关键技术——可调弯曲关节
图6.1导向工具分类(可调弯曲接头)
国外研究现状
国外可控弯曲关节的研究工作起步较早。上世纪90年代初，斯伦贝谢Anadrill钻井公司的技术人员提出了“地面闭环自动控制钻井系统”的方案，开启了可调定向钻井技术发展的新篇章。目前，国外对可调弯管接头的研究已经进入智能控制时代。最具代表性的工具有斯伦贝谢Anadrill公司的Auto Trak非旋转外筒闭环自动导向钻井系统、动力驱动全旋转导向钻井系统和斯佩里孙产品服务公司的Geo-Pilot旋转导向自动钻井系统。
(1)AutoTrak旋转闭环系统
AutoTrak旋转闭环系统井下偏置导向工具由非旋转套筒和旋转心轴组成，通过上下轴承连接，形成可相对旋转的结构。旋转心轴连接钻柱和钻头，起到传递钻压和扭矩以及输送钻井液的作用。不旋转外套上设有地下CPU、控制部分和支撑筋。图6.2是井下偏移导向工具的目标和原理的示意图。当轴向均匀分布的三个支撑肋以不同的液压力支撑在井壁上时，套管在不旋转的情况下不会边钻边转，同时井壁的反作用力会对井下偏置导向工具产生偏置合力。因此，通过控制三个支撑肋的液压，可以控制偏压力的大小和方向，并且可以控制导向钻孔。
图6.2 AutoTrak导向工具
(2)动力驱动旋转导向钻井系统
与Auto Trak RClS系统不同，Auto Trak RClS系统依靠独立的液压系统为支撑肋的支出提供动力源，而动力驱动SRD系统的支撑肋支出的动力源是钻井过程中钻柱内外的自然钻井液压差。如图6.3所示，有一个控制轴从控制部分的稳定平台延伸到下肋分支控制机构，上盘阀固定在底端，上盘阀的旋转角度由控制部分的稳定平台控制。下盘阀固定在井下偏置工具内，钻柱随钻井一起旋转，其上的液压孔分别与肋板支撑的液压腔相通。在井下工作时，上部阀门的相对稳定性由控制部分的稳定平台控制；与钻柱一起旋转的下盘阀上的液压孔将依次与上盘阀上的高压孔连通，使钻柱内的高压钻井液通过临时连通的液压通道进入相关的肋板支撑液压腔，在钻柱内外液压力差的作用下，肋板被排出。这样，随着钻柱的旋转，每个支撑肋将在设计位置展开，从而为钻头提供侧向力，产生导向作用。
图6.3 PowerDriver指导工具
(3)地质导向旋转导向自动钻井系统
Geo-Pilot旋转导向钻井系统也是一种导向工具，但与AutoTrak系统和动力驱动系统不同，Geo-Pilot旋转导向钻井系统不依靠偏置钻头导向，而是依靠旋转套筒和旋转主轴之间的一套偏置机构来偏置主轴，从而为钻头提供与井眼轴线不一致的倾斜度，产生导向效果。其偏置机构是由几个可控偏心环组合而成的一套偏心机构。当井下自动控制完成组合时，该机构将相对于旋转套筒固定，从而使旋转主轴始终偏向一个固定的方向，为钻头提供一个固定的倾角，如图6.4所示。
图6.4 Geo-Pilot导向工具
根据前面的分类方法，AutoTrak系统的导向工具属于静态偏置推钻头工作模式，PowerDriver系统的导向工具属于动态偏置推钻头工作模式，Geo-Pilot系统的导向工具属于静态偏置指向钻头工作模式。推力旋转导向系统具有侧向力大、造斜率高的特点，但旋转导向钻进的井眼狗腿大、轨迹波动大、不均匀，钻头和钻头轴承磨损严重。定向旋转导向系统的特点是:它可以钻一个光滑的井眼，具有较低的摩擦和扭矩，并且可以使用较大的WOB，具有较高的机械钻速，这有助于充分发挥钻头的性能。钻头及其轴承承受的侧向载荷小，极限位移增加，但造斜率低。
上述三种导向结构都是商业市场上应用的成熟技术，其中Geo-Pilot旋转导向自动钻井系统在中国渤海湾得到广泛应用。仅2005年和2006年，该系统就完成了20多口定向井(水平分支井)的施工，无论增斜钻井、减斜钻井还是稳斜钻井，该系统都表现出良好的性能。
上述三种导向工具的共同特点是电子结构复杂，最高工作温度大多在250以下。在超深井应用中，需要解决系统高温等复杂工况的适用性问题。此外，井底钻头和泥浆泵的性能也极大地影响着上述系统在超深井中的应用。
6.2.2国内研究现状
国内对可调式导向工具的研究起步较晚，与国外差距较大。20世纪90年代末，我国研制出了具有划时代意义的井下导向工具，如变径稳定器、流场导向器、可控偏心器等，为井下闭环导向智能钻井系统的实现提供了充分必要的客观条件。目前，国内研究机构如Xi尤氏大学、胜利油田、中国地质大学等都在从事这方面的研究，部分研究成果已进入现场使用阶段。下面简单介绍一些研究成果。
(1)地面遥控可调弯接头
该成果属于中国石油天然气总公司“九五”重点项目，其结构如图6.5所示。
图6.5可调弯管接头结构示意图
这种结构的工作原理是，当钻井液排量发生变化时，钻铤内外钻井液的压差发生变化，从而改变了作用在上花键轴端面上的力，在弹簧产生的力的参与下，上花键轴可以上下运动。由于上花键筒、上花键轴和下花键轴的端部具有斜面，当上花键轴向下和向上运动时，上花键筒和下花键筒会相对转动。由于上下花键筒的旋转中心线与其外表面形成一个角度，当上花键筒和下花键筒相互旋转时，它们的外表面会发生角度变化，即所需角度。这实现了本发明的目的:在地面上，利用钻井液排量的变化来控制井底弯管接头角度的变化。与之相关的“井眼轨迹遥控技术”已获国家发明专利，但尚未投入商业应用。
(2)基于旋转导向钻井的可控弯曲接头系统。
Xi安尤氏大学机械工程学院中原油田第三采油厂在中国石油天然气集团公司钻井工程重点实验室的支持下，对可控弯接头转向机构的基本原理进行了探索性研究，开发了原理样机，并取得了初步成果，如图6.6所示。
图6.6可控弯曲关节导向结构示意图
(3)动力推进旋转导向工具
该工具是胜利油田承担国家“863”计划“旋转导向钻井系统关键技术研究”后，与Xi安尤氏大学联合开发的。其原理与斯伦贝谢的PowerDrive基本相同，如图6.7所示。该工具已在Xi安尤氏大学旋转导向钻井工具上进行了20多次地面试验。2006年8月，在营122斜井225井进行了整个旋转导向钻井系统的联合现场试验，取得了成功。目前基本成熟，但尚未进入商用市场。
图6.7动力推进旋转导向工具
(4)国内其他研究成果。
1)可控偏心旋转导向工具。该工具由中海油研究中心、Xi尤氏大学和中海油服联合开发。导向原理与贝克休斯基本相同，液压动力来自钻井液。2005年6月，165438+10月，分别在长庆油田Xi 28-022井、宁37-32井和LD5-2-A1井进行了现场钻井试验。
2)动态指向旋转导向工具。由海洋石油工程有限公司和西南石油大学，结合哈里伯顿公司Geo-Pilot的定向结构和斯伦贝谢公司Power Drive的下盘阀结构，提出了动态定向旋转导向钻井工具的设计思想，目前还处于理论阶段。
3)指向旋转导向工具。中国地质大学研究了定向旋转导向钻井工具的动力学分析和工作性能，制作了偏置导向机构的实验样机，其原理类似于Geo-Pilot，如图6.8所示。
图6.8指向旋转导向工具
基于国内对可调弯管接头的研究，可以看出各研究机构的研究成果基本处于室内研究和试用阶段，离成熟产品用于钻井工程还有很大距离，更不用说未来的超深井工程了。