一种静止推靠式旋转导向钻井系统的设计方案

江　波　李晓军　程召江　王飞跃

（西部钻探钻井工程技术研究院，新疆克拉玛依　834000）

一种静止推靠式旋转导向钻井系统的设计方案

江波李晓军程召江王飞跃

（西部钻探钻井工程技术研究院，新疆克拉玛依834000）

旋转导向钻井系统是在钻柱旋转钻进时，随钻实时完成导向功能的一种先进的钻井系统。介绍了西部钻探工程公司自主设计的静止推靠式旋转导向钻井系统的设计方案，采用模块化的设计理念将整个系统分为地面监控系统、双向通讯和动力模块、MWD 模块和导向短节4大模块，各模块采用独立封装结构，用标准化接头连接，方便检测、维修和后续作业。重点介绍了导向短节的结构和旋转导向钻井系统的工作原理。

旋转导向钻井系统；模块化；导向短节；工作原理

旋转导向钻井系统根据其作用原理可分为推靠式和指向式两类，推靠式旋转导向工具根据其导向执行机构是否与上部钻柱同步旋转，又可分为旋转推靠式和静止推靠式两类。若不考虑具体的结构、所处位置，单纯从功能特性来划分，旋转导向系统可分为地面监控系统、动力和通讯系统、井下数据测量系统、导向控制系统和导向执行机构5大功能系统。但实际情况是5大功能系统并不是彼此独立的，除了地面监控系统之外，其他4大系统之间在空间结构上是彼此交错渗透的。例如，动力和通讯系统贯穿整个底部钻具组合，其电源电路和数据收发电路很可能分布在两段钻铤内；井下数据测量系统的一部分电路板可能与动力通讯系统的电路板安装在一起并处在同一段钻铤内，另一部分电路板很可能与导向控制系统安装在一起；动力和通讯系统的一部分、导向控制系统、导向执行机构可能安装在同一处机械机构上。

显然，将旋转导向系统划分成5大系统的意义仅限于分析和整体设计，以此来指导具体设计、加工、安装和维护旋转导向系统是不现实的。因此笔者采用模块化的方法将旋转导向系统进行重新划分。各模块是一套封装起来的独立的结构，根据其组成部分和主要作用来命名。文中主要介绍西部钻探钻井工程技术研究院自主设计的一套静止推靠式旋转导向钻井系统的组成部分、结构和工作原理。

1　旋转导向钻井系统的组成部分及管串结构

该套静止推靠式的旋转导向钻井系统由地面监控系统和井下工具构成。井下工具分为导向短节、MWD模块、双向通讯和动力模块3大模块，各模块间通过标准化接头连接。该标准化接头包含钻杆扣和导电装置，可同时完成各模块间的连接、密封和电子连接。MWD模块由无磁钻铤和MWD探管构成，作用是测量井斜和方位并将测得的数据发送给脉冲发生器和导向控制系统。双向通讯和动力模块主要由无磁钻铤、泥浆发电机、脉冲发生器、电子仓等构成，作用是为井下工具提供电能，完成地面-井下双向通讯的大部分工作（捕捉地面监控系统下传的指令信号，向地面发送钻井液正脉冲信号）。导向短节是旋转导向钻井系统在钻柱旋转的条件下进行定向钻井时的井下决策和执行机构，作用是将转盘扭矩传递给钻头并控制钻头侧向切削地层的侧向力大小和方向。导向短节结构复杂，工况复杂，承受的载荷复杂，其性能和寿命直接决定旋转导向系统的优劣，是旋转导向钻井系统最核心的部分。导向短节是一套机—电—液高度一体化的井下工具，包括导向执行机构、导向控制系统、无接触传输装置3个分系统和旋转芯轴、不旋转外筒、下接头等机械结构。导向执行机构也可以叫作可控偏执稳定器，翼片可以自由伸缩来推靠井壁。导向控制系统是旋转导向钻井系统相对独立的井下分析、决策机构，作用是分析、计算井眼轨迹偏差和导向短节姿态，并据此或根据地面发送的指令控制导向执行机构工作。无接触传输装置的任务是实现信号和电能在相对旋转的旋转芯轴和不旋转外筒间的传递。旋转芯轴、不旋转外筒和下接头等机械结构是导向短节的承载结构，是导向短节3个子系统的载体，并传递钻压和扭矩。

该套旋转导向钻井系统的井下管串如图1所示，钻头位于井下钻柱的最底端。钻头上部通过钻杆扣与导向短节下部相连，导向短节上部通过标准化接头与MWD模块相连。MWD模块上部通过标准化接头与扶正器连接，扶正器的上部是与其一体的柔性短节，柔性短节的上部也是一个标准化接头，与双向通讯和动力模块连接。柔性短节和扶正器的作用是传递转盘扭矩，降低上部钻柱刚度对导向短节性能的影响。双向通讯和动力模块通过钻杆母扣与上部钻柱底端的公扣相连，上部钻柱的顶端通过钻杆扣与方钻杆相连。地面监控系统位于地面。

旋转导向钻井系统的地面监控系统、双向通讯和动力模块和MWD模块相对导向短节来说是国内比较成熟的技术，自主研制开发的难度也不高，因此重点讲述的旋转导向钻井系统的导向短节。

图1　旋转导向钻井系统

2　导向短节的结构

如图2a所示，导向短节由旋转芯轴、不旋转外筒、导向肋板、下接头、上TC轴承组、无接触传输装置、导向控制系统、液压模块、下TC轴承组等主要部分构成。

图2　导向短节及局部放大图

旋转芯轴、不旋转外筒和下接头构成导向短节的主体结构。旋转芯轴上端面的标准化接头连接MWD模块，下端面通过钻杆扣与下接头连接，旋转芯轴的主要作用是实现导向短节与MWD模块的机械连接和电子沟通，此外，转盘扭矩也是通过旋转芯轴传递给钻头的。不旋转外筒套在旋转芯轴的外侧，相对旋转芯轴可旋转，外形结构类似于三翼直棱稳定器，不同的是翼片的中间是镂空的，形成一个有台阶的镂空槽，主要作用是作为导向控制系统和导向执行机构的载体。下接头是一个双母接头，有2个钻杆扣，上部的钻杆扣与旋转芯轴连接后将不旋转外筒轴向固定，下部钻杆扣连接钻头。

在导向短节的三大主体结构上安装有导向执行机构、导向控制系统、TC轴承组和无接触传输装置。

导向执行机构是一套由一系列机械结构和液压模块子系统构成的复杂的机—电—液一体化的系统，包括不旋转外筒、3个液压模块、3个导向肋板、6个板簧和板簧限位块等。如图2a和2c所示，3个液压模块装入3个周向均匀分布的翼片的镂空槽内。3个导向肋板位于液压模块外侧，通过销轴固定在翼片镂空槽的上部，恰好盖住3个镂空槽，可绕销轴旋转一定的角度。如图2b和2c所示，长梯形的板簧位于翼片的镂空槽内的台阶上，处在导向肋板下方，与液压模块平行放置（因此在图2b中去掉液压模块才能看见板簧）。板簧下侧较窄的一端被板簧限位块紧紧压在翼片镂空槽内的台阶上，上侧较宽的一端通过螺钉与导向肋板固定在一起。每个翼片的镂空槽内装有2个板簧和2个板簧限位块，位于液压模块的两侧，位置对称。液压模块的活塞恰好嵌入导向肋板下侧的圆孔内。导向肋板是导向短节直接与井壁接触的部分，因此其外侧需要镶嵌一组硬质合金块以提高导向肋板的耐磨能力。

导向控制系统由基体和控制电路构成，如图2a所示，安装在不旋转外筒和旋转芯轴间的环空内中部偏上的位置，与旋转芯轴间有一定的间隙，通过密封系统和限位装置紧贴在不旋转外筒的内壁，旋转芯轴转动时导向控制系统和不旋转外筒相对旋转芯轴静止。导向控制系统下部有3个周向均匀分布的导电插槽和螺纹孔，螺纹孔的作用是将液压模块的上部与导向控制系统连接起来，导电插槽的作用是连通液压模块和导向控制系统的供电和通讯线路。

TC轴承组共有上下两组，每组由内TC轴承和外TC轴承构成一对摩擦副，内外TC轴承可相对转动。如图2a所示，上TC轴承组安装在不旋转外筒上端面和旋转芯轴台阶面之间，下TC轴承组安装在不旋转外筒下端面和下接头台阶面之间。两组TC轴承共同作用，降低旋转芯轴和下接头相对不旋转外筒旋转时端面和内外径向的摩擦力，提高导向短节的耐磨能力，使旋转芯轴居中。

无接触传输装置由定子和转子构成，定子固定在不旋转外筒内壁，位于导向控制系统上部。转子固定在旋转芯轴外壁。无接触传输装置的定转子间有一定的间隙，旋转芯轴带动转子旋转时，不旋转外筒上的定子相对静止。无接触传输装置的作用是完成旋转芯轴和导向控制系统在相对旋转条件下的电能和信号传输。

3　旋转导向钻井系统的工作原理

旋转导向系统工作时，转盘驱动方钻杆旋转带动井下的上部钻柱、双向通讯和动力模块、带柔性短节的扶正器、MWD模块、导向短节的旋转心轴和下接头旋转，最终驱动钻头旋转破碎岩石。

该套旋转导向钻井系统有2种闭环控制方式，分别称作小闭环控制和大闭环控制。小闭环控制即井下闭环控制，导向短节内的导向控制系统综合分析自身测得的近钻头井斜、导向执行机构的高边方向和接收自MWD探管发来的井眼方位数据，计算井眼轨迹发生的偏差，并据此控制导向执行机构进行导向作业。大闭环控制指的是地面人工干预下的闭环控制，地面监控系统收到井下MWD模块和导向控制系统通过双向通讯和动力模块中的脉冲发生器发送的井眼轨迹数据和导向短节姿态数据，经过解码分析后判断井下工况。地面人员制定相应的指令，编码后通过信号下传装置向井下发送。双向通讯&动力模块捕捉到下传指令后，将其发送给导向控制系统，导向控制系统根据地面指令控制导向执行机构进行导向作业。

导向控制系统可直接控制的是导向执行机构的液压模块。液压模块是一套独立于钻柱内压力和环空压力的液压体系，内部设有电机、液压泵、阀门组、传感器、压力补偿系统、工作液缸等设备和结构。导向控制系统的控制电路直接操控液压模块的电机带动液压泵将液压油打入工作液缸，工作液缸内的阀门组使液压油产生一定的压力，带压液压油推动液压模块活塞伸出。

导向控制系统可根据实际情况控制3个周向均匀分布的液压模块活塞以不同的液压力伸出，推动3个周向均匀分布的导向肋板克服板簧的阻力后绕销轴旋转。导向肋板的下侧从翼片的镂空槽内伸出并以不同的推靠力靠向井壁，在摩擦力的作用下不旋转外筒将不随旋转芯轴旋转。同时井壁产生的3个反作用力的合力可形成任意大小和方向的导向力，推靠钻头侧向切削井壁地层，进而完成导向作业。

当不需要导向作业时，导向控制系统控制液压模块停止工作，此时板簧和板簧限位块产生的杠杆力回收导向肋板，导向肋板将液压模块活塞压回初始位置。

实际上该套旋转导向钻井系统有3种工作模式：导向模式、保持模式和待命模式。导向模式的导向力合力方向相当于弯接头马达的工具面方向，合力的大小决定狗腿度的大小。保持模式指的是在达到目标井斜后，导向力合力的作用由造斜变为保持目标井斜，防止轨迹偏移。待命模式指的是导向肋板和液压模块活塞全部收回，适用于活动钻具、起下钻、划眼和侧钻等工况。

4　结论

（1）文中论述的静止推靠式旋转导向钻井系统采用模块化的设计方法，各模块的接口标准化，方便检测、维修，方便后续挂载测井、井下安全等。

（2）提出一种导向短节的结构，将导向控制系统、导向执行机构和无接触传输装置3个子系统合理布局在旋转芯轴、不旋转外筒和下接头等承载结构上，关键部位做抗磨处理，提高导向短节的使用寿命。

（3）旋转导向钻井系统有2种控制方式和3种工作模式，都是通过导向控制系统控制导向执行机构3个液压模块液压力的大小来调整导向力合力的大小和方向实现的，当液压模块停止工作后，导向肋板的回收是通过板簧的回弹来实现的。

［1］狄勤峰，张绍槐.一种旋转导向工具设计方案及其旋转导向功能的实现［J］.石油钻采工艺，1998，20（3）：15-19.

［2］艾才云，穆总结，宋朝晖，等.Ø311mm垂直钻井系统的工作原理与现场应用［J］.钻采工艺，2010，33（3）：40-42.

［3］AI Caiyun, MU Zongjie, et al. Ø311 automatic vertical drilling system［R］. CNPC International Wellbore Technology Seminar, 2010:100-105.

［4］杜建生，刘宝林，夏柏如.静态推靠式旋转导向系统三支撑掌偏置机构控制方案［J］.石油钻采工艺，2008，30（6）：5-10.

（修改稿收到日期2015-05-04）

〔编辑薛改珍〕

Design scheme of a static push-the-bit rotary steering drilling system

JIANG Bo, LI Xiaojun, CHENG Zhaojiang, WANG Feiyue
（Drilling Engineering and Technology Research Institute, Xibu Drilling Corporation, Karamay 834000, China）

The Drilling Engineering and Technology Research Institute of the Xibu Drilling Engineering Company has started self-development of rotary steering drilling system over years of follow-up study of rotary steering drilling system. This paper mainly presents the design scheme and structure of the static, push-the-bit rotary steering drilling system. The system is of modularized design and is divided into surface monitoring system, two-way communication and power module, MWD module and steering sub, of which the steering sub is the technical difficulty and key point in the rotary steering drilling system and is also the focus of this paper. Based on the proposed design scheme and structure, the paper also explains the working principle of this rotary steering system, provides a viable technical plan for the development of rotary steering system and is of guidance significance to the research of rotary steering system.

rotary steering drilling system; modularized; steering sub; working principle

TE21

A

1000 – 7393（ 2015 ） 03 – 0019 – 04

10.13639/j.odpt.2015.03.005

江波，1984年生。2011年毕业于中国石油大学（北京）石油工程学院油气井工程，现主要从事井下工具的研制与开发工作。电话：18699012571。E-mail：paaljiang@qq.com。

引用格式：江波，李晓军，程召江，等.一种静止推靠式旋转导向钻井系统的设计方案［J］.石油钻采工艺，2015，37（3）：19-22.