垂直钻井技术201308

垂直钻井技术孙明光一、概述二、垂直钻井工具三、垂直钻井工具应用内容据统计，世界范围内直井钻井数量占总钻井数量的60%。随着勘探开发领域的不断扩大，高陡构造、大倾角地层的勘探开发工作量越来越大，防斜打直问题越来越突出。钻井工程中的防斜打快一直是一个复杂问题。一、概述1、井斜产生的原因1）地质因素地质因素是造成井斜的原因。受构造运动、化学地质影响，地层裂隙发育，并且地层有一定的倾角，虽然不是很大，但足以造成井斜超标。以上原因极易造成井底钻进时的不均匀破碎，在井底形成斜台阶，它对钻头产生一个横向力，把钻头推向地层的上倾方向，从而引起井斜。一、概述2）工程技术因素因地层破碎，井径变化较大，在大井径位置，钻头接触井底的位置不定，从而造成井斜。另外，因井径的变大，钻铤外径相对减小，底部钻具容易产生弯曲，使钻压改变了方向，也容易造成井斜。1、井斜产生的原因一、概述可以说，打直是比打斜更难的技术挑战被动式防斜打快技术措施包括：塔式钻具、钟摆钻具、强刚性钻具、偏轴钻具、单弯螺杆复合钻进等钻具组合。在地层造斜力不大的情况下，利用塔式、钟摆等防斜钻具组合，采用随钻测斜并及时调整参数，能高效钻进，并有效控制井斜。在地层造斜力较大的情况下，无论采用哪种防斜钻具组合只能稳住一定的井斜，但降斜效果不佳。如果缺少有效的监测手段，技术或工具失效后，井斜就不能有效控制，造成井眼质量问题，引起磨套管、断钻具等井下复杂情况或井下事故。一、概述2、被动式防斜措施3、垂直钻井系统一、概述3、垂直钻井系统一、概述二、垂直钻井工具自动垂直钻井系统是一种带有井下闭环控制系统、可实现井下主动纠斜、保持井眼垂直、具有极高技术含量的机、电、液一体化的钻井工具，适合于山前高陡构造和逆掩推覆体等易斜地层的垂直钻进。二、垂直钻井工具经过近二十多年的不断发展，已形成多种形式的垂直钻井系统：工作方式：旋转纠斜型，滑动纠斜型工具外套是否旋转：静止外套式，旋转外套式纠斜方式：钻头推靠式，钻头指向式系统结构：机械式，机液一体化式，机电液一体化式1、垂直钻井工具现状二、垂直钻井工具1、垂直钻井工具现状斯伦贝谢的Power-V贝克休斯Verti-Trak国外国内中石油钻井院CGVDS胜利钻井院SL-AVDS渤海钻探工程院BH-VDT哈里伯顿V-Pilot2、垂直钻井工具结构及特点二、垂直钻井工具贝克休斯VertiTrak斯伦贝谢Power-V哈里伯顿V-Pilot中石化胜利钻井院SL-AVDS中石油钻井院CGVDS中石油渤海钻探BH-VDT5000（1）贝克休斯VertiTrackVertiTrak是贝克休斯最先进的垂直钻井系统，它综合了AutoTrak（闭环旋转导向系统）、高性能X-Treme马达、可靠的MWD三种技术开发出来的一种闭环自动垂直钻井系统。其本体相对地层静止，通过钻头推靠方式进行纠斜，属于机电液一体化式自动垂直钻井系统。二、垂直钻井工具1）VertiTrak垂直钻井构成二、垂直钻井工具1）VertiTrak垂直钻井构成二、垂直钻井工具•井下闭环提供连续的轨迹修正•近钻头井斜传感器•大功率高效动力节提高机械钻速•具有在不影响钻井参数的情况下保持井眼垂直的能力•一体化的设备包括:–井斜–导向–动力节•双模式:–滑动–旋转划眼PulserHydraulicsAlternatorInclinometer/ElectornicsControlSubMotorSectionDriveTrain&SteeringSectionSteeringRibs2）VertiTrak垂直钻井工作原理二、垂直钻井工具可以钻出象枪管一样笔直的井眼。钻进时当MWD重力传感器（距离钻头10米）检测到有井斜趋势时，即可启动液压部件，通过一至两个肋板向井壁施加3顿的作用力以对抗这一趋势，同时MWD传送实时井斜数据到地面系统以方便跟踪和监测。当井眼完全垂直时，三个肋板全部伸出，并对井壁施加相同的力，将钻头居中，保持井眼按垂直方向钻进。这一过程自动完成，不需要任何人为干预。Azimuth280°2）VertiTrak垂直钻井工作原理二、垂直钻井工具–高推力(每片3吨)–可靠的类似于AutoTrak旋转导向技术–模块化设计–可靠的独立液压驱动–提供不受钻井参数和地层特性影响的连续井斜控制①3个可伸缩导向肋条2）VertiTrak垂直钻井工作原理二、垂直钻井工具•强大的功率和扭矩输出–比常规泥浆马达高60%•更高的效率•独有的予成型定子技术•降低了90%的橡胶用量–更低的磨阻–更小的变形寿命更长,使用次数更多②X-treme动力节ElastomerSteel2）VertiTrak垂直钻井工作原理二、垂直钻井工具③MWD控制系统–精确的井斜测量(0.01°)–涡轮发电机–液压泵对每个导向垫产生导向压力④传感器–井斜/工具面(X,Y)–温度–工具状态(滑动,旋转)–交流电压–与地面的双向通讯闭环系统通过对井眼轨迹的连续修正保持井眼垂直并使钻井效率最大3）VertiTrak优缺点二、垂直钻井工具直接效益：高质量井眼提高钻速减少划眼降低扭矩和摩阻减少水泥用量减少钻头用量减少起下钻次数间接效益：减少钻具磨损和套管磨损降低作业风险降低燃料消耗降低泥浆费用易于电测下套管顺利减少套管层次提前投产3）VertiTrak优缺点二、垂直钻井工具4）VertiTrak工作参数(121/4”-14¾”井眼)二、垂直钻井工具5）VertiTrak垂直工具实例二、垂直钻井工具应用证明5）VertiTrak垂直工具工作示意图二、垂直钻井工具应用证明比常规方式节约28天，并给后续作业提供了光滑垂直井眼（2）斯伦贝谢PowerV二、垂直钻井工具PowerV旋转垂直钻井系统是Schlumberger公司研发生产的，其最大特点是在旋转钻进方式下，通过地面控制实现井身轨迹的连续控制。该工具主要由控制机构和转向机构组成，控制平台由旋转的闸片调整位置，控制信号传给转向机构(高边)，由液压驱动3片支撑座，定向机构与钻头同转速转动，且施钻头侧向力（低边），从而达到控制井眼轨迹的目的。1）PowerV的构成二、垂直钻井工具BiasUnitSteeringActuatorPad涡轮涡轮ControlUnit各种传感器及电子控制板上/下转子、上/下扭矩仪、陀螺、传感器模块组、通讯控制模块组、存储器控制引鞋、发射天线等三个推力扳及活塞、控制阀、控制轴、泥浆分流器、泥浆导向器、机械偏置单元－BU二、垂直钻井工具推力扳-伸/缩示意图Pad开Pad关1）PowerV的构成二、垂直钻井工具1）PowerV的构成导向控制阀DiskValve控制轴二、垂直钻井工具1）PowerV的构成二、垂直钻井工具1）PowerV的构成电子控制单元－CU二、垂直钻井工具1）PowerV的构成导向控制图•81个命令•可编辑•存储在CU内•通过排量可改变设置2）PowerV的工作原理二、垂直钻井工具2）PowerV的工作原理二、垂直钻井工具推力扳Pad伸出推顶上井壁从而使钻头产生一个指向下井壁的侧向力扶正器支点3）PowerV的产品规格及参数二、垂直钻井工具03）PowerV的产品规格及参数二、垂直钻井工具二、垂直钻井工具4）PowerV的优缺点优点二、垂直钻井工具二、垂直钻井工具该系统完全没有采用电子元件，但可敏感0.18的井斜。其本体相对地层静止，通过钻头推靠方式进行纠斜，属于机液一体化式自动垂直钻井系统。目前还未在中国应用。机械式垂钻（3）哈利伯顿V-Pilot二、垂直钻井工具1）V-Pilot的构成改良马达垂直钻井部分•运输时分上下两部分•下钻时连接起来二、垂直钻井工具1）V-Pilot的构成二、垂直钻井工具1）V-Pilot的构成枢轴总成•低摩擦系数接头•能产生最大的大钟摆侧向力阀门总成•轻载荷激活功能•粘滞阻尼减少震动水锤的效果垫片总成•四个活塞可以产生变化的侧向力•垫片流道孔减少泥浆的滞留•垫片的大小可现场根据井眼的大小调节垫片总成二、垂直钻井工具2）V-Pilot的工作原理二、垂直钻井工具3）V-Pilot垂直钻井系统二、垂直钻井工具3）V-Pilot垂直钻井系统系统性能参数工具系列9600系列常规工具外径Φ244mm井眼直径Φ406.4mm~Φ711.2mm动力钻具外径254mm总长10.4m设计性能8°/30m最大轴向旋转扭矩406.75kN最大钻柱旋转250rpm最大质量流量率9072kg/min通过工具时典型压降（水）1.38MPa@2.12m3井斜控制精度±0.1°最大钻压444.82kN最高工作温度140℃钻井液含砂量＜2%上、下螺纹65/8REG上部连接MWD动力供应锂电池二、垂直钻井工具二、垂直钻井工具无电子仪器，纠斜效果不理想没有其他检测设备，无法获得井下工具的工作状况没有大范围的推广应用V-PilotTM的不足：二、垂直钻井工具（4）中石化胜利钻井院垂直钻井系统SL-AVDS该垂直钻井系统采用动态推靠方式实现钻进过程中的主动防斜、纠斜。其中捷联式稳定平台是系统的核心。二、垂直钻井工具（4）中石化胜利钻井院垂直钻井系统SL-AVDS1）SL-AVDS的构成和工作原理主要是由发电机、基于旋转基座的测控短节、力矩电机和防斜纠斜执行机构等四部分组成。二、垂直钻井工具（4）中石化胜利钻井院垂直钻井系统SL-AVDS1）SL-AVDS的构成和工作原理旋变及电动机二、垂直钻井工具（4）中石化胜利钻井院垂直钻井系统SL-AVDS1）SL-AVDS的构成和工作原理外径：241.3mm/177.8mm井眼尺寸：311.15mm/215.9mm总长：约7m支撑翼块尺寸（未伸出/伸出）：299.72mm/322.58mm；205.74/226.06mm二、垂直钻井工具（4）中石化胜利钻井院垂直钻井系统SL-AVDS1）SL-AVDS的构成主要技术指标：（1）井斜控制精度:1°（2）适用转速:60～200r/min（3）工作压力损耗:1MPa（4）连续工作寿命:80h（5）工作温度:100℃（6）钻井液密度:1.0～2.0g/cm3（7）钻头压降:3.5MPa（8）最大耐压:120MPa二、垂直钻井工具（4）中石化胜利钻井院垂直钻井系统SL-AVDS1）SL-AVDS的构成二、垂直钻井工具（4）中石化胜利钻井院垂直钻井系统SL-AVDS钻具旋转时进行纠斜(不需滑动钻进)－主动防斜！所有部件都旋转–“EverythingRotates”减少摩擦力和阻力(钻压和扭矩传输更有效)降低卡钻风险井眼更平滑(低狗腿度)减少井眼净化问题最大限度提高钻速在钻进时自动感应井斜进行自动化纠斜解放钻压,正常钻进提高钻速可划眼和倒划眼2）SL-AVDS优势二、垂直钻井工具（5）中石油钻井院CGVDS1）CGVDS垂直钻井系统构成CGVDS垂直钻井系统是由中石油钻井院自主研制。工作方式：钻头推靠式属于机电液一体化的垂直钻井系统不旋转套活套主轴测控子系统液控子系统纠斜推力块下接头垂直钻井工具主要由执行单元、控制单元和测量单元组成二、垂直钻井工具（5）中石油钻井院CGVDS2）CGVDS工作原理缸B缸C缸A井壁导向套泵C泵A泵B钻柱ω偏心轴承选用由旋转钻柱提供动力，以钻柱与不旋转套的相对运动推动柱塞泵，形成液压系统高压油源以液压控制方式驱动推力块，可在不停泵的条件下任意调节推力块的伸缩和推力的大小以不旋转套作为坐标基准，井斜偏差作为控制条件，实时控制纠斜力的方向，达到自动垂直钻进的目的纠斜控制原理导向套外圆周上均布三个径向纠斜液压缸A、B、C，在控制器的控制下驱动纠斜液压缸A、B、C产生纠斜力，从而有效控制井眼轨迹二、垂直钻井工具（5）中石油钻井院CGVDS3）CGVDS系统性能参数工具系列CGVDS121/4使用钻头311mm公称外径203mm最大外径298mm总长3.645m重量950kg~1100kg最大工作外径333mm单个调整块的最大推力10kN最小水眼58mm仓体耐压140MPa最高工