i b ) ，推动导向巴掌开启，拍打井壁，以产生导向作用( 图2 1 e ) 。钻柱每旋转一周，三 个导向巴掌在井壁的同一方位角处分别开启一次。 图2 1p o w e rv 纠斜控制机构 p o w e r v 是一套“全自动化旋转导向垂直钻进工具，在钻进时会自动追踪地心引力 ( 自动感应井斜) ，自动设定和调整工具侧向力，使井眼轨迹快速返回垂直状态。这是一个 全自动重复的过程，在高陡构造地层钻进中，有效的解决了防斜和加大钻压之间的矛盾， 可大幅度的提高钻井速度【2 4 1 。 p o w e r v 系统的组成：主要有三部分组成：控制器( c u ) ，偏置系统( b u ) ，加长短节 ( e s ) ( 1 ) 控制器( c u ) 工作原理 控制器( c u ) 是p o w e r v 的大脑，指挥中枢，开泵后，发电机发电，测量系统测量出 井底的井斜角和方位角，然后按照地面工程师的要求把其内部的电子控制部分固定在某一 个方位上( 即高边工具面角) ，从而实现无论钻柱如何旋转，控制器内部的控制轴始终对准 在需要的方位上。 如果需要调整控制轴的方位角，可以由地面工程师给控制器发送命令，方法是：按 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 照一定的时间编排方式，在不同的时间开不同的工作排量，控制器内部的传感器探测到这 个排量的变化后，由其内部的程序对其进行核对，如果与预先设定的某个指令吻合，就开 始执行这个新的工作指令。 ( 2 ) 偏置系统( b u ) ：一个纯机械执行装置，下接钻头，上接控制器，主要由三个 伸缩块和一个钻井液导流阀组成。伸缩块的伸缩由钻井液导流阀控制。 ( 3 ) 加长短节( e s ) ：加长短节内部装有一个钻井液滤网，主要目的是为了让进入推 力块的钻井液保持清洁。 ( 4 ) p o w e r v 的降斜指令 p o w e r v 设置了8 1 个控制指令，其中有5 个指令是1 8 0 。工具面的降斜指令，分别为 2 0 、4 0 、6 0 、8 0 、1 0 0 高边“拍击 。 所谓2 0 高边“拍击 即指钻柱旋转过程中，巴掌有2 0 的时间伸出拍击高边产生 降斜力。 p o w e r v 指令的发送是通过泵压的脉冲来实现的，脉冲有一定的高度和宽度要求，即 在规定的时间内必须完成排量的转换( 泵压的变化) ，实现不同降斜指令的转换。 2 v e r t i 眦 v e r t it r a k 系统是贝克休斯公司最先进的垂直钻井系统，是国际上最早研制成功的垂直 钻井系统，它的前身是用于德国大陆科探井( k t b u l t r ad e e ps c i e n t i f i cw e l l b o r e ) 上 的v d s ( v e r t i c a ld r i l l i n gs y s t e m ) 系统。结合k t b 工程，于1 9 9 0 年首次提出了垂直钻井系 统的概念并投入研究。在德国这口总深超过9 0 0 0m 的直井中，v d s 垂直钻井系统经过数百 次的试验与改进，最后完成了长7 2 0 0m 的垂直井段的钻井任务。在此基础上迅速发展成为 具有独特优点的井眼轨迹自动导向系统，也是国际上冠以闭环钻井系统概念的旋转导向钻 井工具，即现在广泛使用的用于定向井、水平井的a u t o t r a c k 2 4 1 。 v e r t i t r a k 系统的主要组成部分是m w d 系统、导向装置和一个特殊的井下马达【8 】，如 图2 2 a 所示。m w d 系统用来完成井下、地面间的信号传递。导向装置主要靠三个周向均 匀分布的可伸缩导向块工作( 图2 2 b ) ，每个导向块可传递最高3 0 k n 的输出力。导向装 置是井下马达的集成部分，安装在近钻头导向套上。v e r t i t r a k 系统是在钻柱不旋转的情 况下进行导向控制的，也就是说整个系统是一边向下滑动一边进行纠斜的【9 d 1 1 。井眼垂直 时，三个导向块都完全缩回，或完全伸出( 但推力相同) 使导向装置随钻具滑动前进；钻 井发生井斜时，三个导向块均伸出顶向井壁，液压控制系统会将合适的纠斜力传递到相应 的导向块上，纠斜力的大小通过液压控制阀来调节( 也可伸出1 以个相应的导向块顶向井 壁) 。由力的合成原理可知：调节相应导向块的输出力的大小，既可以调节导向合力的大 小，也可以改变导向合力的方向( 图2 2 e ) ，因此该钻井系统可以进行导向合力的连续控 $ , j t , 2 1 。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 潞耗麓电机 液压装置 伸缩块 娜蚋喇- j 弋夕鼍 t 、k i ( a ) 【b ) ( c ) 图2 2v t k 系统结构 v e r t i t r a k 系统最大降斜能力可以达到1 5 。3 0 m 。通过选择欠尺寸稳定器在钻具组合 中的位置及稳定器外径的大小，可以对预期降斜率在( o 8 - 1 5 ) 。3 0 m 之间进行设定。 在钻进时通过调整钻压、排量等技术参数也可以对降斜率做适当的微调。v e r t i t r a k 垂直 钻井系统的工作模式有两种：钻进工作模式( s t e e rm o d e ) ，有1 个或2 个肋板在液压的作用 下伸出；划眼工作模式( r i b s - - o f f m o d e ) ，3 个肋板全部收回。两种工作模式可以很方便地 通过控制开泵后2m i n 内的排量来进行设定。该垂直钻井系统在钻进工作模式时，严禁开 转盘转动钻柱。接单根和起下钻过程中，需转换工作模式。对于钻进工作模式，应先停泵 9 0 s ，再在l m i n 内开泵到钻进排量。对于划眼工作模式，也先停泵9 0 s ，再开泵到规定排量 并保持l m i n 以上，在不停泵的情况下，将排量提高至正常排量。 v e r t i t r a k 是目前市场上唯一的非旋转垂直钻井系统，钻柱扭矩小，尤其适合在硬地层 使用。可独立工作，不需另外的m 1 | d 系统。 3 z b e z b e 是德国s m a r td r i l l i n g 公司产品，该公司是世界上最早研究旋转导向钻井系统的 专业公司之一。1 9 8 4 年该公司首次使用z b e 系统，并于1 9 9 0 1 9 9 1 年以v d s 名义在德国大 陆深探井成功应用3 0 0 0 m 。目前z b e 系统主要还是集中在矿山和市政行业中，在石油天然 气行业中应用较少。2 0 0 5 2 0 0 6 年开始在我国塔里木油田应用。 z b e 系统主体结构由连接钻头和钻柱的轴、浮动导向套和m w d 脉冲发生器等组成，如 图2 3 所示。在浮动导向套上有发电机、井斜传感器、电子测控系统、液压控制系统、防 转筋板、可伸缩导向控制块和外壳等。浮动导向套由四条筋板紧靠井壁随钻进沿井壁滑动。 发电机由旋转的主轴和静止的外壳之间的相对运动来驱动，为系统提供电能，液压泵为导 向元件提供液压能。液压控制系统的部件、传感器和电子测控系统位于导向块后面的腔室 里【2 5 1 。 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 d a t ap u l s e r n o nr o t a t i n gh o u s i n g s e n s o r s e l e c t r o n i c $ 图2 3z b e 系统结构 系统工作时，m w d 脉冲发生器实时上传在钻井过程中测量到的井斜数据、井下液缸压 力、发电机的电压等参数。当井斜传感器监测到井斜以后，将信号传输到电子测控系统， 电子测控系统将激发导向液压缸产生动作，将相应位置的导向滑块推出，这些导向控制块 便牢牢地支撑在井壁上，给钻头一个侧向力，使钻头回到垂直方向。由于它的液压控制系 统控制有四个均匀分布的导向块，因此通过合适的液压导向块推力的组合就可以实现不同 方位井斜的纠斜目的。 2 2 从d d s 自动垂直钻井工具 a a d d s 钻具为中石油钻井工程技术研究院与武汉科技大学于2 0 0 3 年开始研发的一种 具有完全自主知识产权的自动垂直钻井工具，经过室内一、二型原理样机和下井一型样机 的几轮研制，在实钻中取得了较好的效果。图2 4 为该样机在现场实钻的照片，也基本显 示出了这种钻具的大致结构【2 6 1 。 图2 4a a d d s 下井一型样机现场试验 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 2 2 1 自动垂直钻井工具的基本结构 如图2 4 所示，从d d s 的主体为套在钻杆外的浮动导向套，导向套与钻杆通过轴承连 接，使导向套处于钻具底部的特定位置并能相对转动。导向套内包括井下微处理器，重力 加速度计，三个独立的在浮动导向套上均布的液压导向纠斜集成块( 图2 5 ) ，整个系统以 电池供电。液压集成块由可独立伸缩的导向块，电磁阀，油泵等组成( 图2 6 ) 。重力加速 度计测定重力加速度信号，井下控制电路接收重力加速度计传来的信号，经过判别处理后， 向电磁阀发出指令，控制导向块的伸缩。 导向套上还均匀分布有三个凹槽，其作用是导通返程泥浆。导向套的结构不规则，一 般没有标准件，需要根据钻井工况的实际要求和特点进行专门的设计制造。液压导向块靠 电磁阀控制液压油缸的活塞伸出，顶向井壁，其反作用力则作用在钻具上起到纠斜作用。 洋母早 图2 5 自动垂直钻井工具导向套结构 图2 5 中，1 、2 、3 分别代表均布在浮动导向套上的三个液控导向集成块，o 为目标井 眼位置，0 7 为实际井眼位置。图中实际位置o 已经偏离了目标位置o ，当这个偏移量超过 所允许的偏移量时，就应进行纠斜。这时图2 5 中1 、3 号导向活塞伸出，2 号导向活塞缩 回，其所产生的导向纠斜力( 导向活塞顶住井壁后，井壁对钻具的反作用力) 就能使井眼 从位置o 趋于位置o 。 2 2 2 液控导向纠斜集成块工作原理 导向纠斜集成块是a a d d s 自动垂直钻具进行井下纠斜的执行机构和纠斜动力的产生 装置，也是该垂直钻具的核心部件。由图2 6 所示的导向纠斜机构原理图可分析其工作特 点如下。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 7 图2 6 液控导向纠斜机构原理图 1 油箱2 单向阀3 柱塞泵4 偏心轴承5 单向阀6 纠斜油缸 7 推力块8 电磁阀9 溢流阀 该机构的工作原理是在钻杆旋转时带动镶嵌在钻杆外壳上的偏心轴承4 一起旋转，偏 心轴承4 的旋转又推动柱塞泵3 的柱塞在柱塞缸内作往复运动。钻杆回转一周，柱塞就往 复运动一次，完成一次吸油和压油的过程。随着钻杆连续回转，油泵3 就不断的向系统输 出压力油，从而为液压系统提供动力。在钻具工作时，一旦测出了井眼的倾斜角及倾斜角 的方位后，控制电路将给相应的纠斜机构发出指令，使该机构的电磁阀8 通电，高压油经 过排油单向阀5 进入纠斜缸6 ，使推力块7 伸出顶向井壁而迫使钻头改变钻进方向，达到 井下纠斜的目的。当井眼没有发生倾斜时，电磁阀断电，通过排油阀5 的液压油直接由电 磁阀回油箱，推力块缩回至导向活套内。图中溢流阀9 用来调节纠斜力的大小。 由图2 6 可知，a a d d s 垂直钻具的工作原理与本章第一节介绍的国外三种典型的垂直 钻具的工作原理是不相同的，其主要不同点有两个：其一是纠斜机构的测控系统所需的电 力来自于携带至井下的干电池，它的工作寿命是有限的；其二是纠斜执行机构所需的纠斜 动力来自于旋转的钻杆，即先将钻杆转动的机械能转换成纠斜液压执行机构的液压能，再 将液压能转换成纠斜的机械能。a a d d s 钻具的这两个特点就决定了其纠斜控制过程会与 以上三种钻具有所不同，这就是本文三、四章要讨论的重点。 2 3 从d d s 自动垂直钻井工具的工作原理 a a d d s 自动垂直钻井工具井下闭环控制原理如图2 7 所示：系统指令输入为设计的井 眼轨迹，输出为钻头形成的实际井眼轨迹；井下控制单元由微处理器为核心的控制电路构 成，负责信号的采集、处理和控制指令的发出；纠斜单元为液控导向纠斜集成块，集成块 的导向活塞在电磁阀的控制下驱动导向块完成纠斜动作；钻头为被控对象；测斜单元为井 斜传感器，即重力加速度计，它构成了井下闭环控制系统的反馈环节。 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 图2 7 自动垂直钻具井下闭环控制原理框图 其控制过程为：当井眼发生偏斜时，井下微处理器接收重力加速度计输出的井斜信号， 经过分析判断后，向相应的导向块液压控制系统发出命令，使纠斜推力块靠近井眼高边方 向的导向块伸出项向井壁，从而使井下钻具靠近钻头处受到一个横向集中力的作用，这一 横向集中力使钻头产生一定的降斜力，使井眼回到垂直轨道上来。当井眼回到轨道上后， 井下微处理器命令导向块收回，使近钻关处的横向力消失，让钻头垂直钻进。 现在的问题是，如果为了避免活套旋转而让导向块始终顶住井壁，则会加速电池能量 的消耗，减少钻具在井下连续工作的时间，从而会增加提钻次数，影响钻井效率：如果不 纠斜时就缩回所有的导向块，虽可以减少电池能量消耗，但装有重力加速度计的浮动导向 套会发生转动，在这种情况下如何获取真实的井斜信号，并进行有效的纠斜? 以下将讨论 这些问题。 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 第三章a a d d s 钻具的井斜实时测量及控制 3 1 有关概念 井斜实时测量是指在钻井的同时，进行井眼的井斜角和井斜相对方位角的测量，它是 自动垂直钻井和定向钻井中的关键技术。随着定向井、深井、超深井、水平井等高技术含 量的油井的普及，其测量工作变得越来越重要。在探讨井斜实时测量之前，需要用到以下 几个概念： ( 1 ) 井斜角：井眼轴线上某一点的切线( 钻进方向) 与该点铅垂线之间的夹角。垂直方 向的井斜角为0 0 ，水平方向的井斜角为9 0 0 。 ( 2 ) 方位角：井眼轴线上某一点的切线( 钻进方向) 在水平面上的投影线，与真北方向 线之间的夹角( 沿逆时针方向) 。 ( 3 ) 重力工具面角：俯视井眼方向，重力矢量在井眼截面的投影所形成的井眼高边与 重力加速度计y 轴所形成的夹角。 对于自动垂直钻井，只需要知道井斜角和重力工具面角( 以下简称工具面角) 即可， 但如何在随钻过程中准确获取这两个参数则是实现自动垂直钻井的关键。 3 2 基于重力加速度计的井斜静态测量方法 3 2 1 井斜静态测量 图3 1 是加速度传感器工作原理示意图。它利用一个石英铰固定在一个测试体，使该物 体只能沿一个轴运动。由非接触位移传感器、力矩