旋转导向钻井工具机械结构设计说明书.doc
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1、 178旋转导向钻井工具机械结构设计摘 要:旋转导向钻井技术是石油工业工程技术领域的关键技术之一,得到了石油钻井工程界的极大关注,发挥着越来越重要的作用,重要应用于水平井、大位移井、超深井、三维多目的井等复杂结构的井作业。本文综述了旋转导向钻井工具的国内外现状,闸明了在我国发展旋转导向钻井技术的重要性和必要性,介绍了它的工作原理及结构组成,指出了研制该工具的重要技术特点。调制式旋转导向钻井工具的导向执行机构是靠内外泥浆液压力差驱动的原理来实现的,这是旋转导向钻井工具能否正常工作的关键。所以,对其液压盘阀分派系统进行分析计算,及其在井下不同工况下所受的力进行分析计算。分析了旋转导向钻井系统的井下
2、钻井工具系的偏置方式和导向方式,完毕了导向执行机构机械部分的设计。 关键词:旋转导向钻井工具;机械结构设计;压力差; 178 Rotary Steerable Drilling Tool Mechanical Structure DesignAbstract:In many oil industry engineering filed key technologies,rotary steerable drilling technology is one that has been paid much attention to in recent years and exhibits more
3、 and more importance in oil drilling industry, mainly used in horizontal well,extended reach well,ultra-deep well ,3D multi-target well the complex structure of multi-lateral wells in wells operating. This paper reviews the domestic and international drilling tool status, illustrates the development
4、 of rotary steerable drilling technology of the importance and necessity to introduce the working principle and its composition, that the development of the main technical features of the tool. Modulated rotary steerable drilling tool driven by the executing agency is the pressure difference between
5、 inside and outside the mud fluid-driven principles to achieve, which is whether the drilling tool to work the key. Therefore,its hydraulic disc distribution system analysis and calculation, and its different working conditions in underground analyzing and calculating the force. Analysis of downhole
6、 rotary steerable drilling tool drilling system orientation bias way. Complete guide the design of mechanical parts of the implementing agencies.Key words: Rotary steering drilling tool;Mechanical parts design;Pressure difference目 录第一章 绪论11.1 本论文研究的目的、价值和意义11.2 国内外研究状况及趋势21.2.1 国内旋转导向钻井系统研究与发展现状21.2
7、.2 国外旋转导向钻井系统研究与发展现状31.3 毕业设计论文的重要内容9第二章 旋转导向钻井装置的方案对比分析102.1 旋转导向钻井工具的分类102.2 三种旋转导向钻井系统的结构特性和对比102.2.1 Auto Trak旋转导向钻井系统102.2.2 Power Drive旋转导向钻井系统112.2.3 三种不同旋转导向方式对比152.3 旋转导向钻井方案的选择152.4 旋转导向钻井工具工作原理15第三章 旋转导向钻井工具机械部分设计183.1 导向机构的导向原理及组成183.2 上盘阀高压孔圆弧角的拟定223.3 柱塞的相关计算223.4 巴掌结构233.5 盘阀泥浆过流的有效面积
8、计算243.6 巴掌销钉的强度校核263.7 挡块上的螺钉强度校核263.8 盘阀连接螺钉强度校核273.9 液压盘阀系统的设计273.9.1 上盘阀的结构设计计算373.9.2 上盘阀传动轴的校核30 3.9.3下盘阀的设计.31 3.9.4上下盘阀导通时间计算.323.10 盘阀加压弹簧的设计343.11 工具体的校核35第四章 旋转导向钻井工具经济性评价38 4.1 旋转导向工具的加工成本384.2 旋转导向工具的经济效果38第五章 结论及展望405.1 结论405.2 展望与建议40参考文献.41致 谢43第一章 绪论1.1 本论文研究的目的、价值和意义为了节约开发成本和提高石油产量,
9、对那些受地理位置限制或开发后期的油田,通常通过开发深井、超深井和长距离水平井来实现,进而导致复杂结构的井不断增多,这就要加快旋转导向钻井工具研究的步伐。20世纪80年代后期,国际上开始加强对旋转导向钻井的研究。旋转导向钻井法是在用转盘旋转钻柱钻井时,随钻实时完毕导向功能。其优点是:在输送钻头时的摩阻小,钻速高(是滑动钻井的2-3倍)、钻头进尺多、钻井时效高、建井周期短,井身轨迹平滑易调控。此外,其极限井深可达15km。钻井成本低。因此,旋转导向钻井技术是现代导向钻井技术发展的必然方向。到90年代初期,国外旋转导向钻井技术已呈现商业化。中国古代钻井技术被称为中国古代文明的第五大发明。开创了世界钻
10、井历史的先河新中国成立后,我国石油工业有了举世瞩目的巨大成就。我国石油产量现居全世界第5至第8位,我国的钻井规摸已跃居全世界第3位,钻井业已走出国门参与国际竞争。当前,国际钻井技术发展的总趋势是以信息化、智能化、自动化为特点,向自动化钻井阶段发展自20世纪80年代后期,国际上开始加强对旋转导向钻井技术的研究,到90年代初期,旋转导向钻井技术已呈现商业化。另一方面随着油气田的日益减少,大位移井的相对重要性和技术、经济优势越来越显著,而它所面临的技术难度也是前所未有的。重要是轨迹控制的精度规定大幅度提高,控制难度明显增长,同时又必须尽量保证有足够的速度以保证钻井成本的相对下降。要实现这一目的,就规
11、定一方面实现井下闭环控制,可以使井眼轨迹控制工作最大限度的避免由人为经验来解决不拟定性干扰因获引起的复杂问题,并使井眼轨迹控制类似于导弹飞行控制,保证井眼轨迹控制的精度和准确性得以大幅度提高。井下闭环钻井技术代表了当今井眼轨迹控制技术的最高水平,经济的、资源的、技术的因素决定了必须研究井下闭环钻井技术。其正实现井下闭环控制,传统钻井工具已不能满足规定,必须研制更加灵活的、全方位可调的旋转导向井下工具。其核心是能在旋转状态下按控制指令动作以改变作用在钻头上的合力或改变钻具偏心限度的偏三导向机构。旋转导向钻井时的摩阻与扭阻小、钻速高、钻头进尺多、钻井时效高、钻井周期短、井身轨进平滑,每米进尺成本低
12、,是现代导向钻井的发展方向。旋转导向系统是一个集机、电、液于一体的闭环自动控制系统,并以旋转钻井为其技术特性,所以在减少井下摩阻、提高钻深能力和控制精度方面具有独特的优势,所以成为大位移井长稳斜段钻井作业的常用工具,也适合于水平井水平段(特别是薄油水层水平井)的钻进与控制作业。目前国内也正在研制开发旋转导向系统,从各个油田和区块的应用实例看,旋转导向钻井工具具有在旋转钻进时连续导向的能力,可以提高井眼的清洁度和机械钻速,减少压差卡钻;还具有井眼轨迹自动控制的能力,从而提高井眼轨迹的光滑度,减少扭矩和摩阻,也就相应地增长了水平井的延伸长度。但该系统对设备规定比较高,规定设备、钻具等能承受高转速、
13、大扭矩、高泵压,在某种限度上加大了对设备、钻具等的损伤,并且该系统造价比较昂贵,一次性投入较大,并不是每个区块和地层都合用这种钻井技术。1.2 国内外研究状况及趋势1.2.1 国内旋转导向钻井系统研究与发展现状20世纪90年代,西安石油大学等国内少数研究机构开始关注旋转导向钻井技术,重要进行情报调研和初步的概念性探索研究。1991年,西安石油大学张绍槐专家组织力量进行了“井眼轨迹制导技术”的中国石油天然气总公司(CNPC)“九五”立项调研;1994年,西安石油大学张绍槐专家等又开展了井下旋转自动导向钻井系统RCLD(Rotary Close-Loop Drilling System)的研究,并
14、以国家自然科学基金项目为依托研究了井身轨迹控制技术、钻井智能信息与模拟技术以及随钻地震技术(SO)等。21世纪初国家科技部和中石油、中石化、中海油都纷纷立项研究旋转导向钻井技术,西安石油大学参与了这些研究项目并于2023年初建立了我国第一个多学科的导向钻井研究所。胜利油田在我国导向钻井技术应用和研究方面也一直处在全国第一的领先地位,曾于1989年在河50井组钻成功一个井场井数最多的丛式井,并且己成功地为20多个油田提供了水平井技术服务,成功钻探的水平井数量占同期全国所钻水平井总数的三分之二;1996年,胜利油田钻井工艺研究院研究了可控变径稳定器;1999年胜利油田开始进行旋转自动导向钻井系统的
15、跟踪调研、论证和初步研究方案设计等工作,同年引进了地层评价随钻测量系统(FEWD)并进入卡塔尔国际市场;2023年进行了旋转导向钻井系统开发可行性研究,2023年“旋转导向钻井系统整体方案设计及关键技术研究”、“旋转导向钻井技术研究”分别被列为国家“863”前瞻性研究项目及中国石化集团公司科技攻关项目,胜利油田与西安石油学院合作开始共同研制和开发具有自主知识产权的旋转导向系统调制式旋转导向钻井系统MRSS(Modulated Rotary Steerable System)。在全面完毕国家“863”前瞻性研究攻关项目的基础上,2023年“旋转导向钻井系统关键技术研究”被列为国家“863正式科技
16、攻关项目。MSS调制式旋转导向钻井系统为动态偏置推靠式系统,目前己在其关键技术研究方面取得突破,对该系统已建立起系统的力学物理、数学模型,理论研究比较完善成熟,已形成了功能性样机,系统的部分功能已在地面得到验证。由中海油与西安石油大学等研究单位承担的国家“863”课题“旋转导向三维可控钻井技术研究”也取得了突破,研究的可控偏心器式旋转导向钻井工具系统,为静态偏置推靠式系统,目前己进行了偏心机理、井下BHA组合力学性能等一定的理论研究和工具系统各单元样机的现场实验,其在陆地和海上油田的现场实验结果表白:在井斜约60的大斜度稳斜井段,井斜控制和方位控制都达成了控制规定,采用的旋转导向钻具组合还可提
17、高钻压,最高可达240KN,为“十一五”期间旋转导向钻井工具系统的进一步完善和应用奠定了坚实的工程化基础,在国内旋转导向钻井系统关键技术研究方面有一定的突破。2023年至2023年上半年,该工具系统的随钻电阻率、自然伽马测量工具单元样机进行了7次陆地油田钻井实验,重要技术指标达成了最高耐压140 MPa,最高工作温度150,连续工作时间200 h,实现了国内初次对随钻电阻率和地层自然伽马的测量。2023年1月,该工具系统的井下工程参数测量短节在四川MP37井下井实验,钻井作业40. 95 h,钻井进尺320 m,取得了较好的实验效果。2023年以来,对该工具系统的钻井液脉冲上传信息技术及MWD
18、工具分别在四川、冀东和渤海等油田进行了钻井实验,钻井深度达成2850 m,工作时间达成86 h,最长时间200 h,完全达成了设计规定,目前该系统在井下的软件和硬件接口以及总控系统都可以满足作业需求,并与其他井下仪器具有良好的兼容性能。2023年5月30日该工具系统的旋转导向可控偏心移交器单元样机在长庆油田Ning37-32井进行了钻井实验,国内初次运用品有自主知识产权的旋转导向可控偏心器钻井技术实现成功钻井。此外,文献中有偏置工具后置式系统的介绍,该系统为静态偏置外推指向式系统,国内仅对其导向性能等做了初步的理论分析研究。由于美国实行的技术封锁,国内缺少国外先进的旋转一导向系统实物样机作为参
19、考,加之研发费用高,在关键技术方面还是存在着重重困难,样机现场实验效果与国外技术相比还存在较大的差别目前还无法形成应用于现场的能力。1.2.2 国外旋转导向钻井系统研究与发展现状国外从20世纪80年代末期开始旋转导向钻井系统的理论研究。导向钻井系统最初只用在定向井、丛式井,随油田开发的增多,逐渐用到了大斜度井、水平井、兰维多目的井、大位移井等。因此导向钻井相应的发展也经历了三个阶段:初级导向钻井、地面人工控制的导向钻井及全自动的井下闭环旋转导向钻井。初级导向钻井是运用弯外壳螺杆钻具,在造斜段(或降斜段)、稳斜段分别实行滑动钻进和旋转钻进。地面人工控制的导向钻井系统是使用变径稳定器加螺杆钻具,采
20、用遥控方式,通过改变井下稳定器的直径来改变井下动力钻具的力学特性,进行造斜(或降斜)和稳斜钻进,但在造斜段(或降斜段)同样需要滑动钻进。滑动钻进时机械钻速低,携岩能力差,井眼清洗不完善,容易发生粘吸卡钻。全自动的井下闭环旋转导向钻井系统是从地面人工控制的导向钻井系统发展成的,可实行井下自动侧量、辨别解决、控制的自动系统。这种系统在造斜、降斜、稳斜段内均能实行旋转钻进,有助于提高机械钻速,并且携岩能力好,井眼清洗完善,可大大减少压差卡钻现象。旋转导向钻井工具是20世纪90年代初,随着水平井、大位移井、丛式并等复杂井和“海油路采”的迅速发展,而出现的一种新型钻井工具。到20世纪90年代中期,美、英
21、、德、意、日五个国家的8家大公司进行研制并垄断了其工程应用和商业化技术服务市场,例如德国的自动垂直井钻井系统VDS、美国Baker Hughes Inteq公司的自动直井钻井系统SDD、Halliburton公司的自动导向钻井系统AGS、美国能源部资助的自动定向钻井系统ADD、英国Cameo公司的可导向的旋转钻井系统SRD、Baker Hughes lnteq公司的旋转导向井下闭环钻井系统RCLS及日本提出的RCDOS系统,特别是Baker Hughes公司的AatoTrak和Schlumberger公司的Power Drive取得了很好的应用效果。目前己形成或正在开发旋转导向钻井系统的公司的
22、具体情况如下表1-1所示。表1-1 现有的旋转导向钻井系统目前,闭环自动导向钻井技术已经形成了两个重要的发展大方向:一个是以Baker Hughes Inteq公司的Auto Trak RCLS系统为代表的不旋转外筒式闭环自动导向钻井系统,它以其精确的轨迹控制精度和完善的地质导向技术为特点,非常合用于高开发难度的特殊油藏的开发方案设计和导向钻井作业,Halliburton公司的Geo-Pilot系统也属于这一类导向钻井系统;此外一个是以Schlumberger Anadrill公司的Power Driver SRD系统为代表的全旋转自动导向钻井系统,它以其同样精确的轨迹控制精度和特有的位移延伸
23、钻井能力为特点,非常合用于超深井、边沿油藏的开发方案中的深井、大位移井的导向钻井作业。这两大方向又以Baker Hughes Inteq公司的AutoTrak RCLS、 Schlumberger Anadril公司的Power Drive SRD和Halliburton Sperry-sun公司的Geo-Pilot系统这三大系统为代表,分为三大类型,后面将对他们分别进行具体介绍。尽管目前闭环自动导向钻井技术存在两个发展方向,但其长远发展方向都将是集两者优点于一身的闭环自动导向钻井技术。(1)Auto Trak旋转导向钻井系统AutoTrak系统是一套集钻进和随钻测量为一体的定向钻井系统,可以
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