一種靜止推靠式旋轉導向鉆井系統的設計方案

江　波　李曉軍　程召江　王飛躍

（西部鉆探鉆井工程技術研究院，新疆克拉瑪依　834000）

一種靜止推靠式旋轉導向鉆井系統的設計方案

江波李曉軍程召江王飛躍

（西部鉆探鉆井工程技術研究院，新疆克拉瑪依834000）

旋轉導向鉆井系統是在鉆柱旋轉鉆進時，隨鉆實時完成導向功能的一種先進的鉆井系統。介紹了西部鉆探工程公司自主設計的靜止推靠式旋轉導向鉆井系統的設計方案，采用模塊化的設計理念將整個系統分為地面監控系統、雙向通訊和動力模塊、MWD 模塊和導向短節4大模塊，各模塊采用獨立封裝結構，用標準化接頭連接，方便檢測、維修和后續作業。重點介紹了導向短節的結構和旋轉導向鉆井系統的工作原理。

旋轉導向鉆井系統；模塊化；導向短節；工作原理

旋轉導向鉆井系統根據其作用原理可分為推靠式和指向式兩類，推靠式旋轉導向工具根據其導向執行機構是否與上部鉆柱同步旋轉，又可分為旋轉推靠式和靜止推靠式兩類。若不考慮具體的結構、所處位置，單純從功能特性來劃分，旋轉導向系統可分為地面監控系統、動力和通訊系統、井下數據測量系統、導向控制系統和導向執行機構5大功能系統。但實際情況是5大功能系統并不是彼此獨立的，除了地面監控系統之外，其他4大系統之間在空間結構上是彼此交錯滲透的。例如，動力和通訊系統貫穿整個底部鉆具組合，其電源電路和數據收發電路很可能分布在兩段鉆鋌內；井下數據測量系統的一部分電路板可能與動力通訊系統的電路板安裝在一起并處在同一段鉆鋌內，另一部分電路板很可能與導向控制系統安裝在一起；動力和通訊系統的一部分、導向控制系統、導向執行機構可能安裝在同一處機械機構上。

顯然，將旋轉導向系統劃分成5大系統的意義僅限于分析和整體設計，以此來指導具體設計、加工、安裝和維護旋轉導向系統是不現實的。因此筆者采用模塊化的方法將旋轉導向系統進行重新劃分。各模塊是一套封裝起來的獨立的結構，根據其組成部分和主要作用來命名。文中主要介紹西部鉆探鉆井工程技術研究院自主設計的一套靜止推靠式旋轉導向鉆井系統的組成部分、結構和工作原理。

1　旋轉導向鉆井系統的組成部分及管串結構

該套靜止推靠式的旋轉導向鉆井系統由地面監控系統和井下工具構成。井下工具分為導向短節、MWD模塊、雙向通訊和動力模塊3大模塊，各模塊間通過標準化接頭連接。該標準化接頭包含鉆桿扣和導電裝置，可同時完成各模塊間的連接、密封和電子連接。MWD模塊由無磁鉆鋌和MWD探管構成，作用是測量井斜和方位并將測得的數據發送給脈沖發生器和導向控制系統。雙向通訊和動力模塊主要由無磁鉆鋌、泥漿發電機、脈沖發生器、電子倉等構成，作用是為井下工具提供電能，完成地面-井下雙向通訊的大部分工作（捕捉地面監控系統下傳的指令信號，向地面發送鉆井液正脈沖信號）。導向短節是旋轉導向鉆井系統在鉆柱旋轉的條件下進行定向鉆井時的井下決策和執行機構，作用是將轉盤扭矩傳遞給鉆頭并控制鉆頭側向切削地層的側向力大小和方向。導向短節結構復雜，工況復雜，承受的載荷復雜，其性能和壽命直接決定旋轉導向系統的優劣，是旋轉導向鉆井系統最核心的部分。導向短節是一套機—電—液高度一體化的井下工具，包括導向執行機構、導向控制系統、無接觸傳輸裝置3個分系統和旋轉芯軸、不旋轉外筒、下接頭等機械結構。導向執行機構也可以叫作可控偏執穩定器，翼片可以自由伸縮來推靠井壁。導向控制系統是旋轉導向鉆井系統相對獨立的井下分析、決策機構，作用是分析、計算井眼軌跡偏差和導向短節姿態，并據此或根據地面發送的指令控制導向執行機構工作。無接觸傳輸裝置的任務是實現信號和電能在相對旋轉的旋轉芯軸和不旋轉外筒間的傳遞。旋轉芯軸、不旋轉外筒和下接頭等機械結構是導向短節的承載結構，是導向短節3個子系統的載體，并傳遞鉆壓和扭矩。

該套旋轉導向鉆井系統的井下管串如圖1所示，鉆頭位于井下鉆柱的最底端。鉆頭上部通過鉆桿扣與導向短節下部相連，導向短節上部通過標準化接頭與MWD模塊相連。MWD模塊上部通過標準化接頭與扶正器連接，扶正器的上部是與其一體的柔性短節，柔性短節的上部也是一個標準化接頭，與雙向通訊和動力模塊連接。柔性短節和扶正器的作用是傳遞轉盤扭矩，降低上部鉆柱剛度對導向短節性能的影響。雙向通訊和動力模塊通過鉆桿母扣與上部鉆柱底端的公扣相連，上部鉆柱的頂端通過鉆桿扣與方鉆桿相連。地面監控系統位于地面。

旋轉導向鉆井系統的地面監控系統、雙向通訊和動力模塊和MWD模塊相對導向短節來說是國內比較成熟的技術，自主研制開發的難度也不高，因此重點講述的旋轉導向鉆井系統的導向短節。

圖1　旋轉導向鉆井系統

2　導向短節的結構

如圖2a所示，導向短節由旋轉芯軸、不旋轉外筒、導向肋板、下接頭、上TC軸承組、無接觸傳輸裝置、導向控制系統、液壓模塊、下TC軸承組等主要部分構成。

圖2　導向短節及局部放大圖

旋轉芯軸、不旋轉外筒和下接頭構成導向短節的主體結構。旋轉芯軸上端面的標準化接頭連接MWD模塊，下端面通過鉆桿扣與下接頭連接，旋轉芯軸的主要作用是實現導向短節與MWD模塊的機械連接和電子溝通，此外，轉盤扭矩也是通過旋轉芯軸傳遞給鉆頭的。不旋轉外筒套在旋轉芯軸的外側，相對旋轉芯軸可旋轉，外形結構類似于三翼直棱穩定器，不同的是翼片的中間是鏤空的，形成一個有臺階的鏤空槽，主要作用是作為導向控制系統和導向執行機構的載體。下接頭是一個雙母接頭，有2個鉆桿扣，上部的鉆桿扣與旋轉芯軸連接后將不旋轉外筒軸向固定，下部鉆桿扣連接鉆頭。

在導向短節的三大主體結構上安裝有導向執行機構、導向控制系統、TC軸承組和無接觸傳輸裝置。

導向執行機構是一套由一系列機械結構和液壓模塊子系統構成的復雜的機—電—液一體化的系統，包括不旋轉外筒、3個液壓模塊、3個導向肋板、6個板簧和板簧限位塊等。如圖2a和2c所示，3個液壓模塊裝入3個周向均勻分布的翼片的鏤空槽內。3個導向肋板位于液壓模塊外側，通過銷軸固定在翼片鏤空槽的上部，恰好蓋住3個鏤空槽，可繞銷軸旋轉一定的角度。如圖2b和2c所示，長梯形的板簧位于翼片的鏤空槽內的臺階上，處在導向肋板下方，與液壓模塊平行放置（因此在圖2b中去掉液壓模塊才能看見板簧）。板簧下側較窄的一端被板簧限位塊緊緊壓在翼片鏤空槽內的臺階上，上側較寬的一端通過螺釘與導向肋板固定在一起。每個翼片的鏤空槽內裝有2個板簧和2個板簧限位塊，位于液壓模塊的兩側，位置對稱。液壓模塊的活塞恰好嵌入導向肋板下側的圓孔內。導向肋板是導向短節直接與井壁接觸的部分，因此其外側需要鑲嵌一組硬質合金塊以提高導向肋板的耐磨能力。

導向控制系統由基體和控制電路構成，如圖2a所示，安裝在不旋轉外筒和旋轉芯軸間的環空內中部偏上的位置，與旋轉芯軸間有一定的間隙，通過密封系統和限位裝置緊貼在不旋轉外筒的內壁，旋轉芯軸轉動時導向控制系統和不旋轉外筒相對旋轉芯軸靜止。導向控制系統下部有3個周向均勻分布的導電插槽和螺紋孔，螺紋孔的作用是將液壓模塊的上部與導向控制系統連接起來，導電插槽的作用是連通液壓模塊和導向控制系統的供電和通訊線路。

TC軸承組共有上下兩組，每組由內TC軸承和外TC軸承構成一對摩擦副，內外TC軸承可相對轉動。如圖2a所示，上TC軸承組安裝在不旋轉外筒上端面和旋轉芯軸臺階面之間，下TC軸承組安裝在不旋轉外筒下端面和下接頭臺階面之間。兩組TC軸承共同作用，降低旋轉芯軸和下接頭相對不旋轉外筒旋轉時端面和內外徑向的摩擦力，提高導向短節的耐磨能力，使旋轉芯軸居中。

無接觸傳輸裝置由定子和轉子構成，定子固定在不旋轉外筒內壁，位于導向控制系統上部。轉子固定在旋轉芯軸外壁。無接觸傳輸裝置的定轉子間有一定的間隙，旋轉芯軸帶動轉子旋轉時，不旋轉外筒上的定子相對靜止。無接觸傳輸裝置的作用是完成旋轉芯軸和導向控制系統在相對旋轉條件下的電能和信號傳輸。

3　旋轉導向鉆井系統的工作原理

旋轉導向系統工作時，轉盤驅動方鉆桿旋轉帶動井下的上部鉆柱、雙向通訊和動力模塊、帶柔性短節的扶正器、MWD模塊、導向短節的旋轉心軸和下接頭旋轉，最終驅動鉆頭旋轉破碎巖石。

該套旋轉導向鉆井系統有2種閉環控制方式，分別稱作小閉環控制和大閉環控制。小閉環控制即井下閉環控制，導向短節內的導向控制系統綜合分析自身測得的近鉆頭井斜、導向執行機構的高邊方向和接收自MWD探管發來的井眼方位數據，計算井眼軌跡發生的偏差，并據此控制導向執行機構進行導向作業。大閉環控制指的是地面人工干預下的閉環控制，地面監控系統收到井下MWD模塊和導向控制系統通過雙向通訊和動力模塊中的脈沖發生器發送的井眼軌跡數據和導向短節姿態數據，經過解碼分析后判斷井下工況。地面人員制定相應的指令，編碼后通過信號下傳裝置向井下發送。雙向通訊&動力模塊捕捉到下傳指令后，將其發送給導向控制系統，導向控制系統根據地面指令控制導向執行機構進行導向作業。

導向控制系統可直接控制的是導向執行機構的液壓模塊。液壓模塊是一套獨立于鉆柱內壓力和環空壓力的液壓體系，內部設有電機、液壓泵、閥門組、傳感器、壓力補償系統、工作液缸等設備和結構。導向控制系統的控制電路直接操控液壓模塊的電機帶動液壓泵將液壓油打入工作液缸，工作液缸內的閥門組使液壓油產生一定的壓力，帶壓液壓油推動液壓模塊活塞伸出。

導向控制系統可根據實際情況控制3個周向均勻分布的液壓模塊活塞以不同的液壓力伸出，推動3個周向均勻分布的導向肋板克服板簧的阻力后繞銷軸旋轉。導向肋板的下側從翼片的鏤空槽內伸出并以不同的推靠力靠向井壁，在摩擦力的作用下不旋轉外筒將不隨旋轉芯軸旋轉。同時井壁產生的3個反作用力的合力可形成任意大小和方向的導向力，推靠鉆頭側向切削井壁地層，進而完成導向作業。

當不需要導向作業時，導向控制系統控制液壓模塊停止工作，此時板簧和板簧限位塊產生的杠桿力回收導向肋板，導向肋板將液壓模塊活塞壓回初始位置。

實際上該套旋轉導向鉆井系統有3種工作模式：導向模式、保持模式和待命模式。導向模式的導向力合力方向相當于彎接頭馬達的工具面方向，合力的大小決定狗腿度的大小。保持模式指的是在達到目標井斜后，導向力合力的作用由造斜變為保持目標井斜，防止軌跡偏移。待命模式指的是導向肋板和液壓模塊活塞全部收回，適用于活動鉆具、起下鉆、劃眼和側鉆等工況。

4　結論

（1）文中論述的靜止推靠式旋轉導向鉆井系統采用模塊化的設計方法，各模塊的接口標準化，方便檢測、維修，方便后續掛載測井、井下安全等。

（2）提出一種導向短節的結構，將導向控制系統、導向執行機構和無接觸傳輸裝置3個子系統合理布局在旋轉芯軸、不旋轉外筒和下接頭等承載結構上，關鍵部位做抗磨處理，提高導向短節的使用壽命。

（3）旋轉導向鉆井系統有2種控制方式和3種工作模式，都是通過導向控制系統控制導向執行機構3個液壓模塊液壓力的大小來調整導向力合力的大小和方向實現的，當液壓模塊停止工作后，導向肋板的回收是通過板簧的回彈來實現的。

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（修改稿收到日期2015-05-04）

〔編輯薛改珍〕

Design scheme of a static push-the-bit rotary steering drilling system

JIANG Bo, LI Xiaojun, CHENG Zhaojiang, WANG Feiyue
（Drilling Engineering and Technology Research Institute, Xibu Drilling Corporation, Karamay 834000, China）

The Drilling Engineering and Technology Research Institute of the Xibu Drilling Engineering Company has started self-development of rotary steering drilling system over years of follow-up study of rotary steering drilling system. This paper mainly presents the design scheme and structure of the static, push-the-bit rotary steering drilling system. The system is of modularized design and is divided into surface monitoring system, two-way communication and power module, MWD module and steering sub, of which the steering sub is the technical difficulty and key point in the rotary steering drilling system and is also the focus of this paper. Based on the proposed design scheme and structure, the paper also explains the working principle of this rotary steering system, provides a viable technical plan for the development of rotary steering system and is of guidance significance to the research of rotary steering system.

rotary steering drilling system; modularized; steering sub; working principle

TE21

A

1000 – 7393（ 2015 ） 03 – 0019 – 04

10.13639/j.odpt.2015.03.005

江波，1984年生。2011年畢業于中國石油大學（北京）石油工程學院油氣井工程，現主要從事井下工具的研制與開發工作。電話：18699012571。E-mail：paaljiang@qq.com。

引用格式：江波，李曉軍，程召江，等.一種靜止推靠式旋轉導向鉆井系統的設計方案［J］.石油鉆采工藝，2015，37（3）：19-22.