靜態推靠式旋轉導向的導向力變化規律模擬研究

韓東東(中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452)

1 引言

隨著我國石油資源的不斷開采，水平井、大位移井、多分支井等復雜井越來越多。而旋轉導向鉆井技術就能夠很好地解決這些復雜井鉆井的技術難題。目前，國內已經研制出靜態推靠式旋轉導向鉆井系統，現場應用過程中發現國產旋轉導向系統的工具面調控誤差較大，誤差來源可能為旋轉導向系統的調控機制。由于推靠式旋轉導向系統的導向合力與偏心位移調控不完全等效，工具面調控誤差很可能院子調控機制。為了減小工具面調控誤差，需要理論與實驗探究導向合力調控還是偏心位移調控更合適。基于靜態推靠式旋轉導向系統的結構及工作原理，通過模擬實驗模擬研究靜態推靠式旋轉導向鉆井工具的兩種調控模式，為下一步優選調控模式和提高調控精度提供技術支持。

2 實驗裝置

2.1 水平實驗架

如圖1 所示，水平實驗架是整套裝置的主體部分，用于安裝驅動電機、固定模擬井筒、安裝測量傳感器等，在前后兩端有加壓手輪，可根據需求加壓。

圖1 水平井眼鉆柱動力學模擬裝置結構示意圖

2.2 模擬旋轉導向鉆井工具

模擬旋轉導向鉆井工具整體結構示意圖如圖2 所示。為了使模擬鉆井工具的工作模式與現場實際情況相吻合，非旋轉套與旋轉芯軸兩部分由軸承相連接。旋轉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。模擬旋轉導向鉆井工具主要由旋轉芯軸、臺階、推力組合滾針軸承、翼肋槽、非旋轉套以及下主軸短節組成。由于模擬旋轉導向鉆井工具尺寸太小，翼肋處采用碟簧代替液壓單元施加推靠力本次模擬實驗主要研究在基礎力較大和較小時導向合力、偏心位移、鉆頭側向力的調控方向隨鉆進參數(鉆壓、轉速)變化規律。其中，基礎力是指三個導向翼肋提供的推靠力中最小的那個力；基礎力較大是指三個導向翼肋提供的推靠力均較大；基礎力較小是指三個導向翼肋提供的推靠力至少有一個比較小。基礎力較大時，采用兩片并聯兩串聯+兩串聯碟簧組合方式(兩組碟簧剛度較小而另一組較大，剛度大的碟簧產生的推靠力明顯大于另外兩組)；基礎力較小時，采用兩串聯+一串聯四墊片組合(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 模擬旋轉導向鉆井工具結構簡圖

3 實驗方案及流程

3.1 實驗方案

(1)將碟簧按照預先設置的組合方式裝到非旋轉外套孔隙內，放上三個翼肋，然后將整體推入加粗井筒內，當翼肋中心與位移傳感器對齊時停止推入，記錄初始徑向。然后繼續推進直到位移傳感器到達非旋轉套下端。之后安裝鉆頭側向力傳感器，轉動加壓手輪，使壓力傳感器貼近鉆頭。然后開始采集鉆壓、徑向位移、鉆頭側向力等相關數據。做完一組數據采集后，轉動加粗套筒旋轉90°，重復測量三次。測量結束后，應用MATLAB和Excel 將所得數據進行處理，通過建立折線圖的方式直觀表現出偏心位移、導向合力和鉆頭側向力三者方向上的差異。

(2)基礎力較大時工具面角隨鉆進參數(鉆壓、轉速)變化規律模擬采用兩片并聯兩串聯+兩串聯碟簧組合方式，改變鉆壓、轉速，探究導向翼肋處導向合力方向、偏心位移方向，以及鉆頭側向力方向變化規律。

(3)基礎力較小時工具面角隨鉆進參數(鉆壓、轉速)變化規律模擬采用兩片串聯四墊片+兩串聯組合，改變鉆壓、轉速，探究導向翼肋處導向合力方向和偏心位移方向，以及鉆頭側向力方向變化規律。

3.2 實驗流程

(1)模擬參考工具面角0°時調控方向變化規律(相當于全力增斜狀態)。

(2)模擬參考工具面角90°時調控方向變化規律(相當于全力增方位狀態)。

(3)模擬參考工具面角180°時調控方向變化規律(相當于全力降斜狀態)。

(4)模擬參考工具面角270°時調控方向變化規律(相當于全力減方位狀態)。

4 結語

本文利用模擬旋轉導向工具通過改變翼肋處的基礎力與鉆進參數進行模擬實驗，實驗數據經過處理之后可以的到以下認識。(1)在研究工具面角隨鉆進參數的變化規律過程中，可以觀察到無論參考工具面如何變化，偏心位移和導向合力的方向基本上不易受轉速、鉆壓的影響，始終比較穩定。(2)參考工具面角為0°、90°、180°時，鉆頭側向力方向與導向合力方向更接近，此時應采用導向合力調控模式；參考工具面角為270°時，鉆頭側向力方向與偏心位移方向更接近，此時應采用偏心位移調控模式。