連續管鉆井肋式定向器執行機構偏置位移優化

邢志晟 孔璐琳 祝傳增 鄭碩 焦濱海 蔣世東 李猛

摘要：為了提高連續管肋式定向器井眼軌跡控制效果及定向效率，結合最小能量原則，建立了肋式定向器執行機構偏置位移矢量模型。根據旋轉偏置位移理論對定向器的執行機構進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學關系分析，提出了分位移矢量計算方法。并結合實際工程中的設計要求，采用就近原則和最小能量原則進行三翼肋分位移矢量計算。綜合考慮井眼擴大、實際鉆進時定向器外套的轉動等影響，建立了連續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律。研究結果表明：連續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小；在導向過程中，當三翼肋工具面角相隔120°時，某些運動規律相同；連續管鉆井進入斜直井段時，此時不存在工具面，此時屬于“鉆進模式”，各肋位移相同。所得結論可為連續管鉆井肋式定向器導向控制提供理論基礎。

關鍵詞：連續管鉆井；肋式定向器；執行機構；偏置位移；優化研究

0 引 言

連續管鉆井技術（CTD）是國際公認的全新鉆井模式，高難度前沿技術，具有鉆柱連續、帶壓作業、不間斷循環、易于預置光纖和電纜、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、安全快捷等優勢，克服了常規鉆井技術和方式難以解決的問題，目前在北美已廣泛應用于頁巖油氣、煤層氣及致密油氣等非常規油氣藏的開發［2］ 。頁巖氣鉆井大多數為水平井，傳統的井下馬達導向為滑動鉆進，連續管管柱不能旋轉、單一滑動鉆進、強度和疲勞壽命低于常規鉆桿、大鉆壓施加受限、應對硬地層性能差、遇卡后解卡能力不足等局限性沒有得到充分認識［3］。川渝地區頁巖氣資源豐富，但CTD在國內的應用仍處于起步階段。

不同于常規鉆柱，連續管是柔性管柱，具有不可旋轉性，必須應用井下定向器調整工具面方可達到有效鉆進的目的［4］。第一、二代CTD定向器下接彎螺桿，所鉆出的井壁粗糙，導致連續管在鉆進過程中極易發生屈曲，從而影響鉆壓傳遞，導致鉆進困難［5］。CTD肋式定向器可解決這一問題，該定向器通過控制其關鍵機構（執行機構）輸出偏置位移形成一定的工具面角，從而進行井眼軌跡控制。可見，CTD定向器的執行機構偏置位移規律是連續管鉆井井眼軌跡控制的理論基礎［6-9］。

目前國外連續管鉆井定向裝置可分為3大類，分別是液壓定向器、電驅動定向器以及電液驅動定向器。國外的導向鉆井技術在20世紀末已經相當成熟，該工具的相關技術長期被國際大型跨國油服公司所壟斷，但其對我國實行了技術封鎖，而國內連續管定向工具的研究才剛起步。近幾年，雖然國內在該技術的許多領域已有突破性進展，但與國外技術尤其是新的旋轉導向工具技術方面相比，仍有較大差距［10］。筆者在執行機構物理建模的基礎之上，進行執行機構偏置位移優化研究，以期為定向器導向控制提供理論基礎。

1 定向器技術分析

1.1 定向器結構

連續管鉆井定向器結構如圖 1 所示，主要包括動力裝置、控制裝置和壓力構件等。其中動力裝置包括1個鉆井泵，用于向壓力構件提供高壓流體，控制壓力構件在正常和徑向延伸位置間移動；還包括與控制裝置相關聯的電動機。控制裝置安裝在電動機的旋轉機構中，鉆井電動機包括動力組件和軸承組件，其中轉向裝置分布在軸承組件中；每個控制裝置包含1個流體控制閥，以及控制每個閥的閥門制動器。壓力構件包括1個活塞，活塞受到來自動力裝置的高壓流體作用，使肋構件發生徑向移動；還包括與壓力構件相關聯的傳感器，用于接收和轉化壓力構件與參考位置之間位置關系的信號。

1.2 工作原理

在鉆井過程中，電動機為鉆頭提供旋轉動力，電動機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。轉向裝置分布在鉆井馬達或軸承組件中，在鉆井過程中提供方向控制。轉向裝置是安裝在軸承箱外表面的多個肋。每個肋在外殼的正常或折疊位置與徑向延伸位置之間移動。當處于延伸位置時，每個肋向井筒內部施加壓力。為了改變鉆井方向，激活1個或多個肋，即在每個肋上施加所需的力向外延伸。每個肋上的力的大小是獨立設置和控制的，肋在鉆頭上產生一定的偏置力，接觸井壁后，靠井壁的反作用力使鉆頭產生側向切削力，從而實現導向［11］。動力裝置分布在包含多個傳感器的軸承組件中，傳感器用于確定每個肋施加在井筒上的力。動力裝置響應傳感器后，通過電氣控制單元或電路控制動力單元激活1個或多個肋板，從而控制肋的伸縮。控制電路可安裝在鉆井電動機上方或鉆井電動機旋轉部分的適當位置。對于小井眼，萬向軸接頭分布在轉向裝置的支座上，提供轉向功能。

2.2 合位移矢量方向的確定

在連續管定向器各肋所在的共平面建立平面直角坐標系XOY，Ω=OG為合位移矢量，Ω1=OG1、Ω2=OG2和Ω3=OG3分別為3個分位移矢量（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）之間的區域為無效控制區域（見圖3b黃色區域），若各肋周向位置發生轉動（受摩擦扭矩影響），則可形成內外圓之間的無效控制區域（見圖3b紅色+黃色區域）［12-13］。

4 肋位移變化規律

根據式（9）、式（11）和式（13），可得連續管定向器各肋位移隨工具面角變化規律，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，當固定1#肋工具面角為30°時，在軌跡的工具面角［0，90°］范圍內，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#肋位移先增加后減小；在總工具面角［90°，210°］范圍內，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，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，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，某些肋運動規律相同。例如，定向器1#肋工具面角分別為30°、150°、270°時，［Ω1－30°，Ω3－150°，Ω2－270°］位移運動規律相同，同樣有［Ω2－30°，Ω1－150°，Ω3－270°］、［Ω3－30°，Ω2－150°，Ω1－270°］位移運動規律相同。

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

5 結 論

（1）將連續管鉆井肋式定向器偏置位移矢量控制簡化為控制平面內位移矢量的合成與分解，指出分位移矢量求解時解的多樣性，在三翼肋定向器實際工作過程中，使用就近原則和最小能量原則進行分位移矢量計算并實現鉆井過程中的導向功能，建立了連續管鉆井定向器導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，某些肋運動規律相同；連續管鉆井進入斜直井段，不存在工具面角，連續管定向器為保持鉆進模式，各肋位移相等。

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