CN112392403A - 全旋转指向式导向钻井工具的结构和导向调节方法研究 - Google Patents

Abstract

通过对全旋转指向式导向钻井工具关键机构的设计和数学建模，完成了全旋转指向式导向钻井工具的结构和导向调节方法研究。首先简化了全旋转指向式导向钻井工具导向执行机构的空间机构模型，计算得出其自由度为3，验证了全旋转指向式导向钻井工具具有确定的运动。再对全旋转指向式导向钻井工具的偏置机构和导向执行机构进行建模，得到了偏置角和工具面角与内、外偏心环和旋转外套的数学关系，通过分析得到了该钻井工具的导向调节方法，仿真分析结果表明该旋转导向钻井工具可以实现从任意工作状态调节到预先设定的钻头的目标位置，并可以实现从偏置状态恢复到初始状态，验证了全旋转导向钻井工具导向调节的可行性。

Description

全旋转指向式导向钻井工具的结构和导向调节方法研究

技术领域

本发明涉及指向式旋转导向钻井技术领域，特别涉及一种全旋转指向式导向钻井工具的结构和导向调节方法研究。

背景技术

随着油气田更加深入的勘探开发，开采难度也在增大，使得传统的钻井技术很难满足实际开采要求，这时旋转导向钻井技术应运而生，得到了国内外广泛的研究和发展。因为旋转导向钻井技术是实现非常规油气田开采的最为有效的方法，它可以使钻井工具按照预设的三维井眼轨迹进行寻踪钻进，具有传统旋转钻井技术不可比拟的优越性，是非常规油气田开采的必备技术。实现旋转导向钻井技术的关键部件是旋转导向钻井工具，根据国内外的研究可知，旋转导向钻井工具按照导向机理的不同主要分为：静态偏置推靠式钻井工具、动态偏置推靠式钻井工具、静态偏置指向式钻井工具和动态偏置指向式钻井工具。最近几年，国内对动态偏置指向式钻井工具的研究取得了突出性进展，研制出了基于不同偏置机构的原理样机，但是距离实际投入使用还有一段距离，其难点之一在于对旋转导向钻井工具控制系统在高温高压下的信号传输。本文结合双偏心环偏置机构的特征，设计了一种基于旋转导向钻井技术的全旋转指向式导向钻井工具，它具有结构简单和便于调节的优点，利用内、外偏心环和旋转外套的相对角位移实现偏置角和工具面角的调节。该钻井工具可实现工具面角0～360°与0～6°偏置角的无级调节。

发明内容

全旋转指向式导向钻井工具的机械结构

全旋转指向式导向钻井工具结构示意图，参照图1，其机械结构主要由导向执行机构、钻头、伺服电机和辅助机构等组成，其中导向执行机构由旋转外套、偏置机构、球套、导向轴和导向节组成。实际工作中旋转外套与上部钻具连接，导向轴一段通过导向节与旋转外套相连，另一端插入球套与偏置机构配合，装配在球套上的内偏心环安装在外偏心环偏心孔内。用于驱动内偏心环转动的无框电机的转子与内偏心环同轴心连接，定子固定在外偏心环的偏心孔内，驱动外偏心环转动的无框电机的转子与外偏心环同轴心连接，定子与旋转外套固定连接。在该旋转导向钻井工具导向调节时，导向轴在偏置力的作用下围绕支点摆动，使钻头改变偏置角和工具面角。导向节是导向轴摆动的支点，并且旋转外套旋转所产生的扭矩也通过导向节传递给导向轴，使导向轴带动钻头对岩层进行钻削。

全旋转指向式导向钻井工具简化的空间机构模型图如图2所示，因为旋转外套通过导向节将扭矩传递给导向轴，所以旋转外套与导向轴配合形成一个球销副。由于导向轴的偏置运动，使得导向轴相对于偏置机构有伸缩运动和摆转运动，所以导向轴插入到球套中与之配合形成一个圆柱副，球套与内偏心环配合形成一个球销副。内偏心环与外偏心环、外偏心环与旋转外套之间分别配合形成一个旋转副。机架6是传递扭矩给旋转外套的上部机构。

全旋转指向式导向钻井工具的空间机构模型是一个空间六杆机构，根据空间机构自由度计算公式得

F＝6(N-1)-(5P₅+4P₄+3P₃+2P₂+P₁

＝6×5-(5×4+4+3)

＝3 (1)

式中N为构件总数，P_i(i＝1，2，3，4，5)为i级副的个数，求得该机构的自由度为3，意味着需要有三个独立的运动输入才能使机构具有确定的运动输出，所以全旋转指向式导向钻井工具在A、B、C处有三个动力源ω₁、ω₂、ω₃分别驱动内偏心环、外偏心环和旋转外套转动，三者控制该钻井工具的导向调节。

全旋转指向式导向钻井工具关键机构设计

偏置机构设计

全旋转指向式导向钻井工具的偏置机构主要由内偏心环、外偏心环和球套等组成，其中导向轴插入球套与偏置机构相连，导向轴在球套中可以沿其轴线方向移动，安装在内偏心环偏心孔中的球套外表面是一个球面，可以在偏心孔中任意转动，这样的结构设计使该钻井工具在导向调节状态下导向轴相对于偏置机构能够伸缩和偏转。内偏心环安装在外偏心环偏心孔中，外偏心环与旋转外套通过驱动电机相连。偏置机构的作用是通过改变内偏心环与外偏心环的偏心距矢量和来改变导向轴的偏置角度。偏置机构截面图，参照图3，点O₁、O₂、O₃分别是旋转外套的几何中心，外、内偏心环偏心孔的几何中心在偏置机构截面上的投影。内偏心环与外偏心环转过的角度分别为θ₁、θ₂，偏心距均为e，两者的矢量和表示该机构的偏心距离ρ。

对ΔO₁O₂O₃运用余弦定理有：

ρ²＝e²+e²-2e²cosθ₂ (2)

导向节设计

导向节是全旋转指向式导向钻井工具导向执行机构的关键机构，其作用一是作为传力机构，将旋转外套的扭矩平稳、可靠、精确地传递给导向轴带动钻头钻进；作用二是作为全旋转导向钻井工具导向调节时导向轴偏摆的支点。其机构由星形套、钢球、保持架和外圈组成，参照图4，其结构特征有：沿星形套中心孔与导向轴过盈配合，保障扭矩传递的稳定性。星形套、保持架和外圈相互之间均是同轴心配合，外圈与旋转外套过盈配合。保持架用于夹持钢球、引导星形套的摆角并定位。在星形套外球面上和外圈内球面上亦设计有相同数量、沿圆周方向均匀分布的圆弧形沟道，沟道曲面为椭圆曲面，极大的提升了全旋转指向式导向钻井工具导向的稳定性。

全旋转指向式导向钻井工具导向执行机构导向示意图，参照图5，O₁XYZ为工具坐标系，OZ轴与该钻井工具旋转外套的几何轴线重合，点O₁是导向节的几何中心，点O₂是外偏心环偏心孔的几何中心，点O₃是内偏心环偏心孔右端面的圆心。内偏心环孔的偏心距离O₂O₃＝e，外偏心环孔的偏心距离与内偏心环孔的偏心距离相等，外偏心环的几何轴线与旋转外套的几何轴线重合。另外，内、外偏心环与旋转外套转动方向相反，且三者均围绕各自的几何轴线旋转，θ₃表示旋转外套转过的角度。Q点为全旋转指向式导向钻井工具某一导向目标位置，此位置偏置角为β，工具面角为γ，钻头的偏置距离为ρ₀，偏置机构到导向节的距离为L₂，导向节到钻头几何中心的距离为L₁。偏置角的大小会影响工具钻井井斜角的大小，工具面角γ是造斜工具下到井底以后，工具面所在的角度。由几何关系可知：

γ＝θ-θ₃ (6)

θ₃＝ω₃t (7)

联立式(3)和式(5)有

联立式(4)、(6)和式(7)有

L₂为已知，由式(8)可知，当参数偏心距e一定时，偏置角β与内偏心环转过的角度θ₂有关，呈周期性变化。利用MATLAB数学工具得到β与θ₂的关系曲线图，参照图6。从图6可以看出，在θ₂∈[0，π]区间内，偏置角β随着θ₂增大逐渐增大，造斜率也逐渐增大，此时钻井工具处于增斜工作状态；在θ₂∈[π，2π]区间内，偏置角β随着θ₂增大逐渐减小，造斜率也逐渐减小，此时该钻井工具处于降斜工作状态，或由偏置状态逐渐恢复到初始状态。运用逆解法可得，任取一个θ₂值，便有唯一一个确定的β值与之对应，由此可知，通过调节偏置机构的内偏心环转过的角度，便可有效的控制全旋转指向式钻井工具的偏置角从0°到6°范围内的变化。

由式(9)可知，工具面角γ与外偏心环转过的角度θ₁、内偏心环转过的角度θ₂和旋转外套转过的角度θ₃均有关。又由式(8)可知，偏置角β仅与θ₂有关，且给定一个θ₂值，偏置角β值唯一。所以当偏置角调整到某一预设值时，内偏心环控制电机停止转动，即θ₂保持不变，这时工具面角γ仅与θ₁，θ₃有关。工具面角γ与θ₂、(θ₁-θ₃)的三维关系曲线图，参照图7，从图7中可以看出，当θ₂值为一定值时，工具面角γ随着外偏心环转过角度与旋转外套转过角度的差值(θ₁-θ₃)的增大而增大。

全旋转指向式导向钻井工具有直线钻进、造斜、稳斜三种工作模式。基于以上分析可知，该旋转导向钻井工具可以实现从任意工作状态调节到预先设定的钻头的目标位置，并可以实现从偏置状态恢复到初始状态，其导向调节方法是先调节偏置角，然后再调节工具面角γ。具体调节方法如下：

(1)偏置角β调节，由式(5)可知，给定一个偏置角β，就能确定一个偏心距离ρ，且唯一。故通过控制内偏心环的角速度来控制调节偏置机构的偏心距离ρ，进而调节钻井工具偏置角β的大小。

(2)工具面角γ调节，工具面角γ是造斜工具下到井底以后，工具面所在的角度，其与内偏心环、外偏心环和旋转外套三者转过的角度有关。当偏置角β调节到目标值时，立刻使内偏心环驱动电机停止转动，保持偏置角不变，这时通过控制外偏心环和旋转外套的角速度关系即可控制调节该导向钻井工具的工具面角γ。

(3)偏置角β和工具面角γ两者共同作用下实现全旋转指向式导向钻井工具的导向调节。

全旋转指向式导向钻井工具三维实体装配与仿真

利用Solidworks三维软件对复杂的全旋转指向式导向钻井工具建立精确的虚拟样机模型，假设全旋转指向式导向钻井工具各部件均为刚体且质量分布均匀，按零件的位置关系和运动关系确定连接方式后，对其进行整体装配和干涉检查，确保在设计初期就消除了设计中可能存在的问题，以缩短研发周期。在三维软件Solidworks中完成全旋转指向式虚拟样机模型后，以Parasolid格式保存下来，然后导入Adams仿真软件中进行联合仿真。为了确保仿真结果的准确和可靠性，更加能真实的反映设计的原理样机，需要在Adams软件中对导入的该虚拟样机模型进行编辑定义。另外还需要为该虚拟样机模型依据实际的运动特性添加相应的约束和驱动，即在内偏心环的几何中心处添加内偏心环与外偏心环配合成的旋转副和旋转驱动，在外偏心环的几何中心处添加外偏心环与旋转外套配合成的旋转副和旋转驱动，在旋转外套的几何中心处添加旋转外套与上部机构配合成的旋转副和旋转驱动，在有伸缩运动的导向轴和球套连接处添加轴向移动副，在球套几何中心处添加与内偏心环配合成的球面副，在无相对运动的构件间添加固定副等。

对全旋转指向式导向钻井工具虚拟样机进行运动学分析，验证虚拟样机各构件添加约束的正确性，并确保样虚拟样机能够准确可靠的反映出实际原理样机的运动特性。仿真结果表明该钻井工具的偏心距离可以从0到10mm连续变化，且具有周期性，即对应的导向角从0°到6°连续变化。全旋转指向式导向钻井工具的偏心距离随时间的变化曲线，参照图8。

结论

(1)设计了一种内、外双偏心环偏置机构结合导向节的结构特征，研发了一种全旋转指向式导向钻井工具；

(2)通过对全旋转指向式导向钻井工具结构设计和工作原理分析，得到了该钻井工具偏置角和工具面角与内、外偏心环和旋转外套转过角度的关系；

(3)完成了全旋转指向式导向钻井工具的动态仿真，验证了该工具工作原理的可行性，为加工原理样机奠定了理论基础。

附图说明

图1是全旋转指向式钻井工具结构示意图

图2是空间机构模型图

图3是偏置机构截面图

图4是导向节结构示意图

图5是全旋转指向式导向钻井工具导向执行机构导向示意图

图6是偏置角β、偏心距离ρ和θ₂三者的关系曲线图

图7是工具面角γ与θ₂、(θ₁-θ₃)的三维关系曲线图

图8是全旋转指向式导向钻井工具的偏心距离随时间的变化曲线图

具体实施方式

全旋转指向式动态导向钻井工具导向执行机构由旋转外套、偏置机构、球套、导向轴和导向节组成。实际工作中旋转外套与上部钻具连接，导向轴一段通过导向节与旋转外套相连，另一端插入球套与偏置机构配合，装配在球套上的内偏心环安装在外偏心环偏心孔内。用于驱动内偏心环转动的无框电机的转子与内偏心环同轴心连接，定子固定在外偏心环的偏心孔内，驱动外偏心环转动的无框电机的转子与外偏心环同轴心连接，定子与旋转外套固定连接。在该旋转导向钻井工具导向调节时，导向轴在偏置力的作用下围绕支点摆动，使钻头改变偏置角和工具面角。全旋转指向式导向钻井工具有三个动力源ω₁、ω₂、ω₃分别驱动内偏心环、外偏心环和旋转外套转动，三者控制该钻井工具的导向调节。简化全旋转指向式动态导向钻井工具导向执行机构空间机构模型，求得该机构的自由度为3，验证了机构设计的合理性。

全旋转指向式导向钻井工具关键机构设计

(1)偏置机构设计

全旋转指向式导向钻井工具的偏置机构主要由内偏心环、外偏心环和球套等组成。导向轴插入球套与偏置机构相连，导向轴在球套中可以沿其轴线方向移动，安装在内偏心环偏心孔中的球套外表面是一个球面，可以在偏心孔中任意转动，这样的结构设计使该钻井工具在导向调节状态下导向轴相对于偏置机构能够伸缩量和偏转。内偏心环安装在外偏心环偏心孔中，外偏心环与旋转外套通过驱动电机相连。偏置机构的作用是通过改变内偏心环与外偏心环的偏心距矢量和来改变导向轴的偏置角度。内偏心环与外偏心环的偏心距为e，两者的矢量和表示该机构的偏心距离ρ。

(2)导向节设计

导向节是全旋转指向式导向钻井工具导向执行机构的关键机构，其作用一是作为传力机构，将旋转外套的扭矩平稳、可靠、精确地传递给导向轴带动钻头钻进；作用二是作为全旋转导向钻井工具导向调节时导向轴偏摆的支点。其机构由星形套、钢球、保持架和外圈组成。其结构特征有：沿星形套中心孔与导向轴过盈配合，保障扭矩传递的稳定性。星形套、保持架和外圈相互之间均是同轴心配合，外圈与旋转外套过盈配合。保持架用于夹持钢球、引导星形套的摆角并定位。在星形套外球面上和外圈内球面上亦设计有相同数量、沿圆周方向均匀分布的圆弧形沟道，沟道曲面为椭圆曲面，极大的提升了全旋转指向式导向钻井工具导向的稳定性。

全旋转指向式导向钻井工具导向调节方法分析

偏置机构的内、外偏心环偏心孔的偏心距离距离相等，外偏心环的几何轴线与旋转外套的几何轴线重合。另外，内、外偏心环与旋转外套转动方向相反，且三者均围绕各自的几何轴线旋转，θ₃表示旋转外套转过的角度。Q点为全旋转指向式导向钻井工具某一导向目标位置，此位置偏置角为β，工具面角为γ，钻头的偏置距离为ρ₀，偏置机构到导向节的距离为L₂，导向节到钻头几何中心的距离为L₁。偏置角的大小会影响工具钻井井斜角的大小，工具面角γ是造斜工具下到井底以后，工具面所在的角度。由几何关系可知：

γ＝θ-θ₃ (2)

θ₃＝ω₃t (3)

全旋转指向式导向钻井工具有直线钻进、造斜、稳斜三种工作模式。基于以上分析可知，该旋转导向钻井工具可以实现从任意工作状态调节到预先设定的钻头的目标位置，并可以实现从偏置状态恢复到初始状态，其导向调节方法是先调节偏置角，然后再调节工具面角γ。具体调节方法如下：

(1)偏置角β调节，由式(5)可知，给定一个偏置角β，就能确定一个偏心距离ρ，且唯一。故通过控制内偏心环的角速度来控制调节偏置机构的偏心距离ρ，进而调节钻井工具偏置角β的大小。

(2)工具面角γ调节，工具面角γ是造斜工具下到井底以后，工具面所在的角度，其与内偏心环、外偏心环和旋转外套三者转过的角度有关。当偏置角β调节到目标值时，立刻使内偏心环驱动电机停止转动，保持偏置角不变，这时通过控制外偏心环和旋转外套的角速度关系即可控制调节该导向钻井工具的工具面角γ。

(3)偏置角β和工具面角γ两者共同作用下实现全旋转指向式导向钻井工具的导向调节。

Claims (1)

1.全旋转指向式导向钻井工具的结构与导向调节方法研究，包括以下几个步骤：

步骤一：简化全旋转指向式导向钻井工具空间机构模型，其自由度计算公式为：

F＝6(N-1)-(5P₅+4P₄+3P₃+2P₂+P₁

＝6×5-(5×4+4+3)

＝3 (1)

步骤二：进行偏置机构设计，并建立全旋转指向式导向钻井工具偏置机构的数学模型

全旋转指向式导向钻井工具的偏置机构主要由内偏心环、外偏心环和球套等组成，其中导向轴插入球套与偏置机构相连，导向轴在球套中可以沿其轴线方向移动，安装在内偏心环偏心孔中的球套外表面是一个球面，可以在偏心孔中任意转动，这样的结构设计使该钻井工具在导向调节状态下导向轴相对于偏置机构能够伸缩量和偏转。内偏心环安装在外偏心环偏心孔中，外偏心环与旋转外套通过驱动电机相连。偏置机构的作用是通过改变内偏心环与外偏心环的偏心距矢量和来改变导向轴的偏置角度。内偏心环与外偏心环转过的角度分别为θ₁、θ₂，偏心距均为e，两者的矢量和表示该机构的偏心距离ρ，由几何关可知，

ρ²＝e²+e²-2e²cosθ₂ (2)

步骤三：进行导向节设计

导向节是全旋转指向式导向钻井工具导向执行机构的关键机构，其作用一是作为传力机构，将旋转外套的扭矩平稳、可靠、精确地传递给导向轴带动钻头钻进；作用二是作为全旋转导向钻井工具导向调节时导向轴偏摆的支点。其机构由星形套、钢球、保持架和外圈组成，参照图4，其结构特征有：沿星形套中心孔与导向轴过盈配合，保障扭矩传递的稳定性。星形套、保持架和外圈相互之间均是同轴心配合，外圈与旋转外套过盈配合。保持架用于夹持钢球、引导星形套的摆角并定位。在星形套外球面上和外圈内球面上亦设计有相同数量、沿圆周方向均匀分布的圆弧形沟道，沟道曲面为椭圆曲面，极大的提升了全旋转指向式导向钻井工具导向的稳定性。

步骤四：建立全旋转指向式导向钻井工具导向执行机构的数学模型

偏置机构外偏心环孔的偏心距离与内偏心环孔的偏心距离相等，外偏心环的几何轴线与旋转外套的几何轴线重合。另外，内、外偏心环与旋转外套转动方向相反，且三者均围绕各自的几何轴线旋转，θ₃表示旋转外套转过的角度。Q点为全旋转指向式导向钻井工具某一导向目标位置，此位置偏置角为β，工具面角为γ，钻头的偏置距离为ρ₀，偏置机构到导向节的距离为L₂，导向节到钻头几何中心的距离为L₁。偏置角的大小会影响工具钻井井斜角的大小，工具面角γ是造斜工具下到井底以后，工具面所在的角度。由几何关系可知偏置角β为：

γ＝θ-θ₃ (6)

θ₃＝ω₃t (7)

联立式(3)和式(5)有

联立式(4)、(6)和式(7)有

步骤五：全旋转指向式导向钻井工具导向调节方法研究

全旋转指向式导向钻井工具有直线钻进、造斜、稳斜三种工作模式。基于以上分析可知，该旋转导向钻井工具可以实现从任意工作状态调节到预先设定的钻头的目标位置，并可以实现从偏置状态恢复到初始状态，其导向调节方法是先调节偏置角，然后再调节工具面角γ。具体调节方法如下：

(1)偏置角β调节，由式(5)可知，给定一个偏置角β，就能确定一个偏心距离ρ，且唯一。故通过控制内偏心环的角速度来控制调节偏置机构的偏心距离ρ，进而调节钻井工具偏置角β的大小。

(2)工具面角γ调节，工具面角γ是造斜工具下到并底以后，工具面所在的角度，其与内偏心环、外偏心环和旋转外套三者转过的角度有关。当偏置角β调节到目标值时，立刻使内偏心环驱动电机停止转动，保持偏置角不变，这时通过控制外偏心环和旋转外套的角速度关系即可控制调节该导向钻井工具的工具面角γ。

(3)偏置角β和工具面角γ两者共同作用下实现全旋转指向式导向钻井工具的导向调节。

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