鉆孔軌跡控制關鍵技術
(壹)鉆孔軌跡控制機具
隨著鉆探難度的增大和技術不斷進步,傳統的鉆孔造斜機具(如偏心楔、機械式連續造斜器)已不能滿足全孔或長孔段鉆孔軌跡控制要求。液動孔底馬達(螺桿鉆具、渦輪鉆具)成為鉆孔軌跡控制最理想的機具。
1.液動孔底馬達工作原理及結構
(1)液動螺桿鉆具
液動螺桿鉆具的核心是螺桿馬達。螺桿馬達是壹種正排量容積式液壓馬達,是“莫諾泵”(moyno pump)即單螺桿泵原理的逆應用。螺桿馬達由兩個表面帶有螺旋齒和槽的零件(轉子和定子)組成(圖7-2)。定子內表面是壹層有螺旋齒和槽腔的橡膠,處於定子包容之中的鋼制轉子表面也有螺旋齒和槽腔,通常與定子之間處於靜配合狀態,並形成由若幹連續密封線劃分成的若幹個封閉腔。當有壹定壓力的液體輸入到達定子、轉子時,壹部分密封腔中充滿高壓液體,而且它們周期性地與高壓室或低壓室相通。這樣在工作液體壓力作用下,每個工作空腔橫斷面上產生不平衡液壓力dF1。這個力的分力dFZ和dFy可造成旋轉力矩M=dFZ·R(R是平均半徑)及作用於定子上的徑向力k。因此沿著轉子螺距長度上,就造成壹個總的旋轉力矩M。這就是螺桿馬達進行機械動力傳遞的基本過程。
圖7-2 螺桿馬達轉子和定子橫斷面作用力圖
圖7-3為i=9/10波齒螺桿馬達轉子和定子嚙合時形成的壹系列密封腔。可以看出,轉子和定子在每個截面上至少有10個接觸點,從而形成10個大小不同相互分隔的密封腔。當x=0時,低壓腔面積為零,隨後容積高度逐漸增大;x=0.5T時達最大值(T為定子導程),然後逐漸減小;x=T時,低壓腔完全封閉,形成壹個完整的密封腔。對於有K級螺桿馬達者,其密封腔(或密封接觸線)數如下:
∑=K(Z1+1)-Z1space@ (7-1)
密封腔的移動是發生能量轉換的條件。當轉子在定子中轉動時,密封腔將沿軸向移動。在轉子、定子傳動副中,定子波齒數Z1比轉子波齒數Z2多壹個。
Z1=Z2+1 (7-2)
定子導程T及轉子導程t與波齒數成比例,其旋向也應相同。
深部巖心鉆探技術與管理
轉子和定子螺旋表面的波齒數比通常稱為傳動比i。
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圖7-3 螺桿馬達工作機構內液體壓力分布
1—高壓液體腔;2—低壓液體腔
(a)x=0,φ2=0;(b)x=T/10,φ2=40°;(c)x=2T/10,φ2=80°;(d)x=3T/10,φ2=120°;(e)x=4T/10,φ2=160°;(f)x=4.5T/10,φ2=180°;(g)x=5T/10,φ2=2000°;(h)x=6T/10,φ2=240°;(i)x=7T/10,φ2=280°;(j)x=8T/10,φ2=320°;(k)x=9T/10,φ2=360°;(l)x=T,φ2=400°
螺桿鉆具的輸出扭矩M取決於螺桿馬達的工作壓力降和有關結構參數:
M=M0·ΔP·Dp·t·e (7-5)
式中:M0為轉子機械單位力矩(代表轉子機械類型的量值),N·m;ΔP為螺桿馬達工作壓力降,Pa;Dp為機械設計直徑(Dp=2eZ1),m;e為轉子機械的偏心矩,m。
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式中:Ce為偏心距與螺旋表面齒半徑比例的無量綱參數。
螺桿鉆具軸的旋轉速度,理論上不取決於壓力降,而取決於通過螺桿馬達截面的液體流量Q和有關結構參數。
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式中:Q為工作液體流量,L/min;n0為螺桿馬達軸的單位旋轉速度,在不計算液體漏失情況下由下式確定。
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由n0計算公式可以看出,螺桿馬達的單位轉速與波齒數成反比,在同等工作流量情況下,波齒數越多,轉速越低。
液動螺桿鉆具及側向力控制組合系統主要由定向接頭、上接頭、溢流閥、螺桿馬達(定子、轉子)、萬向聯軸節、彎外殼、驅動軸、異徑接頭等組成(圖7-4)。若不作為鉆孔軌跡控制之用時,可以不接定向接頭,彎外殼換成直外殼。
圖7-4 螺桿鉆具結構示意圖
(2)液動渦輪鉆具
液動渦輪鉆具的核心是將高壓液體能轉換成機械能的渦輪馬達,其物理基礎是液力傳動的歐拉方程式。渦輪水力單元由定子和轉子葉片組成(圖7-5),轉子和定子葉片形狀相同但彎曲方向相反。定子起到導流作用,將高壓液體導向轉子,推動轉子旋轉;轉子將旋轉力傳遞到傳動軸帶動鉆頭破碎巖石。渦輪馬達由多級(多達百級)渦輪水力單元組成。
圖7-5 單級渦輪結構圖
液動渦輪鉆具及側向力控制組合系統主要由定向接頭、渦輪鉆具上接頭、渦輪馬達、彎外殼、萬向接頭、止推軸承、傳動軸、下扶正軸承、下接頭等部分組成,鉆具結構如圖7-6所示。
圖7-6 渦輪鉆具結構示意圖
渦輪鉆具葉片主要參數(圖7-7)有:葉片平均直徑,葉片高度,定、轉子軸向高度、葉片結構角等。
渦輪葉片的平均計算直徑D:
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葉片高度:
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級高:
l=l1+l2+Δ (7-11)
式中:l1、l2分別為渦輪定、轉子的軸向高度;Δ為渦輪定、轉子間的軸向間隙。
葉片結構角(圖7-8)為渦輪葉片骨線與葉片水平斷面的夾角。定子出口和進口角:α1k、α2k。轉子出口和進口角:β1k、β2k。
多級(K級)渦輪的理論壓頭HK、理論扭矩MK、理論功率NK可由下式計算:
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圖7-7 渦輪葉片的結構參數
圖7-8 渦輪葉片結構角
MK=KQγmR(C1u-C2u) (7-13)
NK=KQγmu(C1u-C2u) (7-14)
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式中:K為渦輪級數;u為轉子葉輪計算直徑D上的圓周速度;n為渦輪主軸轉速;Q為通過渦輪的體積流量;γm為沖洗液密度;R為轉子葉輪計算半徑(R=D/2);C1u為轉子葉輪進口處絕對速度的切向分量;C2u為轉子葉輪出口處絕對速度的切向分量;g為重力加速度。
2.液動孔底動力鉆具工作特性
(1)液動螺桿鉆具
反映螺桿鉆具工作方式的工作特性有:輸出軸每分鐘的轉速n,輸出扭矩M,有效功率N,壓力降ΔP和水力效率η。通過大量試驗臺測試數據繪制成的螺桿鉆具工作特性曲線如圖7-9和圖7-10所示。可以看出,輸出軸載荷愈小轉速愈高。轉速等於零時扭矩達最大值,稱為制動方式;輸出軸轉速最大時扭矩等於零,稱為空轉方式。
圖7-9 YL-54型螺桿鉆具特性曲線
(Q=150L/min)
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螺桿鉆具屬於容積式馬達,其輸出軸轉速與泵量成正比;扭矩與壓力降ΔP成正比而與泵量無關。操作者可根據螺桿鉆具的特性曲線來優選鉆具的合理工作範圍,通過泵壓表讀數的變化來判斷螺桿鉆具在孔底的工作狀況。
(2)液動渦輪鉆具
分析由式(7-12)～(7-15)得出的渦輪鉆具工作特性曲線(圖7-11)可知:
1)渦輪鉆具壓降在流量、渦輪結構尺寸、級數確定後即為定值,不會隨工況(鉆壓、扭矩)的變化而變化。
圖7-11 渦輪鉆具工作特性的理論曲線
2)渦輪鉆具的扭矩與流量、沖洗液密度、渦輪級數成正比。
3)渦輪鉆具的轉速與輸出扭矩成反比。扭矩超過渦輪鉆具的額定扭矩就會停止旋轉,即渦輪鉆具沒有過載能力。
4)渦輪鉆具的輸出功率與流量、渦輪結構尺寸、渦輪級數、沖洗液密度有關,隨輸出扭矩、轉速的變化而變化,並存在最大值——渦輪鉆具的理想工作負載點。
3.液動孔底動力鉆具控制鉆孔軌跡的特點
1)鉆桿不回轉可以精確控制鉆孔軌跡,配合定向隨鉆系統利於遙控鉆進。
2)鉆桿不回轉有利於控制垂直孔的孔斜。
3)鉆孔糾(造)斜強度均勻,可根據需要任意調節造斜強度,可施工大中曲率半徑的受控定向鉆孔。
4)可在任何地層中控制鉆孔軌跡。
4.液動孔底動力鉆具性能差異
(1)工作特性的差異
螺桿鉆具有較硬的機械特性,過載能力強;而渦輪鉆的機械特性較軟,過載能力差,隨著鉆壓增大導致切削阻力矩增大時,會引起轉速下降,易被“壓死”而制動。因此,螺桿鉆具用於地質巖心鉆探作業更為適用。另壹方面,螺桿鉆具的壓降隨扭矩而變化,因而可通過泵壓變化來檢測螺桿鉆具工作情況。而渦輪鉆具的壓降不因載荷而變化,對其在孔底的工作狀況無法在地表直接檢測。
(2)轉速差異
渦輪鉆具的轉速明顯高於螺桿鉆具。壹般渦輪鉆具空轉轉速多在1200r/min以上,其工作轉速(即空載轉速的壹半)也多在600r/min以上,而單頭螺桿鉆具的轉速壹般只在400r/min左右,多頭螺桿鉆具轉速壹般在200r/min左右。
(3)壓降差異
外徑相近、工況參數(排量、沖洗液密度)相同的兩種鉆具,渦輪鉆具的壓降遠遠大於螺桿鉆具的壓降。例如:Φ165mm的多頭螺桿鉆具,其額定工作壓降Δp壹般為3MPa(空載起動壓降壹般小於1MPa),而尺寸相近的渦輪鉆具,其壓降壹般可達5～7MPa,渦輪鉆具對於深孔小環狀間隙鉆孔鉆進影響較大。
(4)耐溫性能差異
螺桿鉆具的定子襯裏是耐油丁腈橡膠,過高的工作溫度會使定子橡膠脆化而造成先期破壞,橡膠部件造成了鉆具承溫能力的極限值。壹般的螺桿鉆具工作溫度不超過125℃;渦輪鉆具內部沒有橡膠件,不受高溫的限制。
(5)直徑影響的差異
渦輪鉆具與螺桿鉆具相比,渦輪鉆具的功率和扭矩受直徑的影響甚大,而直徑對螺桿鉆具的影響較小,地質巖心鉆探壹般多選用螺桿鉆具。
(6)橫振差異
螺桿鉆具的轉子在定子型腔內作平面行星運動,產生離心慣性力造成鉆具橫向振動。而渦輪鉆具的轉子作定軸轉動不會引起離心慣性力和橫向振動。
(7)長度差異
在外徑相近、扭矩相近的條件下,渦輪鉆具的長度明顯大於(甚至成倍於)螺桿鉆具長度,長度過大對鉆孔造斜作業不利,而進行中小曲率半徑鉆孔軌跡控制選用螺桿鉆具比較有利。
(二)鉆孔軌跡控制定向測量技術
定向測量技術是實現鉆孔軌跡控制的基礎。目前主要有單點定向測量和隨鉆測量兩大類。
1.單點定向測量技術
單點定向測量是在造斜機具下孔後,鉆進前用儀器測量機具的方向,鉆進過程中不再測量。目前單點定向測量方法有直接定向和間接定向兩種。
(1)直接定向法
直接定向有兩種情況。壹是直孔中只需測量和確定造斜工具定向標記在孔內(相對子午線或坐標已知點)的方位。二是斜孔中需同時測量和確定造斜部位的方位角以及造斜工具所需的安裝角(或安裝方位)。
直接定向法采用專用測斜定向儀(如照相測斜定向儀、直讀式測斜定向儀、環測法測斜定向儀等,詳見第十章第二節)下孔對造斜工具進行井下定向。根據儀器所測參數數目,可分為全測儀和非全測儀。全測儀既可測量造斜工具定向標記的方位或安裝角(面向角),又可測量鉆孔方位與頂角。非全測儀只能測量造斜工具定向標記方位。根據讀取參數的方法,還可分為測量型和記錄型儀器。前者可在地表顯示工具安裝角和孔斜參數,後者則在孔內記錄,延遲讀數。
(2)間接定向法
間接定向以造斜點原斜孔方向為基準,在已知造斜部位傾斜平面方向的基礎上(即先用測斜儀測定造斜部位鉆孔傾斜平面的方位)只需測量或確定造斜工具在孔內的安裝角。由於各種重力敏感元件(如鋼球、重錘、擺錘、偏重塊、水銀球、氣泡、玻璃管中裝酸液等)容易制作,並在傾斜鉆孔中能正確反應鉆孔傾斜平面方向,所以儀器結構比直接定向儀器簡單。常用的有鋼球定向儀、擺錘定向儀、偏重塊定向器等。根據間接定向儀確定工具安裝角方法的不同,可分為測量型、指示型、自動型。測量型儀器可在地表顯示造斜工具的安裝角;指示型只能在地表指示造斜工具的面向是否處於預定位置,不能顯示安裝角的具體數值;自動型可使造斜工具在孔內自動到達預定的面向位置,地表不顯示。其中指示型間接定向儀種類最多。根據敏感元件孔內發出的信息及地表顯示方式,指示型間接定向儀又分為機械指示型、電指示型、液力指示型、聲及光指示型等。
2.隨鉆測量技術
隨鉆測量技術(Measurement While Drilling,簡稱MWD)可以不間斷導向鉆進並測量某些近鉆頭孔底信息,實時傳至地表。獲取的信息包括:導向鉆進數據(孔斜角、方位角、工具面向角等),地層特征(伽馬、電阻率等),鉆進參數(鉆壓、扭矩、轉速等)。目前,地質鉆探隨鉆測量以鉆孔軌跡參數為主。
如圖7-12所示,隨鉆測量系統包括裝在下部鉆具組合中的井下儀器和發射器,通過遙測信道將信號發送到地表,再經譯碼和處理顯示所需的信息。MWD的最大優點是使鉆探和地質工作者能實時地“看”到孔內情況,從而改進決策過程。隨鉆測量主要包括有線隨鉆MWD和無線隨鉆MWD兩大類。有線系統有鉆桿傳輸和電纜傳輸;無線系統有電磁波、地震(聲)波、泥漿脈沖傳輸方式。
圖7-12 MWD系統示意圖
(1)鉆桿傳輸法
該方法的傳感器裝在特制鉆鋌內,用鎧裝電纜(或跨接線)將該鉆鋌與鉆桿下端連接起來。跨接線的長度必須與BHA(孔底鉆具組合)的總長相等並維持壹定的張力。系統的另壹端,在方鉆桿頂部安裝壹個與地面設備相連的絕緣滑環,地面設備完成處理信號和顯示最終結果的功能。這種系統的主要缺點是:制造特殊鉆桿柱費用高,在接頭處形成可靠的連續電路比較困難。
(2)電纜傳輸法
該方法往鉆桿內下入鎧裝電測電纜傳輸信號。但加接單根時必須提出電纜和儀器,或預先將電纜線套入鉆桿內孔,非常麻煩,有時甚至是不可行的。解決這壹問題的方法壹是:在鉆柱中段加接壹個類似三通接頭的側入式密封裝置,將預裝入鉆柱的儀器電纜線附著在鉆柱外壁上,可用於鉆柱不回轉的鉆孔,只需防止電纜線的磨損與擠壓;方法二是:在鉆桿內卷軸上存放壹段額外長度的電纜。加新單根時,系統內的電機鎖銷可使電纜暫時中斷。但起鉆前須先把整段電纜全部收回。電纜傳輸法的優點是操作較方便,信號傳輸速率高,可實現雙向通訊,井底不需附加動力源,因為不存在信號減弱問題,傳輸效果不受深度限制。
(3)電磁波傳輸法
該方法把壹個電磁波發射器裝在孔內儀器中,孔內儀器作為BHA的壹個組成部分,通過儀器中的傳感器采集近鉆頭孔底信息,電磁波發射器產生可調制信號,以二進制碼形式沿電磁波通道傳輸信號。通過插入鉆場附近地面的天線接收並解碼、顯示這些信號。最具典型的是俄羅斯已研制成功的電磁波孔底遙測系統。近年來中國地質科學院勘探技術研究所開發的“慧磁”鉆井中靶引導系統是電磁波信號傳輸與電纜傳輸法的結合(圖7-13),已在鹽田對接井中推廣應用。
電磁波法傳輸系統的特點是數據傳輸速度快,載波信息量大,受泥漿和水泵特性的影響小,即使在提下鉆過程中也能檢測數據,系統安裝比其他方法簡便。
(4)聲波傳輸法
該方法利用聲波(或地震波)傳播機理來工作。鉆進過程中,聲波沿鉆桿、地層等介質傳播到地表。地表監測儀器接收到信號,經處理得到有價值的相關數據。聲波通道傳送的信息量小。因為鉆桿和接頭直徑的變化使聲波產生反射、幹涉、強度降低,從而很難在幹擾噪聲中分辨出有用信號。
圖7-13 “慧磁”鉆井中靶引導系統原理圖
聲波通道的主要缺點是信號隨深度衰減很快。所以,鉆柱中每隔400～500m要裝壹個中繼站,使系統很復雜,其使用的最大孔深為3000～4000m。
(5)沖洗液壓力脈沖傳輸法
目前國內外廣泛應用的是基於鉆孔沖洗液脈沖遙測技術,信號傳播的載體是沖洗液。孔內儀器借助孔底渦輪發電機或電池組供電;孔內傳感器將物理量轉變為模擬電信號,經過孔內MWD組件處理轉換為數字信號,被送到信號發射器,經編碼、壓縮處理後,控制孔內儀器閥門的開閉產生斷續或連續泥漿壓力脈沖信號;壓力脈沖信號通過水力通道到達地表,由MWD接收器(即壓力傳感器)轉變為電信號,經過解碼、濾波等處理得到孔內測量數據。
沖洗液壓力脈沖遙測法的優點在於比較簡單,不需要特殊的鉆桿,只需對正常鉆探作業作很小改變。壓力脈沖在沖洗液中以大約1200～1500m/s的速度傳輸,不受地層電磁特性、孔內振動波幹擾,信號衰減小。但實時傳送的速度與信息量有限,孔內儀器對沖洗液有嚴格要求:含砂量＜1%～4%,含氣量＜7%。
(三)鉆孔軌跡計算機智能控制技術
通過計算機智能控制鉆孔軌跡屬於尖端鉆探技術,可望在21世紀中得以實現。它主要包括由可調造斜裝置、MWD和微電腦構成的孔底自動鉆孔軌跡控制系統(圖7-14)。下鉆前將鉆孔孔身剖面設計參數存入微電腦,鉆進過程中MWD隨時測定鉆頭空間位置,同時將結果送入微電腦計算處理並與設計剖面對比,作出智能分析和決策,並發出指令調節造斜裝置的狀態,校正鉆進方向的偏差,保證鉆頭按預置軌跡自動鉆進。當孔內控制系統失靈時,還可以通過雙向通信子系統啟動孔底造斜裝置和地面伺服裝置,調節鉆壓、轉速及泥漿排量等鉆進參數。
目前,鉆孔軌跡控制系統還很不成熟,還必須在物理模型、智能軟件、執行機構及計算機測控系統等方面進行大量的多學科交叉研究工作。
圖7-14 自動鉆孔軌跡控制示意圖