吳澤兵 蔣夢潔 谷亞冰 李濟(jì)彤 翟喜萍

摘要：指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具關(guān)鍵性功能是實現(xiàn)快速、平穩(wěn)地調(diào)整鉆井工具面，并在存在外部干擾的情況下維持工具面角度精確控制。為了實現(xiàn)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)對鉆頭工具面的調(diào)整，對該系統(tǒng)偏置機(jī)構(gòu)內(nèi)外偏心環(huán)的旋轉(zhuǎn)角度與鉆頭偏轉(zhuǎn)角、工具面角的關(guān)系進(jìn)行了理論公式的推導(dǎo)，得出在確定鉆頭偏轉(zhuǎn)角和工具面角后，內(nèi)外偏心環(huán)運動軌跡的求解公式，利用軟件對運動軌跡公式編程，以求解內(nèi)外偏心環(huán)的運動軌跡以及對運動軌跡進(jìn)行優(yōu)選，以快速實現(xiàn)調(diào)整目標(biāo)工具面的運動軌跡，縮短內(nèi)外偏心環(huán)的調(diào)整時間，提高系統(tǒng)工作效率；使用三維建模軟件Creo建立指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的幾何模型，并將其導(dǎo)入到ADAMS軟件中進(jìn)行運動軌跡的仿真，仿真結(jié)果與理論值誤差小于2%，驗證了推導(dǎo)的內(nèi)外偏心環(huán)運動軌跡方程的可行性與運動軌跡優(yōu)選程序的實用性。研究結(jié)果可為通過工具面對鉆頭精確控制提供一定的指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：鉆井；鉆頭;旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向；偏心環(huán)；工具面；運動軌跡

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

石油和天然氣是與國民經(jīng)濟(jì)相關(guān)的戰(zhàn)略資源，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，我國的石油消費量已經(jīng)連續(xù)多年位居世界第二位。隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展，對石油天然氣的需求仍逐年增加［1-2］。但中國常規(guī)石油天然氣資源產(chǎn)量持續(xù)下降，石油行業(yè)面臨著淺層常規(guī)石油時代結(jié)束的挑戰(zhàn)，而轉(zhuǎn)向?qū)Φ蜐B透性、深層超深層、深海、頁巖油氣等非常規(guī)油氣田的開發(fā)［3-5］。因此，傳統(tǒng)的滑動導(dǎo)向鉆井技術(shù)已經(jīng)無法適應(yīng)時代的需求［6］。為此，研發(fā)了一種新型的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)來應(yīng)對當(dāng)前油氣資源開發(fā)過程中的各種問題，并在實際應(yīng)用中展現(xiàn)了鉆井速度快、井身質(zhì)量好、深井復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的井眼軌跡控制精度高、鉆桿與井眼的摩擦力小等優(yōu)勢［7-8］。根據(jù)斯皮恩斯的市場調(diào)查，截至2019年，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)已占據(jù)石油行業(yè)定向鉆井市場的70%以上。20世紀(jì)末，我國展開了對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)的研發(fā)，到目前為止，已在該技術(shù)領(lǐng)域取得了一些顯著的成果；但投入生產(chǎn)應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)很少，技術(shù)與應(yīng)用水平與外國石油服務(wù)公司相比還存在很大的差距，我國對非常規(guī)油氣田的開采還需依賴于國外的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)［3］。因此，仍需努力開發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)。

目前，在已開發(fā)應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)中，按系統(tǒng)工作方式可分為推靠式、指向式和混合式（指向式+推靠式）3類［4，9］。指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)主要是通過控制偏置機(jī)構(gòu)內(nèi)外偏心環(huán)的旋轉(zhuǎn)角度來控制鉆頭的鉆進(jìn)方向。以往關(guān)于內(nèi)外偏心環(huán)偏置作業(yè)的研究主要集中在內(nèi)外偏心環(huán)的不同旋轉(zhuǎn)角度與偏心環(huán)處心軸中心點位置的關(guān)系公式推導(dǎo)，而對實際鉆進(jìn)過程中鉆頭的偏轉(zhuǎn)角與工具面角關(guān)注較少。

為此，筆者推導(dǎo)了內(nèi)外偏心環(huán)的不同旋轉(zhuǎn)角度與鉆頭偏轉(zhuǎn)角、工具面角之間的關(guān)系公式，實現(xiàn)由指定的鉆頭偏轉(zhuǎn)角與工具面角便可計算得到系統(tǒng)偏置機(jī)構(gòu)內(nèi)外偏心環(huán)由初始位置到指定位置的旋轉(zhuǎn)角度。

筆者主要研究指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)中偏置機(jī)構(gòu)對鉆井工具面的快速及精確控制。研究結(jié)果可為通過工具面對鉆頭精確控制提供一定的指導(dǎo)。

1 指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具結(jié)構(gòu)及原理

筆者研究的指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)主要由外筒、心軸、懸臂軸承、偏心環(huán)組合和調(diào)心球軸承組成。該旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的外筒相對于井壁不旋轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)非常緩慢，從而為軸內(nèi)所需的偏轉(zhuǎn)提供支撐和參考，并為鉆頭提供鉆壓。系統(tǒng)通過偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)對與心軸連接鉆頭的工具面進(jìn)行精確控制。圖1為系統(tǒng)的導(dǎo)向原理示意圖［10］。

偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)中最主要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是偏心環(huán)組合。筆者研究的偏心環(huán)組合由2個偏心率相同的偏心環(huán)組成，它通過調(diào)整內(nèi)外偏心環(huán)的位置可以實現(xiàn)增斜、穩(wěn)斜和降斜的目的。偏置機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖2所示［11-12］。

2 偏心環(huán)組合與鉆頭偏轉(zhuǎn)角及工具面角的關(guān)系

在指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的偏置機(jī)構(gòu)中，內(nèi)外偏心環(huán)通過旋轉(zhuǎn)不同的角度，可以通過組合實現(xiàn)0°到360°的工具面角的設(shè)定，通過驅(qū)動內(nèi)外環(huán)各自旋轉(zhuǎn)一定的角度，可以對心軸形成一個可控的工具面角和偏心位移，從而控制鉆頭的工具面角和偏轉(zhuǎn)角，如圖3所示。在鉆進(jìn)過程中，可以根據(jù)預(yù)設(shè)的井眼軌跡得到鉆進(jìn)所需的造斜率和方向，確定對應(yīng)鉆頭的工具面角和偏轉(zhuǎn)角，進(jìn)而求解到內(nèi)外偏心環(huán)對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度。

2.1 心軸彎曲變形的求解

為了使鉆頭達(dá)到目標(biāo)的工具面角和偏轉(zhuǎn)角，首先分析得出偏心環(huán)處心軸中心的偏心位移及工具面角；然后，分析得出內(nèi)外偏心環(huán)分別需要轉(zhuǎn)動的角度。因此，要優(yōu)先推導(dǎo)得出鉆頭的工具面角和心軸中心關(guān)系的理論方程。

3 內(nèi)外偏心環(huán)運動軌跡優(yōu)選

偏置機(jī)構(gòu)的動力來源于電機(jī)，由傳動部件即齒輪將電機(jī)動力傳遞到內(nèi)外偏心環(huán)上。為保證偏心環(huán)旋轉(zhuǎn)角度的控制精度，應(yīng)控制其角速度Ω在12 （°）/s以內(nèi)。

實際上，當(dāng)該工具要按目標(biāo)造斜率造斜時，需要先調(diào)整內(nèi)外偏心環(huán)的工具面角;且造斜過程中，受到地層硬度等不可控因素影響，為保證鉆進(jìn)按照預(yù)設(shè)井眼軌跡進(jìn)行，需要不斷調(diào)整偏置機(jī)構(gòu)。要使得調(diào)整時間最短，效率提升，則需要對式（10）和式（11）的2組解的4種組合方式進(jìn)行取舍，獲得內(nèi)外偏心環(huán)的最佳運動軌跡以實現(xiàn)目標(biāo)鉆頭偏轉(zhuǎn)角度。

圖6為內(nèi)外偏心環(huán)中心運動軌跡示意圖。A為外偏心環(huán)外圈中心位置，B為外偏心環(huán)內(nèi)孔中心，C為偏置機(jī)構(gòu)處心軸中心實際位置。假設(shè)C點為心軸中心運動目標(biāo)點，則外偏心環(huán)內(nèi)孔中心運動到B或者D兩點時，內(nèi)偏心環(huán)再轉(zhuǎn)動，都可以使心軸中心到達(dá)C點。由于e1、e2值的固定，所以可從圖6中看出內(nèi)外偏心環(huán)組合有且僅有2種嚙合方式實現(xiàn)目標(biāo)偏心位移和角度，顯然，在內(nèi)外環(huán)旋轉(zhuǎn)角速度Ω一定時，內(nèi)外環(huán)一起旋轉(zhuǎn)可以最快到達(dá)目標(biāo)位置。

4 系統(tǒng)運動軌跡仿真

利用上述推導(dǎo)的公式，可以由指定的鉆頭偏轉(zhuǎn)角與工具面角，得到系統(tǒng)偏置機(jī)構(gòu)內(nèi)外偏心環(huán)由初始位置到指定位置的運動軌跡，并用Excel軟件進(jìn)行編程計算，在求解的4組運動軌跡中優(yōu)選出時間最短軌跡的計算過程，得出內(nèi)外偏心環(huán)到達(dá)指定位置的運動軌跡及優(yōu)選出使用時間最短的運動軌跡和運動時間。

系統(tǒng)仿真模型心軸外徑D=50 mm，內(nèi)徑d=30 mm，偏置環(huán)組合距懸臂軸承的距離為a=675 mm，懸臂軸承與球軸承間的心軸軸向距離為l=1 m，偏置機(jī)構(gòu)內(nèi)外偏心環(huán)的偏心距e均為5.87 mm。利用程序計算出鉆頭從初始狀態(tài)調(diào)整到偏轉(zhuǎn)角為2.48°、工具面角為68°時的內(nèi)外偏心環(huán)運動軌跡及最優(yōu)軌跡。程序計算結(jié)果如表1所示。

4.1 幾何仿真模型建立

為驗證上述推導(dǎo)所得公式與根據(jù)公式編寫計算程序的正確性與實用性，筆者將通過虛擬樣機(jī)的構(gòu)建，利用ADAMS虛擬仿真方法，求解造斜狀態(tài)下內(nèi)外偏心環(huán)運動軌跡變化曲線，并將鉆頭偏轉(zhuǎn)角和工具面角仿真值與給定期望值進(jìn)行比較，得出差異，以判定理論公式與計算程序的可行性。

具體的試驗過程如下：首先，使用ADAMS虛擬樣機(jī)軟件構(gòu)建指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的仿真模型。ADAMS軟件建模模塊在建立復(fù)雜模型方面稍顯遜色，可先利用Creo建立指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的幾何模型。模型主要由心軸、內(nèi)外偏心環(huán)組合、調(diào)心軸承、懸臂軸承、外套等零部件組成，具體幾何模型如圖7所示。

然后，將上述的指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的簡化仿真模型采用Parasolid標(biāo)準(zhǔn)傳遞文件導(dǎo)入到ADAMS軟件中；根據(jù)此系統(tǒng)的工作原理，添加約束與驅(qū)動，并依據(jù)各個部件的選材，設(shè)置模型的材料屬性；同時，定義運動驅(qū)動、部件之間接觸等，進(jìn)而完成虛擬樣機(jī)的設(shè)置，進(jìn)行運動仿真。在ADAMS軟件中的各零部件之間添加的運動副如表2所示，接觸對如表3所示。

外環(huán)

在ADAMS軟件中，按照表2和表3施加約束副、設(shè)置接觸對及其他邊界條件，得到心軸的仿真模型，如圖8所示［15］。

4.2 仿真實例

利用ADAMS軟件模擬鉆頭從初始狀態(tài)調(diào)整到偏轉(zhuǎn)角為2.48°、工具面角為68°時，其偏置機(jī)構(gòu)從初始位置到指定位置的運動軌跡及運動時間。由于當(dāng)內(nèi)外環(huán)角度到達(dá)指定位置時，便會停止轉(zhuǎn)動，常規(guī)的驅(qū)動施加方式已經(jīng)無法完成這一特殊計算。因此，筆者為了實現(xiàn)上述內(nèi)外環(huán)的運動軌跡仿真，采用了腳本仿真控制驅(qū)動，具體實現(xiàn)模擬的步驟如下：

第一步，創(chuàng)建2個角度測量，分別是內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間角度測量INNERRING_ANGLE和外偏心環(huán)與Y軸負(fù)向角度測量OUTERRING_ANGLE，并對內(nèi)外偏心環(huán)的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行監(jiān)控。

第二步，在對這2個角度測量分別施加2個傳感器SENSOR_1與SENSOR_2時，當(dāng)內(nèi)外偏心環(huán)旋轉(zhuǎn)到指定位置后，便停止轉(zhuǎn)動。

第三步，分別為心軸施加MOTION_3、外偏心環(huán)施加MOTION_2和內(nèi)偏心環(huán)施加MOTION_1 3個旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，然后設(shè)置心軸轉(zhuǎn)速為200 r/min。選用腳本仿真控制中的ADAMS Solver Commands求解器命令方式，用輸入的命令和參數(shù)對內(nèi)外偏心環(huán)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動進(jìn)行控制，具體命令如圖9所示。最后選用執(zhí)行腳本命令來進(jìn)行仿真，即在Simulation中選用Script Control進(jìn)行仿真。

仿真中得到提示：傳感器SENSOR_1被觸發(fā)后，停止仿真模擬，具體提示如圖10所示。仿真結(jié)束時提示仿真時間為16.83 s，即內(nèi)外偏心環(huán)在16.83 s后到達(dá)指定位置。

4.3 仿真結(jié)果

內(nèi)外偏心環(huán)的角度測量曲線與內(nèi)偏心環(huán)內(nèi)圈中心點的位移曲線變化，即心軸在偏置機(jī)構(gòu)處截面中心點的位移曲線變化，分別如圖11和圖12所示。

由圖11可知，外偏心環(huán)轉(zhuǎn)動22°后觸發(fā)傳感器SENSOR_2，外偏心環(huán)便停止轉(zhuǎn)動，內(nèi)偏心環(huán)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)到202°時傳感器SENSOR_1被觸發(fā)，此時內(nèi)偏心環(huán)停止轉(zhuǎn)動，模擬仿真結(jié)束。

由圖12可以看出，在前1.9 s的時間里，由于內(nèi)、外偏心環(huán)保持同速旋轉(zhuǎn)，內(nèi)外偏心環(huán)的相對位置并沒有發(fā)生改變，因此心軸的位置也沒有發(fā)生變化。1.9 s后傳感器SENSOR_2外偏心環(huán)停止轉(zhuǎn)動，內(nèi)偏心環(huán)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，心軸的位移曲線便開始變化，直到達(dá)到指定位置。模擬仿真結(jié)束后心軸的位置坐標(biāo)為x=-4.056 4 mm、y=-10.231 8 mm，心軸總位移為在工具面角為248.374 1°方向偏移了11.01 mm。鉆頭的中心點運動軌跡如圖13所示。根據(jù)式（5）和式（6）計算的理論值：偏心環(huán)處心軸中心點的位置坐標(biāo)為x=-3.942 0 mm、y=-9.757 8 mm，與仿真結(jié)果相比誤差小于5%，驗證了此理論公式的正確性。

從圖13可以看出，鉆頭中心最后的位移坐標(biāo)為x=2.361 2，y=6.265 8，總位移為在工具面角69.351°方向偏移了6.696 mm。調(diào)心球軸承到鉆頭工作面的距離為159.980 mm，鉆頭的偏轉(zhuǎn)角為2.49°。與預(yù)設(shè)鉆頭的偏轉(zhuǎn)角為2.48°、工具面角為68°的誤差小于2%，驗證了本文推導(dǎo)內(nèi)外偏心環(huán)的不同旋轉(zhuǎn)角度與鉆頭偏轉(zhuǎn)角、工具面角之間的關(guān)系公式的正確性與實際應(yīng)用的可行性，并且驗證了內(nèi)外偏心環(huán)運動軌跡優(yōu)選程序的正確性。

圖13 鉆頭中心位移變化曲線

Fig.13 Change of the bit center displacement curve

5 結(jié) 論

（1）根據(jù)推導(dǎo)得到的系統(tǒng)偏置機(jī)構(gòu)內(nèi)外偏心環(huán)運動軌跡公式，可以得到每一組確定的鉆頭偏轉(zhuǎn)角和工具面角，也可得到4組不同的內(nèi)外環(huán)旋轉(zhuǎn)角度。為了縮短偏置機(jī)構(gòu)的調(diào)整時間，本文通過Excel軟件編輯程序求解的4組運動軌跡中時間最短的軌跡。

（2）利用Creo軟件建立了簡化的指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的三維模型，基于該幾何模型在ADAMS軟件建立了有限元動態(tài)仿真模型，利用此模型進(jìn)行了實例仿真，得到內(nèi)外偏心環(huán)、心軸與鉆頭的運動軌跡，對比理論與仿真結(jié)果的誤差小于2%。驗證了推導(dǎo)所得的內(nèi)外偏心環(huán)的不同旋轉(zhuǎn)角度與鉆頭偏轉(zhuǎn)角、工具面角之間關(guān)系公式的正確性與實際應(yīng)用的可行性，并且驗證了內(nèi)外偏心環(huán)運動軌跡優(yōu)選程序的正確性。

（3）編制的偏心環(huán)運動軌跡優(yōu)選程序，可以快速實現(xiàn)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)對鉆頭工具面的調(diào)整，有利于提高導(dǎo)向系統(tǒng)的工作效率。

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