高造斜率旋转导向工具测控系统研究

发布时间：2020-11-19 01:34

　　 旋转导向技术是一项尖端的自动化钻井技术,对于非常规油气资源的开发,特别是页岩气的开发,对钻井技术的要求越来越高。常规旋转钻井工具已不能满足对大位移井和从式水平井开发,具有造斜能力不足,效率低等问题,为了解决这些问题结合了国家“十三五”项目“高造斜率旋转导向钻井工具”的要求,在参考斯伦贝谢公司的Power Driver Archer旋转导向工具的基础上,进行高造斜率旋转导向工具测控系统研究。论文做了两方面的资料调研,一是国内外对常规及高造斜率旋转导向钻井工具的研究;二是针对常规旋转导向钻井工具在其测量和控制方面所做的研究工作的不足,明确了论文要解决的问题。论文主要开展了三方面工作:(1)论文先分析了高造斜率旋转导向工具的工作原理,并提出了高造斜率旋转导向钻井工具HBR-RSS(High Build Rate-Rotary Steerable System)的结构设计,并利用CAD软件绘出钻井工具整体结构原理图。(2)结合中煤科工集团西安研究院的测斜仪实验,对高造斜率旋转导向钻井工具空间姿态参数测量系统进行了室内实验测试,验证了HBR-RSS工具姿态参数测量系统即“三轴MEMS加速度计+三轴MEMS陀螺仪传感器”组成的惯性体方案可行。(3)对稳定平台进行了受力分析,得出稳定平台控制的动力学方程,利用SolidWorks软件构建高造斜率旋转导向工具三维工具模型,并将其置入ADAMS软件中,进行仿真模拟,得出导向工具造斜过程运动仿真曲线和造斜到稳斜过程运动参数仿真曲线。本文探索性地对高造斜率旋转导向工具测控系统进行了方案设计和室内实验验证,并得出了相应的实验结论。对于HBR-RSS系统的研发和进一步推广应用具有一定的推动作用。
【学位单位】：西安石油大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TE242
【部分图文】：

1.2 国内外研究现状1.2.1 国外现状八十年代末期，旋转导向钻井技术首次出现，它是由德国 KTB 项目组和 ET 公司合伙建立的自动垂直钻井（VDS）系统，到九十年代初期，旋转导向技术已经为多家公司带来不错的经济效益。具有成熟技术的三家公司产品为 Baker Hughes 的 AutoTrak，Schlumberger 的 PowerDrive，Halliburton 的 GeoPilot[7]。(1) Baker Hughes 公司的 AutotrakBaker Hughes Inteq.公司的 Autotrak 的关键技术为井下闭环控制系统（RCLS）。系统中能够转动部分是由不旋转外套和旋转心轴中的上下轴承结合组成的，其结构如图1-1所示，由近钻头推靠巴掌（不旋转推靠翼肋）、液压泵、涡轮电机、电子存储器、振动检测单元、电池组单元等所组成。静态推靠式旋转导向工具的工作方式是 RCLS 的重要工作原理（井下偏置导向原理如图 1-2 所示）。三个大小不同的翼肋推靠井壁时会产生一个偏心合力从而引导钻头朝合力方向钻进，实现钻进目标。

图 1-2 可控偏心器的造斜导向机构示意图(2) Schlumberger 公司的 PowerDrive 和 PowerVSchlumberger(简写为 Slb.)公司有三种旋转导向钻井工具，分别是整合英国 CAMCO公司的 SRD 系统后形成的动态水力推靠式 Power DriveXtra(SRD)，静态偏置指向式PowerDriveXceed 和垂直导向钻井工具 PowerV[8]，目前已经形成旋转导向钻井系列产品，如表 1-1。表 1-1 SIb.公司的旋转导向钻井系统系列产品型号 类型 工具外径（in.） 通信方式 造斜率/稳斜率（°/30m）PowerDriverXtra475动态推靠式 4.75 泥浆流量变化 0-8PowerDriverXtra675 动态推靠式 6.75 泥浆流量变化 0-8PowerDriverXtra900动态推靠式 9 泥浆流量变化 0-5PowerDriver Xceed 静态偏置指向式 6.75声波/泥浆流量8PowerDriver X5 动态推靠式 4.75-9声波/泥浆流量0-8PowerV垂直导向--指向式4-9 泥浆流量变化 0.5

图 1-3 PowerDrive 动态推靠式导向结构示意图(3) Halliburton 公司的 Geo-pilotGeo-Pilot 是由哈利波顿公司和日本石油公司合作开发[10]，其实现导向钻进的原理是通过控制轴的曲折程度和曲折方向来改变钻头的钻进方向，原理如图 1-4（a），Geo-Pilot井下导向工具示意图如下 1-4（b），上下旋转密封环之间的外筒不转动，与钻头连接的心轴回旋并被偏心环执行机构压弯曲，使得钻头倾向钻进方向。近年来，对于非常规油气藏的勘探开发，常规旋转导向钻井工具已经无法满足，高造斜率旋转导向工具以其更加智能化和自动化等优点迅速占领市场，目前研究技术比较成熟的两家公司分别为，Baker Hughes 的 Auto Trak Curve 系统，Schlumberger 的PowerDriver Archer[11]。(1) Baker Hughes 公司 Auto Trak Curve 系统，结构示意图如图 1-5、图 1-6 所示，该工具通过全旋转的方式可以一次性钻完所有类型井段，且井眼轨迹平整光滑，造斜率达15°/30m。AutoTrak Curve 是一种井下闭环旋转导向钻井系统[12][13]，其在导向外套筒中安装有三个可伸缩的翼肋，当地面命令发出后，井下监控系统发出命令控制导向 3 个导向翼肋伸出或缩回，将导向轴偏向预定轨道。相较于其他同类导向钻井系统，AutoTrak
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本文编号：2889502