韓東東(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

1 引言

隨著我國(guó)石油資源的不斷開(kāi)采，水平井、大位移井、多分支井等復(fù)雜井越來(lái)越多。而旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)就能夠很好地解決這些復(fù)雜井鉆井的技術(shù)難題。目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)研制出靜態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的工具面調(diào)控誤差較大，誤差來(lái)源可能為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的調(diào)控機(jī)制。由于推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的導(dǎo)向合力與偏心位移調(diào)控不完全等效，工具面調(diào)控誤差很可能院子調(diào)控機(jī)制。為了減小工具面調(diào)控誤差，需要理論與實(shí)驗(yàn)探究導(dǎo)向合力調(diào)控還是偏心位移調(diào)控更合適?；陟o態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究靜態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的兩種調(diào)控模式，為下一步優(yōu)選調(diào)控模式和提高調(diào)控精度提供技術(shù)支持。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

2.1 水平實(shí)驗(yàn)架

如圖1 所示，水平實(shí)驗(yàn)架是整套裝置的主體部分，用于安裝驅(qū)動(dòng)電機(jī)、固定模擬井筒、安裝測(cè)量傳感器等，在前后兩端有加壓手輪，可根據(jù)需求加壓。

圖1 水平井眼鉆柱動(dòng)力學(xué)模擬裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 模擬旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具

模擬旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。為了使模擬鉆井工具的工作模式與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相吻合，非旋轉(zhuǎn)套與旋轉(zhuǎn)芯軸兩部分由軸承相連接。旋轉(zhuǎn)芯軸上端與鉆柱相連，下端與接鉆頭相連，其主要功能是傳遞鉆壓與扭矩。模擬旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具主要由旋轉(zhuǎn)芯軸、臺(tái)階、推力組合滾針軸承、翼肋槽、非旋轉(zhuǎn)套以及下主軸短節(jié)組成。由于模擬旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具尺寸太小，翼肋處采用碟簧代替液壓?jiǎn)卧┘油瓶苛Ρ敬文M實(shí)驗(yàn)主要研究在基礎(chǔ)力較大和較小時(shí)導(dǎo)向合力、偏心位移、鉆頭側(cè)向力的調(diào)控方向隨鉆進(jìn)參數(shù)(鉆壓、轉(zhuǎn)速)變化規(guī)律。其中，基礎(chǔ)力是指三個(gè)導(dǎo)向翼肋提供的推靠力中最小的那個(gè)力；基礎(chǔ)力較大是指三個(gè)導(dǎo)向翼肋提供的推靠力均較大；基礎(chǔ)力較小是指三個(gè)導(dǎo)向翼肋提供的推靠力至少有一個(gè)比較小?；A(chǔ)力較大時(shí)，采用兩片并聯(lián)兩串聯(lián)+兩串聯(lián)碟簧組合方式(兩組碟簧剛度較小而另一組較大，剛度大的碟簧產(chǎn)生的推靠力明顯大于另外兩組)；基礎(chǔ)力較小時(shí)，采用兩串聯(lián)+一串聯(lián)四墊片組合(碟簧組合剛度一樣但壓縮量不同，一組推靠力明顯小于另外兩組)。

圖2 模擬旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3 實(shí)驗(yàn)方案及流程

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

(1)將碟簧按照預(yù)先設(shè)置的組合方式裝到非旋轉(zhuǎn)外套孔隙內(nèi)，放上三個(gè)翼肋，然后將整體推入加粗井筒內(nèi)，當(dāng)翼肋中心與位移傳感器對(duì)齊時(shí)停止推入，記錄初始徑向。然后繼續(xù)推進(jìn)直到位移傳感器到達(dá)非旋轉(zhuǎn)套下端。之后安裝鉆頭側(cè)向力傳感器，轉(zhuǎn)動(dòng)加壓手輪，使壓力傳感器貼近鉆頭。然后開(kāi)始采集鉆壓、徑向位移、鉆頭側(cè)向力等相關(guān)數(shù)據(jù)。做完一組數(shù)據(jù)采集后，轉(zhuǎn)動(dòng)加粗套筒旋轉(zhuǎn)90°，重復(fù)測(cè)量三次。測(cè)量結(jié)束后，應(yīng)用MATLAB和Excel 將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)建立折線圖的方式直觀表現(xiàn)出偏心位移、導(dǎo)向合力和鉆頭側(cè)向力三者方向上的差異。

(2)基礎(chǔ)力較大時(shí)工具面角隨鉆進(jìn)參數(shù)(鉆壓、轉(zhuǎn)速)變化規(guī)律模擬采用兩片并聯(lián)兩串聯(lián)+兩串聯(lián)碟簧組合方式，改變鉆壓、轉(zhuǎn)速，探究導(dǎo)向翼肋處導(dǎo)向合力方向、偏心位移方向，以及鉆頭側(cè)向力方向變化規(guī)律。

(3)基礎(chǔ)力較小時(shí)工具面角隨鉆進(jìn)參數(shù)(鉆壓、轉(zhuǎn)速)變化規(guī)律模擬采用兩片串聯(lián)四墊片+兩串聯(lián)組合，改變鉆壓、轉(zhuǎn)速，探究導(dǎo)向翼肋處導(dǎo)向合力方向和偏心位移方向，以及鉆頭側(cè)向力方向變化規(guī)律。

3.2 實(shí)驗(yàn)流程

(1)模擬參考工具面角0°時(shí)調(diào)控方向變化規(guī)律(相當(dāng)于全力增斜狀態(tài))。

(2)模擬參考工具面角90°時(shí)調(diào)控方向變化規(guī)律(相當(dāng)于全力增方位狀態(tài))。

(3)模擬參考工具面角180°時(shí)調(diào)控方向變化規(guī)律(相當(dāng)于全力降斜狀態(tài))。

(4)模擬參考工具面角270°時(shí)調(diào)控方向變化規(guī)律(相當(dāng)于全力減方位狀態(tài))。

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用模擬旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具通過(guò)改變翼肋處的基礎(chǔ)力與鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理之后可以的到以下認(rèn)識(shí)。(1)在研究工具面角隨鉆進(jìn)參數(shù)的變化規(guī)律過(guò)程中，可以觀察到無(wú)論參考工具面如何變化，偏心位移和導(dǎo)向合力的方向基本上不易受轉(zhuǎn)速、鉆壓的影響，始終比較穩(wěn)定。(2)參考工具面角為0°、90°、180°時(shí)，鉆頭側(cè)向力方向與導(dǎo)向合力方向更接近，此時(shí)應(yīng)采用導(dǎo)向合力調(diào)控模式；參考工具面角為270°時(shí)，鉆頭側(cè)向力方向與偏心位移方向更接近，此時(shí)應(yīng)采用偏心位移調(diào)控模式。