旋转导向PDC钻头结构研究初探.doc

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1、编号：论文题目：旋转导向PDC钻头切削结构研究初探单位：产品所作者姓名：张建平编写时间：二○○五年三月二十五日二00五年一月编制10旋转导向PDC钻头切削结构研究初探张建平摘要本文简要介绍了目前世界上比较成功应用的三种典型旋转导向系统――AutoTrakRCLS、PowerDriver、Goe-Pilot，对其导向原理和工作模式进行了深入分析，并在此基础上得出了在推靠钻头式和指向钻头式这两种导向模式下PDC钻头的受力和运动特点，根据这些特点分析提出了适应于旋转导向系统的PDC钻头应具有的力平衡、浅内锥短轮廓、连续递增后倾角、过载保护齿以及低扭矩保径等结构。特别是在对旋转导向系统两种导向

2、方式（推靠钻头式和指向钻头式）进行充分研究后提出了一种新的保径结构——选择性低扭矩侧切保径结构。关键词PDC钻头旋转导向系统图11、MWD，2、井下计算机，3、近钻头井斜传感器，4、偏心稳定器，5、PDC钻头，6、压力测量短节，7、LWD，8、储层导向短节旋转自动导向闭环钻井技术是20世纪90年代发展起来的一项尖端自动化钻井技术，它代表了当今世界上钻井技术的最高水平，这项技术的出现使世界钻井技术发生了一次质的飞跃。采用这种导向系统完全抛开了传统的滑动导向方式，而代以旋转导向钻进方式，可以自动、灵活地调整井斜和方位，大大提高了钻井速度和钻井安全性，轨迹控制精度也非常高，完全适合目前开发特

3、殊油藏的超深井、高难定向井、水平井、大位移井等特殊工艺井导向钻井的需要。但是，目前国内外对旋转导向系统的研究基本上都是专注于该系统本身，而对适用于该系统的PDC钻头切削结构的研究比较少。本文试图在对旋转导向系统的工作原理、运动模式进行研究分析的基础上对适用于这一系统的PDC钻头切削结构进行初步探讨。101、典型旋转导向系统概述目前，国际上已经商业化且比较成熟的旋转导向系统主要有BakerHughesInteg公司的AutoTrakRCLS系统、Halliburton下属子公司Sperry-Sun的Geo-Pilot系统、Schlumberger公司的PowerDrive系统。国内石油大

4、学、西安石油大学、上海大学等院校也在开展这方面的研究并取得了一定的科研成果。1.1、AuotTrakRCLS系统图2BakerHughesInteg公司对AutoTrakRCLS系统的研究开始于1993年，RCLS是“RotaryClosed-LoopDrillingSystem”的缩写，意即“旋转闭环钻井系统”。该系统于1996年研制成功并于该年正式推向市场，其总体结构见图1。自下而上，在PDC钻头之上是旋转导向工具的本体（由近钻头井斜传感器、偏心稳定器和相应的执行机构、井下计算机组成，这些设备时装置于不旋转外套上的），其上部连接随钻测量（MWD）总成（可以进行方位角、倾斜角、振动测

5、量以及提供与地面系统的通信），钻柱稳定器、储层导向短节（地质参数测量短节）、LWD（提供中子孔隙度和密度岩性测井）、压力测量短节。图2是AutoTrakRCLS的工作原理图。由图上可以看到，当周向均布的三个支撑活塞分别以不同液压力支撑于井壁时，将使不旋转外套不随钻柱旋转，同时井壁的反作用力将对井下偏置导向工具产生一个偏置合力。通过控制三个支撑活塞的支出力大小可以控制偏置力的大小和方向，从而控制导向钻井。在导向工具下井前，10其井下计算机内预置了井眼轨迹设计数据和若干控制指令。当导向工具在井底工作时，近钻头传感器测量井斜、方位并与井底计算机内的预设值进行比较，若其偏差超过规定范围则井底计

6、算机就会发出控制指令使执行机构产生相应控制动作，使偏心稳定器的三个活塞进行调整（伸缩），造成工具本体上的一个偏置力（见图2）从而使前端的钻头得到足够的侧向力来进行导向钻进，这样就完成了“井下闭环”控制。同时，MWD将近钻头传感器的输出参数转换为钻井液脉冲信号传至地面，地面处理系统将这些参数与原设计参数进行比较，如果偏差较大，则地面控制系统就通过MWD向井下计算机发出校正指令，从而又完成了井下─地面─井下的闭环控制。图3由以上分析可知，AutoTrakRCLS的导向方式是一种推靠钻头式（见图3），也就是说在有一个远钻头支点的情况下，在尽量靠近钻头的位置由偏置机构产生一定的偏置力，在接触井

7、壁后靠井壁的反作用力使钻头产生侧向切削力，从而实现导向。同时，该系统的偏置活塞的运动按照“力工作模式”进行，即偏置机构在驱动机构的作用下，能够根据导向需要产生的恒定的偏置力，进而实现偏置。对导向系统的控制是控制该偏置力的大小，而不考虑该偏置力产生的位移，并且该偏置力只是根据导向需要进行调整，而不随位移的变化而改变。这种导向方式的特点是钻头的侧向力大，造斜率高，但旋转导向钻出的井眼狗腿大、轨迹波动大、不平滑。10图4PowerDriver系统1.