馮 定 王 鵬 張 紅 施 雷 洪騰蛟 苗恩銘 涂憶柳

(1.長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 2.湖北省油氣鉆完井工具工程技術(shù)研究中心 3.重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院)

0 引 言

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)外石油鉆井領(lǐng)域先進(jìn)的井眼軌跡控制技術(shù)，該技術(shù)可以使鉆具在旋轉(zhuǎn)鉆井的過(guò)程中按照預(yù)設(shè)井眼軌道實(shí)施鉆進(jìn)。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具作為實(shí)施該技術(shù)的重要裝備，它集成了井下惡劣環(huán)境下的機(jī)、電、液一體化前沿技術(shù)，體現(xiàn)了當(dāng)今世界井下導(dǎo)向工具發(fā)展的最高水平。該工具的相關(guān)技術(shù)長(zhǎng)期被國(guó)際大型跨國(guó)油服公司所壟斷。近幾年，雖然國(guó)內(nèi)在該技術(shù)的許多領(lǐng)域已有突破性進(jìn)展，但與國(guó)外技術(shù)尤其在新的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具技術(shù)方面相比，仍有較大差距。針對(duì)此問(wèn)題，筆者對(duì)當(dāng)前旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理，并在此基礎(chǔ)上給出了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具未來(lái)的發(fā)展方向，以期為我國(guó)井眼軌跡控制技術(shù)及相關(guān)工具的發(fā)展提供一些新的參考和思路。

1 國(guó)外旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具發(fā)展現(xiàn)狀

目前，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具技術(shù)較為成熟、應(yīng)用效果較好的主要有Schlumberger、Halliburton和Weatherford等國(guó)外公司的產(chǎn)品。按其工作原理可劃分為推靠式、指向式和復(fù)合式導(dǎo)向工具[1]，根據(jù)工具外殼能否旋轉(zhuǎn)可分為動(dòng)態(tài)式(全旋轉(zhuǎn)式)和靜態(tài)式。

1.1 推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具

2018年，Weatherford公司推出了一種新的全旋轉(zhuǎn)推靠式工具M(jìn)agnus[2]，如圖1所示。

1—鉆頭；2—推靠墊塊；3—無(wú)刷直流電機(jī)；4—近鉆頭井斜角、伽馬傳感器；5—穩(wěn)定器。

該工具通過(guò)控制3個(gè)獨(dú)立的無(wú)刷直流電機(jī)帶動(dòng)內(nèi)部旋轉(zhuǎn)閥旋轉(zhuǎn)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)閥可以打開(kāi)或關(guān)閉鉆井液進(jìn)入活塞腔室的通道。通過(guò)控制電機(jī)調(diào)整完全打開(kāi)和完全關(guān)閉的時(shí)間比例，使閥體腔室的壓力值在旋轉(zhuǎn)閥完全打開(kāi)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)100%的調(diào)節(jié)?；钊趦?nèi)側(cè)腔室與外側(cè)環(huán)空壓差的作用下，以一定的推力推動(dòng)墊塊支撐井壁，在3個(gè)連續(xù)變化的推靠力作用下推動(dòng)井壁實(shí)現(xiàn)對(duì)井眼軌跡的控制。Magnus工具導(dǎo)向機(jī)構(gòu)如圖2所示。通過(guò)傳感器高速連續(xù)測(cè)量和控制器的計(jì)算，當(dāng)工具外殼旋轉(zhuǎn)速度高達(dá)300 r/min時(shí)，工具中3個(gè)電機(jī)仍可以獨(dú)立控制閥門(mén)，使閥門(mén)位置維持在非常小的誤差帶，進(jìn)而保持工具面。

圖2 Magnus工具導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

2018年，Halliburton公司推出了一種智能旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具iCruiseTM(見(jiàn)圖3)，該工具機(jī)械轉(zhuǎn)速可達(dá)到 400 r/min，造斜能力高達(dá) 18°。該工具擁有先進(jìn)的傳感器，算法精密，并配備高速處理器，可實(shí)現(xiàn)精確的導(dǎo)向控制和復(fù)雜的井下計(jì)算。

1—控制單元；2—兩位三通電磁閥；3—活塞。

該工具外側(cè)有3個(gè)活塞，每個(gè)活塞對(duì)應(yīng)一個(gè)兩位三通電磁閥，起到切換工具內(nèi)部鉆井液分流的作用，工作原理如圖3b所示。當(dāng)需要造斜時(shí)，電磁閥將工具內(nèi)部鉆井液與活塞內(nèi)側(cè)高壓流體貫通，此時(shí)活塞外側(cè)是較低壓力的環(huán)空流體，在內(nèi)外壓力差作用下推動(dòng)活塞動(dòng)作，使鉆頭產(chǎn)生導(dǎo)向力；當(dāng)不需要工具造斜時(shí)，電磁閥關(guān)閉工具內(nèi)鉆井液與活塞內(nèi)側(cè)流體通道，此時(shí)，活塞內(nèi)側(cè)與環(huán)空液體連通，活塞的內(nèi)外不存在壓差，不對(duì)鉆頭產(chǎn)生導(dǎo)向力[3]。

2019年，Schlumberger公司推出了一種近鉆頭導(dǎo)向系統(tǒng)NeoSteer At-Bit Steerable System(ABSS)。該工具仍采用全旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)推靠式導(dǎo)向機(jī)理，但和以往的推靠式(間接推靠原理)不同，它直接作用在鉆頭處，是一種直接推靠式工具。在工具內(nèi)外側(cè)鉆井液壓差的作用下，推動(dòng)活塞支撐井壁，改變鉆頭姿態(tài)進(jìn)行導(dǎo)向。液壓系統(tǒng)密封結(jié)構(gòu)采用金屬液壓密封件以減少?zèng)_蝕。目前，近鉆頭推靠式工具有兩種結(jié)構(gòu)：一種是導(dǎo)向機(jī)構(gòu)與鉆頭分離式NeoSteer CLx ABSS，另一種是導(dǎo)向機(jī)構(gòu)與鉆頭一體式NeoSteer CL ABSS，如圖4所示。

圖4 NeoSteer近鉆頭導(dǎo)向系統(tǒng)

1.2 指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具

2015年Weatherford公司推出的Revolution 16是一種靜態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)安置在不旋轉(zhuǎn)的外殼內(nèi)，環(huán)向有12列活塞，如圖5所示。工具通過(guò)液壓系統(tǒng)控制柱塞泵，將高壓液體泵入執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)的幾列活塞，該列柱塞在壓力的作用下伸出，頂在工具不旋轉(zhuǎn)的外殼上；此時(shí)，另一部分處于低壓的活塞，在推靠工具殼體的反作用力下，其內(nèi)的彈簧壓縮，使得心軸處于偏心狀態(tài)，在靠近鉆頭處穩(wěn)定器支點(diǎn)的作用下，鉆頭被偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)鉆頭沿某一方向的導(dǎo)向鉆進(jìn)。

圖5 Revolution 16工具導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)

1.3 復(fù)合式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具

2011年，斯倫貝謝公司推出的PowerDrive Archer，是具有高造斜能力的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，其導(dǎo)向機(jī)構(gòu)含4個(gè)推靠墊塊，在推靠墊塊的推動(dòng)下，導(dǎo)向扶正套以萬(wàn)向節(jié)為支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，使鉆頭產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)效果，工作原理如圖6所示。推靠墊塊運(yùn)動(dòng)部分結(jié)構(gòu)和控制繼承了原有動(dòng)態(tài)推靠式工具PowerDrive X6的所有結(jié)構(gòu)(含穩(wěn)定平臺(tái))[4]和整個(gè)控制系統(tǒng)[5]，因此采用的仍是其傳統(tǒng)的調(diào)制式推靠控制方法；而導(dǎo)向扶正套帶動(dòng)鉆頭偏轉(zhuǎn)部分繼承了PowerDrive Xceed動(dòng)態(tài)指向式工具的原理[6]?；诖?，該公司將其定義為復(fù)合式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具。由于推靠墊塊不是作用在井壁上，而是作用在工具導(dǎo)向扶正套內(nèi)壁上，使工具可以適用于軟硬地層，在全程旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)中，可以產(chǎn)生較好的井壁質(zhì)量；同時(shí)，由于不再偏置心軸，具有較大的造斜能力，可在全旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)每30 m井段造斜18°的高造斜率安全鉆進(jìn)[7-8]。該工具的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)是傳統(tǒng)式的推靠式機(jī)構(gòu)，但最終效果與指向式工作原理產(chǎn)生的效果一致。因此，從嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)，該工具是一種新型執(zhí)行機(jī)構(gòu)的指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具。

1—導(dǎo)向扶正套；2—推靠墊塊；3—萬(wàn)向節(jié)；4—鉆頭。

2015年，Nabors公司推出了一種復(fù)合式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具OrientXpress，其導(dǎo)向機(jī)構(gòu)是一個(gè)由雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的近鉆頭非旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定器，總長(zhǎng)約3.5 m，設(shè)計(jì)的造斜率為每30 m井段造斜15°。該工具有一段不旋轉(zhuǎn)的外殼，外殼外有一近鉆頭非旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定器，外殼內(nèi)配備有不相鄰的兩個(gè)偏心套筒，它們分別有一個(gè)電機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，以調(diào)節(jié)心軸的偏心程度，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆頭偏移量的連續(xù)控制。兩個(gè)套筒的偏心量完全相同，因此當(dāng)它們彼此相對(duì)定位時(shí)，對(duì)鉆頭的偏移量和側(cè)向力貢獻(xiàn)為0。在電機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，當(dāng)一個(gè)套筒相對(duì)于另一個(gè)套筒旋轉(zhuǎn)時(shí)，鉆頭就會(huì)偏移，鉆頭工具面和偏移量可以連續(xù)變化，從而平滑地控制鉆具方向和造斜率[9]。其導(dǎo)向原理如圖7所示。從圖7可以看出，工具導(dǎo)向機(jī)構(gòu)沒(méi)有外部運(yùn)動(dòng)部件(例如活塞或墊塊)，而是采用工具內(nèi)部推力使鉆頭產(chǎn)生偏移量。該工具導(dǎo)向機(jī)構(gòu)是傳統(tǒng)指向式工具的執(zhí)行機(jī)構(gòu)(雙偏心環(huán)機(jī)構(gòu))，但最終效果與推靠式原理工具一致，因此從嚴(yán)格意義上講，該工具為一種新型執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具。

1—偏心套筒；2—心軸；3—鉆頭；4—非旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定器；5—電機(jī)。

2017年，韓國(guó)J.H.KIM等[10]結(jié)合指向式和推靠式兩種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的導(dǎo)向原理，提出了一種復(fù)合式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，并設(shè)計(jì)出了原理樣機(jī)，完成了地面水泥靶模擬鉆井試驗(yàn)，工具的造斜率可以達(dá)到每30 m井段造斜32°。該工具具有3個(gè)外置墊塊，墊塊根據(jù)需要可以推靠井壁或偏置心軸，其導(dǎo)向原理如圖8a所示。

1—墊塊；2—鉆頭；3—萬(wàn)向節(jié)；4—滑桿；5—柱塞；6—軸承；7—墊塊；8—斜面導(dǎo)軌；9—柱塞桿。

工具的心軸被兩個(gè)萬(wàn)向節(jié)分成3段，使得心軸具有較大的偏置位移能力。工具外殼上有3個(gè)墊塊，每個(gè)墊塊都配有一個(gè)液壓缸，液壓缸的活塞桿在液壓的作用下產(chǎn)生與心軸平行方向的運(yùn)動(dòng)，在活塞桿非液力端安裝有軸承，軸承在斜面導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，將活塞的平行運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為墊塊的垂直運(yùn)動(dòng)。通過(guò)調(diào)配進(jìn)入液壓缸的鉆井液壓力，可以實(shí)現(xiàn)墊塊的垂直方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)墊塊垂直方向上伸出時(shí)，可以推靠井壁，符合推靠式導(dǎo)向原理；當(dāng)墊塊在垂直方向上回縮時(shí)，可以偏置心軸，符合指向式導(dǎo)向原理。工具在兩種導(dǎo)向機(jī)理共同配合作用下，可以獲得較大的造斜率。

2 國(guó)內(nèi)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)也在積極進(jìn)行井眼軌跡控制工具即旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)的研究工作，并在理論研究和原理樣機(jī)方面取得了較多的研究成果，但距離工業(yè)規(guī)模化應(yīng)用還有一定距離。

2.1 推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具

目前，國(guó)內(nèi)的動(dòng)態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具主要以調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具為主，西安石油大學(xué)與中石化勝利鉆井工藝研究院合作，研發(fā)了調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具M(jìn)RST[11]。整個(gè)工具配備了以鉆井液為液壓介質(zhì)的液壓系統(tǒng)，工具內(nèi)有上、下渦輪發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定平臺(tái)。該平臺(tái)在下部電機(jī)的電氣參數(shù)調(diào)控作用下，可以在高速旋轉(zhuǎn)工具外殼內(nèi)獨(dú)立旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)液壓盤(pán)閥鉆井液分流系統(tǒng)的上盤(pán)閥位置，對(duì)鉆井液分流，在工具內(nèi)外壓差作用下推動(dòng)翼肋伸縮產(chǎn)生偏置。工具原理結(jié)構(gòu)如圖9所示。

1—上軸承保護(hù)器；2—測(cè)控穩(wěn)定平臺(tái)；3—下軸承保護(hù)器；4—液壓盤(pán)閥分流系統(tǒng)；5—偏置單元；6—鉆井液過(guò)濾裝置；7—下渦輪發(fā)電機(jī)；8—上渦輪發(fā)電機(jī)。

國(guó)內(nèi)典型的靜態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具主要由驅(qū)動(dòng)軸、不旋轉(zhuǎn)外套、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和密封系統(tǒng)等構(gòu)成，其中導(dǎo)向機(jī)構(gòu)由可獨(dú)立伸出或縮回的翼肋和液壓缸組成，翼肋在液壓缸的作用下產(chǎn)生推靠力。國(guó)內(nèi)企業(yè)或研究單位在該類(lèi)工具的研發(fā)中投入較多，如：中海油研發(fā)出了自主的靜態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)Welleader，能夠?qū)崿F(xiàn)井斜自動(dòng)閉環(huán)控制，導(dǎo)向力可以實(shí)現(xiàn)32級(jí)強(qiáng)度和240級(jí)方向控制，最大轉(zhuǎn)速180 r/min，工具耐溫達(dá)150 ℃。該工具已在渤海灣完成了試驗(yàn)工作，具備了海上作業(yè)的能力，實(shí)鉆造斜率約每30 m井段造斜6.5°，但是仍處于初步應(yīng)用階段[12]。中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司大慶鉆探鉆井工程技術(shù)研究院成功試制出靜態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)樣機(jī)(DQXZ-01型)[13-14]，并在5口水平井開(kāi)展了鉆進(jìn)試驗(yàn)。中國(guó)石化勝利鉆井院研制出了靜態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具樣機(jī)(SINOMACS ATS I型)，并于2019年在勝利油田現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成功，造斜率達(dá)到每30 m井段造斜4.2°[15]。2019年以來(lái)，中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探公司、航天科工及中國(guó)石油大學(xué)(華東)共同研制的靜態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具(CG-STEER)[16]已完成4口頁(yè)巖氣水平井的造斜段和水平段鉆井作業(yè)，累計(jì)進(jìn)尺7 758 m，創(chuàng)下了國(guó)產(chǎn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)最大造斜率每30 m井段造斜11.2°，單趟鉆最長(zhǎng)壽命297 h，進(jìn)尺1 090 m等多項(xiàng)紀(jì)錄。

2.2 指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具

從2007年開(kāi)始，長(zhǎng)江大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)在中海油的支持下，開(kāi)始進(jìn)行全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的靜態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的基礎(chǔ)研究和導(dǎo)向工具的研發(fā)，開(kāi)展了指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具主軸造斜性能、組合軸承力學(xué)與壽命和導(dǎo)向參數(shù)下傳與解碼的理論研究。根據(jù)導(dǎo)向工具的結(jié)構(gòu)，將導(dǎo)向工具主軸簡(jiǎn)化為超靜定梁，建立了主軸在彎曲狀態(tài)下的靜力學(xué)模型，構(gòu)建了工具外殼變形、主軸偏心與撓度和鉆頭偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系模型，建立了偏心機(jī)構(gòu)作用力與偏心距、外殼載荷、上下端軸承間距等因素的關(guān)聯(lián)關(guān)系，得出了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的導(dǎo)向力、偏轉(zhuǎn)角和臨界鉆壓等關(guān)鍵參數(shù)值[17]，從而較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了導(dǎo)向工具的實(shí)際造斜率[18]；通過(guò)對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具組合軸承工作原理的系統(tǒng)分析，結(jié)合具體導(dǎo)向工具偏轉(zhuǎn)角與主軸偏心距之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，建立了組合軸承超靜定靜力學(xué)平衡方程，運(yùn)用概率乘積定理的組合軸承L-P疲勞壽命經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，充分考慮工具在井下工作時(shí)的熱力耦合影響和實(shí)際工況的I-H疲勞壽命計(jì)算方法，得出了可用于各類(lèi)導(dǎo)向工具的組合軸承疲勞壽命評(píng)估模型[19]；采用鉆井液脈沖通信的“泄流式”模型[20]，對(duì)鉆井導(dǎo)向參數(shù)下傳信號(hào)的設(shè)計(jì)、編碼、濾波和解碼進(jìn)行了深入、系統(tǒng)的研究。

目前，該團(tuán)隊(duì)已研制出了二代指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具樣機(jī)，該工具以鉆桿驅(qū)動(dòng)為動(dòng)力，通過(guò)不旋轉(zhuǎn)外殼與主軸之間的偏置機(jī)構(gòu)使旋轉(zhuǎn)主軸產(chǎn)生小角度彎曲，從而使鉆頭與井眼軸線(xiàn)之間形成夾角，實(shí)現(xiàn)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)。該工具主要由控制短節(jié)、電磁離合器、減速機(jī)構(gòu)、偏心機(jī)構(gòu)及組合軸承等部分組成?？刂贫坦?jié)由電池短節(jié)和測(cè)控電子系統(tǒng)等構(gòu)成。電池短節(jié)提供井下電源。測(cè)控電子系統(tǒng)包括控制電路、測(cè)量工具面角和井斜角的檢測(cè)儀器、小閉環(huán)通信、下傳信號(hào)接收器及其電路，以及測(cè)量方位和傾角的傳感器等，如圖10所示。該工具的設(shè)計(jì)造斜率為每30 m井段造斜8°，通過(guò)全尺寸旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向測(cè)試臺(tái)架的水泥靶實(shí)鉆試驗(yàn)，測(cè)試出的實(shí)際造斜率為每30 m井段造斜8.56°，可實(shí)現(xiàn)鉆頭與井眼軸線(xiàn)之間夾角的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。

圖10 靜態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具

2009年，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)杜建生[21]針對(duì)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的心軸力學(xué)展開(kāi)了試驗(yàn)研究，并提出了一種新的雙對(duì)頂滑塊斜面導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，通過(guò)滑移斜面，將雙對(duì)頂滑塊水平運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為斜面塊垂直運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)心軸產(chǎn)生偏置，并加工制造出了偏置導(dǎo)向單元樣機(jī)[22]，如圖11所示。

圖11 雙對(duì)頂滑塊斜面導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

2016年，西安石油大學(xué)張光偉等[23-24]提出了一種雙伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)內(nèi)、外偏心環(huán)的全旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具，結(jié)構(gòu)如圖12所示。

1—外偏心環(huán)控制電機(jī); 2—外偏心環(huán)法蘭;3— 外偏心環(huán);4—內(nèi)偏心環(huán); 5—內(nèi)偏心環(huán)法蘭; 6—內(nèi)偏心環(huán)控制電機(jī);7—導(dǎo)向軸;8—扭矩傳遞機(jī)構(gòu);9—密封裝置;10—球座；11—旋轉(zhuǎn)外套。

2.3 復(fù)合式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具

2018年，文獻(xiàn)[25]提出了一種復(fù)合式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具。該工具采用與調(diào)制推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具相同的穩(wěn)定平臺(tái)和液壓分配單元，它的導(dǎo)向執(zhí)行單元主要包括驅(qū)動(dòng)軸、鉆頭軸、柱塞組件、調(diào)節(jié)環(huán)組件和萬(wàn)向節(jié)組件等。其中驅(qū)動(dòng)軸與鉆鋌相連接，驅(qū)動(dòng)軸與鉆頭軸通過(guò)萬(wàn)向節(jié)相連接。鉆井液經(jīng)過(guò)液壓分配單元，在壓差的作用下推動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸上的柱塞，柱塞進(jìn)一步推動(dòng)鉆頭軸的導(dǎo)向套筒，使鉆頭軸繞著萬(wàn)向節(jié)偏轉(zhuǎn)，從而達(dá)到導(dǎo)向鉆進(jìn)的目的，其結(jié)構(gòu)如圖13所示。

1—上盤(pán)閥控制軸；2—鉆井液過(guò)濾網(wǎng)；3—盤(pán)閥座；4—上盤(pán)閥；5—下盤(pán)閥；6—調(diào)節(jié)環(huán)組件；7—摩擦環(huán)；8—柱塞組件；9—驅(qū)動(dòng)軸；10—導(dǎo)向套筒；11—萬(wàn)向節(jié)組件；12—鉆頭軸；13—鉆頭接頭。

3 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具發(fā)展趨勢(shì)

國(guó)內(nèi)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具技術(shù)基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，工具的研發(fā)速度與國(guó)外的工具發(fā)展相比有一定的滯后。從現(xiàn)有調(diào)研的國(guó)外新型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具情況可以看出，與前些年以指向式工具為主的趨勢(shì)不同，目前市場(chǎng)推出的新型工具主要集中在推靠式和新型的復(fù)合式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具上。由于復(fù)合式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具兼具指向式和推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的優(yōu)點(diǎn)，所以它將成為未來(lái)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的發(fā)展趨勢(shì)。而工具心軸、軸承和工具智能化將是研發(fā)復(fù)合式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具需要解決的主要問(wèn)題，它們的發(fā)展將主要集中在以下幾個(gè)方面：

(1)在主軸方面，由于主軸需要承受扭轉(zhuǎn)、部分鉆壓、偏置力、高溫和偏置力等載荷，為了提升鉆頭的偏轉(zhuǎn)角，則需增大主軸的撓度變形。主軸在材料方面應(yīng)該選擇具有一定柔性且滿(mǎn)足上述載荷的新材料，如鈦合金材料；而在主軸的結(jié)構(gòu)方面，也將從原來(lái)的單根軸結(jié)構(gòu)逐漸變?yōu)榉侄屋S結(jié)構(gòu)，以滿(mǎn)足復(fù)合式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的偏置需求，同時(shí)提高工具的造斜能力。

(2)在軸承方面，作為支承工具主軸的關(guān)鍵部件，軸承需承擔(dān)減振和鉸支的功能。目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)商業(yè)化并得到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的軸承，主要采用推力調(diào)心滾子軸承與調(diào)心滾子軸承加墊圈的組合形式，但這種組合形式不能減少鉆頭鉆進(jìn)時(shí)振動(dòng)的影響，同時(shí)調(diào)心滾子軸承的轉(zhuǎn)速存在限制。因此，組合軸承結(jié)構(gòu)仍需進(jìn)一步改進(jìn)，如使用滑動(dòng)軸承部分替代原有組合軸承結(jié)構(gòu)，或改變組合軸承潤(rùn)滑方式。此外，還可以采用新材料，如陶瓷材料和金剛石等，進(jìn)一步提高軸承耐磨性能和抗變形能力，從而提升復(fù)合式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的整體性能。

(3)在工具智能化方面，現(xiàn)有的地質(zhì)傳感器、工具姿態(tài)傳感器和工具狀態(tài)傳感器等可以為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具提供豐富的感知信息，通過(guò)信息驅(qū)動(dòng)技術(shù)將工具的物理運(yùn)行狀態(tài)和地層狀態(tài)實(shí)時(shí)映射到工具和地質(zhì)模型的數(shù)字孿生體上，將傳統(tǒng)數(shù)字模型與人工智能技術(shù)有機(jī)結(jié)合，對(duì)數(shù)字模型進(jìn)行實(shí)時(shí)迭代更新，實(shí)現(xiàn)井眼軌跡的預(yù)測(cè)和工具的導(dǎo)向決策功能。因此，將人工智能引入工具地質(zhì)導(dǎo)向控制，實(shí)現(xiàn)工具和井下環(huán)境的數(shù)字孿生技術(shù)，通過(guò)虛實(shí)交互和耦合互聯(lián)功能實(shí)現(xiàn)工具的智能控制將成為未來(lái)工具智能化發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)集機(jī)、電、液、測(cè)、控等多學(xué)科于一體，單憑一家很難在短時(shí)間內(nèi)補(bǔ)齊這些短板，所以在很大程度上造成了國(guó)內(nèi)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的研發(fā)周期長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的研發(fā)需要向?qū)I(yè)的科研單位借力，在地面監(jiān)控系統(tǒng)、地面井下信號(hào)雙向通信、井下高精度連續(xù)測(cè)量系統(tǒng)、井下智能導(dǎo)向控制系統(tǒng)以及機(jī)械本體導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行分工合作，整合全國(guó)優(yōu)質(zhì)資源，進(jìn)一步優(yōu)化并完善旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的各個(gè)模塊，不斷增強(qiáng)其穩(wěn)定性，提高其可靠性，盡早實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品規(guī)模化應(yīng)用，自主創(chuàng)新研究出屬于我國(guó)特色的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)彎道超車(chē)。