静态推靠式旋转导向的导向力变化规律模拟研究

韩东东(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452)

1 引言

随着我国石油资源的不断开采，水平井、大位移井、多分支井等复杂井越来越多。而旋转导向钻井技术就能够很好地解决这些复杂井钻井的技术难题。目前，国内已经研制出静态推靠式旋转导向钻井系统，现场应用过程中发现国产旋转导向系统的工具面调控误差较大，误差来源可能为旋转导向系统的调控机制。由于推靠式旋转导向系统的导向合力与偏心位移调控不完全等效，工具面调控误差很可能院子调控机制。为了减小工具面调控误差，需要理论与实验探究导向合力调控还是偏心位移调控更合适。基于静态推靠式旋转导向系统的结构及工作原理，通过模拟实验模拟研究静态推靠式旋转导向钻井工具的两种调控模式，为下一步优选调控模式和提高调控精度提供技术支持。

2 实验装置

2.1 水平实验架

如图1 所示，水平实验架是整套装置的主体部分，用于安装驱动电机、固定模拟井筒、安装测量传感器等，在前后两端有加压手轮，可根据需求加压。

图1 水平井眼钻柱动力学模拟装置结构示意图

2.2 模拟旋转导向钻井工具

模拟旋转导向钻井工具整体结构示意图如图2 所示。为了使模拟钻井工具的工作模式与现场实际情况相吻合，非旋转套与旋转芯轴两部分由轴承相连接。旋转芯轴上端与钻柱相连，下端与接钻头相连，其主要功能是传递钻压与扭矩。模拟旋转导向钻井工具主要由旋转芯轴、台阶、推力组合滚针轴承、翼肋槽、非旋转套以及下主轴短节组成。由于模拟旋转导向钻井工具尺寸太小，翼肋处采用碟簧代替液压单元施加推靠力本次模拟实验主要研究在基础力较大和较小时导向合力、偏心位移、钻头侧向力的调控方向随钻进参数(钻压、转速)变化规律。其中，基础力是指三个导向翼肋提供的推靠力中最小的那个力；基础力较大是指三个导向翼肋提供的推靠力均较大；基础力较小是指三个导向翼肋提供的推靠力至少有一个比较小。基础力较大时，采用两片并联两串联+两串联碟簧组合方式(两组碟簧刚度较小而另一组较大，刚度大的碟簧产生的推靠力明显大于另外两组)；基础力较小时，采用两串联+一串联四垫片组合(碟簧组合刚度一样但压缩量不同，一组推靠力明显小于另外两组)。

图2 模拟旋转导向钻井工具结构简图

3 实验方案及流程

3.1 实验方案

(1)将碟簧按照预先设置的组合方式装到非旋转外套孔隙内，放上三个翼肋，然后将整体推入加粗井筒内，当翼肋中心与位移传感器对齐时停止推入，记录初始径向。然后继续推进直到位移传感器到达非旋转套下端。之后安装钻头侧向力传感器，转动加压手轮，使压力传感器贴近钻头。然后开始采集钻压、径向位移、钻头侧向力等相关数据。做完一组数据采集后，转动加粗套筒旋转90°，重复测量三次。测量结束后，应用MATLAB和Excel 将所得数据进行处理，通过建立折线图的方式直观表现出偏心位移、导向合力和钻头侧向力三者方向上的差异。

(2)基础力较大时工具面角随钻进参数(钻压、转速)变化规律模拟采用两片并联两串联+两串联碟簧组合方式，改变钻压、转速，探究导向翼肋处导向合力方向、偏心位移方向，以及钻头侧向力方向变化规律。

(3)基础力较小时工具面角随钻进参数(钻压、转速)变化规律模拟采用两片串联四垫片+两串联组合，改变钻压、转速，探究导向翼肋处导向合力方向和偏心位移方向，以及钻头侧向力方向变化规律。

3.2 实验流程

(1)模拟参考工具面角0°时调控方向变化规律(相当于全力增斜状态)。

(2)模拟参考工具面角90°时调控方向变化规律(相当于全力增方位状态)。

(3)模拟参考工具面角180°时调控方向变化规律(相当于全力降斜状态)。

(4)模拟参考工具面角270°时调控方向变化规律(相当于全力减方位状态)。

4 结语

本文利用模拟旋转导向工具通过改变翼肋处的基础力与钻进参数进行模拟实验，实验数据经过处理之后可以的到以下认识。(1)在研究工具面角随钻进参数的变化规律过程中，可以观察到无论参考工具面如何变化，偏心位移和导向合力的方向基本上不易受转速、钻压的影响，始终比较稳定。(2)参考工具面角为0°、90°、180°时，钻头侧向力方向与导向合力方向更接近，此时应采用导向合力调控模式；参考工具面角为270°时，钻头侧向力方向与偏心位移方向更接近，此时应采用偏心位移调控模式。