邢志晟 孔璐琳 祝傳增 鄭碩 焦濱海 蔣世東 李猛

摘要：為了提高連續(xù)管肋式定向器井眼軌跡控制效果及定向效率，結(jié)合最小能量原則，建立了肋式定向器執(zhí)行機(jī)構(gòu)偏置位移矢量模型。根據(jù)旋轉(zhuǎn)偏置位移理論對定向器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行偏置位移矢量合成與分解、分位移矢量求解、工作過程與工具面數(shù)學(xué)關(guān)系分析，提出了分位移矢量計(jì)算方法。并結(jié)合實(shí)際工程中的設(shè)計(jì)要求，采用就近原則和最小能量原則進(jìn)行三翼肋分位移矢量計(jì)算。綜合考慮井眼擴(kuò)大、實(shí)際鉆進(jìn)時(shí)定向器外套的轉(zhuǎn)動(dòng)等影響，建立了連續(xù)管定向器糾偏過程中“定向模式”及“保持模式”的肋位移控制方案，得到了肋位移變化的規(guī)律。研究結(jié)果表明：連續(xù)管鉆井肋式定向器工作過程中，單肋位移的幅值決定了合位移的大?。辉趯?dǎo)向過程中，當(dāng)三翼肋工具面角相隔120°時(shí)，某些運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同；連續(xù)管鉆井進(jìn)入斜直井段時(shí)，此時(shí)不存在工具面，此時(shí)屬于“鉆進(jìn)模式”，各肋位移相同。所得結(jié)論可為連續(xù)管鉆井肋式定向器導(dǎo)向控制提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：連續(xù)管鉆井；肋式定向器；執(zhí)行機(jī)構(gòu)；偏置位移；優(yōu)化研究

0 引 言

連續(xù)管鉆井技術(shù)（CTD）是國際公認(rèn)的全新鉆井模式，高難度前沿技術(shù)，具有鉆柱連續(xù)、帶壓作業(yè)、不間斷循環(huán)、易于預(yù)置光纖和電纜、適合欠平衡鉆井和氣體鉆井等顯著特征［1］。CTD具有降本增效、減少污染、安全快捷等優(yōu)勢，克服了常規(guī)鉆井技術(shù)和方式難以解決的問題，目前在北美已廣泛應(yīng)用于頁巖油氣、煤層氣及致密油氣等非常規(guī)油氣藏的開發(fā)［2］ 。頁巖氣鉆井大多數(shù)為水平井，傳統(tǒng)的井下馬達(dá)導(dǎo)向?yàn)榛瑒?dòng)鉆進(jìn)，連續(xù)管管柱不能旋轉(zhuǎn)、單一滑動(dòng)鉆進(jìn)、強(qiáng)度和疲勞壽命低于常規(guī)鉆桿、大鉆壓施加受限、應(yīng)對硬地層性能差、遇卡后解卡能力不足等局限性沒有得到充分認(rèn)識［3］。川渝地區(qū)頁巖氣資源豐富，但CTD在國內(nèi)的應(yīng)用仍處于起步階段。

不同于常規(guī)鉆柱，連續(xù)管是柔性管柱，具有不可旋轉(zhuǎn)性，必須應(yīng)用井下定向器調(diào)整工具面方可達(dá)到有效鉆進(jìn)的目的［4］。第一、二代CTD定向器下接彎螺桿，所鉆出的井壁粗糙，導(dǎo)致連續(xù)管在鉆進(jìn)過程中極易發(fā)生屈曲，從而影響鉆壓傳遞，導(dǎo)致鉆進(jìn)困難［5］。CTD肋式定向器可解決這一問題，該定向器通過控制其關(guān)鍵機(jī)構(gòu)（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）輸出偏置位移形成一定的工具面角，從而進(jìn)行井眼軌跡控制?？梢姡珻TD定向器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)偏置位移規(guī)律是連續(xù)管鉆井井眼軌跡控制的理論基礎(chǔ)［6-9］。

目前國外連續(xù)管鉆井定向裝置可分為3大類，分別是液壓定向器、電驅(qū)動(dòng)定向器以及電液驅(qū)動(dòng)定向器。國外的導(dǎo)向鉆井技術(shù)在20世紀(jì)末已經(jīng)相當(dāng)成熟，該工具的相關(guān)技術(shù)長期被國際大型跨國油服公司所壟斷，但其對我國實(shí)行了技術(shù)封鎖，而國內(nèi)連續(xù)管定向工具的研究才剛起步。近幾年，雖然國內(nèi)在該技術(shù)的許多領(lǐng)域已有突破性進(jìn)展，但與國外技術(shù)尤其是新的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具技術(shù)方面相比，仍有較大差距［10］。筆者在執(zhí)行機(jī)構(gòu)物理建模的基礎(chǔ)之上，進(jìn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)偏置位移優(yōu)化研究，以期為定向器導(dǎo)向控制提供理論基礎(chǔ)。

1 定向器技術(shù)分析

1.1 定向器結(jié)構(gòu)

連續(xù)管鉆井定向器結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，主要包括動(dòng)力裝置、控制裝置和壓力構(gòu)件等。其中動(dòng)力裝置包括1個(gè)鉆井泵，用于向壓力構(gòu)件提供高壓流體，控制壓力構(gòu)件在正常和徑向延伸位置間移動(dòng)；還包括與控制裝置相關(guān)聯(lián)的電動(dòng)機(jī)?？刂蒲b置安裝在電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中，鉆井電動(dòng)機(jī)包括動(dòng)力組件和軸承組件，其中轉(zhuǎn)向裝置分布在軸承組件中；每個(gè)控制裝置包含1個(gè)流體控制閥，以及控制每個(gè)閥的閥門制動(dòng)器。壓力構(gòu)件包括1個(gè)活塞，活塞受到來自動(dòng)力裝置的高壓流體作用，使肋構(gòu)件發(fā)生徑向移動(dòng)；還包括與壓力構(gòu)件相關(guān)聯(lián)的傳感器，用于接收和轉(zhuǎn)化壓力構(gòu)件與參考位置之間位置關(guān)系的信號。

1.2 工作原理

在鉆井過程中，電動(dòng)機(jī)為鉆頭提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，電動(dòng)機(jī)和鉆頭之間的軸承組件向連接鉆頭的鉆桿提供橫向和軸向支撐。轉(zhuǎn)向裝置分布在鉆井馬達(dá)或軸承組件中，在鉆井過程中提供方向控制。轉(zhuǎn)向裝置是安裝在軸承箱外表面的多個(gè)肋。每個(gè)肋在外殼的正常或折疊位置與徑向延伸位置之間移動(dòng)。當(dāng)處于延伸位置時(shí)，每個(gè)肋向井筒內(nèi)部施加壓力。為了改變鉆井方向，激活1個(gè)或多個(gè)肋，即在每個(gè)肋上施加所需的力向外延伸。每個(gè)肋上的力的大小是獨(dú)立設(shè)置和控制的，肋在鉆頭上產(chǎn)生一定的偏置力，接觸井壁后，靠井壁的反作用力使鉆頭產(chǎn)生側(cè)向切削力，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向［11］。動(dòng)力裝置分布在包含多個(gè)傳感器的軸承組件中，傳感器用于確定每個(gè)肋施加在井筒上的力。動(dòng)力裝置響應(yīng)傳感器后，通過電氣控制單元或電路控制動(dòng)力單元激活1個(gè)或多個(gè)肋板，從而控制肋的伸縮?？刂齐娐房砂惭b在鉆井電動(dòng)機(jī)上方或鉆井電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)部分的適當(dāng)位置。對于小井眼，萬向軸接頭分布在轉(zhuǎn)向裝置的支座上，提供轉(zhuǎn)向功能。

2.2 合位移矢量方向的確定

在連續(xù)管定向器各肋所在的共平面建立平面直角坐標(biāo)系XOY，Ω=OG為合位移矢量，Ω1=OG1、Ω2=OG2和Ω3=OG3分別為3個(gè)分位移矢量（見圖3a），合位移矢量Ω的取值范圍為正六邊形，正六邊形與外圓（井筒）之間的區(qū)域?yàn)闊o效控制區(qū)域（見圖3b黃色區(qū)域），若各肋周向位置發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)（受摩擦扭矩影響），則可形成內(nèi)外圓之間的無效控制區(qū)域（見圖3b紅色+黃色區(qū)域）［12-13］。

4 肋位移變化規(guī)律

根據(jù)式（9）、式（11）和式（13），可得連續(xù)管定向器各肋位移隨工具面角變化規(guī)律，如圖6所示。由圖6a～圖6c可得到合位移Γ1=10 mm；由圖6d～圖6f可得到的合位移Γ2=15 mm。

（1）以圖6a為例，當(dāng)固定1#肋工具面角為30°時(shí)，在軌跡的工具面角［0，90°］范圍內(nèi)，1#肋處于不利地位，1#肋位移為0，2#肋和3#肋均外伸，且隨總工具面角增加，2#肋位移減小，3#肋位移先增加后減??；在總工具面角［90°，210°］范圍內(nèi)，2#肋處于不利地位，2#肋位移為0，1#肋和3#肋均外伸，且隨總工具面角增加，2#肋位移先增加后減小，3#肋位移先減小后增加；在［210°，330°］范圍內(nèi)，3#肋處于不利地位，3#肋位移為0，1#肋和2#肋均外伸，且隨總工具面角增加，1#肋位移先增加后減小，2#肋位移先減小后增加；在［330°，360°］范圍內(nèi)，1#肋處于不利地位，1#肋位移為0，2#肋和3#肋均外伸，且隨總工具面角增加，2#肋位移增加，3#肋位移增加。

（2）由圖6a～圖6c可知，若合位移Γ1為10 mm，單肋位移的最大幅值需為11.55 mm；從圖6d～圖6f可知，若合位移Γ2為15 mm，單肋位移的最大幅值需為17.32 mm；故單肋位移的幅值決定了合位移的大小。

（3）由圖6a、圖6c、圖6e可知，1#肋工具面角相隔120°時(shí)，某些肋運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同。例如，定向器1#肋工具面角分別為30°、150°、270°時(shí)，［Ω1－30°，Ω3－150°，Ω2－270°］位移運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同，同樣有［Ω2－30°，Ω1－150°，Ω3－270°］、［Ω3－30°，Ω2－150°，Ω1－270°］位移運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同。

（4）從圖6f可知，在設(shè)計(jì)軌道工具面角240°之后，連續(xù)管鉆井進(jìn)入斜直井段，不存在工具面角，連續(xù)管定向器為保持鉆進(jìn)模式，各肋位移相等，根據(jù)式（1），|Ω1|=|Ω2|=|Ω3|=κdh－dor；此時(shí)合位移大小為0。

5 結(jié) 論

（1）將連續(xù)管鉆井肋式定向器偏置位移矢量控制簡化為控制平面內(nèi)位移矢量的合成與分解，指出分位移矢量求解時(shí)解的多樣性，在三翼肋定向器實(shí)際工作過程中，使用就近原則和最小能量原則進(jìn)行分位移矢量計(jì)算并實(shí)現(xiàn)鉆井過程中的導(dǎo)向功能，建立了連續(xù)管鉆井定向器導(dǎo)向過程中定向模式及保持模式的肋位移控制方案。

（2）通過對單肋不同工具面位移矢量分析，單肋位移的幅值決定了合位移的大小。肋工具面角相隔120°時(shí)，某些肋運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同；連續(xù)管鉆井進(jìn)入斜直井段，不存在工具面角，連續(xù)管定向器為保持鉆進(jìn)模式，各肋位移相等。

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