指向式旋转导向工具面角度精确控制与优化

吴泽兵 蒋梦洁 谷亚冰 李济彤 翟喜萍

摘要：指向式旋转导向工具关键性功能是实现快速、平稳地调整钻井工具面，并在存在外部干扰的情况下维持工具面角度精确控制。为了实现指向式旋转导向系统对钻头工具面的调整，对该系统偏置机构内外偏心环的旋转角度与钻头偏转角、工具面角的关系进行了理论公式的推导，得出在确定钻头偏转角和工具面角后，内外偏心环运动轨迹的求解公式，利用软件对运动轨迹公式编程，以求解内外偏心环的运动轨迹以及对运动轨迹进行优选，以快速实现调整目标工具面的运动轨迹，缩短内外偏心环的调整时间，提高系统工作效率；使用三维建模软件Creo建立指向式旋转导向工具的几何模型，并将其导入到ADAMS软件中进行运动轨迹的仿真，仿真结果与理论值误差小于2%，验证了推导的内外偏心环运动轨迹方程的可行性与运动轨迹优选程序的实用性。研究结果可为通过工具面对钻头精确控制提供一定的指导。

关键词：钻井；钻头;旋转导向；偏心环；工具面；运动轨迹

The key functionality of the pointthebit （PTB） rotary steering system is to achieve a rapid and smooth adjustment of the drill bit toolface，and to maintain the toolface in the presence of external interference.Therefore，in order to realize the adjustment of the directional rotary steering system，the paper analyzes the rotation angle of the drill bit and the rotation angle of the internal and external eccentric ring，and optimize the formula to shorten the adjustment time of the internal and external eccentric ring，and improve the efficiency of the system.After the derive motion trajectory equation and designed trajectory optimization program，the threedimensional modeling software Creo was used to establish the geometric model of the PTB rotary steering system，and the geometric model was imported into ADAMS，the virtual prototype simulation software，the relative error between the simulation result and the theoretical one is less than 2%，which verifies the feasibility of the equation and the practicability of the motion trajectory optimization program.The findings of this research provide guidance on precise control of the bit by manipulating the tool face.

drilling;bit；rotary steering;eccentric ring;tool face;movement trajectory

0 引 言

石油和天然氣是与国民经济相关的战略资源，据相关统计，我国的石油消费量已经连续多年位居世界第二位。随着我国经济的持续高速发展，对石油天然气的需求仍逐年增加［1-2］。但中国常规石油天然气资源产量持续下降，石油行业面临着浅层常规石油时代结束的挑战，而转向对低渗透性、深层超深层、深海、页岩油气等非常规油气田的开发［3-5］。因此，传统的滑动导向钻井技术已经无法适应时代的需求［6］。为此，研发了一种新型的旋转导向钻井技术来应对当前油气资源开发过程中的各种问题，并在实际应用中展现了钻井速度快、井身质量好、深井复杂结构井的井眼轨迹控制精度高、钻杆与井眼的摩擦力小等优势［7-8］。根据斯皮恩斯的市场调查，截至2019年，旋转导向钻井技术已占据石油行业定向钻井市场的70%以上。20世纪末，我国展开了对旋转导向技术的研发，到目前为止，已在该技术领域取得了一些显著的成果；但投入生产应用的旋转导向系统很少，技术与应用水平与外国石油服务公司相比还存在很大的差距，我国对非常规油气田的开采还需依赖于国外的旋转导向技术［3］。因此，仍需努力开发拥有自主知识产权的旋转导向系统。

目前，在已开发应用的旋转导向系统中，按系统工作方式可分为推靠式、指向式和混合式（指向式+推靠式）3类［4，9］。指向式旋转导向系统主要是通过控制偏置机构内外偏心环的旋转角度来控制钻头的钻进方向。以往关于内外偏心环偏置作业的研究主要集中在内外偏心环的不同旋转角度与偏心环处心轴中心点位置的关系公式推导，而对实际钻进过程中钻头的偏转角与工具面角关注较少。

为此，笔者推导了内外偏心环的不同旋转角度与钻头偏转角、工具面角之间的关系公式，实现由指定的钻头偏转角与工具面角便可计算得到系统偏置机构内外偏心环由初始位置到指定位置的旋转角度。

笔者主要研究指向式旋转导向系统中偏置机构对钻井工具面的快速及精确控制。研究结果可为通过工具面对钻头精确控制提供一定的指导。

1 指向式旋转导向工具结构及原理

笔者研究的指向式旋转导向系统主要由外筒、心轴、悬臂轴承、偏心环组合和调心球轴承组成。该旋转导向工具的外筒相对于井壁不旋转或旋转非常缓慢，从而为轴内所需的偏转提供支撑和参考，并为钻头提供钻压。系统通过偏置导向机构对与心轴连接钻头的工具面进行精确控制。图1为系统的导向原理示意图［10］。

偏置导向机构中最主要的执行机构是偏心环组合。笔者研究的偏心环组合由2个偏心率相同的偏心环组成，它通过调整内外偏心环的位置可以实现增斜、稳斜和降斜的目的。偏置机构结构如图2所示［11-12］。

2 偏心环组合与钻头偏转角及工具面角的关系

在指向式旋转导向工具的偏置机构中，内外偏心环通过旋转不同的角度，可以通过组合实现0°到360°的工具面角的设定，通过驱动内外环各自旋转一定的角度，可以对心轴形成一个可控的工具面角和偏心位移，从而控制钻头的工具面角和偏转角，如图3所示。在钻进过程中，可以根据预设的井眼轨迹得到钻进所需的造斜率和方向，确定对应钻头的工具面角和偏转角，进而求解到内外偏心环对应的旋转角度。

2.1 心轴弯曲变形的求解

为了使钻头达到目标的工具面角和偏转角，首先分析得出偏心环处心轴中心的偏心位移及工具面角；然后，分析得出内外偏心环分别需要转动的角度。因此，要优先推导得出钻头的工具面角和心轴中心关系的理论方程。

3 内外偏心环运动轨迹优选

偏置机构的动力来源于电机，由传动部件即齿轮将电机动力传递到内外偏心环上。为保证偏心环旋转角度的控制精度，应控制其角速度Ω在12 （°）/s以内。

实际上，当该工具要按目标造斜率造斜时，需要先调整内外偏心环的工具面角;且造斜过程中，受到地层硬度等不可控因素影响，为保证钻进按照预设井眼轨迹进行，需要不断调整偏置机构。要使得调整时间最短，效率提升，则需要对式（10）和式（11）的2组解的4种组合方式进行取舍，获得内外偏心环的最佳运动轨迹以实现目标钻头偏转角度。

图6为内外偏心环中心运动轨迹示意图。A为外偏心环外圈中心位置，B为外偏心环内孔中心，C为偏置机构处心轴中心实际位置。假设C点为心轴中心运动目标点，则外偏心环内孔中心运动到B或者D两点时，内偏心环再转动，都可以使心轴中心到达C点。由于e1、e2值的固定，所以可从图6中看出内外偏心环组合有且仅有2种啮合方式实现目标偏心位移和角度，显然，在内外环旋转角速度Ω一定时，内外环一起旋转可以最快到达目标位置。

4 系统运动轨迹仿真

利用上述推导的公式，可以由指定的钻头偏转角与工具面角，得到系统偏置机构内外偏心环由初始位置到指定位置的运动轨迹，并用Excel软件进行编程计算，在求解的4组运动轨迹中优选出时间最短轨迹的计算过程，得出内外偏心环到达指定位置的运动轨迹及优选出使用时间最短的运动轨迹和运动时间。

系统仿真模型心轴外径D=50 mm，内径d=30 mm，偏置环组合距悬臂轴承的距离为a=675 mm，悬臂轴承与球轴承间的心軸轴向距离为l=1 m，偏置机构内外偏心环的偏心距e均为5.87 mm。利用程序计算出钻头从初始状态调整到偏转角为2.48°、工具面角为68°时的内外偏心环运动轨迹及最优轨迹。程序计算结果如表1所示。

4.1 几何仿真模型建立

为验证上述推导所得公式与根据公式编写计算程序的正确性与实用性，笔者将通过虚拟样机的构建，利用ADAMS虚拟仿真方法，求解造斜状态下内外偏心环运动轨迹变化曲线，并将钻头偏转角和工具面角仿真值与给定期望值进行比较，得出差异，以判定理论公式与计算程序的可行性。

具体的试验过程如下：首先，使用ADAMS虚拟样机软件构建指向式旋转导向机构的仿真模型。ADAMS软件建模模块在建立复杂模型方面稍显逊色，可先利用Creo建立指向式旋转导向机构的几何模型。模型主要由心轴、内外偏心环组合、调心轴承、悬臂轴承、外套等零部件组成，具体几何模型如图7所示。

然后，将上述的指向式旋转导向机构的简化仿真模型采用Parasolid标准传递文件导入到ADAMS软件中；根据此系统的工作原理，添加约束与驱动，并依据各个部件的选材，设置模型的材料属性；同时，定义运动驱动、部件之间接触等，进而完成虚拟样机的设置，进行运动仿真。在ADAMS软件中的各零部件之间添加的运动副如表2所示，接触对如表3所示。

外环

在ADAMS软件中，按照表2和表3施加约束副、设置接触对及其他边界条件，得到心轴的仿真模型，如图8所示［15］。

4.2 仿真实例

利用ADAMS软件模拟钻头从初始状态调整到偏转角为2.48°、工具面角为68°时，其偏置机构从初始位置到指定位置的运动轨迹及运动时间。由于当内外环角度到达指定位置时，便会停止转动，常规的驱动施加方式已经无法完成这一特殊计算。因此，笔者为了实现上述内外环的运动轨迹仿真，采用了脚本仿真控制驱动，具体实现模拟的步骤如下：

第一步，创建2个角度测量，分别是内环与外环之间角度测量INNERRING_ANGLE和外偏心环与Y轴负向角度测量OUTERRING_ANGLE，并对内外偏心环的旋转角度进行监控。

第二步，在对这2个角度测量分别施加2个传感器SENSOR_1与SENSOR_2时，当内外偏心环旋转到指定位置后，便停止转动。

第三步，分别为心轴施加MOTION_3、外偏心环施加MOTION_2和内偏心环施加MOTION_1 3个旋转驱动，然后设置心轴转速为200 r/min。选用脚本仿真控制中的ADAMS Solver Commands求解器命令方式，用输入的命令和参数对内外偏心环的旋转驱动进行控制，具体命令如图9所示。最后选用执行脚本命令来进行仿真，即在Simulation中选用Script Control进行仿真。

仿真中得到提示：传感器SENSOR_1被触发后，停止仿真模拟，具体提示如图10所示。仿真结束时提示仿真时间为16.83 s，即内外偏心环在16.83 s后到达指定位置。

4.3 仿真结果

内外偏心环的角度测量曲线与内偏心环内圈中心点的位移曲线变化，即心轴在偏置机构处截面中心点的位移曲线变化，分别如图11和图12所示。

由图11可知，外偏心环转动22°后触发传感器SENSOR_2，外偏心环便停止转动，内偏心环继续旋转到202°时传感器SENSOR_1被触发，此时内偏心环停止转动，模拟仿真结束。

由图12可以看出，在前1.9 s的时间里，由于内、外偏心环保持同速旋转，内外偏心环的相对位置并没有发生改变，因此心轴的位置也没有发生变化。1.9 s后传感器SENSOR_2外偏心环停止转动，内偏心环继续旋转，心轴的位移曲线便开始变化，直到达到指定位置。模拟仿真结束后心軸的位置坐标为x=-4.056 4 mm、y=-10.231 8 mm，心轴总位移为在工具面角为248.374 1°方向偏移了11.01 mm。钻头的中心点运动轨迹如图13所示。根据式（5）和式（6）计算的理论值：偏心环处心轴中心点的位置坐标为x=-3.942 0 mm、y=-9.757 8 mm，与仿真结果相比误差小于5%，验证了此理论公式的正确性。

从图13可以看出，钻头中心最后的位移坐标为x=2.361 2，y=6.265 8，总位移为在工具面角69.351°方向偏移了6.696 mm。调心球轴承到钻头工作面的距离为159.980 mm，钻头的偏转角为2.49°。与预设钻头的偏转角为2.48°、工具面角为68°的误差小于2%，验证了本文推导内外偏心环的不同旋转角度与钻头偏转角、工具面角之间的关系公式的正确性与实际应用的可行性，并且验证了内外偏心环运动轨迹优选程序的正确性。

图13 钻头中心位移变化曲线

Fig.13 Change of the bit center displacement curve

5 结 论

（1）根据推导得到的系统偏置机构内外偏心环运动轨迹公式，可以得到每一组确定的钻头偏转角和工具面角，也可得到4组不同的内外环旋转角度。为了缩短偏置机构的调整时间，本文通过Excel软件编辑程序求解的4组运动轨迹中时间最短的轨迹。

（2）利用Creo软件建立了简化的指向式旋转导向系统的三维模型，基于该几何模型在ADAMS软件建立了有限元动态仿真模型，利用此模型进行了实例仿真，得到内外偏心环、心轴与钻头的运动轨迹，对比理论与仿真结果的误差小于2%。验证了推导所得的内外偏心环的不同旋转角度与钻头偏转角、工具面角之间关系公式的正确性与实际应用的可行性，并且验证了内外偏心环运动轨迹优选程序的正确性。

（3）编制的偏心环运动轨迹优选程序，可以快速实现指向式旋转导向系统对钻头工具面的调整，有利于提高导向系统的工作效率。

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