旋转导向系统现状及关键技术分析

2021-11-27张达王旭东梁军张希玉赵凯

中国科技纵横 2021年8期

张达王旭东梁军张希玉赵凯

（1.航天深拓（北京）科技有限公司，北京 100176；2.中国石油天然气股份有限公司西南油气田分公司页岩气研究院，四川成都 610056）

1.旋转导向技术概述

旋转导向施工技术在用具和辅助工具上，不同于传统的钻井方法。其定向旋转钻井系统包括钻头和钻杆、控制系统和通信系统。在工程钻进过程中，钻头受控制系统指令，控制钻头钻进方向。通过对调整钻杆，使钻头在钻进中，不论面对在有倾角或坡度条件下都能满足钻进要求，并根据工程需要有效的提高了钻进效率，从而实现所有斜井和水平井的实际钻井需要。导向技术的应用，也使钻具组合最大限度地提高了施工效率，对满足钻井要求和解决施工转向技术的难题具发挥了重要作用。从现有的钻井工具组的应用来看，基本可以满足各种复杂地层的钻井施工要求，在实际应用中，为转向系统的应用，提供了有力的支撑。因此，全面了解旋转导向钻井技术对处理复杂地层中的钻井工作有重大意义[1]。

2.旋转导向系统的特点

2.1 钻杆旋转时可以改变钻距和方位角

旋转导向操作系统，是旋转导向钻井技术的特殊工程应用。在其应用过程中，可改变钻杆的倾角和方位角，实现钻孔方向的调整。并可根据钻井要求和特点，有效应用靶标，解决了钻井问题，提升整个钻井过程效果。通过调整钻井施工过程中的倾角和方位角，使整个钻井系统满足水平方向井的施工要求，使所有水平方向钻孔都能地控制钻井方位，特别是对钻头的控制。旋转导向系统具有钻井效率高、路径好控制的优点，能全面满足水平定向钻孔的施工要求。

2.2 钻孔效率高不会出现卡钻现象

在旋转导向技术应用中，其钻井施工效率比较高，而且不会卡钻。在特殊地层钻进时，通过调整角度改变钻孔钻进方向，因而有效提高民工程整体的钻进效率。在应用中，由于钻头不会发生粘连，效率高，因此可以应对各种地层中的钻孔施工问题。在水平定向钻孔施工过程中，容易卡钻现象，影响钻井的正常施工。而旋转导向系统有不卡钻的施工优点，因此在施工水平定向孔时具有先天优势。因此，将该技术合理应用于水平定向钻孔，不仅有利于改善施工效果，而且满足了系统的钻井要求。

2.3 强大的技术优势

应用旋转导向技术的技术优势，是可以根据钻井需要，判断地层特征，再根据地层特点优化钻井工艺，调整钻井施工角度，满足钻孔路径控制要求。在应用中对钻井方向，特殊角度控制和水平钻进能力，对于有效解决水平钻孔的技术问题具有重要作用。因此旋转导向技术，已成为地层钻井的核心技术，推动了复杂地层钻井的技术发展[2]。

3.国内旋转导向技术研发现状

我国对旋转导向技术的研究始于90年代，有许多机构都参与了该技术的研发。在国家“863”工程的支持下，石油管理局钻井研究所、中国石油总公司等科研院所，经过反复试验和开发，已攻克了一些关键技术难题。并在现场测试中表现良好，但同时也存在一些问题。通过经过不断改进和研究，旋转导向系统已经下钻几十次试验，取得了有一些令人鼓舞的成果，但其故障率仍然很高，还有一些如可靠性方面的问题急需解决。因此，国产的旋转导向系统，其广泛推广和应用还有很长的路要走。

4.旋转导向系统关键技术

4.1 基本旋转转向技术分析

考虑到国内外对旋转导向技术的研究及发展，目前一些关键技术还存在问题。国内的试验结果与国外相对成熟的技术仍有较差距。要完全达到工业应用水平，还需解决不好问题。其中主要问题包括：钻头速度低、钻头卡钻问题、加卸载指令信号异常、电能量比较低以及关键零部件不耐高温等问题。其中，工具的耐低温性，是阻碍旋转导向系统推广使用的重要因素。另外电路元件故障也是缩短工程系统正常使用寿命的重要因素。因此，在使用旋转导向工具时，其目的是实现施工钻孔的控制。如果无法进行有效控制，则无法实现旋转转向效果。根据旋转导向系统功能的分类和设计指示，技术人员列出了，推动式旋转转向信息框架，形成了可靠性比较成熟的推动式旋转转向系统[3]。

4.2 电力非接触传输技术

在旋转导向系统的旋转和非旋转部分，传统的系统采用接触式传输方式，由于接触滑环安装极为不方便，且易受水和泥浆腐蚀。在总线电路中，其电力传输有大量的无功功率，导致非接触式线路中产生大量的功耗，造成设备容易损坏，同时载波信号的传输过程容易受到干扰。因此，通常的做法是，优化非接触电力参数，并有效提高电力传输效率。目前的技术应用中，迫切需要非接触式的电力传输方法，即松耦合电力传输技术，以此适用于非接触电力的地下传输。松耦合变压器的应用，可以实现旋转和非旋转部分间的电力能源和数据同步。在实际操作中，动力的传输效率和信号误码率，是旋转手轮导向的关键。使用ANSYS仿真软件对磁铁进行仿真分析，优化其电磁场分布，降低和改善过程动力传输中，磁铁产生的热量。有效提供了接触式传输效率和导向控制元件的推力，确保操作系统实现了更高的施工速度。非接触式电能传输方式，实现了设备旋转轴与非旋转部件的数据同步传输，保证了传输效率，降低了传输的信号错误率，同时提高了电源输出的稳定性。而谐振频率，提高了接触能量的非旋转传输作用效率，接收信号的软硬件，通过滤波处理，提高非接触信号传输的成功率，提高元件对高温和振动环境的适应性。

4.3 单总线电路

单总线电路，负责井下电路的数据传输和信息通信，并完成井下指令的加载功能。由于它既可以传输电源，也可以传输功能信号，因此节省了大量的钻井空间。其设备外壳作为公共接地部件，使全部设备之间只有一根连接电缆，降低了设备结构使用操作的难度。同时使无线传输操作也变得也简单，具有传输数据稳定和可靠的优点。通信载波技术，其作用是将信号叠加在电源线上，实现各系统的通信。多级滤波技术可以滤除电源中多余的噪声。减少了发送电路和接收信号的衰减，同时实现多节点连接。单总线的主要作用是处理对不同数据的请求、发送或接收等。也就是完成数据的信号传输功能，起到“桥梁”的作用。关于信息传输，单总线的主控芯片，其发出的方波信号，经过有源滤波和功率放大后，转变成传输正弦波或峰值波等形式，将数字信号转换成模拟信号。关于信号接收部分：信号经保护电路、噪声消除、源滤波、整形和逆变电路过程，最后返回主控芯片，同时完成类比转换。将信号再转换回数字信号，以此完成交换信息以及发送和接收命令的过程。单总线电路是系统配置、检测系统的中心。它是总线控制系统电路的一部分，也是在实际操作中，实现旋转方向的重要环节。