旋转导向钻井系统原理简介-(1)

旋转导向钻井系统原理简介石油大学（华东）韩志勇2003.07.10作者郑重声明：本文件属于讲课的讲稿，并非公开发行材料。仅供学习人员学习时参考，不得在撰写论文、报告或编写教材、书籍中引用。导向钻井系统的发展史1933年第一口定向井导向钻井螺杆钻具和弯接头有线导向工具无线随钻测量导向马达旋转导向钻井系统滑动导向钻井：滑动钻进：改变井眼方向；旋转钻进：保持井眼方向；滑动导向钻井的存在问题滑动钻进旋转钻进滑动钻进时的存在问题：1.滑动困难；2.需保持定向；3.井眼不清洁；4.钻速很低；5.井眼扭曲；6.环空压力波动；7.钻柱粘卡；8.屈曲和自锁；9.造斜率对地层敏感；旋转钻进时的存在问题：1.震动造成马达和MWD的破坏；2.钻头磨损加快；3.井眼质量差，不利于测井；4.不能用于空气钻井导向钻井早期的旋转导向钻井思想这是1955年申请专利的旋转导向系统。一个非旋转套筒，指向钻头的一个特定方位。该专利描述其目的是：使钻铤相对井眼轴线有一个很小的偏离，从而使钻头具有横向前进。导向钻井早期的旋转导向钻井思想这是1959年申请专利的旋转导向系统。液压驱动一个靠近钻头的导引鞋，同样控制井眼轨迹。导引鞋处在非旋转筒内，液压控制其伸出或缩回，而无需起下钻。可连续定向造斜。导向钻井•还有其他许多早期的旋转导向钻井工具：–机械作用导向鞋；mechanicallyactivatedguideshoes,eccentric–液压作用导向鞋；hydraulicallyactivatedguideshoes,–偏心非旋转套筒；nonrotatingsleeves,–嵌套的偏心剑套筒；nestedeccentriccamsleeves–间歇作用的桨叶；intermittentlyactivatedpaddles•上述这些工具的原理，都与现代旋转导向系统类似，但没有一个成功地商业化。显然，缺乏有效的井下传感器和控制系统，阻碍了这些技术的发展，因而也没能实现轨迹控制的理想。早期的旋转导向钻井思想导向钻井导向钻井导向马达采用的轨迹控制原理就是“三点定圆”；工具1-3旋转导向工具也是采用三点定圆法控制轨迹，这与导向马达相同。理想情况下，钻头按照三点定圆钻出圆弧轨迹。但要注意，除了几何因素外，还有力学因素。但工具4的原理不是三点定圆。导向钻井第一类旋转导向系统的原理工具1所示的钻头总是指向曲线的外侧。工具1是依靠靠近钻头处的一个或几个翼块控制几何约束力，翼块独立伸出给井壁一个支撑力。翼块可以从一个非旋转筒内半静态地伸出，例如BakerHughesInteqAutoTrak系统。或者是从旋转筒内动态地伸出，例如Camco公司的SteerableRotaryDrilling(SRD)系统。曲率大小取决于工具结构，和来自组合上部的弯矩，还有翼块伸出的弯矩。翼块的伸出，直接或间接地受到受限于设计的可调节的力的控制。轨迹控制取决于翼块的有效伸出，井眼直径，钻头侧切能力等。一般来说，这类工具的造斜率小于导向马达。扶正器翼块钻头导向钻井第二类旋转导向系统的原理工具2所示，钻头也总是指向曲线的外侧。但比情况1的度数要小。工具2，例如Halliburton公司的Geo-Pilot系统，Cambridge的AGS系统，是一个变形的连续旋转的驱动轴处在一个非旋转套筒内。在套筒的中部，有一对偏心环，迫使驱动轴偏心变形，导致钻头轴线倾斜，形成三点定圆趋势。钻头的轨迹由三点几何确定，而钻头轴线趋向于和井眼轴线相一致。扶正器非旋转套筒钻头旋转轴导向钻井第三类旋转导向系统的原理工具3是另一种工具，由于钻头轴的上端反时针转动，同时钻柱顺时针转动，(DirectionalDrillingDynamicsCo.)使得钻头轴线相对于井眼方向有一个“翘起”的位置。这种系统可提供较高度数的钻头倾角，而不需要非旋转套筒接触井壁，而且可以使钻头轴线与井眼轴线一致。这种工具由于商业原因而出在上述两种之后。扶正器非旋转套筒钻头钻头轴导向钻井旋转导向系统的“三巨头”1.Halliburton’srotarysteerabledrillingsystem,dubbedGeo-Pilot。由SperrySun和JapanNationalOilCorporation联合设计。指引钻头原理(Pointthebit)。在北海进行裸眼侧钻，从两个主井眼中侧钻出6个分支水平井。在第二口的四分支水平井中，垂深误差在±1英尺之内。2.BakerHughes’AutoTrackRotaryClosedLoop。由BakerHughes和ENI-AGIPS.p.A.联合开发的。侧推钻头原理(Pushthebit)。在北海的一个井眼钻进中，钻进了4383英尺，垂深误差在±8英寸之内。3.Schlumberger的rotarysteerablesystemcalledthePowerDrive*475。测推钻头原理(Pushthebit)。突出特点是钻速快，大大节约钻井成本。目前几口最大水平位移的大位移井，都是用他钻成的。目前市场上比较成熟的旋转导向钻井系统有三种：PowerDrive•完全的旋转导向系统：–整个钻柱，从上到下，全部都在旋转，没有静止的部分；–但在下部控制总成内部，有不旋转的部分；PowerDrive•完全的旋转导向系统：–整个钻柱，从上到下，全部都在旋转，没有静止的部分；–但在下部控制总成内部，有不旋转的部分；PowerDrive•结构：–下部偏置部分：在旋转过程中始终给钻头一个侧向力；–中部控制部分：始终控制侧向力的方向；–上部MWD部分：测量信息及传输；•关键是控制总成内的不转动的部分，具有一个称作“惯性平台”的部分，实际上是由井下计算机控制的“电子液压伺服系统”，可以保证控制轴不受整个钻柱转动的影响。控制轴可以给定偏置部分一个轨迹控制所需要的导向方位角。PowerDrive•钻头侧向力的产生原理–控制轴和上盘，是由惯性平台控制的独立部分。上盘的水眼方位，就是给钻头侧向力的方位。该方位确定后，不管钻柱如何转动，上盘都不转动。–下盘与偏置机构以及钻头相连接，随钻柱转动而转动。–只有上下盘水眼相通时，才能有泥浆流过，并推动支撑块伸出，给井壁一作用力，同时给钻头一反方向的作用力。PowerDrive二.大位移井的轨迹控制技术•总运行情况：–井数：47口；–下井次数：138次；–工作时间：11610小时；–总进尺：47780米；–最大井深：11278米；–最大井眼曲率：11°/30米；–最长一次进尺：1389米；–最长一次下井时间：163小时•基本数据：–长度：4.9米；–排量：500～1000gpm–转速：40～220rpm–压降：〈100psi–最小钻头压降：500psi–最高温度：120°C–泥浆密度：7.5～20ppg–数据传输：通过MWD二.大位移井的轨迹控制技术•PowerDrive的优越性–工具简单，不增加地面设备；–工具的压降低，小于100psi（约0.7MPa）；–与实时的SchlumbergerMWD,LWD,APWD配合；–传输高速，适合快速钻井；–接受和发送数据同时进行；–与井眼没有静止的接触部分•井眼清洁好；•卡钻的风险小；•标准的钻井作业；AUTO-TRACK非旋转套依靠反向电机驱动，使之相对于井眼不旋转，保持侧推钻头的力的方向不变。非旋转套并非绝对不旋转，但工具自己可以测得非旋转套筒的旋转，并随时调整三个“翼块”给出的侧推力的方向。AUTO-TRACK关键部分：非旋转套整个钻柱在旋转，如何保证非旋转套不旋转？非旋转套的内部，装有井下计算机、井斜传感器、液压控制、支撑块机构等部分；AUTO-TRACK•两个环：–井下控制闭环：按照给定的轨道钻进，或按照地质导向钻进；–井下与地面的双向传输；低边改变井下钻井模式。“指引钻头”式旋转导向钻井系统外壳顺时针方向转动马达反时针方向转动,转速与外壳转速相等Offset当外壳带动钻头旋转时，马达带动偏离节反向旋转，从而保持钻头的偏离方向不变，钻出预定的曲线形井眼。“指引钻头”式旋转导向钻井系统“侧推钻头”式旋转导向钻井系统Biasthebit导向钻井第四类旋转导向系统的原理工具4的轨迹控制并不是三点定圆几何理论，而是由钻头方向独立确定的。钻头设计成侧切能力很小，并有一个柔性联结，该柔性联结把钻头与钻柱的弯矩隔开。这种轨迹控制机理可以在小井眼内提供比其他机理更高的造斜率。钻柱柔性铰接钻头钻头轴第四类旋转导向系统的原理RRcos)(21dD令：二式联立，可得：RLsin222LR则：指引钻头式系统的井眼曲率计算：一种新的短半径旋转钻井系统全机械式，无井下马达，无电子系统，可精确地钻出9～18米曲率半径的短半径水平井。弯曲段钻进需要8～24小时，垂深误差在±60cm以内。钻弯曲段组合结构如图所示，包括：Amoco专利的抗涡动的偏心PDC钻头，钻头短节，信息环，非旋转的偏心柔性套筒，下扭矩壳，球销，上扭矩壳。造斜原理是：钻头总是指向井眼曲率的切线方向，即“指引钻头”（pointingthebit）原理。两个接触点，一个在钻头上，一个在柔性套筒的“耐磨板(WearPad)”上，两点控制着钻头的倾角。钻头短节可以调节两点之间的距离，从而控制井眼曲率。柔性套筒刀翼柔性套筒信息口旋转主轴插销插销洞一种新的短半径旋转钻井系统•当心轴反时针转动时，心轴和柔性套筒在某个位置就可以“锁住”。心轴和柔性套筒上各有一个“泥浆口”，当心轴与套筒锁住之后，两个泥浆口将互相连通，泥浆循环压力将会下降一个值，泥浆循环时将没有脉冲信号。此时心轴可以带动柔性套筒反时针旋转，从而调节工具面。柔性套筒起到导向的作用。•工具面调节好之后，只要顺时针旋转，插销就会从插销洞中脱出来，使心轴和套筒“解锁”，同时刀翼又会吃住井壁，柔性套筒将不旋转，保持工具面不变。在解锁状态下，心轴每旋转一周，两个泥浆口将会相通一次，从而发出一个泥浆脉冲，地面上可以接收到这个脉冲，从而可以监视工具面是否发生变化。一种新的短半径旋转钻井系统1.保持工具面不变，可精确钻出斜面圆弧井眼。2.没有井下动力钻具，不存在反扭角的问题。3.不需要MWD监测，定向后地面上就有“标记”。4.具有旋转钻进的优越性，克服滑动钻进的缺点。5.水平段采用旋转钻进的“满眼组合”。•侧钻前，需要磨洗套管8米左右，然后打水泥塞，再钻导眼，然后准确地从造斜点开始侧钻。•在柔性套筒上部安置定向接头，内置定向键；正常下钻。•采用常规的“muleshoe”定向。定向仪器的下入，必要时也要采用泵冲法。•第一次摆正工具面角之后，在井口以上的钻柱母线上做标记。•当钻柱顺时针旋转时，套筒卡在井壁上不旋转，给出的工具面角也不会变化。•当需要向下移动套筒时，只要反时针转动钻柱，就可带动套筒，并按照井口钻柱上的标记线再次摆正工具面。闭环钻井旋转导向闭环钻井系统1.德国用于超深井防斜的垂直钻井系统VDS(VerticalDrillingSystem)2.美国能源部提出的自动钻井系统ADD(AutomaticDirectionalDrilling)3.CambridgeRadiationTechnologyLtd.公司的自动导向系统AGS(AutomatedGuidanceSystem)4.英国CAMCO公司推出的旋转导向钻井系统SRD(SteerableRotaryDrilling)5.BakeHughes公司的旋转导向钻井系统RCLS(RotaryClosedLoopSystem)，商品名称AutoTrack。旋转导向钻井系统的应用及前景韩志勇石油大学石油工程学院2003/10/10旋转导向系统的优点•大大增强轨迹控制能力：–地面与井下双向传输，改变井下钻进模式；–几何导向和地质导向，都可连续旋转钻进；–不存在反扭角问题，可精确中靶；•提高钻速，缩短周期，降低成本：–不存在滑动钻进加不上钻压问题；–旋转钻进速度快；•井眼光滑无波动：–井眼光滑，则摩阻摩扭很小；–井眼光滑则起下钻通畅；–下套管，固井，完井都很顺利；讲旋转导向系统的优点•旋转钻进与滑动