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旋转导向系统简介
摘要:近年来,旋转导向钻井系统的研究与应用取得了突破性进展。目前国外最成熟且应用最广泛的旋转导向钻井系统工具主要有贝克休斯INTEQ公司的AutoTrak,斯伦贝谢公司的PowerDrive和哈里伯顿公司的Geo-Pilot。这三种旋转导向工具,由于设计理念的不同,各有优缺点,如贝克休斯INTEQ公司的AutoTrak与哈里伯顿公司的Geo-Pilot,工具的外筒是不旋转的,在造斜能力上要略高;而斯伦贝谢公司的PowerDrive,工具的外筒是与所有钻具一起转动的,实现了井下所有钻具的旋转,这样,PowerDrive的位移延伸能力及井下的安全性均要略高一些。本文详细介绍了斯伦贝谢公司第一代旋转导向系统工具中目前应用最成熟及最广泛的PowerDriveX5。
斯伦贝谢公司的旋转导向工具PowerDrive,根据工具工作原理的不同,分为第一代旋转导向工具PowerDriveXtra及PowerDriveX5,第二代旋转导向工具PowerDriveXceed。分类的依据是,第一代旋转导向工具为钻头推靠式,即通过工具本体上的3个推力块(Pad),推靠井壁,给钻头一个侧向力,使钻头偏离井眼的轴线,实现井斜与方位的控制。如图所示,在钻进过程中,当需要向指定方向增斜时,输入指令,此时,工具随着钻具一起旋转,3个推力块在泥浆的作用下,每转到指定方向的反方向时(红色位置),伸出推靠井壁,使钻头偏离井眼轴线指向所需要的方向。第二代旋转导向工具PowerDriveXceed,为钻头指向式,即钻头被工具指向我们需要的方向,实现井斜与方位的控制。如图所示,当工具需要向指定的方向钻进时,在地面给工具输入指令后,钻头将被工具指向我们所需的方向。
PowerDriveX5工作原理图

PowerDriveXceed工作原理图
下面我们着重介绍一下斯伦贝谢公司的PowerDriveX5。PDX5,主要有以下几个系列及其适应的井眼尺寸,如图所示:
PDX5主要有BU(Bias Unit), CU(Control Unit),Receiver,以及Flex Joint四部分组成。
BU位于钻头的上部,主要有以下部件组成,the Bias Unit Body ,the Clamp Plates ,the Hinge Pins,the Kickers,the Pads,the Spider ,the Spider Locking Ring ,如图所示:
各个部件组装在一起后,如图所示:
再组装Control Shaft与 Roter,将其装入Kalsi Choke Body,然后将其装入BU内部的Spider内,如图所示:

将Filter的密封圈装入Extension Sub,再将Filter装入Extension Sub,最后将Extension Sub和BU连接起来,这样,一个完整的BU系统就组装起来。如图所示:
下图是BU系统的一副剖面图。
我们要理解BU的工作原理,就必须了解Rotary Valve Assembly的工作原理,Spider的三个支架是泥浆流向BU的三个Pad的通道,三个支架与三个Pad是一一对应的,即泥浆流过固定的支架,只能通过固定的Pad,
如下图所示
Rotary Valve Assembly

Roter Rotating Valve
当Spider随着BU本体一起旋转时,如图所示,从Control Shaft流过的泥浆在Rotating Valve的控制下,流过每一个旋转到Rotating Valve开口的支架,并流过相对应的Pad,将Pad打开。Control Shaft可以控制Rotating Valve相对于大地静止不动,这样,就实现了每个Pad到固定的位置即可打开。
下图描述了泥浆流过BU的主要线路,如图所示,蓝色的区域即泥浆流过的通道,其中只有2%-3%的泥浆流经BU的Filter将Pad推开,从Pad流入井眼环空,剩余的泥浆直接从钻头水眼流入环空。由于钻头水眼压降的作用,BU内部泥浆产生的压力要远大于BU外部环空的压力,这样,流经Filter至Pad的泥浆,完全有能力将Pad打开。由于BU的Kickers的限制,Pad的打开是有一定范围限制的,如PD675,在8寸半井眼中,",并在泥浆不流经Pad时,在井壁作用力下可将已打开的Pad推回去。",这样,就避免了一些潜在的井下复杂情况的发生。
CU是RSS系统的控制单元,由Lower Torquer(下部扭矩发生器),Sensor Module(传感器单元),Comms Module,Upper Torquer(上部扭矩发生器)和Transmit