推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向十年間的發(fā)展
時(shí)間：2018-12-06 11:21
來源：
作者:李智鵬
上世紀(jì)90年代末RSS的問世，推動(dòng)了復(fù)雜定向井、水平井、大位移井鉆井活動(dòng)的不斷增加。圖1展示了定向鉆井導(dǎo)向方式的發(fā)展歷程，從左向右依次為：斜向器、帶彎角的導(dǎo)向馬達(dá)、推靠式（push-the-bit）RSS、指向式（point-the-bit）RSS。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)衍生和改進(jìn)的導(dǎo)向方式有混合式（Hybrid Push-the-bit 或Hybrid-Point-the-bit）RSS和連續(xù)比例式導(dǎo)向（Continuous Proportional Steering Method）方式。根據(jù)RSS的最新發(fā)布，混合式RSS以斯倫貝謝系列產(chǎn)品為代表；連續(xù)比例式推靠RSS以貝克休斯全系產(chǎn)品為代表。
推靠式RSS（2000年）的原理解析
旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)自問世以來經(jīng)歷了不斷改進(jìn)的發(fā)展過程，早期的產(chǎn)品大都為推靠式RSS，采用泥漿驅(qū)動(dòng)的襯墊（或稱“巴掌”、或“推進(jìn)塊”）或扶正器使鉆頭軸改變方向，設(shè)計(jì)理念至今仍延續(xù)著其成功的性能表現(xiàn)。依靠工具管靠近鉆頭一端安置的3個(gè)襯墊的分時(shí)推出，襯墊觸碰井壁并被施加一定的推力，實(shí)現(xiàn)鉆頭軸的轉(zhuǎn)向與控制。圖2為早期的推靠式RSS示意圖。
早期的推靠式RSS包含一個(gè)轉(zhuǎn)向或偏置單元和一個(gè)控制單元，加起來的長度約3.8m；轉(zhuǎn)向單元或裝置緊隨鉆頭之后，全鉆具旋轉(zhuǎn)時(shí)以期望的方向?qū)?dǎo)向襯墊施加推力推靠井壁，改變鉆頭鉆進(jìn)方向?？刂茊卧挥谵D(zhuǎn)向單元上方，包含自供電的電控板、傳感器和一套控制機(jī)構(gòu)，提供改變鉆進(jìn)軌跡所需的側(cè)推力和方向控制。
轉(zhuǎn)向單元有3個(gè)外露的鉸接式襯墊，通過控制泥漿流過一個(gè)盤閥觸發(fā)襯墊移動(dòng)，盤閥利用轉(zhuǎn)向裝置內(nèi)外的泥漿壓差對襯墊施加液壓。見圖3（泥漿流通過一個(gè)三通盤式閥，驅(qū)動(dòng)三個(gè)外露的鉸接式襯墊，襯墊在每個(gè)旋轉(zhuǎn)周恰當(dāng)?shù)狞c(diǎn)動(dòng)態(tài)地被推出，推靠井壁，實(shí)現(xiàn)鉆頭轉(zhuǎn)向）。當(dāng)每個(gè)襯墊旋轉(zhuǎn)到與期望的推點(diǎn)（與希望鉆進(jìn)的方向相反的點(diǎn)）對準(zhǔn)時(shí)，三通旋轉(zhuǎn)盤閥通過依次將泥漿轉(zhuǎn)移至每個(gè)襯墊的活塞室來驅(qū)動(dòng)襯墊推靠井壁；當(dāng)一個(gè)襯墊通過推點(diǎn)后，旋轉(zhuǎn)盤閥切斷泥漿供給，泥漿通過一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的漏液口排出，在轉(zhuǎn)向單元的每一次旋轉(zhuǎn)中，每個(gè)襯墊最多伸出約3/8 in.（1cm）。
一個(gè)輸入軸將旋轉(zhuǎn)盤閥與控制單元連接在一起，以調(diào)整推點(diǎn)的位置。如果輸入軸的角度相對于地層是不變的或與地球的相對位置保持不變，那么，鉆頭會(huì)被不斷地推向一個(gè)方向，即與推點(diǎn)相反的方向。如果不需要改變鉆進(jìn)方向，系統(tǒng)會(huì)以一種中性模式運(yùn)轉(zhuǎn)，隨著每個(gè)襯墊依次伸出，襯墊向各個(gè)方向推出并有效地得到相互抵消。圖4展示了襯墊縮回（左）和伸出（右）的示意圖，伸出的幅度或長短約3/8 in.（1cm）。
控制單元保持輸入軸相對于地層合適的角度位置，控制單元中的控制板和相關(guān)組件安裝在軸承上，允許其隨鉆具軸自由旋轉(zhuǎn)。通過控制單元中的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可以下令控制單元保持一個(gè)相對于巖層的固定的滾動(dòng)角或工具面角。三軸加速計(jì)和磁力計(jì)傳感器提供有關(guān)鉆頭鉆進(jìn)的井斜和方位信息，以及輸入軸的角位置信息。在控制單元內(nèi)部，安裝在控制單元兩端異向旋轉(zhuǎn)的渦輪的葉輪通過其攜帶的高強(qiáng)度永磁鐵產(chǎn)生所需的穩(wěn)定扭矩，永磁鐵與控制單元中的轉(zhuǎn)矩線圈相耦合，從葉輪到控制單元的扭矩傳送通過電開關(guān)轉(zhuǎn)矩線圈的回路電阻來控制；控制單元上部渦輪的葉輪或扭矩器用來以鉆具旋轉(zhuǎn)相同的方向轉(zhuǎn)動(dòng)平臺，而下部渦輪的葉輪或扭矩器以相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)平臺。另有線圈為電子電路發(fā)電、供電。
旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具根據(jù)井斜和方位的選擇范圍可以在地面定制和編程，如果需要改變指令，可以通過泥漿向下發(fā)送脈沖序列向工具傳送新指令。RSS的導(dǎo)向性能可以通過隨鉆測量MWD工具以及控制單元中的傳感器來監(jiān)測，這一信息可以通過泥漿脈沖通信系統(tǒng)傳送至地面。通過控制單元安裝的三組三軸加速計(jì)或磁力計(jì)，提供用于設(shè)定鉆頭軸的地層靜止角的基準(zhǔn)；對于直井眼，采用預(yù)測磁北的方法作為確定方向偏離的參考，對于井斜超過3°的井眼，加速計(jì)提供導(dǎo)向參考。
使用滾轉(zhuǎn)穩(wěn)定平臺確定方向?qū)虻谋姸嗪锰幹皇瞧鋵︺@具粘滑行為的不敏感性?？刂茊卧衅渌鼛讉€(gè)傳感器記錄鉆具相對于地層的瞬間速度，從而提供鉆具行為及狀態(tài)的有用數(shù)據(jù)。控制單元還攜帶有震動(dòng)和熱傳感器，記錄其它有關(guān)井下工況的信息，控制單元中的微處理計(jì)算機(jī)連續(xù)不斷的采集和記錄鉆井工況信息，通過隨鉆測量MWD即刻將信息上傳至地面，或起鉆后在地面從MWD工具中取出；這些信息能幫助判斷鉆井期間的各類問題，加上MWD數(shù)據(jù)、泥漿錄井信息和采集的地層信息，將這些信息聯(lián)系起來分析，這種方法已被證明對優(yōu)化接下來的鉆井作業(yè)有極大幫助和價(jià)值。
推靠式RSS（2012年）的原理解析
旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向RSS系統(tǒng)自推出以來發(fā)展的非?？?，早期版本的推靠式RSS采用泥漿推進(jìn)的襯墊或扶正器使鉆頭改變鉆進(jìn)方向，依靠襯墊推靠井壁產(chǎn)生的推力使鉆頭向推靠相反的方向移動(dòng)，偏離井筒軸中心，從而改變鉆頭鉆進(jìn)方向。推靠式RSS經(jīng)常會(huì)因井眼沖蝕、井徑不規(guī)則或凹凸不均勻而受影響，因此，井眼軌跡的規(guī)則性并非非常完美，也會(huì)出現(xiàn)微狗腿現(xiàn)象。
推靠式RSS設(shè)有一個(gè)轉(zhuǎn)向單元或偏置單元，該裝置含有三個(gè)安置在近鉆頭的襯墊推進(jìn)器，推進(jìn)器按要求的方向推動(dòng)襯墊向井壁施加側(cè)向力，改變鉆頭軸的方向。見圖6，推靠式RSS工具外筒三個(gè)外露的襯墊從正在旋轉(zhuǎn)的工具殼體內(nèi)動(dòng)態(tài)地伸出，產(chǎn)生一個(gè)針對地層或井壁的側(cè)向力，進(jìn)而使鉆進(jìn)方向發(fā)生改變。
造斜時(shí)，每個(gè)泥漿推進(jìn)的襯墊在其旋轉(zhuǎn)至井眼的低邊時(shí)對低邊施加推力；降斜時(shí)，每個(gè)泥漿推進(jìn)的襯墊在其旋轉(zhuǎn)至井眼的高邊時(shí)對高邊施加推力；司鉆通過泥漿脈沖遙測裝置向井下工具發(fā)送指令，控制襯墊推出的記時(shí)和推力；轉(zhuǎn)向單元上方安置有一個(gè)控制單元，控制裝置驅(qū)動(dòng)一個(gè)旋轉(zhuǎn)閥，旋轉(zhuǎn)閥打開和關(guān)閉通向襯墊的泥漿供給或壓力，襯墊與鉆具旋轉(zhuǎn)速度相吻合。當(dāng)每個(gè)隨鉆具旋轉(zhuǎn)的襯墊經(jīng)過某個(gè)方向點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)同步調(diào)整襯墊的伸出和觸動(dòng)壓力。每當(dāng)一個(gè)襯墊經(jīng)過一個(gè)特定點(diǎn)時(shí)，通過施加液壓，襯墊推靠井壁迫使鉆具離開井筒軸線方向，將鉆頭鉆進(jìn)轉(zhuǎn)向期望的方向。圖7為襯墊伸出和回位的示意圖，襯墊伸出的行程約為18-20mm（3/4 in.）。
由于早期的推靠式RSS采用外露的襯墊推靠井壁，易受井眼井徑不規(guī)則影響。直到最近（2011年），推靠式RSS很難打出導(dǎo)向馬達(dá)鉆具打出的復(fù)雜井眼軌跡；改進(jìn)型的推靠式RSS已證明其高造斜率和高機(jī)械鉆速的特性，更重要的是全鉆具旋轉(zhuǎn)——所有外部的工具組件隨鉆具旋轉(zhuǎn)，能使井眼凈化變得更好，降低卡鉆風(fēng)險(xiǎn)。斯倫貝謝的PowerDrive Archer RSS就是這種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的典型代表。
不像其它一些RSS，Archer不依靠外部移動(dòng)襯墊推靠地層或井壁，而是利用工具筒內(nèi)4個(gè)推進(jìn)器活塞推靠一個(gè)鉸接式圓柱形導(dǎo)向套筒的內(nèi)側(cè)，導(dǎo)向套筒隨著一個(gè)萬向鏈接軸轉(zhuǎn)動(dòng)，將鉆頭指向期望的方向；此外，萬向鏈接軸上方工具筒外的4個(gè)扶正器刀翼在其接觸井壁時(shí)對鉆頭施加側(cè)向力，使得這種RSS表現(xiàn)的像推靠式RSS一樣。由于這種RSS的移動(dòng)組件都位于工具筒的內(nèi)部，因此，使其不會(huì)與地層或井壁產(chǎn)生互動(dòng)，不受井下惡劣鉆井環(huán)境影響；這種RSS工具誤動(dòng)作率低，損壞的風(fēng)險(xiǎn)也低；這種設(shè)計(jì)還有助于延長RSS的工作壽命。PowerDrive Archer 又被稱作混合式（Hybrid-mode）RSS。
一個(gè)工具面與地層相對位置保持不變的內(nèi)部閥，向活塞轉(zhuǎn)移或分流一小部分泥漿，泥漿驅(qū)動(dòng)活塞，活塞推靠導(dǎo)向套筒。中性模式時(shí)，泥漿閥連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)，這樣鉆頭鉆進(jìn)的鉆壓會(huì)沿井壁被均勻分配，使RSS保持其鉆進(jìn)方向或穩(wěn)斜方向。
近鉆頭測量如伽馬射線、井斜和方位讓作業(yè)者可以密切監(jiān)測鉆井進(jìn)程，當(dāng)前的鉆進(jìn)方位和其它操作參數(shù)通過控制單元傳送給作業(yè)者，控制裝置通過連續(xù)泥漿脈沖遙測系統(tǒng)將信息發(fā)送到地面，在地面，定向司鉆向井下轉(zhuǎn)向或偏置單元上方的控制單元下傳指令，這些指令被轉(zhuǎn)換為泥漿排量的波動(dòng)，每條指令具有唯一的、與預(yù)先設(shè)定的導(dǎo)向圖有關(guān)的波動(dòng)模式，這在鉆井作業(yè)前已被編程植入工具中。作業(yè)者可以很快評價(jià)PowerDrive Archer RSS的導(dǎo)向能力和表現(xiàn)。由于這種RSS可以鉆直井段、曲線段和水平段，可以獲得復(fù)雜的三維井眼軌跡，從一個(gè)套管鞋的深度一次下井鉆至下一個(gè)套管的下深。
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