造斜工具與定向鉆井技術(shù)的發(fā)展

1、造斜工具與定向鉆井造斜工具與定向鉆井技術(shù)的發(fā)展技術(shù)的發(fā)展石油大學(xué)（華東）石油大學(xué)（華東）韓志勇韓志勇 井眼方向變化的基本原理；井眼方向變化的基本原理； 造斜工具與定向井技術(shù)的發(fā)展；造斜工具與定向井技術(shù)的發(fā)展；軌跡控制與井眼方向變化軌跡控制與井眼方向變化 1. 要求：在實(shí)鉆過(guò)程中，設(shè)法使實(shí)鉆的要求：在實(shí)鉆過(guò)程中，設(shè)法使實(shí)鉆的井眼軌跡井眼軌跡盡盡可能符合設(shè)計(jì)的可能符合設(shè)計(jì)的井眼軌道井眼軌道。 2. 實(shí)質(zhì)：井眼軌跡控制，的實(shí)質(zhì)，就是不斷地控制實(shí)質(zhì)：井眼軌跡控制，的實(shí)質(zhì)，就是不斷地控制井眼的前進(jìn)方向。井眼方向由井眼的井斜角和井斜井眼的前進(jìn)方向。井眼方向由井眼的井斜角和井斜方位角來(lái)表示的。方位角來(lái)表示的

2、。 3. 井眼方向控制內(nèi)容：井眼方向控制內(nèi)容： 井斜角的控制：增斜、降斜、穩(wěn)斜；井斜角的控制：增斜、降斜、穩(wěn)斜； 井斜方位角控制：增方位、降方位、穩(wěn)方位；井斜方位角控制：增方位、降方位、穩(wěn)方位；增斜增斜增方位增方位穩(wěn)方位穩(wěn)方位降方位降方位穩(wěn)斜穩(wěn)斜降斜降斜(九種組合九種組合)井眼方向變化的基本原理井眼方向變化的基本原理 鉆頭對(duì)井底的不對(duì)稱切削鉆頭對(duì)井底的不對(duì)稱切削 近鉆頭鉆柱的彎曲和傾斜。近鉆頭鉆柱的彎曲和傾斜。 在某個(gè)時(shí)刻，鉆頭軸線與在某個(gè)時(shí)刻，鉆頭軸線與井眼軸線是重合的。但當(dāng)井眼軸線是重合的。但當(dāng)鉆頭前進(jìn)時(shí)，鉆頭軸線總鉆頭前進(jìn)時(shí)，鉆頭軸線總是與原井眼軸線不重合。是與原井眼軸線不重合。鉆頭前進(jìn)

3、方向總在變化。鉆頭前進(jìn)方向總在變化。 這就使鉆頭對(duì)井底的切削，這就使鉆頭對(duì)井底的切削，一邊鉆速快，一邊鉆速慢。一邊鉆速快，一邊鉆速慢。鉆出的井眼發(fā)生彎曲了。鉆出的井眼發(fā)生彎曲了。井眼方向變化的基本原理井眼方向變化的基本原理 鉆頭對(duì)井底的不對(duì)稱切削鉆頭對(duì)井底的不對(duì)稱切削 偏噴嘴的作用偏噴嘴的作用 最典型的是射流鉆頭，三最典型的是射流鉆頭，三個(gè)噴嘴中，有一個(gè)特別大，個(gè)噴嘴中，有一個(gè)特別大，另兩個(gè)是比較小的。在定另兩個(gè)是比較小的。在定向噴射鉆進(jìn)時(shí)，大噴嘴一向噴射鉆進(jìn)時(shí)，大噴嘴一邊井底沖蝕快，形成偏窩。邊井底沖蝕快，形成偏窩。在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，即可鉆出彎在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，即可鉆出彎曲井眼。曲井眼。井眼方向變化的基

4、井眼方向變化的基本原理本原理 鉆頭對(duì)井底的不對(duì)稱切削鉆頭對(duì)井底的不對(duì)稱切削 地層因素地層因素 最地層傾斜及可鉆性的最地層傾斜及可鉆性的各向異性；各向異性； 地層可鉆性的縱向變化；地層可鉆性的縱向變化； 地層可鉆性的橫向變化：地層可鉆性的橫向變化： 巖性變化；巖性變化； 溶洞的存在；溶洞的存在； 破碎帶；破碎帶；井眼方向變化的基本原理井眼方向變化的基本原理 鉆頭對(duì)井壁的側(cè)向切削鉆頭對(duì)井壁的側(cè)向切削 側(cè)向切削的根本原因，是在鉆側(cè)向切削的根本原因，是在鉆頭上存在一個(gè)側(cè)向力。鉆頭上頭上存在一個(gè)側(cè)向力。鉆頭上的側(cè)向力與很多因素有關(guān)：的側(cè)向力與很多因素有關(guān)： 鉆壓；鉆壓； 鉆柱重力：鉆柱重力： 鐘擺力；鐘

5、擺力； 杠桿力；杠桿力； 鉆柱彈性力；鉆柱彈性力； 井眼約束條件；井眼約束條件； 特殊結(jié)構(gòu)力：特殊結(jié)構(gòu)力： 水力噴射橫向力；水力噴射橫向力； 定向支撐橫向力；定向支撐橫向力；造斜方式與造斜工具的發(fā)展造斜方式與造斜工具的發(fā)展造斜：使井眼方向發(fā)生變化的工藝過(guò)程。造斜：使井眼方向發(fā)生變化的工藝過(guò)程。造斜工具造斜工具的發(fā)展的發(fā)展造斜工具：使井眼方向發(fā)生變化的工具。造斜工具：使井眼方向發(fā)生變化的工具。（包括前述的九種組合中除（包括前述的九種組合中除了穩(wěn)斜穩(wěn)方位以外的八種。）了穩(wěn)斜穩(wěn)方位以外的八種。）造斜工具與造斜方式有關(guān)。造斜工具與造斜方式有關(guān)。造斜方式與造斜工具的發(fā)展造斜方式與造斜工具的發(fā)展旋轉(zhuǎn)鉆井方

6、式旋轉(zhuǎn)鉆井方式滑動(dòng)鉆井方式滑動(dòng)鉆井方式斜向器斜向器(Whipstock)彎接頭彎接頭+井底動(dòng)力鉆具井底動(dòng)力鉆具射流鉆頭射流鉆頭肘節(jié)工具肘節(jié)工具彎外殼螺桿鉆具彎外殼螺桿鉆具旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向造斜工具旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向造斜工具(第一代第一代)30年代年代(第二代第二代)40-60年代年代(第三代第三代)70-90年代年代(第四代第四代)90年代末出現(xiàn)年代末出現(xiàn)（主流造斜工具的發(fā)展）（主流造斜工具的發(fā)展）造斜工具造斜工具的發(fā)展的發(fā)展第一代造斜工具第一代造斜工具(轉(zhuǎn)盤(pán)鉆造斜工具轉(zhuǎn)盤(pán)鉆造斜工具) 槽式變向器：槽式變向器： 造斜過(guò)程：造斜過(guò)程： 定向安置槽式變定向安置槽式變向器；向器； 加壓剪斷銷(xiāo)釘，加壓剪斷銷(xiāo)釘，旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆

7、出導(dǎo)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆出導(dǎo)眼；眼； 起鉆并起出槽式起鉆并起出槽式變向器；變向器； 更換擴(kuò)眼鉆頭，更換擴(kuò)眼鉆頭，擴(kuò)大導(dǎo)眼；擴(kuò)大導(dǎo)眼； 每安置一次，只能每安置一次，只能使井斜增加一個(gè)導(dǎo)使井斜增加一個(gè)導(dǎo)斜角大小的角度。斜角大小的角度。第一代造斜工具第一代造斜工具(轉(zhuǎn)盤(pán)鉆造斜工具轉(zhuǎn)盤(pán)鉆造斜工具) 射流鉆頭：射流鉆頭： 工作三部曲：工作三部曲： 1.定向噴射，大水眼沖出定向噴射，大水眼沖出“斜窩斜窩”；適當(dāng)加壓使鉆；適當(dāng)加壓使鉆頭進(jìn)入頭進(jìn)入“窩窩”內(nèi)，繼續(xù)噴內(nèi)，繼續(xù)噴射；射； 2.邊噴射，上下活動(dòng)鉆柱，邊噴射，上下活動(dòng)鉆柱，擴(kuò)大擴(kuò)大“斜窩斜窩”，并對(duì)井底，并對(duì)井底造成沖擊；造成沖擊； 3.旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，鉆出彎曲井眼

8、；旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，鉆出彎曲井眼； 適用地層：軟地層；適用地層：軟地層； 需要給大水眼噴嘴定向。需要給大水眼噴嘴定向。第二代造斜工具第二代造斜工具(動(dòng)力鉆具造斜工具動(dòng)力鉆具造斜工具) 動(dòng)力鉆具又稱井下馬達(dá)，包括動(dòng)力鉆具又稱井下馬達(dá)，包括渦輪鉆具、螺桿鉆具、電動(dòng)鉆渦輪鉆具、螺桿鉆具、電動(dòng)鉆具三種。常用前兩種。具三種。常用前兩種。 位置：在鉆鋌和鉆頭之間。鉆位置：在鉆鋌和鉆頭之間。鉆井液循環(huán)驅(qū)動(dòng)。井液循環(huán)驅(qū)動(dòng)。 動(dòng)力鉆具以上整個(gè)鉆柱都不旋動(dòng)力鉆具以上整個(gè)鉆柱都不旋轉(zhuǎn)，對(duì)定向造斜非常有利。轉(zhuǎn)，對(duì)定向造斜非常有利。 結(jié)構(gòu)由三種結(jié)構(gòu)由三種: 動(dòng)力鉆具帶彎接頭；動(dòng)力鉆具帶彎接頭； 動(dòng)力鉆具上接彎鉆桿；動(dòng)力鉆具上接

9、彎鉆桿； 動(dòng)力鉆具帶偏心墊塊；動(dòng)力鉆具帶偏心墊塊； 造斜工具簡(jiǎn)介造斜工具簡(jiǎn)介動(dòng)力鉆具造斜工具動(dòng)力鉆具造斜工具 影響造斜工具造斜率的因素影響造斜工具造斜率的因素分析：分析： 1. 造斜鉆具結(jié)構(gòu)性能的造斜鉆具結(jié)構(gòu)性能的影響：影響： PX 與工具的彎曲角與工具的彎曲角1 成正變關(guān)系；成正變關(guān)系； PX 與彎曲點(diǎn)以上鉆柱與彎曲點(diǎn)以上鉆柱的剛度的剛度EJ成正比關(guān)系；成正比關(guān)系； PX 與動(dòng)力鉆具長(zhǎng)度與動(dòng)力鉆具長(zhǎng)度LT 成反比關(guān)系；成反比關(guān)系；sin2161TTXPLLEJP造斜工具簡(jiǎn)介造斜工具簡(jiǎn)介動(dòng)力鉆具造斜工具動(dòng)力鉆具造斜工具影響造斜工具造斜率的因素分析：影響造斜工具造斜率的因素分析： 2. 鉆進(jìn)速度

10、的影響：鉆進(jìn)速度的影響： K與側(cè)向鉆速與側(cè)向鉆速VC 成正比；成正比； K與機(jī)械鉆速與機(jī)械鉆速Vt 成反比；成反比； K與動(dòng)力鉆具直徑和井徑之差與動(dòng)力鉆具直徑和井徑之差(DW-DT) 成正比；成正比； 動(dòng)力鉆具長(zhǎng)度影響很大，采用短動(dòng)力鉆具可顯著增大造斜率；動(dòng)力鉆具長(zhǎng)度影響很大，采用短動(dòng)力鉆具可顯著增大造斜率；tcTWVlVlDDK22RK1造斜工具簡(jiǎn)介造斜工具簡(jiǎn)介動(dòng)力鉆具造斜工具動(dòng)力鉆具造斜工具 造斜率的簡(jiǎn)易計(jì)算法造斜率的簡(jiǎn)易計(jì)算法 幾何定圓法幾何定圓法 國(guó)外流行三點(diǎn)定圓法：國(guó)外流行三點(diǎn)定圓法： 扶正器直徑與鉆頭相等。扶正器直徑與鉆頭相等。1112211sin21RL 22sin21RL 22

11、11212112121212)sin(sin2)sin(sin2)sin(sin2LLLLLLLLR造斜工具簡(jiǎn)介造斜工具簡(jiǎn)介動(dòng)力鉆具造斜工具動(dòng)力鉆具造斜工具 造斜率的簡(jiǎn)易計(jì)算法造斜率的簡(jiǎn)易計(jì)算法 幾何定圓法幾何定圓法 單彎組合的幾何定圓法：?jiǎn)螐澖M合的幾何定圓法：tgDDRDRLcbf)2(sin)2(1sinsin)2(2/2/cos22fcbfcbDLDDLDRDDRsin22LR 22sinLDDfb聯(lián)立三式，求出聯(lián)立三式，求出、R 。造斜工具簡(jiǎn)介造斜工具簡(jiǎn)介動(dòng)力鉆具造斜工具動(dòng)力鉆具造斜工具 造斜率的簡(jiǎn)易計(jì)算法造斜率的簡(jiǎn)易計(jì)算法 幾何定圓法幾何定圓法 雙彎組合的幾何定圓法：雙彎組合的幾何定

12、圓法： 扶正器直徑小于鉆頭扶正器直徑小于鉆頭。1121211sin21RL 22sin21RL )(2)sin(sin2)sin(sin2)sin(sin2221121211212121LLLLLLLLR22sinLDDfb造斜工具簡(jiǎn)介造斜工具簡(jiǎn)介轉(zhuǎn)盤(pán)鉆造斜工具轉(zhuǎn)盤(pán)鉆造斜工具 對(duì)抗器：對(duì)抗器： 作用：可在小范圍內(nèi)改變作用：可在小范圍內(nèi)改變井斜方位井斜方位 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)： 體部為一根短鉆鋌；形體部為一根短鉆鋌；形狀如圖；狀如圖； 上下兩個(gè)瓦片，用小軸上下兩個(gè)瓦片，用小軸相連，并被固定在體部相連，并被固定在體部的縱向溝槽內(nèi)。的縱向溝槽內(nèi)。 改變瓦片寬度，可以實(shí)現(xiàn)改變瓦片寬度，可以實(shí)現(xiàn)增方位或減方位；

13、增方位或減方位；造斜工具簡(jiǎn)介造斜工具簡(jiǎn)介轉(zhuǎn)盤(pán)鉆造斜工具轉(zhuǎn)盤(pán)鉆造斜工具 套筒形變向器：套筒形變向器： 只能在小范圍內(nèi)改變井眼只能在小范圍內(nèi)改變井眼方位。方位。 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)： 心軸與鉆頭、鉆鋌連接；心軸與鉆頭、鉆鋌連接； 心軸外有套筒；套筒與心軸外有套筒；套筒與心軸用小軸連接；心軸用小軸連接； 套筒外有上下兩個(gè)套筒外有上下兩個(gè)“瓦瓦片片”； 改變上下瓦片的位置，可改變上下瓦片的位置，可以實(shí)現(xiàn)增方位或減方位；以實(shí)現(xiàn)增方位或減方位；第三代造斜工具彎外殼螺桿鉆具造斜工具造斜工具的發(fā)展的發(fā)展彎曲點(diǎn)距離鉆頭大大縮短，造斜率大大提高；彎曲點(diǎn)距離鉆頭大大縮短，造斜率大大提高；2. 同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)鉆柱，可以鉆出直線形井

14、眼；鉆速快；同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)鉆柱，可以鉆出直線形井眼；鉆速快；3. 可以進(jìn)行導(dǎo)向鉆井（滑動(dòng)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)）；可以進(jìn)行導(dǎo)向鉆井（滑動(dòng)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)）；第三代造斜工具：鉸接式螺桿鉆具造斜工具造斜工具的發(fā)展的發(fā)展鉸接接頭下鉆時(shí)是直的；鉸接接頭下鉆時(shí)是直的；受壓后可以在一個(gè)方向上受壓后可以在一個(gè)方向上彎曲一定的角度；彎曲一定的角度；可精確控制彎曲曲率；可精確控制彎曲曲率；曲率可達(dá)到短半徑范圍；曲率可達(dá)到短半徑范圍；滑動(dòng)導(dǎo)向鉆井：滑動(dòng)導(dǎo)向鉆井：滑動(dòng)鉆進(jìn)：改變井眼方向；滑動(dòng)鉆進(jìn)：改變井眼方向；旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)：保持井眼方向；旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)：保持井眼方向；滑動(dòng)導(dǎo)向鉆井的存在問(wèn)題滑動(dòng)鉆進(jìn)滑動(dòng)鉆進(jìn)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)的存在滑動(dòng)鉆進(jìn)

15、時(shí)的存在問(wèn)題：?jiǎn)栴}：滑動(dòng)困難；滑動(dòng)困難；需保持定向；需保持定向；井眼不清潔；井眼不清潔；鉆速很低；鉆速很低；井眼扭曲；井眼扭曲；環(huán)空壓力波動(dòng)；環(huán)空壓力波動(dòng)；鉆柱粘卡；鉆柱粘卡；屈曲和自鎖；屈曲和自鎖；造斜率對(duì)地層敏造斜率對(duì)地層敏感；感；1. 反扭角的影響；反扭角的影響；旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)的存旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)的存在問(wèn)題：在問(wèn)題：粘滑振動(dòng)造成粘滑振動(dòng)造成馬達(dá)和馬達(dá)和MWD的破壞；的破壞；鉆頭磨損加快；鉆頭磨損加快；井眼質(zhì)量差，井眼質(zhì)量差，不利于測(cè)井；不利于測(cè)井；導(dǎo)向?qū)蜚@井鉆井造斜工具造斜工具的發(fā)展的發(fā)展(第四代造斜工具出現(xiàn)的原因第四代造斜工具出現(xiàn)的原因)第四代造斜工具：旋轉(zhuǎn)造斜工具 沒(méi)有井底動(dòng)力鉆具。 旋轉(zhuǎn)造

16、斜工具有兩大類(lèi)： 僅僅可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)定向造斜的工具： 射流鉆頭； 柔性套筒式； 鉸接接頭式； 活塞支撐塊式； 可以形成旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的工具：既可鉆彎曲井段，也可鉆直線井段。這是第四代造斜工具的代表。 側(cè)推鉆頭式(push the bit)； 指引鉆頭式(point the bit)；造斜工具造斜工具的發(fā)展的發(fā)展“指引鉆頭指引鉆頭”式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)統(tǒng)“側(cè)推鉆頭側(cè)推鉆頭”式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)統(tǒng)Bias the bit造斜工具造斜工具的發(fā)展的發(fā)展導(dǎo)向?qū)蜚@井鉆井旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的“三巨頭” Halliburtons rotary steerable drilling sy

17、stem, dubbed Geo-Pilot 。由。由Sperry Sun 和和Japan National Oil Corporation 聯(lián)合聯(lián)合設(shè)計(jì)。指引鉆頭原理設(shè)計(jì)。指引鉆頭原理(Point the bit)。在北海進(jìn)行裸眼側(cè)鉆，從。在北海進(jìn)行裸眼側(cè)鉆，從兩個(gè)主井眼中側(cè)鉆出兩個(gè)主井眼中側(cè)鉆出6個(gè)分支水平井。在第二口的四分支水平井個(gè)分支水平井。在第二口的四分支水平井中，垂深誤差在中，垂深誤差在1英尺之內(nèi)。英尺之內(nèi)。 Baker Hughes AutoTrack Rotary Closed Loop 。由。由Baker Hughes和和ENI-AGIP S.p.A. 聯(lián)合開(kāi)發(fā)的。偏置鉆頭原

18、理聯(lián)合開(kāi)發(fā)的。偏置鉆頭原理(Bias the bit)。在北海的一個(gè)井眼鉆進(jìn)中，鉆進(jìn)了。在北海的一個(gè)井眼鉆進(jìn)中，鉆進(jìn)了4383英尺，垂深誤英尺，垂深誤差在差在 8英寸之內(nèi)。英寸之內(nèi)。 Schlumberger 的的rotary steerable system called the PowerDrive* 475 。偏置鉆頭原理。偏置鉆頭原理(Bias the bit)。突出特點(diǎn)是鉆。突出特點(diǎn)是鉆速快，大大節(jié)約鉆井成本。目前幾口最大水平位移的大位移井，速快，大大節(jié)約鉆井成本。目前幾口最大水平位移的大位移井，都是用它鉆成的。在都是用它鉆成的。在Power Drive之后，又推出之后，又推出Poi

19、nt the Bit Steering Rotary System。 目前市場(chǎng)上的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)分屬三大公司集團(tuán)：目前市場(chǎng)上的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)分屬三大公司集團(tuán)：造斜工具造斜工具的發(fā)展的發(fā)展側(cè)推鉆頭式之一：PowerDrive 完全的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)：完全的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)： 整個(gè)鉆柱，從上到下，全部都在旋轉(zhuǎn)，沒(méi)有靜止的部分；整個(gè)鉆柱，從上到下，全部都在旋轉(zhuǎn)，沒(méi)有靜止的部分； 但在下部控制總成內(nèi)部，有不旋轉(zhuǎn)的部分；但在下部控制總成內(nèi)部，有不旋轉(zhuǎn)的部分； 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)： 下部偏置部分：在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中始終給鉆頭一個(gè)側(cè)向力；下部偏置部分：在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中始終給鉆頭一個(gè)側(cè)向力； 中部控制部分：始終控制側(cè)向力的方向；中

20、部控制部分：始終控制側(cè)向力的方向； 上部上部MWD部分：測(cè)量信息及傳輸；部分：測(cè)量信息及傳輸； 關(guān)鍵是控制總成內(nèi)的不轉(zhuǎn)動(dòng)的部分，具有一個(gè)稱作關(guān)鍵是控制總成內(nèi)的不轉(zhuǎn)動(dòng)的部分，具有一個(gè)稱作“慣性平臺(tái)慣性平臺(tái)”的部分，實(shí)際上是由井下計(jì)算機(jī)控制的的部分，實(shí)際上是由井下計(jì)算機(jī)控制的“電子液壓伺服系統(tǒng)電子液壓伺服系統(tǒng)”，可以保證控制軸不受整個(gè)鉆柱轉(zhuǎn)動(dòng)的影響。控制軸可以給定偏置可以保證控制軸不受整個(gè)鉆柱轉(zhuǎn)動(dòng)的影響。控制軸可以給定偏置部分一個(gè)軌跡控制所需要的導(dǎo)向方位角。部分一個(gè)軌跡控制所需要的導(dǎo)向方位角。 不旋轉(zhuǎn)的不旋轉(zhuǎn)的“慣性平臺(tái)慣性平臺(tái)”在內(nèi)部。在內(nèi)部。造斜工具造斜工具的發(fā)展的發(fā)展側(cè)推鉆頭式之一：Powe

21、rDrive 鉆頭側(cè)向力的產(chǎn)生原理鉆頭側(cè)向力的產(chǎn)生原理 控制軸和上盤(pán)，是由慣性平臺(tái)控控制軸和上盤(pán)，是由慣性平臺(tái)控制的獨(dú)立部分。上盤(pán)的水眼方位，制的獨(dú)立部分。上盤(pán)的水眼方位，就是給鉆頭側(cè)向力的方位。該方就是給鉆頭側(cè)向力的方位。該方位確定后，不管鉆柱如何轉(zhuǎn)動(dòng)，位確定后，不管鉆柱如何轉(zhuǎn)動(dòng)，上盤(pán)都不轉(zhuǎn)動(dòng)。上盤(pán)都不轉(zhuǎn)動(dòng)。 下盤(pán)與偏置機(jī)構(gòu)以及鉆頭相連接，下盤(pán)與偏置機(jī)構(gòu)以及鉆頭相連接，隨鉆柱轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。隨鉆柱轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。 只有上下盤(pán)水眼相通時(shí)，才能有只有上下盤(pán)水眼相通時(shí)，才能有泥漿流過(guò)，并推動(dòng)支撐塊伸出，泥漿流過(guò)，并推動(dòng)支撐塊伸出，給井壁一作用力，同時(shí)給鉆頭一給井壁一作用力，同時(shí)給鉆頭一反方向的作用力。反方

22、向的作用力。造斜工具造斜工具的發(fā)展的發(fā)展側(cè)推鉆頭式之二：AUTO-TRACK關(guān)鍵部分：關(guān)鍵部分：非旋轉(zhuǎn)套非旋轉(zhuǎn)套整個(gè)鉆柱在旋轉(zhuǎn)，如何保證非旋轉(zhuǎn)套不旋轉(zhuǎn)？整個(gè)鉆柱在旋轉(zhuǎn)，如何保證非旋轉(zhuǎn)套不旋轉(zhuǎn)？非旋轉(zhuǎn)套的內(nèi)部，裝有井下計(jì)算機(jī)、井斜傳感器、液壓控制、非旋轉(zhuǎn)套的內(nèi)部，裝有井下計(jì)算機(jī)、井斜傳感器、液壓控制、支撐塊機(jī)構(gòu)等部分；支撐塊機(jī)構(gòu)等部分；不旋轉(zhuǎn)的不旋轉(zhuǎn)的“慣性平臺(tái)慣性平臺(tái)”在主軸外面。在主軸外面。造斜工具造斜工具的發(fā)展的發(fā)展側(cè)推鉆頭式之二：AUTO-TRACK非旋轉(zhuǎn)套依靠反向電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使之相對(duì)于井眼不旋轉(zhuǎn)，保持側(cè)推鉆頭的力的方向不非旋轉(zhuǎn)套依靠反向電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使之相對(duì)于井眼不旋轉(zhuǎn)，保持側(cè)推鉆頭的力的方

23、向不變。非旋轉(zhuǎn)套并非絕對(duì)不旋轉(zhuǎn)，但工具自己可以測(cè)得非旋轉(zhuǎn)套筒的旋轉(zhuǎn)，并隨時(shí)調(diào)變。非旋轉(zhuǎn)套并非絕對(duì)不旋轉(zhuǎn)，但工具自己可以測(cè)得非旋轉(zhuǎn)套筒的旋轉(zhuǎn)，并隨時(shí)調(diào)整三個(gè)整三個(gè)“翼塊翼塊”給出的側(cè)推力的方向。給出的側(cè)推力的方向。造斜工具造斜工具的發(fā)展的發(fā)展導(dǎo)向?qū)蜚@井鉆井指引鉆頭式之一：Geo-Pilot，AGS （非旋轉(zhuǎn)套筒+偏心環(huán)） Halliburton公司的公司的Geo-Pilot系統(tǒng)系統(tǒng) ，Cambridge的的AGS系統(tǒng)，系統(tǒng)，是一個(gè)變形的連續(xù)旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)軸處在一個(gè)非旋轉(zhuǎn)套筒內(nèi)。在套是一個(gè)變形的連續(xù)旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)軸處在一個(gè)非旋轉(zhuǎn)套筒內(nèi)。在套筒的中部，有一對(duì)偏心環(huán)，迫使驅(qū)動(dòng)軸偏心變形，導(dǎo)致鉆頭軸筒的中部，

24、有一對(duì)偏心環(huán)，迫使驅(qū)動(dòng)軸偏心變形，導(dǎo)致鉆頭軸線傾斜，形成三點(diǎn)定圓趨勢(shì)。鉆頭的軌跡由三點(diǎn)幾何確定，而線傾斜，形成三點(diǎn)定圓趨勢(shì)。鉆頭的軌跡由三點(diǎn)幾何確定，而鉆頭軸線趨向于和井眼軸線相一致。鉆頭軸線趨向于和井眼軸線相一致。扶正器扶正器非旋轉(zhuǎn)套筒非旋轉(zhuǎn)套筒鉆頭鉆頭旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)軸造斜工具造斜工具的發(fā)展的發(fā)展指引鉆頭式之一：Geo-Pilot，AGS （非旋轉(zhuǎn)套筒+偏心環(huán)）指引鉆頭式之二：Schlumberger,BP Amoco （反轉(zhuǎn)馬達(dá)+萬(wàn)向節(jié)） 當(dāng)外殼帶動(dòng)鉆頭順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，反轉(zhuǎn)電馬達(dá)帶動(dòng)萬(wàn)向節(jié)反向當(dāng)外殼帶動(dòng)鉆頭順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，反轉(zhuǎn)電馬達(dá)帶動(dòng)萬(wàn)向節(jié)反向旋轉(zhuǎn)，從而保持驅(qū)動(dòng)軸相對(duì)外殼的偏離角度和偏離方向不變

25、，旋轉(zhuǎn)，從而保持驅(qū)動(dòng)軸相對(duì)外殼的偏離角度和偏離方向不變，因而鉆頭的指向始終保持不變，按照因而鉆頭的指向始終保持不變，按照“三點(diǎn)定圓三點(diǎn)定圓”規(guī)律鉆出預(yù)規(guī)律鉆出預(yù)定的圓弧曲線形井眼。反轉(zhuǎn)馬達(dá)靠傳感、反饋、控制系統(tǒng)控制。定的圓弧曲線形井眼。反轉(zhuǎn)馬達(dá)靠傳感、反饋、控制系統(tǒng)控制。相對(duì)外筒有偏相對(duì)外筒有偏角的驅(qū)動(dòng)軸角的驅(qū)動(dòng)軸萬(wàn)向節(jié)萬(wàn)向節(jié)反轉(zhuǎn)電反轉(zhuǎn)電馬達(dá)馬達(dá)造斜造斜工具工具的發(fā)的發(fā)展展指引鉆頭式之二：Schlumberger,BP Amoco （反轉(zhuǎn)馬達(dá)+萬(wàn)向節(jié)）外殼順時(shí)針?lè)酵鈿ろ槙r(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)向轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá)反時(shí)針?lè)较蝰R達(dá)反時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)速與外殼轉(zhuǎn)速與外殼轉(zhuǎn)速相等轉(zhuǎn)速相等Offset 傳感器包傳感器包+控

26、制系統(tǒng)控制系統(tǒng)渦輪渦輪發(fā)電發(fā)電 當(dāng)外殼帶動(dòng)鉆頭順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，反轉(zhuǎn)電馬達(dá)帶動(dòng)萬(wàn)當(dāng)外殼帶動(dòng)鉆頭順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，反轉(zhuǎn)電馬達(dá)帶動(dòng)萬(wàn)向節(jié)反向旋轉(zhuǎn)，從而保持驅(qū)動(dòng)軸相對(duì)外殼的偏離角度向節(jié)反向旋轉(zhuǎn)，從而保持驅(qū)動(dòng)軸相對(duì)外殼的偏離角度和偏離方向不變，因而鉆頭的指向始終保持不變，按和偏離方向不變，因而鉆頭的指向始終保持不變，按照照“三點(diǎn)定圓三點(diǎn)定圓”規(guī)律鉆出預(yù)定的圓弧曲線形井眼。反規(guī)律鉆出預(yù)定的圓弧曲線形井眼。反轉(zhuǎn)馬達(dá)靠傳感、反饋、控制系統(tǒng)控制。轉(zhuǎn)馬達(dá)靠傳感、反饋、控制系統(tǒng)控制。造斜造斜工具工具的發(fā)的發(fā)展展指引鉆頭式之二：Schlumberger,BP Amoco （反轉(zhuǎn)馬達(dá)+萬(wàn)向節(jié)）保持井眼方向模式：可以鉆出直線井

27、眼。鉆保持井眼方向模式：可以鉆出直線井眼。鉆頭的主軸產(chǎn)生頭的主軸產(chǎn)生“章動(dòng)章動(dòng)(Nutate)”，鉆出的井眼，鉆出的井眼稍為有些擴(kuò)大。大約擴(kuò)大稍為有些擴(kuò)大。大約擴(kuò)大1/8。造斜造斜工具工具的發(fā)的發(fā)展展導(dǎo)向?qū)蜚@井鉆井柔性鉸接式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的原理 工具工具4的軌跡控制并不是三點(diǎn)定圓幾何理論，而是由鉆頭方的軌跡控制并不是三點(diǎn)定圓幾何理論，而是由鉆頭方向獨(dú)立確定的。鉆頭設(shè)計(jì)成側(cè)切能力很小，并有一個(gè)柔性聯(lián)結(jié)，向獨(dú)立確定的。鉆頭設(shè)計(jì)成側(cè)切能力很小，并有一個(gè)柔性聯(lián)結(jié)，該柔性聯(lián)結(jié)把鉆頭與鉆柱的彎矩隔開(kāi)。這種軌跡控制機(jī)理可以該柔性聯(lián)結(jié)把鉆頭與鉆柱的彎矩隔開(kāi)。這種軌跡控制機(jī)理可以在小井眼內(nèi)提供比其他機(jī)理更高的造

28、斜率。在小井眼內(nèi)提供比其他機(jī)理更高的造斜率。 鉸接接頭的彎曲方向需要通過(guò)一定方式定向。鉸接接頭的彎曲方向需要通過(guò)一定方式定向。鉆柱鉆柱柔性鉸接柔性鉸接鉆頭鉆頭鉆頭軸鉆頭軸造斜工具造斜工具的發(fā)展的發(fā)展柔性鉸接式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的原理RRcos)(21dD 令：令：二式聯(lián)立，可得：二式聯(lián)立，可得：RLsin222LR則：則：指引鉆頭式系統(tǒng)的井眼曲率計(jì)算：指引鉆頭式系統(tǒng)的井眼曲率計(jì)算：造斜工具造斜工具的發(fā)展的發(fā)展活塞支撐塊式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向活塞支撐塊式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具M(jìn)WD上穩(wěn)定器造斜工具造斜工具的發(fā)展的發(fā)展活塞支撐塊式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)結(jié)活塞支撐塊式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖構(gòu)原理示意圖定向

29、線心軸活塞彈簧鎖銷(xiāo)支撐塊注油孔非旋轉(zhuǎn)套筒凸輪凸輪銷(xiāo)蘑菇頭孔板平衡活塞筒式斜面體開(kāi)泵，心軸活塞在液壓推動(dòng)下，向下移動(dòng)：開(kāi)泵，心軸活塞在液壓推動(dòng)下，向下移動(dòng)：推動(dòng)支撐塊伸出，給井壁支撐力；推動(dòng)支撐塊伸出，給井壁支撐力；凸輪凸輪銷(xiāo)結(jié)構(gòu)中的凸輪推動(dòng)凸輪銷(xiāo)外伸，使心軸活塞與主體分離，主體旋轉(zhuǎn)凸輪凸輪銷(xiāo)結(jié)構(gòu)中的凸輪推動(dòng)凸輪銷(xiāo)外伸，使心軸活塞與主體分離，主體旋轉(zhuǎn)而心軸不旋轉(zhuǎn)；而心軸不旋轉(zhuǎn)；推動(dòng)鎖銷(xiāo)內(nèi)移，使非旋轉(zhuǎn)外筒與主體脫開(kāi)，主體旋轉(zhuǎn)而外筒不推動(dòng)鎖銷(xiāo)內(nèi)移，使非旋轉(zhuǎn)外筒與主體脫開(kāi)，主體旋轉(zhuǎn)而外筒不旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)。停泵，心軸活塞在彈簧力作用下，向上移動(dòng)：支撐塊內(nèi)縮；凸輪銷(xiāo)內(nèi)移，把主體停泵，心軸活塞在彈簧力作用下，向

30、上移動(dòng)：支撐塊內(nèi)縮；凸輪銷(xiāo)內(nèi)移，把主體和心軸鎖??；鎖銷(xiāo)上移，把主體與非旋轉(zhuǎn)外套鎖住。整個(gè)系統(tǒng)成為一個(gè)整體。和心軸鎖??；鎖銷(xiāo)上移，把主體與非旋轉(zhuǎn)外套鎖住。整個(gè)系統(tǒng)成為一個(gè)整體。支撐塊的支撐方向，通過(guò)支撐塊的支撐方向，通過(guò)MWD測(cè)量、定向；測(cè)量、定向；造斜工具造斜工具的發(fā)展的發(fā)展偏心套筒式旋轉(zhuǎn)鉆井系統(tǒng) 全機(jī)械式，全機(jī)械式，無(wú)無(wú)井下馬達(dá)井下馬達(dá)，無(wú)無(wú)電電子系統(tǒng)子系統(tǒng)，可精確地鉆出，可精確地鉆出918米曲米曲率半徑的短半徑水平井。彎曲段鉆率半徑的短半徑水平井。彎曲段鉆進(jìn)需要進(jìn)需要824小時(shí)，垂深誤差在小時(shí)，垂深誤差在60cm以內(nèi)。以內(nèi)。 鉆彎曲段組合結(jié)構(gòu)如圖所示，包鉆彎曲段組合結(jié)構(gòu)如圖所示，包括：括：

31、Amoco專(zhuān)利的抗渦動(dòng)的偏心專(zhuān)利的抗渦動(dòng)的偏心PDC鉆頭，鉆頭短節(jié)，信息環(huán)，鉆頭，鉆頭短節(jié)，信息環(huán)，非非旋轉(zhuǎn)的偏心套筒旋轉(zhuǎn)的偏心套筒，下扭矩殼，球銷(xiāo)，下扭矩殼，球銷(xiāo)，上扭矩殼。上扭矩殼。 造斜原理是：即造斜原理是：即“指引鉆頭指引鉆頭”（pointing the bit） 原理。兩個(gè)原理。兩個(gè)接觸點(diǎn)，一個(gè)在鉆頭上，一個(gè)在偏接觸點(diǎn)，一個(gè)在鉆頭上，一個(gè)在偏心套筒的心套筒的“耐磨板耐磨板(Wear Pad)”上，上，兩點(diǎn)控制著鉆頭的傾角。鉆頭短節(jié)兩點(diǎn)控制著鉆頭的傾角。鉆頭短節(jié)可以調(diào)節(jié)兩點(diǎn)之間的距離，從而控可以調(diào)節(jié)兩點(diǎn)之間的距離，從而控制井眼曲率。制井眼曲率。造斜工具造斜工具的發(fā)展的發(fā)展偏心套筒刀翼偏

32、心套筒刀翼偏心套筒偏心套筒信息口信息口旋轉(zhuǎn)主軸旋轉(zhuǎn)主軸插銷(xiāo)插銷(xiāo)插銷(xiāo)洞插銷(xiāo)洞造斜工具造斜工具的發(fā)展的發(fā)展偏心套筒式旋轉(zhuǎn)鉆井系統(tǒng) 當(dāng)心軸反時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，心軸和偏心套筒在某個(gè)位置就可以“鎖住”。心軸和偏心套筒上各有一個(gè)“泥漿口”，當(dāng)心軸與套筒鎖住之后，兩個(gè)泥漿口將互相連通，泥漿循環(huán)壓力將會(huì)下降一個(gè)值，泥漿循環(huán)時(shí)將沒(méi)有脈沖信號(hào)。此時(shí)心軸可以帶動(dòng)偏心套筒反時(shí)針旋轉(zhuǎn)，從而調(diào)節(jié)工具面。偏心套筒起到導(dǎo)向的作用。 工具面調(diào)節(jié)好之后，只要順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，插銷(xiāo)就會(huì)從插銷(xiāo)洞中脫出來(lái)，使心軸和套筒“解鎖”，同時(shí)刀翼又會(huì)吃住井壁，偏心套筒將不旋轉(zhuǎn)，保持工具面不變。在解鎖狀態(tài)下，心軸每旋轉(zhuǎn)一周，兩個(gè)泥漿口將會(huì)相通一次，從而發(fā)出一個(gè)泥漿脈沖，地面上可以接收到這個(gè)脈沖，從而可以監(jiān)視工具面是否發(fā)生變化。 造斜工具造斜工具的發(fā)展的發(fā)展偏心套筒式旋轉(zhuǎn)