“璇玑”推靠式旋转导向井下特殊工况的钻进效果研究.pdf
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1、设 计 与 研 究39“璇玑”推靠式旋转导向井下特殊工况的 钻进效果研究席志旭孙师贤侯晓东陈锟张立娟郭心宇(中海油田服务股份有限公司,天津 300457)摘要:中海油田服务股份有限公司自主研发的“璇玑”系统旋转导向 Welleader 是典型的推靠式旋转导向,其依靠翼肋推靠井壁,通过控制翼肋推力的合力实时进行导向作业。然而,在实际作业中存在液压推力单元故障的风险。文章分析和探索Welleader单个液压推力单元失效后继续钻进的可能性和可行性,并给出相关建议。通过分析实际作业案例发现,尽管Welleader在单个液压推力单元失效后导向能力降低,但仍具备导向钻进能力。在适当的控制和干预措施下,可以
2、尝试继续钻进或完成作业。研究对典型的推靠式旋转导向 Welleader、AutoTrak钻进具有重要的借鉴价值。关键词:旋转导向;Welleader;推力失效Drilling Effect Research on“XuanJi”System Push-the-Bit Rotary Steerable Tool Under Special Status DownholeXI Zhixu,SUN Shixian,HOU Xiaodong,CHEN Kun,ZHANG Lijuan,GUO Xinyu(China Oilfield Services Co.,Ltd.,Tianjin 300457)A
3、bstract:The Xuanji system rotary guidance Welleader independently developed by China Oilfield Services Co.,Ltd.is a typical push type rotary guidance that relies on wing ribs to push against the wellbore wall,and real-time guidance operations are carried out by controlling the combined force of wing
4、 rib thrust.However,in the actual operation,there is a risk of failure of a single hydraulic thrust unit.This paper analyzes and explores the possibility and feasibility of Welleader for continuing to drill after a single hydraulic thrust unit fails to work downhole,and gives relevant suggestions.It
5、 was found that Welleader still had a certain steering capability through analysis of practical work cases although the steering capability was reduced after the failure of a single hydraulic thrust unit.With appropriate controls and interventions,attempts can be made to continue drilling or complet
6、e the job.This study has important reference value for typical push-the-bit type rotary steering system such as Welleader and AutoTrak.Keywords:rotary steerable system;Welleader;thrust failure随钻测井和旋转导向技术是定向钻测井技术的重要分支。20 世纪 60 年代以来,随着技术的不断发展,这两项技术分别取得了重大突破,越来越多地应用于油田勘探和开发作业,在提高定向井钻井效率、井眼质量、产层钻遇率、采收率方
7、面有较大优势1。旋转导向凭借其自动旋转闭环轨迹控制技术,能够突破传统马达导向技术在大斜度定向井、水平井、深井、超深井中轨迹控制的限制,提升轨迹控制效率和准确性,是油气勘探和开发过程中的关键工具2-5。Welleader 是“璇玑”系统旋转导向技术的一个科研技术分支,与贝克休斯公司 AutoTrak 类似,是典型的推靠式旋转导向6。它集机、电、液、信息和控制技术于一体,结构精密,性能优越可靠,是实现石油钻井向数字化、信息化、自动化方向发展的核心技术和重要装备。然而,定向钻井、测井作业是一项复杂、高风险的作业。作业过程中,井下仪器往往要克服高扭矩、高频和高强度轴向及径向振动,克服高温、高压、强水力
8、冲蚀、高腐蚀、高磨损等诸多不利因素的影响,具有良好的应用性能。在多种不利因素的叠加影响下,井下工具易失效。在以往定向钻井过程中,无论Welleader 还是 AutoTrak 均发生过单个液压推力单元失效的故障。文章以此为课题进行分析、研究,探索和论证在此种情况下依靠 2 个翼肋完成定向作业的可能性和可行性。1相关理论1.1“璇玑”系统 Welleader 工作原理Welleader 是典型的推靠式旋转导向,通过翼肋推靠井壁产生钻头偏置实现导向钻进。Welleader 以近钻头惯性测量模块数据为基础进行导向指令执行及控制。当 Welleader 主控单元接收到指令后,将指令分解成三缸压力。主控
9、单元驱动液控单元中 3 个独立的电机工作,从补偿单元中将液压油泵入对应的液压现 代 制 造 技 术 与 装 备402023 年第 9 期总第 322 期腔室,在液压的作用下推动活塞运动,进而撑开翼肋,使翼肋向井壁伸展、推靠,并在井壁处获得支撑。翼肋推靠井壁的同时,井壁反向推动翼肋。在反向推力作用下,3 个翼肋分别产生偏置并最终实现旋转导向整体偏移形成导向矢量,以控制钻头指向预定方向钻进。Welleader 翼肋总成安装在慢旋转套筒上,其转速远小于钻杆和顶驱转速,可为旋转导向提供相对稳定、可靠的导向力输出环境,有助于提高导向的执行效率。实钻作业中,随着慢旋转套筒的旋转,Welleader以压力闭
10、环的控制方式根据近钻头惯性测量模块参数实时调整和控制电机工作。导向控制单元不停通过近钻头惯性测量模块采集姿态信息,实时接收并进行指令分解,驱动电机运转以调整三缸腔室压力分布,执行导向指令。当 3 个液压腔室的压力达到指令期望值,其对应的电机停止工作。但是,实际作业中 Welleader的姿态持续不断变化,导向单元则不停进行实时姿态采集、指令分解和合成、指令执行等闭环控制。1.2Welleader 单个液压推力单元故障失效的导向分析Welleader 有 3 个液压推力单元。作业过程中,主控单元根据慢旋转套筒位置控制 3 个液压推力单元工作。3 个液压推力单元相对独立且互不干扰。由于推力系统的合
11、力由 3 个推力单元输出的力合成而来,如果某一个液压推力单元失效,会导致整个液压推力系统的合力发生变化,使得推力系统的偏置量和稳定性随之发生变化。为了方便模拟和计算,定义 3 个假设条件:一是只考虑单个液压推力单元失效,其余两个液压推力单元均工作正常;二是失效前后 Welleader 外筒均保持匀速转动;三是使用 Steer(导向力为 100%,工具面为 0)导向指令。如图 1 所示,翼肋作用于井壁的反向作用力f1、f2、f3合成 Welleader 导向合力F,F可分解成沿垂直方向的增降斜力和沿水平方向的增降方位力,分别为Fwalk和FBuild。FwalkFBuildf2f3f1F重力高边
12、工具高边角导向力驱动轴旋转隔离外筒图 1导向力分解示意图调用 Welleader 进行导向力标定期间的数据进行模拟,并设置2号推力单元失效,模拟结果如图2所示。-1.5-1.0-0.50.00.51.01.50501001502002503003504001316191121151181211241271301331导向力百分比/%合力方向/()翼肋位置/()实际角度FWalkFBuild图 2导向力和导向工具面模拟计算导向效果是合力作用时间的加成,因此分别对Build 和 Walk 进行积分以计算导向效果,得出 Walk 的积分为 0,Build 的积分为 0.67,即 Welleader
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