0 引 言

近来，随着世界油价大幅下跌，石油装备业迎来了漫长的寒冬，加强技术创新，缩减开发成本是度过这一困难时期的关键所在。常规的大位移井、水平井和多分支井对钻井装备提出了更高的要求，迫切需要旋转导向钻井技术产生质的飞跃^{[1, 2]}。

笔者在研究现有旋转导向系统构成和关键组成单元结构及工作原理的基础上，分析了国内外旋转导向钻井系统的结构特点，并结合现场旋转导向系统的使用原则提出了新型全旋转动态指向式旋转导向钻井系统，即可控弯接头旋转导向钻井系统。可控弯接头旋转导向钻井系统将井下闭环和地面闭环相结合，实现旋转钻进过程中连续井斜和方位的调整，节省了频繁起下钻的时间^[3]；它可以利用双向通信系统实现信息传输、信息识别和信息解码，在地面进行可控弯接头导向机构的调整控制；具有不停钻改变井眼方向的能力，减少了传统的随钻随测作业；而且，其优秀的造斜能力是其他智能导向工具不可比拟的，可控弯接头更能胜任某些特殊井段对快速造斜能力的要求。笔者就可控弯接头旋转导向钻井系统的整体组成做简要介绍，并提出可控弯接头旋转导向钻井系统的设计方案。

可控弯接头钻井系统功能框图如图 1所示。该系统主要由地面监控系统、地面与井下双向传输通信系统、钻井液发电系统、井下控制系统、井下测量系统和导向机构6部分组成。

图 1 可控弯接头钻井系统功能框图 Fig.1 The block diagram of function system of controllable bending sub

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可控弯接头的地面监控系统包括信号接收、传输及地面计算分析。其主要作用是：随钻监测井下可控弯接头导向机构是否正常工作，分析是否按照设计要求的井眼轨迹钻进，判断是否达到造斜率的要求等。它能够及时分析计算出井眼轨迹的偏离程度，设计出新的待钻井眼轨迹，并在显示器上显示出井眼轨道参数，便于现场工程技术人员掌握和分析钻头所在位置，了解可控弯接头在井下对井眼轨迹的控制情况。

地面与井下双向传输通信系统由上行和下行通信系统组成。上行通信系统通过脉冲发生器向地面发送钻井液正脉冲信号，并将井下测量信息数据上传至地面监控系统^[4]；经过地面监控系统对设计井眼轨迹与实测井眼轨迹对比后，利用下行通信系统向控制系统发送钻进的控制指令，实现井眼轨迹的实时控制。

钻井液发电系统利用钻井液作为动力源驱动涡轮发电机旋转发电，给可控弯接头导向钻井系统中的通信系统、控制系统、测量系统和导向机构中的电动机供电。该系统通过控制钻井液的流量来控制涡轮发电机的发电效率，从而控制电动机的供电电压进而控制电动机的转速^[5]；系统通过控制电动机的转速实现导向轴和旋转外套之间相对转速的控制，以及导向轴和旋转外套之间的摆角控制，从而达到控制弯接头摆动角度和方位的目的。

控制系统以特定的数据处理方法和控制规律实现可控弯接头的控制，改变钻头的运动轨迹，实现预设井眼轨迹。测量系统中的数据采集、数据存储、控制算法的实现和通信等功能都是通过控制系统来实现。

可控弯接头井下测量系统由2部分组成：第1部分为随钻测量系统MWD，其主要功能是测量井眼轨迹几何参数和地质参数，如井斜角、方位角、工具面角、自然伽马和电阻率等，将测量的数据发送给脉冲发生器和导向控制系统；第2部分为可控弯接头导向机构测量系统，实现导向机构实时空间姿态的测量。

导向机构主要由偏心环、伺服电机、导向轴及导向节等组成。在钻井过程中，导向机构按照控制系统的指令调整偏心环的偏心位置，对导向轴产生一个偏心力，使钻头的钻进方向发生改变。其中导向节可使导向轴能够在任意方向摆动特定角度，并在钻进过程中传递扭矩。

可以看出，在钻进情况下，可控弯接头能够实现旋转钻进过程中的连续井斜和方位的调整；在地面监控系统和井下测控系统的干预下，可控弯接头能够按照地面指令调整偏心位移矢量，通过可控弯接头摆动方向的调节，实现可控弯接头造斜方向的改变。

可控弯接头主要由偏心环组、导向轴、导向节、旋转外套及辅助机构等组成，结构如图 2所示。偏心环组由内偏心环、外偏心环和球形环等组成，内、外偏心环在2个伺服电机的驱动下产生相对旋转，给导向轴施加一定的偏心力；导向节由球套、钢球、球座和球面环等组成，为导向轴空间摆动提供一个支点，钻压和扭矩从旋转外套经过导向节传递到导向轴上，导向轴的上端在偏心环组径向偏心力的作用下，使导向轴围绕导向节空间摆动导向，保证导向轴在周向360°灵活偏置，进而使导向轴以该支点为中心形成角位移，从而使钻头改变工具面角，改变钻头的钻进方向；导向轴的下端与钻头相连接，导向轴的中空部分为钻井液通道，起到传递钻井液的作用；旋转外套由钻柱带动并同速旋转，钻进过程中始终处于转动状态，球面环和导向节共同完成钻井扭矩和钻压的传递，使钻头产生破岩动力，并通过中空钻井液通道为钻头提供钻井液^[6]；密封元件对整个可控弯接头导向机构进行密封，防止钻井液泄漏对其内部的电子元件造成影响。

图 2 可控弯接头结构示意图 Fig.2 Structural schematic of controllable bending sub 1—外偏心环伺服电机；2—内偏心环伺服电机；3—旋转外套；4—外偏心环；5—内偏心环；6—球形环；7—导向轴；8—球面环；9—球套；10—钢球；11—球座；12—密封件。

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可控弯接头控制系统主要由5部分组成，包括控制单元、电机驱动单元、电机转速测量单元、偏心环状态监测单元和钻头姿态测量单元，系统组成框图如图 3所示。其中，控制单元作为可控弯接头导向机构控制系统的上位机，配置有数据处理、数据采集和运动控制的相关软件与相应的通信接口，其内部存储有井眼轨迹设计信息和井眼轨迹处理算法；在可控弯接头钻进过程中，控制单元根据井眼轨迹设计信息和轨迹处理算法产生相应的导向轴偏置控制指令，并将控制指令下传至电机驱动单元，驱动偏心机构内的直流伺服电机转动，从而实现导向轴的摆动；同时，控制单元收集钻头姿态测量单元上传的传感器实测井眼轨迹数据，并将其与预设井眼轨迹数据比较，得出轨迹偏差，然后根据预设控制算法产生纠正井眼轨迹的控制指令，并发送至电机驱动单元，驱动导向轴偏置，从而减小轨迹偏差。电机驱动单元由运动控制卡和相应的运动控制软件组成，其接收控制单元发送的导向轴偏置控制指令，并根据预设的运动控制软件程序，将控制指令转换成直接控制内、外偏心环2个直流伺服电机转速的脉冲指令，驱动2个直流伺服电机分别按所需的转速转动，从而驱动内、外偏心环实现导向轴的预定偏置。偏心环位置测量单元和钻头姿态测量单元由多通道、高速、同步数据采集卡和相应的数据采集软件组成。钻头姿态测量单元负责将采集的实钻井眼轨迹信息和导向机构状态信息等模拟信号转换成相应的数字信号，并上传至控制单元；偏心环位置测量单元由测量导向轴偏置幅值的微位移传感器和测量导向轴偏置相位角度的传感器等组成，负责将导向轴的偏置等物理量信息转换成模拟量信息，并上传至控制单元。在实际工作过程中，控制单元根据偏心环位置测量单元的测量信号来确定偏心环的偏心位移矢量^[7]；并根据所测偏心环的偏心位移矢量来调整伺服电机的转速，对偏心环的偏心位移矢量进行控制。

图 3 可控弯接头控制系统组成框图 Fig.3 The block diagram of control system of controllable bending sub

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井下闭环和地面闭环相配合是可控弯接头导向钻井系统实现连续井斜和方位调整的有力保障。井下闭环主要由偏心环配合监控单元、钻头姿态测量单元和控制单元共同作用，对维持设定的偏心位移矢量进行闭环控制。地面闭环主要在钻井工程师按照预定井眼轨迹设计要对工具面角和摆角调整时，通过下行通道向可控弯接头执行机构发出命令，并由地面监控系统和伺服电机单元调整其偏心位移矢量。

使导向轴产生摆角的偏心力由偏心环组的偏心位移产生，其结构组成如图 4所示。

图 4 弯接头偏心环结构 Fig.4 The structure of eccentric ring of bending sub

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弯接头的2偏心环和旋转外套的中心线相比具有等大的偏心距，偏心环的偏心位移通过弯接头的内、外2个偏心环之间的相对位置产生^[8]。2偏心环之间不同的配合关系就会在设计范围内产生任意不同的偏心距离。将旋转外套的轴线与偏心环端面的交点作为原点，将外偏心环的位移方向作为x轴建立坐标系，如图 5所示。图中，e₁为外偏心环的偏心位移；e指内偏心环偏心孔中心点相对同一截面旋转外套中心点的位移量；e′₂指内偏心环转到另一位置时的位移矢量，e′₂= e₂；e₂为内偏心环的偏心位移。

图 5 偏心环位移关系图 Fig.5 The displacement diagram of the eccentric ring

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当需要改变井眼轨迹曲率增斜或降斜时，通过调整2偏心环偏心位移之间的夹角，使其相对位置发生改变，由于内偏心环中心孔的轴线与旋转外套的轴线之间产生夹角，而导向轴的上端配合于内偏心环的内孔中，所以导向轴产生摆角。当摆动角度和方位达到设计要求时，控制机构调整2偏心环的位置相对大地保持静止，可控弯接头按照新的造斜率和方位进行钻进。

将导向轴的偏摆简化为杠杆与支点的撬动模型，已知偏心环到导向节支点的长度为L，偏心环所产生的合偏心位移为e(相对于旋转外套的中心线)，弯接头导向轴摆动角度为β，则其摆动如图 6所示。

图 6 可控弯接头摆角与偏心位移关系 Fig.6 The relationship of the controllable bending sub swing angle and eccentric displacement

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在导向钻进时，控制单元是可控弯接头的决策与指挥中心，地面监控系统实时监测实钻井眼轨迹变化，及时对偏离预定轨迹的趋势做出调整，使钻头最终指向目标靶区^[9]。钻井之前，将含有预定井眼轨迹的控制程序存入到可控弯接头的控制元件中。导向钻进时，控制单元将测量所得的实钻井眼轨迹参数同预先存入的设计井眼轨迹参数实时对比，当2部分参数出现偏离趋势时，控制系统开始作用，调节偏心环形成合适的位移矢量，完成井眼造斜率和方位的改变，达到补偿井眼轨迹偏差的目的。同时，控制单元还能够对下行通道传来的地面指令随时做出反应，及时改变钻井参数，使钻井过程可以由地面工程师根据实际监测情况做出及时调整，并钻达目的层，进而增强了可控弯接头的地层适应能力和按照设计井眼轨迹精确钻进的能力。控制单元是偏心环调节的指挥中心，主要控制偏心位移矢量的形成与调整。

如果可控弯接头的钻进趋势符合设计要求，需要保持当前的钻进方向，偏心环组的相对配合位置也需要保持不变，而要满足这2点要求，需要维持控制电机的转速与旋转外套的转速大小相等、方向相反；同时在钻进过程中要利用钻头姿态测量单元实时监测井眼姿态的变化，并将测量结果及时反馈给控制单元，以做出实时调整控制^[10]。如果可控弯接头的钻进趋势不符合井眼轨迹设计要求，就要对钻头偏置方向和偏角的大小做出调整，从根本上讲，控制系统调整的是偏心环组的偏心位移矢量。此时，应使控制电机的转速与旋转外套的转速大小不等，改变偏心环组之间的配合位置，当达到目标配合矢量位移时，再使控制电机的转速与旋转外套的转速大小相等，重新回到偏心位移保持状态，钻头继续钻进。

由以上分析可知，为了钻出与设计井眼轨迹相当的井眼，需要适时地调整可控弯接头的造斜率，而要改变其造斜率就需改变其偏心位移矢量。因此，应用可控弯接头系统的核心之处就是如何控制其偏心位移矢量。可控弯接头偏心位移矢量的形成是实现偏心环定位控制的基础。同时，控制系统的精度及可靠性也直接关系弯接头工作时的稳定性和可靠性，决定着钻井过程中系统的自我调节能力和自适应特性。

(1)阐述了新型全旋转动态指向式旋转导向钻井系统的组成和控制机理，其机械机构和控制系统结构简单，导向控制的实时性和响应快速性较好，将井下闭环和地面闭环相结合，实现旋转钻进过程中连续井斜和方位的调整，节省了频繁起下钻时间。

(2)可控弯接头的偏心机构由内、外2个偏心环组成，提出了利用内、外偏心和矢量进行轨迹控制的方法以及控制系统的组成框图。

(3)可控弯接头偏心机构通过控制外偏心环伺服电机来驱动，可实现导向轴的摆动，具有较好的导向性能，能够保证可控弯接头实现导向钻进。