旋轉(zhuǎn)導向技術是一項尖端的自動化鉆井技術,對于非常規(guī)油氣資源的開發(fā),特別是頁巖氣的開發(fā),對鉆井技術的要求越來越高。常規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆井工具已不能滿足對大位移井和從式水平井開發(fā),具有造斜能力不足,效率低等問題,為了解決這些問題結合了國家“十三五”項目“高造斜率旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具”的要求,在參考斯倫貝謝公司的Power Driver Archer旋轉(zhuǎn)導向工具的基礎上,進行高造斜率旋轉(zhuǎn)導向工具測控系統(tǒng)研究。論文做了兩方面的資料調(diào)研,一是國內(nèi)外對常規(guī)及高造斜率旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具的研究;二是針對常規(guī)旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具在其測量和控制方面所做的研究工作的不足,明確了論文要解決的問題。論文主要開展了三方面工作:(1)論文先分析了高造斜率旋轉(zhuǎn)導向工具的工作原理,并提出了高造斜率旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具HBR-RSS(High Build Rate-Rotary Steerable System)的結構設計,并利用CAD軟件繪出鉆井工具整體結構原理圖。(2)結合中煤科工集團西安研究院的測斜儀實驗,對高造斜率旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具空間姿態(tài)參數(shù)測量系統(tǒng)進行了室內(nèi)實驗測試,驗證了HBR-RSS工具姿態(tài)參數(shù)測量系統(tǒng)即“三軸MEMS加速度計+三軸MEMS陀螺儀傳感器”組成的慣性體方案可行。(3)對穩(wěn)定平臺進行了受力分析,得出穩(wěn)定平臺控制的動力學方程,利用SolidWorks軟件構建高造斜率旋轉(zhuǎn)導向工具三維工具模型,并將其置入ADAMS軟件中,進行仿真模擬,得出導向工具造斜過程運動仿真曲線和造斜到穩(wěn)斜過程運動參數(shù)仿真曲線。本文探索性地對高造斜率旋轉(zhuǎn)導向工具測控系統(tǒng)進行了方案設計和室內(nèi)實驗驗證,并得出了相應的實驗結論。對于HBR-RSS系統(tǒng)的研發(fā)和進一步推廣應用具有一定的推動作用。
【學位單位】：西安石油大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TE242
【部分圖文】：

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 國外現(xiàn)狀八十年代末期，旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術首次出現(xiàn)，它是由德國 KTB 項目組和 ET 公司合伙建立的自動垂直鉆井（VDS）系統(tǒng)，到九十年代初期，旋轉(zhuǎn)導向技術已經(jīng)為多家公司帶來不錯的經(jīng)濟效益。具有成熟技術的三家公司產(chǎn)品為 Baker Hughes 的 AutoTrak，Schlumberger 的 PowerDrive，Halliburton 的 GeoPilot[7]。(1) Baker Hughes 公司的 AutotrakBaker Hughes Inteq.公司的 Autotrak 的關鍵技術為井下閉環(huán)控制系統(tǒng)（RCLS）。系統(tǒng)中能夠轉(zhuǎn)動部分是由不旋轉(zhuǎn)外套和旋轉(zhuǎn)心軸中的上下軸承結合組成的，其結構如圖1-1所示，由近鉆頭推靠巴掌（不旋轉(zhuǎn)推靠翼肋）、液壓泵、渦輪電機、電子存儲器、振動檢測單元、電池組單元等所組成。靜態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導向工具的工作方式是 RCLS 的重要工作原理（井下偏置導向原理如圖 1-2 所示）。三個大小不同的翼肋推靠井壁時會產(chǎn)生一個偏心合力從而引導鉆頭朝合力方向鉆進，實現(xiàn)鉆進目標。

圖 1-2 可控偏心器的造斜導向機構示意圖(2) Schlumberger 公司的 PowerDrive 和 PowerVSchlumberger(簡寫為 Slb.)公司有三種旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具，分別是整合英國 CAMCO公司的 SRD 系統(tǒng)后形成的動態(tài)水力推靠式 Power DriveXtra(SRD)，靜態(tài)偏置指向式PowerDriveXceed 和垂直導向鉆井工具 PowerV[8]，目前已經(jīng)形成旋轉(zhuǎn)導向鉆井系列產(chǎn)品，如表 1-1。表 1-1 SIb.公司的旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)系列產(chǎn)品型號 類型 工具外徑（in.） 通信方式 造斜率/穩(wěn)斜率（°/30m）PowerDriverXtra475動態(tài)推靠式 4.75 泥漿流量變化 0-8PowerDriverXtra675 動態(tài)推靠式 6.75 泥漿流量變化 0-8PowerDriverXtra900動態(tài)推靠式 9 泥漿流量變化 0-5PowerDriver Xceed 靜態(tài)偏置指向式 6.75聲波/泥漿流量8PowerDriver X5 動態(tài)推靠式 4.75-9聲波/泥漿流量0-8PowerV垂直導向--指向式4-9 泥漿流量變化 0.5

圖 1-3 PowerDrive 動態(tài)推靠式導向結構示意圖(3) Halliburton 公司的 Geo-pilotGeo-Pilot 是由哈利波頓公司和日本石油公司合作開發(fā)[10]，其實現(xiàn)導向鉆進的原理是通過控制軸的曲折程度和曲折方向來改變鉆頭的鉆進方向，原理如圖 1-4（a），Geo-Pilot井下導向工具示意圖如下 1-4（b），上下旋轉(zhuǎn)密封環(huán)之間的外筒不轉(zhuǎn)動，與鉆頭連接的心軸回旋并被偏心環(huán)執(zhí)行機構壓彎曲，使得鉆頭傾向鉆進方向。近年來，對于非常規(guī)油氣藏的勘探開發(fā)，常規(guī)旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具已經(jīng)無法滿足，高造斜率旋轉(zhuǎn)導向工具以其更加智能化和自動化等優(yōu)點迅速占領市場，目前研究技術比較成熟的兩家公司分別為，Baker Hughes 的 Auto Trak Curve 系統(tǒng)，Schlumberger 的PowerDriver Archer[11]。(1) Baker Hughes 公司 Auto Trak Curve 系統(tǒng)，結構示意圖如圖 1-5、圖 1-6 所示，該工具通過全旋轉(zhuǎn)的方式可以一次性鉆完所有類型井段，且井眼軌跡平整光滑，造斜率達15°/30m。AutoTrak Curve 是一種井下閉環(huán)旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)[12][13]，其在導向外套筒中安裝有三個可伸縮的翼肋，當?shù)孛婷畎l(fā)出后，井下監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出命令控制導向 3 個導向翼肋伸出或縮回，將導向軸偏向預定軌道。相較于其他同類導向鉆井系統(tǒng)，AutoTrak
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本文編號：2889502