自动垂直钻井导向液压系统设计理论及技术

随着国内外油藏开发从浅层钻探转向深层钻探，井斜问题日益突出。目前，井下纠斜液压系统直接集成在"圆珠笔筒"结构的钻铤上，由于条件所限，井下液压系统一般采用电池供电，其功率有限，难以提供持久的液压纠斜动力；其次，井下大范围变化的温度、压力和振动会导致液压油体积改变，造成液压油与液压系统密封容腔不匹配，出现压力异常；另外，井下高环境压力会导致液压零部件微量变形、间隙改变，按地面环境设计规范面制造的液压过盈、间隙、橡胶等密封在井下工作时会出现密封失效现象。本课题拟从井下流场、静力学、动力学多个角度对井下纠斜液压系统进行理论与实验研究，解决井下纠斜液压动力源稳定供给问题；研制合适可靠的井下液压系统压力自动补偿装置，并确定恰当的压力自补偿容积和结构，实现随钻压力自动补偿；通过力学分析和井下环境模拟实验，研究表面形貌、配合公差、环境条件对液压密封的影响，制定科学的井下液压静、动密封设计规范。

随着国内外油藏开发从浅层钻探转向深层钻探，井斜问题日益突出。目前，井下纠斜液压系统直接集成在“圆珠笔筒”结构的钻铤上，由于条件所限，井下液压系统一般采用电池供电，其功率有限，难以提供持久的液压纠斜动力；其次，井下大范围变化的温度、压力和振动会导致液压油体积改变，造成液压油与液压系统密封容腔不匹配，出现压力异常；另外，井下高环境压力会导致液压零部件微量变形、间隙改变，按地面环境设计规范面制造的液压过盈、间隙、橡胶等密封在井下工作时会出现密封失效现象。依照项目计划，项目组进行了以下四个方面的研究：首先通过建立数学模型，分析了环境压力、振动等因素对油泵、单向阀等液压元件的流量、压力等动态特性的影响，提出了从钻杆旋转动力获取能量的创新性泵源装置，通过对比驱动轴承在不同的偏心量、轮廓曲线条件下，泵源输出压力油源的压力和流量脉动特性，对泵源进行了优化设计，并探讨了利用PWM技术对其纠斜力进行连续控制的有效方法，进行了仿真、试验验证和改进，改进后的井下纠斜能量提取装置纠斜力输出更加稳定；第二，针对井下纠斜装置运动元件的密封界面在井下极端环境下寿命和可靠性下降、密封性能减弱的问题，分析了柱塞泵失效的原因，并且对于柱塞泵等部位的间隙密封机理进行了分析，通过流固耦合有限元仿真，对比了多套间隙—支撑环厚度的密封效果，最终确定了支撑环与密封最佳间隙的方案，提出了降低单向阀的开启压力、采用皮囊式增压油箱平衡内外压力差等改善措施，试验结果表明密封界面寿命和可靠性大大提高，满足了井下工作需要；第三，针对自动垂直钻井工具因测斜仪的特性和初始安装误差而导致小井斜测量精度不高的问题，在理论上实现对测斜仪的精确校正，提出了一种基于T－S模糊模型的井斜角简化计算方法，将原井斜角函数所表示的复杂三维曲面用一系列相互衔接的小平面来替代，解决了自动垂直钻井过程中的井斜测量实时性与准确性之间的矛盾，误差最大不超过0.05°；最后，为模拟井下强振环境，验证垂直钻井纠斜装置，开发了一套井下振动试验模拟装置，通过建立数学模型，采用了模型跟随自适应控制策略，实现了模拟井下强振环境的目的。本项目对自动垂直钻井工具部分性能进行了优化完善，使其可靠性大大提高，适用于高陡构造等难打易斜地质条件的油气开采，有效解决我国西部油气勘探开发技术瓶颈，打破国外大公司技术垄断，对推动国民经济和油气钻井技术发展具有重大理论及工程意义。