一種對動態指向式旋轉導向鉆井工具的井眼軌跡隨動和穩定控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及石油天然氣鉆井技術領域，特別涉及一種對動態指向式旋轉導向鉆井工具的井眼軌跡隨動和穩定控制方法。
【背景技術】
[0002]隨著國內外多數油氣田相繼進入開發中后期，油氣藏開發難度逐漸加大，鉆遇地層特性日益復雜，加之海上石油，近海油氣田、煤層氣田的陸續鉆探，對常規的大位移井、水平井和多分支井等鉆井工藝技術提出了更高的要求。旋轉導向鉆井技術是近年來發展起來的一項尖端的閉環自動鉆井新技術，它的出現是世界鉆井技術的一次質的飛躍。
[0003]井下旋轉導向鉆井工具系統根據其導向方式劃分為推靠式和指向式，按照偏置機構的工作方式又可分為靜態偏置式和動態偏置式，從應用情況看，指向式旋轉導向鉆井系統的造斜能力不依賴于和井壁的接觸，更加適用于大井徑或大肚子井眼、軟地層、極軟底層和夾層等的裸眼懸空側鉆，使得鉆進狗腿度和側向鉆井造斜能力大為提高，有助于將井眼控制在油藏的最佳位置，提高井身質量，保證井下安全。而其中動態指向式旋轉導向鉆井系統更是由于其鉆具組合完全旋轉，鉆出井眼光滑、規整，并可有效提高機械鉆速，增大扭矩、調節鉆壓，充分發揮鉆頭性能，受到世界范圍內諸多油氣田鉆井公司的歡迎。
[0004]世界著名的石油技術服務公司Baker Hughes，Schlumberger，Halliburton等都已經開發出各自的旋轉導向鉆井工具系統。國內西安石油大學、勝利油田鉆井院、中海石油研宄中心、中國地質大學、西南石油大學、遼河油田天意石油裝備公司等單位也開展了旋轉導向鉆井技術研宄，陸續取得了一定的研宄成果。總體上，旋轉導向閉環鉆井技術仍處于快速發展的階段，國際競爭十分激烈。其中動態指向式旋轉導向鉆井工具系統是當今世界鉆井技術發展的最高階段，代表著高精度定向鉆井技術的發展方向。
[0005]中國專利公告號CN 101586440A，公開日2009年11月25日，發明創造的名稱為一種指向式旋轉導向鉆井工具(該發明申請亦為實用新型專利授權，授權公告號:CN201450731 U，授權公告日2010年5月12日)，該申請案公開了一種不依賴地層的表面力學特性，結構簡單，并且能夠準確有效控制井眼軌跡的指向式旋轉導向鉆井工具系統，該系統本質上是靜態偏置指向式旋轉導向鉆井工具系統，其不足之處在于①所述鉆井工具工作時外筒不旋轉，其作用扭矩較小；②所述鉆井工具的導向由芯軸彎曲實現，該導向芯軸需承受高強度的交變應力，容易發生疲勞損壞。
[0006]從技術層面看，動態指向式旋轉導向鉆井系統是一個集機、電、液于一體的閉環自動控制系統，其造斜能力不依賴于和井壁的接觸，并以井下所有部件完全旋轉為主要技術特征。
[0007]美國專利號6，109，372，申請日1999年3月15日，授權日2000年8月29日，發明創造的名稱為采用液壓伺服回路控制的旋轉導向鉆井工具系統(Rotary Steerable WellDrilling System Utilizing Hydraulic Servo-loop)，該案公開了一種基于動態指向式旋轉導向工具，其外筒直接帶動偏置機構進而帶動鉆頭旋轉，通過X-Y方向兩組液壓驅動活塞不間斷運動來控制工作時偏置機構與外筒的相對位置，以達到指向的目的，其特點在于需要隨時已知準確的外筒旋轉速度，并隨動控制X-Y方向兩組液壓驅動活塞的運行位置，液壓驅動活塞位移與外筒轉速的聯立控制加之其本身的高負荷工作，無疑會增大精確指向控制的難度。
[0008]美國專利號6，092，610，申請日1998年2月5日，授權日2000年7月25日，發明創造的名稱為主動控制的旋轉導向鉆井工具系統與方法(Actively Controlled RotarySteerable System and Method for Drilling Wells)，該案公開了一種動態指向式旋轉導向鉆井工具系統，其外筒帶動鉆軸進而帶動鉆頭旋轉，產生較大旋轉扭矩，同時該案提出了一種基于偏心環的指向式導向機構，其指向角可在零度到設計最大角度之間變化，通過保證偏心軸地理靜止，可恒定指向角大小。其特點在于，當不需調整指向角大小而需調整指向方位角時，要首先破壞偏心軸地理靜止狀態，待偏心軸轉動到所需方位時，再使其等速反向跟蹤外筒轉速，但該案未能清楚詳細地闡明偏心環驅動方式，無法得知偏心機構細節。
【發明內容】
[0009]本發明的目的之一是通過以下技術方案來實現的:
[0010]一種動態指向式旋轉導向鉆井工具，包括旋轉外筒、穩定平臺、導向偏置機構、鉆壓傳遞機構、扭矩傳遞機構、上下支撐板、鉆軸、鉆頭、導電滑環、密封波紋管以及多個連接軸承。
[0011]旋轉外筒為一壁厚較厚的中空環形體，由鉆桿和泥漿馬達二者或其一驅動，用于向鉆具施加較大的鉆壓和扭矩。
[0012]穩定平臺置于旋轉外筒內部，包括中空圓柱形主體、連接軸承、伺服電機及配套聯軸器，穩定平臺主體結構從直徑上小下大的圓臺體演化而來，上端伸出較長，由安裝在旋轉外筒的下支撐板和嵌入其中的軸承連接固定，下端為壁厚較薄的中空型圓柱體，連接軸承外側與旋轉外筒內壁緊密配合，內側連接穩定平臺主體，伺服電機安裝在旋轉外筒的上支撐板上，聯軸器用于連接伺服電機與穩定平臺主體，依據旋轉外筒轉動情況，伺服電機驅動穩定平臺主體等速相反旋轉，使其在工作狀態下保持對地靜止。
[0013]導向偏置機構位于穩定平臺主體內部，由互成120°安裝的三個液壓驅動活塞組成，液壓驅動活塞所圍成的中心區域有一鉆軸連接軸承。該鉆軸連接軸承為角接觸軸承，其內側與鉆軸上部連接頭緊密配合，外部與各個液壓驅動活塞直接相連。改變液壓驅動活塞的直線運動位移，就會改變鉆軸的井斜角。
[0014]鉆壓傳遞機構包括鉆壓承壓環、彈性墊圈、球面止推環和球面旋轉環，鉆壓承壓環為一中間有孔的“凹”形圓柱結構，其上端置于旋轉外筒內壁凹臺之上，下端同扭矩傳遞機構的上萬向節球籠套相接觸，直接承載來自旋轉外筒上的鉆壓，彈性墊圈、球面止推環和球面旋轉環均置于鉆壓承壓環內部，依次連接，鉆壓傳遞機構內穿有鉆軸，其上端通過軸承與內偏心環偏心中空體緊固連接，中部伸出有圓柱形“凸”臺與球面旋轉環中間內凹面相接觸，以至于可將來自旋轉外筒上的鉆壓進一步傳遞至鉆軸上，進而可傳遞至安裝于鉆軸前端的鉆頭上。
[0015]扭矩傳遞機構位于旋轉外筒最下端，包括上萬向節球籠、下萬向節球籠、鋼球、鍵以及用于保護扭矩傳遞機構的兩個套環，上、下萬向節球籠主體結構類似，為一中空圓柱體，內壁處均布有8個1/4 “凹球面”，其正好與鉆軸上的另1/2 “凹球面”組成全球面，內置有優質鋼球。動力扭矩由均布在外筒周圍的八個“鍵”傳遞至上下萬向節球籠，而后利用8個大直徑“鋼球”以球面接觸的方式將扭矩施加于鉆軸，進而作用于鉆頭上。
[0016]動態指向式旋轉導向鉆井工具中的導電滑環可不受穩定平臺工作時旋轉狀態的影響將電源及控制信號引至穩定平臺伺服電機上；而作為非常重要的鉆軸上下端密封可用波紋管來實現。
[0017]動態指向式旋轉導向鉆井工具還可包括:位于旋轉外筒上方的鉆