旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向推力測(cè)試裝置設(shè)計(jì)優(yōu)化

張玉霖 盧濤 賈建波 楊恒燦 菅志軍 丁旭東

摘要：為了提高推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向推靠力測(cè)量精度，進(jìn)而提高井眼軌跡控制精度，設(shè)計(jì)了一套推靠力測(cè)試裝置。利用有限元軟件對(duì)該測(cè)試裝置進(jìn)行了受力分析，找出了影響測(cè)量精度的主要原因，并針對(duì)性地提出了改進(jìn)措施，對(duì)測(cè)試裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。對(duì)改進(jìn)后的測(cè)試裝置進(jìn)行了受力分析，分析計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果均顯示，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)很好地消除了干擾，大幅降低了測(cè)量誤差，達(dá)到了精確測(cè)量推靠力的目的。該測(cè)試裝置已經(jīng)大量應(yīng)用于中海油服自研旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的批量制造之中，成為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向制造過(guò)程中的關(guān)鍵測(cè)試設(shè)備之一。研究結(jié)果可為提高井眼軌跡控制精度提供重要參考。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向；推靠力測(cè)試系統(tǒng)；有限元分析；設(shè)計(jì)優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：TE921 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16082／j．cnki．issn．1001-4578.2022.12.006

Design and Optimization of the RSS Push Force Test Device

Zhang Yulin Lu Tao Jia Jianbo Yang Hengcan Jian Zhijun Ding Xudong

（China Oilfield Services Limited）

Abstract：Inorder to improve the measurement accuracy of the push force of the push-the-bit rotary steerable system（RSS），and improve the accuracy of wellbore trajectory control， a set of push force test device was de- signed.The force analysis of the test device was conducted by using the finite element software and the main factors influencing the measurement accuracy were identified. Accordingly，the improvement measures were put forward and the test device structure was optimized. The optimized test device was analyzed by using the finite element soft- ware.The analysis and test results show that the optimized structure eliminates the interference and reduces the measurement error greatly， which achieves the accurate measurement of push force. This test device has been widely applied in the RSS batch manufacturing of COSL，becoming one of the key test equipment in the manufac- ture of RSS.Theresearch results provide an important reference for improving the accuracy of wellbore trajectory control.

Keywords：rotary steerable system; push force test system; finite element analysis; design optimization

0引言

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)（1—］是當(dāng)代定向鉆井技術(shù)發(fā)展的最新成果，是目前油氣勘探開(kāi)發(fā)行業(yè)最先進(jìn)的定向鉆井技術(shù)裝備。其可在全井段保持旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，并根據(jù)需要及時(shí)調(diào)整軌跡，實(shí)施三維定向井軌跡控制，具有精準(zhǔn)命中靶區(qū)、建井周期短、鉆井質(zhì)量高、大幅提高采收率等特點(diǎn)，代表著當(dāng)今世界鉆井技術(shù)發(fā)展的最高水平，被譽(yù)為石油鉆井技術(shù)“皇冠上的明珠”。該技術(shù)最早誕生于20世紀(jì)90年代，一經(jīng)問(wèn)世就引起了鉆井作業(yè)者的極大關(guān)注，隨著技術(shù)的不斷成熟和產(chǎn)品的應(yīng)用推廣，每年全球市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了80億美元左右，占到了定向鉆井市場(chǎng)的75％以上。

近幾年，國(guó)內(nèi)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)發(fā)展迅猛，中海油、中石油、中石化等多家單位開(kāi)展了技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)品研制。其中中海油的進(jìn)展最具代表性，開(kāi)發(fā)出了全系列商業(yè)化技術(shù)裝備，產(chǎn)品應(yīng)用規(guī)模迅速提升，已經(jīng)突破1000井次、100萬(wàn)m進(jìn)尺應(yīng)用大關(guān)，呈現(xiàn)出了良好的發(fā)展勢(shì)頭。中國(guó)作為油氣資源需求大國(guó)，該技術(shù)對(duì)提升油氣產(chǎn)量和保障能源安全具有十分重要的意義。

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)按其工作原理可以分為推靠式（push-the-bit）和指向式（point to the bit）2種。推 靠式屬于被動(dòng)式導(dǎo)向工具，工具的導(dǎo)向性能與推靠效果高度相關(guān)，對(duì)地層依賴(lài)較大。指向式屬于主動(dòng)式導(dǎo)向工具，對(duì)地層依賴(lài)較小；2種系統(tǒng)各有特點(diǎn)，研究并提升系統(tǒng)的測(cè)量及控制精度對(duì)提升旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的應(yīng)用效果至關(guān)重要。筆者針對(duì)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向推靠力測(cè)試需求，設(shè)計(jì)了推靠力測(cè)試裝置，并對(duì)測(cè)試裝置存在的若干問(wèn)題進(jìn)行研究，對(duì)測(cè)試裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，可大幅提升系統(tǒng)的控制精度和應(yīng)用效果。

1 推靠力與導(dǎo)向力矢量關(guān)系

推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的推靠功能主要由偏置短節(jié)［6—”］實(shí)現(xiàn)。在偏置短節(jié)的外圓上周向均布3個(gè)獨(dú)立的推靠臂（見(jiàn)圖1中推靠力F1、F2、F3），3個(gè)推靠力互成120°，3力平面匯交［12—17］，其合力F的方向α可按公式（1）來(lái)計(jì)算，導(dǎo)向力矢量與合力F大小相等，方向相反。

式中：F1、F2、F3為3個(gè)推靠力，N；F為3個(gè)推靠力的合力，N；θ。為F1與X軸正向的夾角，（°）；α為合力F與X軸正向的夾角，（°）。

合力的方向、大小由3個(gè)分力決定，分力的測(cè)控誤差會(huì)對(duì)合力的大小和方向產(chǎn)生很大影響。假設(shè)F1、F2、F3分別為1000、1000、1200N且F2 測(cè)控誤差范圍從10％至30％，為了計(jì)算方便，假設(shè)θ。為0°，計(jì)算數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，F(xiàn)2測(cè)控誤差為30％時(shí)，合力的角度誤差達(dá)到了36.59°。

2推靠力測(cè)試系統(tǒng)研制

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

推靠力測(cè)試系統(tǒng)由1個(gè)測(cè)力盤(pán)、3組推力傳感器、信號(hào)采集處理模塊及測(cè)控監(jiān)視系統(tǒng)構(gòu)成（見(jiàn)圖2）。通過(guò)壓差傳感器可以算出3個(gè)推靠臂的理論推力，通過(guò)推力傳感器可以測(cè)量3個(gè)推靠臂實(shí)際推力，對(duì)比可知兩者的差值，并建立壓力與推靠力的線(xiàn)性關(guān)系。

2.2 測(cè)試試驗(yàn)

圖3為推靠力測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物照片（這里將優(yōu)化前的測(cè)力盤(pán)稱(chēng)為A），利用該系統(tǒng)先對(duì)一個(gè)推靠臂進(jìn)行推靠力測(cè)試，檢測(cè)其理論推力與實(shí)際推力的偏差情況及推靠力與壓力的線(xiàn)性關(guān)系，再同時(shí)進(jìn)行3個(gè)推靠臂的推力測(cè)試。

圖4為1個(gè)推靠臂的測(cè)試曲線(xiàn)。由圖4可以看出，實(shí)測(cè)推力和理論推力之間存在一定差值，且隨著推力增大，差值也變大，差值最大達(dá)到5kN。

圖5是3個(gè)推靠臂推力同時(shí)測(cè)試的曲線(xiàn)。設(shè)置1＃、2＃和3＃推靠臂的推力分別為推力1、推力2和推力3。對(duì)1＃推靠臂從0～24 MPa進(jìn)行一個(gè)完整的升程和降程的推力測(cè)試，設(shè)置2＃、3＃推靠臂的壓力為0，則2＃和3＃的實(shí)測(cè)推力應(yīng)該為0，但實(shí)際結(jié)果卻并非如此。從圖5可以看出，2＃、3＃的實(shí)測(cè)推力會(huì)隨著1＃推靠臂壓力的升高而逐漸變大，這說(shuō)明1＃推靠臂的推力對(duì)2＃和3＃推靠臂造成了影響。用相同的測(cè)試方法對(duì)2＃和3＃進(jìn)行單獨(dú)的推力測(cè)試，也發(fā)現(xiàn)了同樣的情況。

對(duì)單獨(dú)推靠臂和3個(gè)推靠臂同時(shí)推力測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該測(cè)試系統(tǒng)存在以下2個(gè)問(wèn)題，極大地影響導(dǎo)向力測(cè)控精度，必須加以分析解決：?jiǎn)蝹€(gè)推靠力測(cè)量精度較低，實(shí)測(cè)推力和理論推力存在較大偏差；測(cè)力盤(pán)A變形引起的3個(gè)推靠臂推力測(cè)量相互干擾，極大地影響推力測(cè)量精度。

2.3 結(jié)果分析

針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)系統(tǒng)各部件的受力情況進(jìn)行分析，可以初步鎖定問(wèn)題的根源在于測(cè)力盤(pán)A的變形過(guò)大。測(cè)力盤(pán)A進(jìn)行單路推力測(cè)量時(shí)受力變形如圖6所示。測(cè)力盤(pán)A可以簡(jiǎn)化為一個(gè)懸臂梁，主要有5個(gè)方面的變形因素：測(cè)力傳感器變形X1，測(cè)力盤(pán)A變形X2，安裝固定變形X3，推靠臂受壓變形X4和傳感器固定桿變形X5。系統(tǒng)總變形量可以表示為：

式中：X為測(cè)試系統(tǒng)受力總變形量，mm。

理想情況下，希望X＝X1，這樣使得變形更多地反映在傳感器上，雖然實(shí)際上X2、X3、X4、X5無(wú)法完全消除，但卻可以使其盡量減小。由胡克定律可知，材料受力變形量取決于4個(gè)因素：力、長(zhǎng)度、彈性模量和面積。只要選用高強(qiáng)度材料，增加固定螺栓的直徑、縮短螺桿的長(zhǎng)度，便可大大減小這4方面的變形量，使X，所占比重越大，測(cè)量的準(zhǔn)確度也就越高。

2.4 主要零部件有限元分析

對(duì)測(cè)力盤(pán)A、推靠臂、傳感器固定桿、固定螺栓4種零件賦予同樣的材質(zhì)，這里選用40Cr。這樣做的目的是為了便于對(duì)各因素的受力變形量進(jìn)行比較。40Cr的材料屬性見(jiàn)表2。

運(yùn)用有限元軟件對(duì)4個(gè)零件的變形逐一進(jìn)行分析，首先對(duì)測(cè)力盤(pán)A進(jìn)行受力變形分析，分析結(jié)果如圖7所示。

按照上述方法依次對(duì)傳感器固定螺栓、安裝固定螺栓、推靠臂進(jìn)行分析。將4個(gè)零件的變形進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可以看出，對(duì)每個(gè)推靠臂進(jìn)行單獨(dú)測(cè)量時(shí)，測(cè)力盤(pán)A是主要變形因素，變形量占到了84％，其余變形量則遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于X2，可以忽略不計(jì)，測(cè)力盤(pán)A的變形是影響測(cè)量精度的主要因素。由此可知：只要設(shè)法減小測(cè)力盤(pán)A的變形量，就可大大減小推靠臂實(shí)測(cè)推力與理論推力之間的差值，從而提高系統(tǒng)的測(cè)試精度。

單個(gè)推靠力測(cè)試時(shí)測(cè)力盤(pán)A的應(yīng)力和變形分布見(jiàn)圖8。由圖8可以看出，1＃推靠力引起的變形延伸到了相鄰2個(gè)傳感器（即2＃和3＃傳感器的安裝位置），用探針拾取2＃傳感器安裝位置附近5個(gè)點(diǎn)處的變形量，見(jiàn)表4。由表4可以看出，從1＃到2＃傳感器的相鄰區(qū)間，5個(gè)點(diǎn)變形量逐漸減小，2＃傳感器的正對(duì)位置（節(jié)點(diǎn)19922處）變形量為0.075mm，這種影響在3個(gè)推靠力同時(shí)測(cè)量時(shí)表現(xiàn)尤為明顯。

綜上所述，測(cè)力盤(pán)A的變形是影響系統(tǒng)測(cè)試精度的主要原因，優(yōu)化測(cè)力盤(pán)A的結(jié)構(gòu)以減小變形量和相互干擾是改進(jìn)測(cè)量效果的主要方向。

3 測(cè)試系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 測(cè)力盤(pán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

原有測(cè)力盤(pán)A呈喇叭狀，采取小端固定的方式，傳感器受力時(shí)，測(cè)力盤(pán)相當(dāng)于一個(gè)懸臂梁（見(jiàn)圖9）。由材料力學(xué)可知，在相同結(jié)構(gòu)參數(shù)下，簡(jiǎn)支梁的撓度是懸臂梁的1／6，變形量大幅降低。

基于這一思路，在測(cè)力盤(pán)A的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新結(jié)構(gòu)的測(cè)力盤(pán)B，見(jiàn)圖10。測(cè)力盤(pán)B呈紡錘狀，伸出3個(gè)橋狀翼肋，用于安裝測(cè)力傳感器。采用兩端同時(shí)固定的方式進(jìn)行安裝，每2個(gè)測(cè)力橋之間設(shè)計(jì)一條加強(qiáng)筋，進(jìn)一步加強(qiáng)測(cè)力盤(pán)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

3.2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)有限元分析

對(duì)優(yōu)化后的測(cè)力盤(pán)B進(jìn)行有限元受力分析，材質(zhì)依然選用國(guó)標(biāo)40Cr。先進(jìn)行單個(gè)推靠力測(cè)試的受力分析。再進(jìn)行3個(gè)推靠力同時(shí)測(cè)試的受力分析，將測(cè)力盤(pán)B的變形與測(cè)力盤(pán)A的變形進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知，測(cè)力盤(pán)B的變形大幅減小，僅為測(cè)力盤(pán)A變形的2.67％，優(yōu)化效果非常明顯。

將測(cè)力盤(pán)B的變形與其余幾個(gè)零件的變形進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可知，測(cè)力盤(pán)B的變形量與其余3個(gè)干擾因素的變形量相當(dāng)。測(cè)力盤(pán)的變形占比從之前的84％下降到12.5％。

3.3 測(cè)試試驗(yàn)

對(duì)測(cè)力盤(pán)B進(jìn)行推靠力測(cè)試試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖11。由圖11可知，實(shí)測(cè)推力和理論推力之間的差值約為0.9kN，比測(cè)力盤(pán)A的測(cè)試差值5kN小了80％左右，說(shuō)明優(yōu)化后的測(cè)力盤(pán)B確實(shí)減小了理論推力和實(shí)測(cè)推力之間的偏差，優(yōu)化效果非常理想。

同2.2設(shè)置推力1、推力2和推力3，對(duì)1＃推靠臂進(jìn)行推力測(cè)試，壓力從0～24 MPa進(jìn)行一個(gè)完整的升程和降程，設(shè)置2＃、3＃推靠臂的壓力為0，結(jié)果見(jiàn)圖12。由圖12可知，1＃推力隨著1＃設(shè)定壓力的增大呈線(xiàn)性增加，2＃和3＃推力則沒(méi)有任何變化，說(shuō)明了優(yōu)化后的測(cè)試系統(tǒng)不會(huì)相互干擾。

4 結(jié)論

（1）闡述了推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的工作原理，并針對(duì)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)推靠力測(cè)試需要，設(shè)計(jì)了一種測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了推靠力測(cè)試及標(biāo)定功能。

（2）進(jìn)行了推靠力測(cè)試試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)中出現(xiàn)問(wèn)題的原因進(jìn)行了深入分析，找出了影響測(cè)量精度的關(guān)鍵因素；并運(yùn)用有限元軟件對(duì)各個(gè)零件受力變形情況進(jìn)行分析，分析結(jié)論與試驗(yàn)問(wèn)題相互印證。

（3）根據(jù)分析結(jié)果對(duì)測(cè)力盤(pán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，再次運(yùn)用有限元軟件對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果顯示，優(yōu)化結(jié)構(gòu)大大降低了測(cè)力盤(pán)的變形量和互相干擾，解決了3個(gè)推靠臂推力測(cè)試相互干擾，導(dǎo)致測(cè)量精度低的問(wèn)題，優(yōu)化結(jié)果在后續(xù)的試驗(yàn)測(cè)試中得到了很好地驗(yàn)證。

（4）所研制的推靠力測(cè)試裝置實(shí)現(xiàn)了推靠力的精確測(cè)量，為導(dǎo)向力的精確測(cè)控奠定了基礎(chǔ)，該測(cè)試系統(tǒng)已成功應(yīng)用于儀器制造和使用，成為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)裝備產(chǎn)業(yè)化必備的測(cè)試設(shè)施之一。

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第一作者簡(jiǎn)介：張玉霖，高級(jí)工程師，生于1979年，2002年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院機(jī)械專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)主要從事定向鉆井技術(shù)研究和井下工具研制工作。地址：（065201）河北省三河市。E-mail：zhangy119＠cosl．com．cn。

通信作者：盧 濤，E-mail：lutao9＠cosl．com．cn。

收稿日期：2022—10—20

（本文編輯 南麗華）