旋轉導向推力測試裝置設計優化*

張玉霖 盧 濤 賈建波 楊恒燦 菅志軍 丁旭東

(中海油田服務股份有限公司)

0 引 言

旋轉導向鉆井系統[1-5]是當代定向鉆井技術發展的最新成果，是目前油氣勘探開發行業最先進的定向鉆井技術裝備。其可在全井段保持旋轉鉆進，并根據需要及時調整軌跡，實施三維定向井軌跡控制，具有精準命中靶區、建井周期短、鉆井質量高、大幅提高采收率等特點，代表著當今世界鉆井技術發展的最高水平，被譽為石油鉆井技術“皇冠上的明珠”。該技術最早誕生于20世紀90年代，一經問世就引起了鉆井作業者的極大關注，隨著技術的不斷成熟和產品的應用推廣，每年全球市場規模達到了80億美元左右，占到了定向鉆井市場的75%以上。

近幾年，國內旋轉導向技術發展迅猛，中海油、中石油、中石化等多家單位開展了技術攻關和產品研制。其中中海油的進展最具代表性，開發出了全系列商業化技術裝備，產品應用規模迅速提升，已經突破1 000井次、100萬m進尺應用大關，呈現出了良好的發展勢頭。中國作為油氣資源需求大國，該技術對提升油氣產量和保障能源安全具有十分重要的意義。

旋轉導向鉆井系統按其工作原理可以分為推靠式(push-the-bit)和指向式(point to the bit)2種。推靠式屬于被動式導向工具，工具的導向性能與推靠效果高度相關，對地層依賴較大。指向式屬于主動式導向工具，對地層依賴較小；2種系統各有特點，研究并提升系統的測量及控制精度對提升旋轉導向的應用效果至關重要。筆者針對推靠式旋轉導向推靠力測試需求，設計了推靠力測試裝置，并對測試裝置存在的若干問題進行研究，對測試裝置進行了設計優化，可大幅提升系統的控制精度和應用效果。

1 推靠力與導向力矢量關系

推靠式旋轉導向鉆井系統的推靠功能主要由偏置短節[6-11]實現。在偏置短節的外圓上周向均布3個獨立的推靠臂(見圖1中推靠力F1、F2、F3)，3個推靠力互成120°，3力平面匯交[12-17]，其合力F的方向α可按公式(1)來計算，導向力矢量與合力F大小相等，方向相反。

圖1 平面三力匯交力系合力計算

(1)

式中：F1、F2、F3為3個推靠力，N；F為3個推靠力的合力，N；θ0為F1與X軸正向的夾角，(°)；α為合力F與X軸正向的夾角，(°)。

合力的方向、大小由3個分力決定，分力的測控誤差會對合力的大小和方向產生很大影響。假設F1、F2、F3分別為1 000、1 000、1 200 N且F2測控誤差范圍從10%至30%，為了計算方便，假設θ0為0°，計算數據見表1。由表1可見，F2測控誤差為30%時，合力的角度誤差達到了36.59°。

表1 分力誤差引起的合力角度誤差

2 推靠力測試系統研制

2.1 系統構成

推靠力測試系統由1個測力盤、3組推力傳感器、信號采集處理模塊及測控監視系統構成(見圖2)。通過壓差傳感器可以算出3個推靠臂的理論推力，通過推力傳感器可以測量3個推靠臂實際推力，對比可知兩者的差值，并建立壓力與推靠力的線性關系。

圖2 推靠力測試系統

2.2 測試試驗

圖3為推靠力測試系統實物照片(這里將優化前的測力盤稱為A)，利用該系統先對一個推靠臂進行推靠力測試，檢測其理論推力與實際推力的偏差情況及推靠力與壓力的線性關系，再同時進行3個推靠臂的推力測試。

圖3 推靠力測試系統實物及測量模型

圖4為1個推靠臂的測試曲線。由圖4可以看出，實測推力和理論推力之間存在一定差值，且隨著推力增大，差值也變大，差值最大達到5 kN。

圖4 實測推力-理論推力關系曲線

圖5是3個推靠臂推力同時測試的曲線。設置1#、2#和3#推靠臂的推力分別為推力1、推力2和推力3。對1#推靠臂從0～24 MPa進行一個完整的升程和降程的推力測試，設置2#、3#推靠臂的壓力為0，則2#和3#的實測推力應該為0，但實際結果卻并非如此。從圖5可以看出，2#、3#的實測推力會隨著1#推靠臂壓力的升高而逐漸變大，這說明1#推靠臂的推力對2#和3#推靠臂造成了影響。用相同的測試方法對2#和3#進行單獨的推力測試，也發現了同樣的情況。

對單獨推靠臂和3個推靠臂同時推力測試發現，該測試系統存在以下2個問題，極大地影響導向力測控精度，必須加以分析解決：單個推靠力測量精度較低，實測推力和理論推力存在較大偏差；測力盤A變形引起的3個推靠臂推力測量相互干擾，極大地影響推力測量精度。

2.3 結果分析

針對上述問題，對系統各部件的受力情況進行分析，可以初步鎖定問題的根源在于測力盤A的變形過大。測力盤A進行單路推力測量時受力變形如圖6所示。測力盤A可以簡化為一個懸臂梁，主要有5個方面的變形因素：測力傳感器變形X1，測力盤A變形X2，安裝固定變形X3，推靠臂受壓變形X4和傳感器固定桿變形X5。系統總變形量可以表示為：

圖6 測力盤進行單路推力測量時受力變形示意圖

X=X1+X2+X3+X4+X5

(2)

式中：X為測試系統受力總變形量，mm。

理想情況下，希望X=X1，這樣使得變形更多地反映在傳感器上，雖然實際上X2、X3、X4、X5無法完全消除，但卻可以使其盡量減小。由胡克定律可知，材料受力變形量取決于4個因素：力、長度、彈性模量和面積。只要選用高強度材料，增加固定螺栓的直徑、縮短螺桿的長度，便可大大減小這4方面的變形量，使X1所占比重越大，測量的準確度也就越高。

2.4 主要零部件有限元分析

對測力盤A、推靠臂、傳感器固定桿、固定螺栓4種零件賦予同樣的材質，這里選用40Cr。這樣做的目的是為了便于對各因素的受力變形量進行比較。40Cr的材料屬性見表2。

表2 40Cr力學屬性

運用有限元軟件對4個零件的變形逐一進行分析，首先對測力盤A進行受力變形分析，分析結果如圖7所示。

圖7 測力盤A受力變形的有限元分析

按照上述方法依次對傳感器固定螺栓、安裝固定螺栓、推靠臂進行分析。將4個零件的變形進行對比，結果見表3。由表3可以看出，對每個推靠臂進行單獨測量時，測力盤A是主要變形因素，變形量占到了84%，其余變形量則遠遠小于X2，可以忽略不計，測力盤A的變形是影響測量精度的主要因素。由此可知：只要設法減小測力盤A的變形量，就可大大減小推靠臂實測推力與理論推力之間的差值，從而提高系統的測試精度。

表3 4個次要零件變形情況對比

單個推靠力測試時測力盤A的應力和變形分布見圖8。由圖8可以看出，1#推靠力引起的變形延伸到了相鄰2個傳感器(即2#和3#傳感器的安裝位置)，用探針拾取2#傳感器安裝位置附近5個點處的變形量，見表4。由表4可以看出,從1#到2#傳感器的相鄰區間，5個點變形量逐漸減小，2#傳感器的正對位置(節點19922處)變形量為0.075 mm，這種影響在3個推靠力同時測量時表現尤為明顯。

圖8 測力盤A變形擴散分布

表4 測力盤A測力點附近5個節點變形量

綜上所述，測力盤A的變形是影響系統測試精度的主要原因，優化測力盤A的結構以減小變形量和相互干擾是改進測量效果的主要方向。

3 測試系統優化

3.1 測力盤結構優化方案

原有測力盤A呈喇叭狀，采取小端固定的方式，傳感器受力時，測力盤相當于一個懸臂梁(見圖9)。由材料力學可知，在相同結構參數下，簡支梁的撓度是懸臂梁的，變形量大幅降低。

圖9 測力盤受力模型

基于這一思路，在測力盤A的基礎上，設計了一種新結構的測力盤B，見圖10。測力盤B呈紡錘狀，伸出3個橋狀翼肋，用于安裝測力傳感器。采用兩端同時固定的方式進行安裝，每2個測力橋之間設計一條加強筋，進一步加強測力盤的結構強度。

圖10 測力盤B三維模型

3.2 優化結構有限元分析

對優化后的測力盤B進行有限元受力分析，材質依然選用國標40Cr。先進行單個推靠力測試的受力分析。再進行3個推靠力同時測試的受力分析，將測力盤B的變形與測力盤A的變形進行對比，結果見表5。由表5可知，測力盤B的變形大幅減小，僅為測力盤A變形的2.67%，優化效果非常明顯。

表5 測力盤A和測力盤B變形量對比

將測力盤B的變形與其余幾個零件的變形進行對比，結果見表6。由表6可知，測力盤B的變形量與其余3個干擾因素的變形量相當。測力盤的變形占比從之前的84%下降到12.5%。

表6 測力盤B受力變形量對比

3.3 測試試驗

對測力盤B進行推靠力測試試驗，結果見圖11。由圖11可知，實測推力和理論推力之間的差值約為0.9 kN，比測力盤A的測試差值5 kN小了80%左右，說明優化后的測力盤B確實減小了理論推力和實測推力之間的偏差，優化效果非常理想。

圖11 測力盤B理論推力-實測推力曲線

同2.2設置推力1、推力2和推力3，對1#推靠臂進行推力測試，壓力從0～24 MPa進行一個完整的升程和降程，設置2#、3#推靠臂的壓力為0，結果見圖12。由圖12可知，1#推力隨著1#設定壓力的增大呈線性增加，2#和3#推力則沒有任何變化，說明了優化后的測試系統不會相互干擾。

圖12 單個推靠力測試時3個實測推力的變化趨勢

4 結 論

(1)闡述了推靠式旋轉導向的工作原理，并針對推靠式旋轉導向鉆井系統推靠力測試需要，設計了一種測試系統，實現了推靠力測試及標定功能。

(2)進行了推靠力測試試驗，對試驗中出現問題的原因進行了深入分析，找出了影響測量精度的關鍵因素；并運用有限元軟件對各個零件受力變形情況進行分析，分析結論與試驗問題相互印證。

(3)根據分析結果對測力盤結構進行了優化，再次運用有限元軟件對優化結構進行仿真分析。仿真結果顯示，優化結構大大降低了測力盤的變形量和互相干擾，解決了3個推靠臂推力測試相互干擾，導致測量精度低的問題，優化結果在后續的試驗測試中得到了很好地驗證。

(4)所研制的推靠力測試裝置實現了推靠力的精確測量，為導向力的精確測控奠定了基礎，該測試系統已成功應用于儀器制造和使用，成為旋轉導向技術裝備產業化必備的測試設施之一。