旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)簡介課件

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)介紹姚振華2007年6月旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井1內(nèi)容概述國際上已經(jīng)投入使用的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)在渤海油田使用的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)介紹旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向方式的分類旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)的應(yīng)用內(nèi)容2

迄今為止，定向鉆井技術(shù)經(jīng)歷了三個里程碑：利用造斜器(斜向器)定向鉆井；利用井下馬達(dá)配合彎接頭定向鉆井；利用導(dǎo)向馬達(dá)(彎殼體井下馬達(dá))定向鉆井。這三種定向鉆井工具的廣泛使用，促進(jìn)了定向鉆井技術(shù)的快速發(fā)展，使得今天人們能夠應(yīng)用斜井、叢式井、水平井、水平分支井技術(shù)開發(fā)油田。隨著石油工業(yè)的發(fā)展，為了獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益，需要鉆深井、超深井、大位移井和長距離水平井，而且常常要在更復(fù)雜的地層如高陡構(gòu)造帶鉆井。這些都對定向鉆井工具提出了更高的要求。為了克服滑動導(dǎo)向技術(shù)的不足，從20世紀(jì)80年代后期，國際上開始研究旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)，到20世紀(jì)90年代初期多家公司形成了商業(yè)化技術(shù)。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一個井下閉環(huán)變徑穩(wěn)定器與測量傳輸儀器（MWD/LWD）聯(lián)合組成的工具系統(tǒng)。它完全拋開了滑動導(dǎo)向方式，而以旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)方式，自動、靈活地調(diào)整井斜和方位，大大提高了鉆井速度和鉆井安全性，軌跡控制精度也非常高，非常適合目前開發(fā)特殊油藏的超深井、高難度定向井、水平井、大位移井、水平分支井等特殊工藝井導(dǎo)向鉆井的需要。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)概述迄今為止，定向鉆井技術(shù)經(jīng)歷了三個里程碑：利用3

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的特點(diǎn)是：·在鉆柱旋轉(zhuǎn)的情況下，具有導(dǎo)向能力；·如果需要，可以與井下馬達(dá)一起使用；·配有全系列標(biāo)準(zhǔn)的地層參數(shù)及鉆井參數(shù)檢測儀器；·配有地面—井下雙向通訊系統(tǒng)，可根據(jù)井下傳來的數(shù)據(jù)，在不起鉆的情況下從地面發(fā)出指令改變井眼軌跡；·工具設(shè)計(jì)制造模塊化、集成化；·可以在150o以上的高溫井中使用；·定向鉆井時不需要特殊的鉆井參數(shù)，就可以保證最優(yōu)的鉆井過程；·導(dǎo)向自動控制，以保證準(zhǔn)確光滑的井眼軌跡。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)概述旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的特點(diǎn)是：旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)概述4

美國SchlumbergerAnadrill公司的R．L．Monti在1987年世界石油大會上宣讀的“OptimizedDrilling-Closingtheloop”論文中，對自動化閉環(huán)優(yōu)化鉆井技術(shù)第一次做了系統(tǒng)的闡述。目前，世界上已有幾家大石油公司形成了商業(yè)化應(yīng)用技術(shù)：1、VDS自動垂直鉆井系統(tǒng)：90年代初德國KTB項(xiàng)目組與EastManTeleo公司聯(lián)合開發(fā)研制。2、SDD自動直井鉆井系統(tǒng)：AGIP公司與BakerHughesInteq公司合作在VDS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)研制。3、ADD自動定向鉆井系統(tǒng)：1991年美國能源部資助研制，目前已達(dá)到商業(yè)應(yīng)用階段。4、AGS和Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向自動鉆井系統(tǒng)：Sperry-sun公司1993年研制了AGS；1999年又推出新一代的Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向自動鉆井系統(tǒng)，該系統(tǒng)的性能已達(dá)到90年代末世界先進(jìn)的RCLS和SRD系統(tǒng)水平。國際上已經(jīng)投入使用的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)國際上已經(jīng)投入使用的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)55、RCLS旋轉(zhuǎn)閉環(huán)自動鉆井系統(tǒng)：1993年AGIP公司與BakerHughesInteq公司合作，經(jīng)過3年的研制，于1996年在4口井中試驗(yàn)獲得了成功。1997年，RCLS系統(tǒng)注冊為AutoTrak，正式推向市場。截至2002年7月累積鉆進(jìn)進(jìn)尺超過1.609×106m。其63/4“系統(tǒng)創(chuàng)下了單次下井工作時間92h，進(jìn)尺2986m的世界紀(jì)錄，81/4”系統(tǒng)創(chuàng)下了單次下井工作時間167h，進(jìn)尺3620m的世界紀(jì)錄。2、SDD自動直井鉆井系統(tǒng)：AGIP公司與BakerHughesInteq公司合作在VDS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)研制。6、SRD全旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向自動鉆井系統(tǒng)：1994年英國Camco公司在英格蘭Montrose地區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場井下試驗(yàn)，獲得了極大成功。該系統(tǒng)第一次被世界石油界認(rèn)可，是其1997年在世界上第一口水平位移超過10000m的WytchFarm油田M-11井的成功應(yīng)用。1999年5月，Camco公司與Schlumberger公司的Anadrill公司合并，其SRD系統(tǒng)注冊為PowerDrive。截至1999年底，該系統(tǒng)已下井138次，累計(jì)工作時間11610h，總進(jìn)尺47780m。目前，世界上3口位移超過10000m的大位移井中，有2口應(yīng)用了該系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)簡介課件6

2000年，Schlumberger的PowerDriveSRD系統(tǒng)引入中國境內(nèi)應(yīng)用，在設(shè)計(jì)井深8800m、水平位移超過7500m的南海西江油田XJ24—3—A18井6871—8610m井段中成功應(yīng)用，大大提高了井身質(zhì)量，避免了6871m以上井段用滑動鉆井方式多次出現(xiàn)的斷馬達(dá)等井下復(fù)雜事故，大大提高了鉆井效率和效益。盡管該工具的日租金高達(dá)數(shù)萬美元，仍直接節(jié)約了500萬美元的鉆井作業(yè)費(fèi)用；而油田開發(fā)和后續(xù)完井、采油作業(yè)帶來的間接經(jīng)濟(jì)效益更遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了直接經(jīng)濟(jì)效益。國際上已經(jīng)投入使用的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)(續(xù))國際上已經(jīng)投入使用的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)7

目前，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)形成了兩大發(fā)展方向：一個是以BakerHughesInteq公司的AutoTrakRClS系統(tǒng)為代表的不旋轉(zhuǎn)外筒式閉環(huán)自動導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，它以其精確的軌跡控制精度和完善的地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)為特點(diǎn)，非常適用于開發(fā)難度高的特殊油藏的導(dǎo)向鉆井作業(yè)；HulliboIton公司的Geo—Pi1ot系統(tǒng)也屬于這一類導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)；另外一個是以SchlumbergerAnadri11公司的PowerDriverSRD系統(tǒng)為代表的全旋轉(zhuǎn)自動導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，它以其同樣精確的軌跡控制精度和特有的位移延伸鉆井能力為特點(diǎn)，非常適用于超深、邊緣油藏的開發(fā)方案中的深井、大位移井的導(dǎo)向鉆井作業(yè)。下面對AutoTrakRClS系統(tǒng)、PowerDriverSRD系統(tǒng)和Geo-Pilot系統(tǒng)做簡要介紹。目前，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)形成了兩大發(fā)展方8㈠、AutoTrak旋轉(zhuǎn)閉環(huán)鉆井系統(tǒng)

1、系統(tǒng)組成:AutoTrak是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的代表產(chǎn)品，它是基于推靠鉆頭的偏置原理來導(dǎo)向的，其可變徑穩(wěn)定器的伸縮塊裝在不旋轉(zhuǎn)套筒上，AutoTrak旋轉(zhuǎn)閉環(huán)鉆井系統(tǒng)由地面與井下的雙向通訊系統(tǒng)(地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)、解碼系統(tǒng)及鉆井液脈沖信號發(fā)生裝置)、導(dǎo)向系統(tǒng)(AutoTrak工具)和LWD(隨鉆測井)組成（圖l）。㈠、AutoTrak旋轉(zhuǎn)閉環(huán)鉆井系統(tǒng)1、系統(tǒng)組成:Aut9㈠、AutoTrak旋轉(zhuǎn)閉環(huán)鉆井系統(tǒng)井下偏置導(dǎo)向工具導(dǎo)向原理示意圖

㈠、AutoTrak旋轉(zhuǎn)閉環(huán)鉆井系統(tǒng)井下偏置導(dǎo)向工具導(dǎo)向原理10㈠、AutoTrak旋轉(zhuǎn)閉環(huán)鉆井系統(tǒng)㈠、AutoTrak旋轉(zhuǎn)閉環(huán)鉆井系統(tǒng)11㈠、AutoTrak旋轉(zhuǎn)閉環(huán)鉆井系統(tǒng)2、工作原理:AutoTrakRClS系統(tǒng)的井下偏置導(dǎo)向工具由不旋轉(zhuǎn)外套和旋轉(zhuǎn)心軸兩大部分通過上下軸承連接形成一可相對轉(zhuǎn)動的結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)心軸上接鉆柱，下接鉆頭，起傳遞鉆壓、扭矩和輸送鉆井液的作用。不旋轉(zhuǎn)外套上設(shè)置有井下CPU、控制部分和支撐翼肋（右圖）。圖2AutoTrakRCLS結(jié)構(gòu)示意圖㈠、AutoTrak旋轉(zhuǎn)閉環(huán)鉆井系統(tǒng)2、工作原理:Auto12㈠、AutoTrak旋轉(zhuǎn)閉環(huán)鉆井系統(tǒng)

導(dǎo)向工具的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有一不旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向套，中軸從導(dǎo)向套中間穿過與鉆頭連接，帶動鉆頭隨鉆柱一起旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)向套與中軸通過軸承連接。當(dāng)周向均布的三個支撐冀肋分別以不同液壓力支撐于井壁時，將使不旋轉(zhuǎn)外套不隨鉆柱旋轉(zhuǎn)，同時，井壁的反作用力將對井下偏置導(dǎo)向工具產(chǎn)生一個偏置合力。通過控制三個支撐翼肋的支出液壓力的大小，可控制偏置力的大小和方向，以控制導(dǎo)向鉆井。液壓力的大小由井下CPU控制井下控制系統(tǒng)來調(diào)整。井下CPU在下井前，預(yù)置了井眼軌跡數(shù)據(jù)。井下工作時，可將MWD測量的井眼軌跡信息或LWD測量的地層信息與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，自動控制液壓力，也可根據(jù)接收到的地面指令調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，控制液壓力，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向鉆進(jìn)。導(dǎo)向套內(nèi)還有各種傳感器，可測量井斜角、方位角及工具的工作狀態(tài)。(右圖是:井下偏置導(dǎo)向工具的導(dǎo)向原理示意圖)㈠、AutoTrak旋轉(zhuǎn)閉環(huán)鉆井系統(tǒng)導(dǎo)向工具的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有一131、系統(tǒng)的組成及工作原理PowerDrive屬調(diào)制式全旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的典型代表產(chǎn)品，它也是利用推靠鉆頭的偏置原理來導(dǎo)向。該系統(tǒng)由井下旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具、MWD隨鉆測量系統(tǒng)、地面井下雙向信息通訊系統(tǒng)和地面計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成(見右圖)。PowerDriverSRD系統(tǒng)由控制部分穩(wěn)定平臺和翼肋支出及控制機(jī)構(gòu)組成?？刂撇糠址€(wěn)定平臺內(nèi)部包括測量傳感器、井下CPU和控制電路，通過上下軸承懸掛于外簡內(nèi)，靠控制兩端的渦輪在鉆井液中的轉(zhuǎn)速使該部分形成一個不隨鉆柱旋轉(zhuǎn)的、相對穩(wěn)定的控制平臺。㈡PowerDrive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)圖5PowerDrive系統(tǒng)主要組成部分PowerDrive系統(tǒng)主要組成部分

1、系統(tǒng)的組成及工作原理㈡PowerDrive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井14與AutoTrakRClS系統(tǒng)靠獨(dú)立的液壓系統(tǒng)為支撐翼肋的支出提供動力來源不同的是，PowerDrIverSRD系統(tǒng)的支撐翼肋的支出動力來源是鉆井過程中自然存在的鉆柱內(nèi)外的鉆井液壓差。如圖6所示，有一控制軸從控制部分穩(wěn)定平臺延伸到下部的翼肋支出控制機(jī)構(gòu)，底端固定上盤閥，由控制部分穩(wěn)定平臺控制上盤閥的轉(zhuǎn)角。下盤閥固定于井下偏置工具內(nèi)部，隨鉆柱一起轉(zhuǎn)動，其上的液壓孔分別與翼肋支撐液壓腔相通。在井下工作時，由控制部分穩(wěn)定平臺控制上盤閥的相對穩(wěn)定性；隨鉆柱一起旋轉(zhuǎn)的下盤閥上的液壓孔將依次與上盤閥上的高壓孔接通，使鉆柱內(nèi)部的高壓鉆井液通過該臨時接通的液壓通道進(jìn)入相關(guān)的翼肋支撐液壓腔，在鉆柱內(nèi)外鉆井液壓差的作用下，將翼肋支出。這樣，隨著鉆柱的旋轉(zhuǎn)，每個支撐翼肋都將在設(shè)計(jì)位置支出，從而為鉆頭提供一個側(cè)向力，產(chǎn)生導(dǎo)向作用。㈡PowerDrive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)圖6PowerDrive盤閥控制機(jī)構(gòu)示意圖PowerDrive盤閥控制機(jī)構(gòu)示意圖

與AutoTrakRClS系統(tǒng)靠獨(dú)立的液壓系統(tǒng)為支撐翼肋15

㈡PowerDrive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)它的導(dǎo)向力大小由液壓機(jī)構(gòu)所在井深的鉆柱內(nèi)外壓差決定?？刂茖?dǎo)向塊在某個方向上的伸出時間可調(diào)整井眼曲率，最大造斜率可達(dá)8o／30m。PowerDrive工具把旋轉(zhuǎn)鉆井條件下測得的井斜角、方位角和工具面角等數(shù)據(jù)上傳到地面，地面計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)實(shí)鉆井眼與設(shè)計(jì)井眼的相對位置來產(chǎn)生改變工具面角等參數(shù)的下傳指令，經(jīng)鉆井液同步傳輸?shù)骄聝x器，微處理器對鉆井液脈沖信號加以識別，與儲存在儀器里的指令對比解釋后，由井下旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具執(zhí)行指令，從而實(shí)現(xiàn)鉆柱旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的三維全導(dǎo)向。㈡PowerDrive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)162、井下定向控制單元PowerDrive工具屬調(diào)制式全旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，該類工具的控制器、測量傳感器都密封在穩(wěn)定平臺內(nèi)。三軸力反饋加速度計(jì)和磁通門傳感器可提供鉆頭傾斜角和方位角以及輸入軸傾角位置信息；與控制器經(jīng)信號連接器接收的地面下行的井眼軌跡調(diào)控指令要求方向進(jìn)行比較，推導(dǎo)出渦輪發(fā)電機(jī)負(fù)載電流大小和通電時間。通過調(diào)節(jié)電流改變渦輪發(fā)電機(jī)繞組回路阻抗，以使攜帶高強(qiáng)度永磁鐵的渦輪葉片與穩(wěn)定平臺內(nèi)的扭矩線圈鍋臺產(chǎn)生不同的電磁轉(zhuǎn)矩和加速度，進(jìn)而使旋轉(zhuǎn)換向閥保持一個相對于井壁的固定轉(zhuǎn)角，即工具面角，實(shí)現(xiàn)控制軸在受控狀態(tài)下的運(yùn)動狀態(tài)改變?？刂茊卧倪\(yùn)動由地面軟件指令進(jìn)行控制。在帶井下實(shí)時通訊工具時，該類工具可以通過編程實(shí)現(xiàn)對井斜角和方位角的內(nèi)部自動控制，同時會大大降低信號上傳的要求。㈡PowerDrive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)2、井下定向控制單元㈡PowerDrive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)17調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具定向控制原理圖

圖7調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具定向控制原理調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具定向控制原理圖圖7調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具18PowerDriveSideforceor“pushthebit”toolAvailableSizes–1100*,900,675,475*PowerDriveSideforceor“push19PowerDrive675ControlUnitControlofBiasProvisionofsurveydataPowerDrive675ControlUnitCont20PowerDriveBiasUnitHas3padsdrivenbyhydraulicactuatorsActuatorsapplylateralforcetothebitwhilealwaysrotatingatbitspeedPowerDriveBiasUnitHas3pads21PowerDrive675PadoutPadinPowerDrive675PadoutPadin22PowerDriveBHAConfigurationsPowerDriveBHAConfigurations23⑴整個鉆具組合對井眼沒有靜止點(diǎn)，能減小摩阻、利于井眼清洗、優(yōu)化井身質(zhì)量、減小卡鉆風(fēng)險(xiǎn)；有利于延長位移。⑵內(nèi)部故障診斷和工具維護(hù)指示減小了井下故障發(fā)生的幾率。⑶用連續(xù)的鉆井液脈沖波可同步發(fā)送和接收MWD、LWD等數(shù)據(jù)，一體化的設(shè)計(jì)特色和軟件使其獲得6-12bit/s的數(shù)據(jù)傳輸速度，傳輸質(zhì)量通過提高信噪比得到提高。⑷地面監(jiān)控系統(tǒng)能改善對鉆壓、鉆井泵的控制。通過改變鉆井泵的流量，可改編數(shù)據(jù)傳輸速度，存貯記錄頻率和數(shù)據(jù)幀格式。通過改變數(shù)據(jù)幀，它能隨鉆井和地質(zhì)條件的改變而選擇哪個數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸和哪個數(shù)據(jù)存貯起來。⑸可配套使用特制的PDC鉆頭，大幅度提高機(jī)械鉆速。與GST(地質(zhì)導(dǎo)向工具)、MWD、LWD等工具組合使用，能測地層密度、孔隙度、雙電阻率和定向參數(shù)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)導(dǎo)向。⑹旋轉(zhuǎn)控制閥在垂直井段隨鉆柱一起旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)向塊產(chǎn)生的導(dǎo)向力也不斷變化，會造成井眼擴(kuò)徑和井下鉆具的橫向沖擊與振動。同時由于活塞伸縮頻繁和液壓控制系統(tǒng)的工作介質(zhì)的影響，工具的耐磨損與密封是關(guān)鍵技術(shù)。PowerDrive系統(tǒng)的特點(diǎn)⑴整個鉆具組合對井眼沒有靜止點(diǎn)，能減小摩阻、利于井眼清洗、24Sperry-Sun公司的Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)也是一種不旋轉(zhuǎn)外筒式導(dǎo)向工具，但與AutoTrakRClS系統(tǒng)和PowerDriverSRD系統(tǒng)不同的是，Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)不是靠偏置鉆頭進(jìn)行導(dǎo)向，而是靠不旋轉(zhuǎn)外筒與旋轉(zhuǎn)心軸之間的一套偏置機(jī)構(gòu)使旋轉(zhuǎn)心軸偏置，從而為鉆頭提供了一個與井眼軸線不一致的傾角，產(chǎn)生導(dǎo)向作用。其偏置機(jī)構(gòu)是一套由幾個可控制的偏心圓環(huán)組合形成的偏心機(jī)構(gòu)，當(dāng)井下自動控制完成組合之后，該機(jī)構(gòu)將相對于不旋轉(zhuǎn)外套固定，從而始終將旋轉(zhuǎn)心軸向固定方向偏置，為鉆頭提供一個方向固定的傾角（如下圖：井下偏置導(dǎo)向工具結(jié)構(gòu)示意圖）。㈢Geo-Pilot系統(tǒng)Sperry-Sun公司的Geo25Geo-Pilot?

SystemGeo-Pilot?

System26Geo-PilotBasicOperatingPrincipleRotatingShaftisdeflectedinCenterbetweenbearingsWithdualeccentriccamsResultsinbittiltinoppositedirectionGeo-PilotBasicOperatingPrin27旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)簡介課件28旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)簡介課件29旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)簡介課件30綜合上述各種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具，從導(dǎo)向方式上可以分為兩類：推靠式(Push-the-bit)和指向式(Point-the-bit)。其中AutoTrack、PowerDrive屬于推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具；Geo-Pilot屬于指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具。四、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向方式的分類圖9推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具導(dǎo)向原理圖圖10指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具導(dǎo)向原理圖推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具導(dǎo)向原理圖

指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具導(dǎo)向原理圖

綜合上述各種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具，從31推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向井下工具中，偏置穩(wěn)定器安放在靠鉆頭位置，其后面串接一個或多個鉆柱穩(wěn)定器，為了減小上部的鉆柱力學(xué)性能對底部鉆具組合導(dǎo)向性能的影響，串接了一根柔性鉆具。在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向過程中，偏置工具的偏心產(chǎn)生的鉆頭側(cè)向力起主要導(dǎo)向作用。這樣導(dǎo)向方式的特點(diǎn)是鉆頭的側(cè)向力大。造斜率高，但旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆出的井眼狗腿大，軌跡波動大，不平滑。指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向井下工具中，偏置穩(wěn)定器安放在兩個穩(wěn)定器之間，為了減小上部的鉆柱力學(xué)性能對底部鉆具組合導(dǎo)向性能的影響，串接了一根柔性鉆具。在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向過程中，偏置工具的偏心導(dǎo)致其上下兩跨鉆柱發(fā)生彎曲，使鉆頭處鉆柱的軸線和井眼軸線之間出現(xiàn)夾角，當(dāng)然也有側(cè)向力，但主要是由于鉆頭的轉(zhuǎn)角而實(shí)現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向。這樣導(dǎo)向方式的特點(diǎn)是鉆頭的側(cè)向力較小，造斜率較低。但旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆出的井眼狗腿小，軌跡平緩。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向方式的分類推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向井下工具中，偏置穩(wěn)定器安放在靠鉆32旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向方式的分類

推靠式和指向式導(dǎo)向方式的對比圖工具類型推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具工具特點(diǎn)⒈造斜率較高；⒉側(cè)向載荷較大；⒊鉆頭和鉆頭軸承的磨損較嚴(yán)重。⒈能鉆出較平滑的井眼；⒉摩阻和扭矩較??；⒊可以使用較大的鉆壓；⒋機(jī)械鉆速較高；⒌有助于發(fā)揮鉆頭的性能；⒍鉆頭及其軸承承受的側(cè)向載荷較??；⒎極限位移增加。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向方式的分類推靠式和指向式導(dǎo)向方式的對比圖工具特點(diǎn)⒈33以Geo-Pilot為例介紹旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的應(yīng)用五、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)的應(yīng)用

2005年，我公司首次與Halliburton公司合作，在渤海的NB35-2油田水平分支井8-1/2〞井眼作業(yè)中，使用該公司的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具和我公司的FELWD測井工具聯(lián)合作業(yè)，取得了預(yù)期的效果。（截止目前，使用該工具共作業(yè)12口井；另外，2006年還有10口水平分支井要使用以上工具聯(lián)合作業(yè)）在該油田水平分支井8-1/2〞井眼作業(yè)中使用的鉆具組合為：8-1/2〞PDCBit(18x2,20x3W/28Restrictor,0.43m)+GP7600TL085(7.07m)+51/16〞FLEXSub(W/DMinside,2.76m)+6-3/4〞FELWD(14.64m)+6-3/4〞HOC(3.07m)+6-3/4〞F/V(0.69m)+5〞HWDPx1+6-3/4〞(F/J&JAR)+5〞HWDPx2+5〞DPx90+5〞HWDPx24+5〞DP

以Geo-Pilot為例介紹旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的應(yīng)用五、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向34

NB35-2油田水平分支井8-1/2"井眼作業(yè)時，軌跡的控制是定向井工作的重中之重。為了控制好軌跡，作業(yè)中我們嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)鉆進(jìn)（如果油層走向同設(shè)計(jì)對比存在少許偏差，那我們嚴(yán)格按照陸地項(xiàng)目組的要求作業(yè)），勤跟蹤、預(yù)測軌跡變化趨勢，增強(qiáng)工作人員責(zé)任心（整個鉆井作業(yè)中，鉆臺至少保持了一名經(jīng)驗(yàn)豐富的定向井工程師指導(dǎo)鉆進(jìn)），確保GP能夠正常工作，同時避免軌跡控制上“大起大落”。根據(jù)已鉆井的作業(yè)情況,我們控制軌跡主要使用以下鉆井參數(shù):（另外，在保護(hù)好油層的條件下，同時確保GP能夠發(fā)揮更好的效果，根據(jù)不同的地層情況,可使用的泥漿性能為：1.地層特別松軟,可鉆性好,機(jī)械鉆速高于120米/小時,其漏斗粘度90~100sec/qt,密度1.16g/cm3;2.可鉆性相對來說較差的地層,其ROP<100米/小時,其漏斗粘度75~85sec/qt,密度1.15g/cm3.)NB35-2油田水平分支井8-1/2"井眼作業(yè)時，軌35增斜鉆進(jìn)：

F/R：950~1000l/min,RPM:40～80,WOB:10~16tTF：0deg,Deflection:100%.

在增斜鉆進(jìn)過程中，使用高鉆壓，低轉(zhuǎn)速，低排量，其目的是為了減少鉆頭對地層的水力沖蝕，增加井眼軌跡的規(guī)則性，確保井眼擴(kuò)大率小，只有這樣，GP才能夠很好地確保側(cè)向力在高鉆壓，低轉(zhuǎn)速時能夠很好的發(fā)揮出來，從而達(dá)到在油層中的增斜效果Geo-Pilot井眼軌跡控制理念增斜鉆進(jìn)：F/R：950~1000l/min,RPM:436降斜鉆進(jìn)：F/R：1500~1700l/min,RPM:120,WOB:0~5tTF：180deg,Deflection:100%.

在降斜鉆進(jìn)過程中，使用低鉆壓，高轉(zhuǎn)速，高排量，其目的充分依靠鉆具自身重力和GP向下的側(cè)向力，達(dá)到降斜效果。Geo-Pilot井眼軌跡控制理念降斜鉆進(jìn)：F/R：1500~1700l/min,RPM:137穩(wěn)斜鉆進(jìn)：F/R：1500~1600l/min,RPM:120,WOB:3~12tTF：0deg,Deflection:100%;

使用以上參數(shù)鉆進(jìn)時，一個是底部鉆具在松軟的地層中有降斜趨勢，另一個是底部鉆具在GP向上的側(cè)向力作用下，有增斜趨勢，兩者矢量上的疊加，能夠較好的起到穩(wěn)斜作用。Geo-Pilot井眼軌跡控制理念穩(wěn)斜鉆進(jìn)：F/R：1500~1600l/min,RPM:138耗時懸空鉆進(jìn)：F/R：1100~1300l/min,RPM:140,WOB:0~2tROP：1~5m/hr

耗時鉆進(jìn)時，使用以上參數(shù)原因有：1.確保該井段井眼軌跡規(guī)則，平滑，通暢，為后面完井作業(yè)打好基礎(chǔ)（如果耗時鉆進(jìn)排量太高，那么井眼擴(kuò)大率肯定較高，這樣不利于主支與分支盡快分離，同時給下篩管留下安全隱患）；2.確保該井段軌跡走向有向下的趨勢，保證篩管能夠順利下到主支里面，而不是分支里面；3.確保所鉆軌跡在較少井段盡快與分支分離。Geo-Pilot井眼軌跡控制理念耗時懸空鉆進(jìn)：F/R：1100~1300l/min,RPM39

在NB35-2油田A平臺所鉆的水平分支井中，其中A7m井共鉆6個分支，一個主支，總計(jì)進(jìn)尺1135.33米，如右圖:實(shí)鉆井眼軌跡投影圖在NB35-2油田A平臺所鉆的水平分支井中，其中A7m井40謝謝！謝謝！41旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)介紹姚振華2007年6月旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井42內(nèi)容概述國際上已經(jīng)投入使用的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)在渤海油田使用的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)介紹旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向方式的分類旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)的應(yīng)用內(nèi)容43

迄今為止，定向鉆井技術(shù)經(jīng)歷了三個里程碑：利用造斜器(斜向器)定向鉆井；利用井下馬達(dá)配合彎接頭定向鉆井；利用導(dǎo)向馬達(dá)(彎殼體井下馬達(dá))定向鉆井。這三種定向鉆井工具的廣泛使用，促進(jìn)了定向鉆井技術(shù)的快速發(fā)展，使得今天人們能夠應(yīng)用斜井、叢式井、水平井、水平分支井技術(shù)開發(fā)油田。隨著石油工業(yè)的發(fā)展，為了獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益，需要鉆深井、超深井、大位移井和長距離水平井，而且常常要在更復(fù)雜的地層如高陡構(gòu)造帶鉆井。這些都對定向鉆井工具提出了更高的要求。為了克服滑動導(dǎo)向技術(shù)的不足，從20世紀(jì)80年代后期，國際上開始研究旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)，到20世紀(jì)90年代初期多家公司形成了商業(yè)化技術(shù)。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一個井下閉環(huán)變徑穩(wěn)定器與測量傳輸儀器（MWD/LWD）聯(lián)合組成的工具系統(tǒng)。它完全拋開了滑動導(dǎo)向方式，而以旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)方式，自動、靈活地調(diào)整井斜和方位，大大提高了鉆井速度和鉆井安全性，軌跡控制精度也非常高，非常適合目前開發(fā)特殊油藏的超深井、高難度定向井、水平井、大位移井、水平分支井等特殊工藝井導(dǎo)向鉆井的需要。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)概述迄今為止，定向鉆井技術(shù)經(jīng)歷了三個里程碑：利用44

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的特點(diǎn)是：·在鉆柱旋轉(zhuǎn)的情況下，具有導(dǎo)向能力；·如果需要，可以與井下馬達(dá)一起使用；·配有全系列標(biāo)準(zhǔn)的地層參數(shù)及鉆井參數(shù)檢測儀器；·配有地面—井下雙向通訊系統(tǒng)，可根據(jù)井下傳來的數(shù)據(jù)，在不起鉆的情況下從地面發(fā)出指令改變井眼軌跡；·工具設(shè)計(jì)制造模塊化、集成化；·可以在150o以上的高溫井中使用；·定向鉆井時不需要特殊的鉆井參數(shù)，就可以保證最優(yōu)的鉆井過程；·導(dǎo)向自動控制，以保證準(zhǔn)確光滑的井眼軌跡。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)概述旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的特點(diǎn)是：旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)概述45

美國SchlumbergerAnadrill公司的R．L．Monti在1987年世界石油大會上宣讀的“OptimizedDrilling-Closingtheloop”論文中，對自動化閉環(huán)優(yōu)化鉆井技術(shù)第一次做了系統(tǒng)的闡述。目前，世界上已有幾家大石油公司形成了商業(yè)化應(yīng)用技術(shù)：1、VDS自動垂直鉆井系統(tǒng)：90年代初德國KTB項(xiàng)目組與EastManTeleo公司聯(lián)合開發(fā)研制。2、SDD自動直井鉆井系統(tǒng)：AGIP公司與BakerHughesInteq公司合作在VDS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)研制。3、ADD自動定向鉆井系統(tǒng)：1991年美國能源部資助研制，目前已達(dá)到商業(yè)應(yīng)用階段。4、AGS和Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向自動鉆井系統(tǒng)：Sperry-sun公司1993年研制了AGS；1999年又推出新一代的Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向自動鉆井系統(tǒng)，該系統(tǒng)的性能已達(dá)到90年代末世界先進(jìn)的RCLS和SRD系統(tǒng)水平。國際上已經(jīng)投入使用的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)國際上已經(jīng)投入使用的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)465、RCLS旋轉(zhuǎn)閉環(huán)自動鉆井系統(tǒng)：1993年AGIP公司與BakerHughesInteq公司合作，經(jīng)過3年的研制，于1996年在4口井中試驗(yàn)獲得了成功。1997年，RCLS系統(tǒng)注冊為AutoTrak，正式推向市場。截至2002年7月累積鉆進(jìn)進(jìn)尺超過1.609×106m。其63/4“系統(tǒng)創(chuàng)下了單次下井工作時間92h，進(jìn)尺2986m的世界紀(jì)錄，81/4”系統(tǒng)創(chuàng)下了單次下井工作時間167h，進(jìn)尺3620m的世界紀(jì)錄。2、SDD自動直井鉆井系統(tǒng)：AGIP公司與BakerHughesInteq公司合作在VDS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)研制。6、SRD全旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向自動鉆井系統(tǒng)：1994年英國Camco公司在英格蘭Montrose地區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場井下試驗(yàn)，獲得了極大成功。該系統(tǒng)第一次被世界石油界認(rèn)可，是其1997年在世界上第一口水平位移超過10000m的WytchFarm油田M-11井的成功應(yīng)用。1999年5月，Camco公司與Schlumberger公司的Anadrill公司合并，其SRD系統(tǒng)注冊為PowerDrive。截至1999年底，該系統(tǒng)已下井138次，累計(jì)工作時間11610h，總進(jìn)尺47780m。目前，世界上3口位移超過10000m的大位移井中，有2口應(yīng)用了該系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)簡介課件47

2000年，Schlumberger的PowerDriveSRD系統(tǒng)引入中國境內(nèi)應(yīng)用，在設(shè)計(jì)井深8800m、水平位移超過7500m的南海西江油田XJ24—3—A18井6871—8610m井段中成功應(yīng)用，大大提高了井身質(zhì)量，避免了6871m以上井段用滑動鉆井方式多次出現(xiàn)的斷馬達(dá)等井下復(fù)雜事故，大大提高了鉆井效率和效益。盡管該工具的日租金高達(dá)數(shù)萬美元，仍直接節(jié)約了500萬美元的鉆井作業(yè)費(fèi)用；而油田開發(fā)和后續(xù)完井、采油作業(yè)帶來的間接經(jīng)濟(jì)效益更遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了直接經(jīng)濟(jì)效益。國際上已經(jīng)投入使用的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)(續(xù))國際上已經(jīng)投入使用的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)48

目前，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)形成了兩大發(fā)展方向：一個是以BakerHughesInteq公司的AutoTrakRClS系統(tǒng)為代表的不旋轉(zhuǎn)外筒式閉環(huán)自動導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，它以其精確的軌跡控制精度和完善的地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)為特點(diǎn)，非常適用于開發(fā)難度高的特殊油藏的導(dǎo)向鉆井作業(yè)；HulliboIton公司的Geo—Pi1ot系統(tǒng)也屬于這一類導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)；另外一個是以SchlumbergerAnadri11公司的PowerDriverSRD系統(tǒng)為代表的全旋轉(zhuǎn)自動導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，它以其同樣精確的軌跡控制精度和特有的位移延伸鉆井能力為特點(diǎn)，非常適用于超深、邊緣油藏的開發(fā)方案中的深井、大位移井的導(dǎo)向鉆井作業(yè)。下面對AutoTrakRClS系統(tǒng)、PowerDriverSRD系統(tǒng)和Geo-Pilot系統(tǒng)做簡要介紹。目前，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)形成了兩大發(fā)展方49㈠、AutoTrak旋轉(zhuǎn)閉環(huán)鉆井系統(tǒng)

1、系統(tǒng)組成:AutoTrak是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的代表產(chǎn)品，它是基于推靠鉆頭的偏置原理來導(dǎo)向的，其可變徑穩(wěn)定器的伸縮塊裝在不旋轉(zhuǎn)套筒上，AutoTrak旋轉(zhuǎn)閉環(huán)鉆井系統(tǒng)由地面與井下的雙向通訊系統(tǒng)(地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)、解碼系統(tǒng)及鉆井液脈沖信號發(fā)生裝置)、導(dǎo)向系統(tǒng)(AutoTrak工具)和LWD(隨鉆測井)組成（圖l）。㈠、AutoTrak旋轉(zhuǎn)閉環(huán)鉆井系統(tǒng)1、系統(tǒng)組成:Aut50㈠、AutoTrak旋轉(zhuǎn)閉環(huán)鉆井系統(tǒng)井下偏置導(dǎo)向工具導(dǎo)向原理示意圖

㈠、AutoTrak旋轉(zhuǎn)閉環(huán)鉆井系統(tǒng)井下偏置導(dǎo)向工具導(dǎo)向原理51㈠、AutoTrak旋轉(zhuǎn)閉環(huán)鉆井系統(tǒng)㈠、AutoTrak旋轉(zhuǎn)閉環(huán)鉆井系統(tǒng)52㈠、AutoTrak旋轉(zhuǎn)閉環(huán)鉆井系統(tǒng)2、工作原理:AutoTrakRClS系統(tǒng)的井下偏置導(dǎo)向工具由不旋轉(zhuǎn)外套和旋轉(zhuǎn)心軸兩大部分通過上下軸承連接形成一可相對轉(zhuǎn)動的結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)心軸上接鉆柱，下接鉆頭，起傳遞鉆壓、扭矩和輸送鉆井液的作用。不旋轉(zhuǎn)外套上設(shè)置有井下CPU、控制部分和支撐翼肋（右圖）。圖2AutoTrakRCLS結(jié)構(gòu)示意圖㈠、AutoTrak旋轉(zhuǎn)閉環(huán)鉆井系統(tǒng)2、工作原理:Auto53㈠、AutoTrak旋轉(zhuǎn)閉環(huán)鉆井系統(tǒng)

導(dǎo)向工具的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有一不旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向套，中軸從導(dǎo)向套中間穿過與鉆頭連接，帶動鉆頭隨鉆柱一起旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)向套與中軸通過軸承連接。當(dāng)周向均布的三個支撐冀肋分別以不同液壓力支撐于井壁時，將使不旋轉(zhuǎn)外套不隨鉆柱旋轉(zhuǎn)，同時，井壁的反作用力將對井下偏置導(dǎo)向工具產(chǎn)生一個偏置合力。通過控制三個支撐翼肋的支出液壓力的大小，可控制偏置力的大小和方向，以控制導(dǎo)向鉆井。液壓力的大小由井下CPU控制井下控制系統(tǒng)來調(diào)整。井下CPU在下井前，預(yù)置了井眼軌跡數(shù)據(jù)。井下工作時，可將MWD測量的井眼軌跡信息或LWD測量的地層信息與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，自動控制液壓力，也可根據(jù)接收到的地面指令調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，控制液壓力，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向鉆進(jìn)。導(dǎo)向套內(nèi)還有各種傳感器，可測量井斜角、方位角及工具的工作狀態(tài)。(右圖是:井下偏置導(dǎo)向工具的導(dǎo)向原理示意圖)㈠、AutoTrak旋轉(zhuǎn)閉環(huán)鉆井系統(tǒng)導(dǎo)向工具的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有一541、系統(tǒng)的組成及工作原理PowerDrive屬調(diào)制式全旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的典型代表產(chǎn)品，它也是利用推靠鉆頭的偏置原理來導(dǎo)向。該系統(tǒng)由井下旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具、MWD隨鉆測量系統(tǒng)、地面井下雙向信息通訊系統(tǒng)和地面計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成(見右圖)。PowerDriverSRD系統(tǒng)由控制部分穩(wěn)定平臺和翼肋支出及控制機(jī)構(gòu)組成?？刂撇糠址€(wěn)定平臺內(nèi)部包括測量傳感器、井下CPU和控制電路，通過上下軸承懸掛于外簡內(nèi)，靠控制兩端的渦輪在鉆井液中的轉(zhuǎn)速使該部分形成一個不隨鉆柱旋轉(zhuǎn)的、相對穩(wěn)定的控制平臺。㈡PowerDrive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)圖5PowerDrive系統(tǒng)主要組成部分PowerDrive系統(tǒng)主要組成部分

1、系統(tǒng)的組成及工作原理㈡PowerDrive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井55與AutoTrakRClS系統(tǒng)靠獨(dú)立的液壓系統(tǒng)為支撐翼肋的支出提供動力來源不同的是，PowerDrIverSRD系統(tǒng)的支撐翼肋的支出動力來源是鉆井過程中自然存在的鉆柱內(nèi)外的鉆井液壓差。如圖6所示，有一控制軸從控制部分穩(wěn)定平臺延伸到下部的翼肋支出控制機(jī)構(gòu)，底端固定上盤閥，由控制部分穩(wěn)定平臺控制上盤閥的轉(zhuǎn)角。下盤閥固定于井下偏置工具內(nèi)部，隨鉆柱一起轉(zhuǎn)動，其上的液壓孔分別與翼肋支撐液壓腔相通。在井下工作時，由控制部分穩(wěn)定平臺控制上盤閥的相對穩(wěn)定性；隨鉆柱一起旋轉(zhuǎn)的下盤閥上的液壓孔將依次與上盤閥上的高壓孔接通，使鉆柱內(nèi)部的高壓鉆井液通過該臨時接通的液壓通道進(jìn)入相關(guān)的翼肋支撐液壓腔，在鉆柱內(nèi)外鉆井液壓差的作用下，將翼肋支出。這樣，隨著鉆柱的旋轉(zhuǎn)，每個支撐翼肋都將在設(shè)計(jì)位置支出，從而為鉆頭提供一個側(cè)向力，產(chǎn)生導(dǎo)向作用。㈡PowerDrive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)圖6PowerDrive盤閥控制機(jī)構(gòu)示意圖PowerDrive盤閥控制機(jī)構(gòu)示意圖

與AutoTrakRClS系統(tǒng)靠獨(dú)立的液壓系統(tǒng)為支撐翼肋56

㈡PowerDrive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)它的導(dǎo)向力大小由液壓機(jī)構(gòu)所在井深的鉆柱內(nèi)外壓差決定?？刂茖?dǎo)向塊在某個方向上的伸出時間可調(diào)整井眼曲率，最大造斜率可達(dá)8o／30m。PowerDrive工具把旋轉(zhuǎn)鉆井條件下測得的井斜角、方位角和工具面角等數(shù)據(jù)上傳到地面，地面計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)實(shí)鉆井眼與設(shè)計(jì)井眼的相對位置來產(chǎn)生改變工具面角等參數(shù)的下傳指令，經(jīng)鉆井液同步傳輸?shù)骄聝x器，微處理器對鉆井液脈沖信號加以識別，與儲存在儀器里的指令對比解釋后，由井下旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具執(zhí)行指令，從而實(shí)現(xiàn)鉆柱旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的三維全導(dǎo)向。㈡PowerDrive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)572、井下定向控制單元PowerDrive工具屬調(diào)制式全旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，該類工具的控制器、測量傳感器都密封在穩(wěn)定平臺內(nèi)。三軸力反饋加速度計(jì)和磁通門傳感器可提供鉆頭傾斜角和方位角以及輸入軸傾角位置信息；與控制器經(jīng)信號連接器接收的地面下行的井眼軌跡調(diào)控指令要求方向進(jìn)行比較，推導(dǎo)出渦輪發(fā)電機(jī)負(fù)載電流大小和通電時間。通過調(diào)節(jié)電流改變渦輪發(fā)電機(jī)繞組回路阻抗，以使攜帶高強(qiáng)度永磁鐵的渦輪葉片與穩(wěn)定平臺內(nèi)的扭矩線圈鍋臺產(chǎn)生不同的電磁轉(zhuǎn)矩和加速度，進(jìn)而使旋轉(zhuǎn)換向閥保持一個相對于井壁的固定轉(zhuǎn)角，即工具面角，實(shí)現(xiàn)控制軸在受控狀態(tài)下的運(yùn)動狀態(tài)改變?？刂茊卧倪\(yùn)動由地面軟件指令進(jìn)行控制。在帶井下實(shí)時通訊工具時，該類工具可以通過編程實(shí)現(xiàn)對井斜角和方位角的內(nèi)部自動控制，同時會大大降低信號上傳的要求。㈡PowerDrive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)2、井下定向控制單元㈡PowerDrive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)58調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具定向控制原理圖

圖7調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具定向控制原理調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具定向控制原理圖圖7調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具59PowerDriveSideforceor“pushthebit”toolAvailableSizes–1100*,900,675,475*PowerDriveSideforceor“push60PowerDrive675ControlUnitControlofBiasProvisionofsurveydataPowerDrive675ControlUnitCont61PowerDriveBiasUnitHas3padsdrivenbyhydraulicactuatorsActuatorsapplylateralforcetothebitwhilealwaysrotatingatbitspeedPowerDriveBiasUnitHas3pads62PowerDrive675PadoutPadinPowerDrive675PadoutPadin63PowerDriveBHAConfigurationsPowerDriveBHAConfigurations64⑴整個鉆具組合對井眼沒有靜止點(diǎn)，能減小摩阻、利于井眼清洗、優(yōu)化井身質(zhì)量、減小卡鉆風(fēng)險(xiǎn)；有利于延長位移。⑵內(nèi)部故障診斷和工具維護(hù)指示減小了井下故障發(fā)生的幾率。⑶用連續(xù)的鉆井液脈沖波可同步發(fā)送和接收MWD、LWD等數(shù)據(jù)，一體化的設(shè)計(jì)特色和軟件使其獲得6-12bit/s的數(shù)據(jù)傳輸速度，傳輸質(zhì)量通過提高信噪比得到提高。⑷地面監(jiān)控系統(tǒng)能改善對鉆壓、鉆井泵的控制。通過改變鉆井泵的流量，可改編數(shù)據(jù)傳輸速度，存貯記錄頻率和數(shù)據(jù)幀格式。通過改變數(shù)據(jù)幀，它能隨鉆井和地質(zhì)條件的改變而選擇哪個數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸和哪個數(shù)據(jù)存貯起來。⑸可配套使用特制的PDC鉆頭，大幅度提高機(jī)械鉆速。與GST(地質(zhì)導(dǎo)向工具)、MWD、LWD等工具組合使用，能測地層密度、孔隙度、雙電阻率和定向參數(shù)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)導(dǎo)向。⑹旋轉(zhuǎn)控制閥在垂直井段隨鉆柱一起旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)向塊產(chǎn)生的導(dǎo)向力也不斷變化，會造成井眼擴(kuò)徑和井下鉆具的橫向沖擊與振動。同時由于活塞伸縮頻繁和液壓控制系統(tǒng)的工作介質(zhì)的影響，工具的耐磨損與密封是關(guān)鍵技術(shù)。PowerDrive系統(tǒng)的特點(diǎn)⑴整個鉆具組合對井眼沒有靜止點(diǎn)，能減小摩阻、利于井眼清洗、65Sperry-Sun公司的Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)也是一種不旋轉(zhuǎn)外筒式導(dǎo)向工具，但與AutoTrakRClS系統(tǒng)和PowerDriverSRD系統(tǒng)不同的是，Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)不是靠偏置鉆頭進(jìn)行導(dǎo)向，而是靠不旋轉(zhuǎn)外筒與旋轉(zhuǎn)心軸之間的一套偏置機(jī)構(gòu)使旋轉(zhuǎn)心軸偏置，從而為鉆頭提供了一個與井眼軸線不一致的傾角，產(chǎn)生導(dǎo)向作用。其偏置機(jī)構(gòu)是一套由幾個可控制的偏心圓環(huán)組合形成的偏心機(jī)構(gòu)，當(dāng)井下自動控制完成組合之后，該機(jī)構(gòu)將相對于不旋轉(zhuǎn)外套固定，從而始終將旋轉(zhuǎn)心軸向固定方向偏置，為鉆頭提供一個方向固定的傾角（如下圖：井下偏置導(dǎo)向工具結(jié)構(gòu)示意圖）。㈢Geo-Pilot系統(tǒng)Sperry-Sun公司的Geo66Geo-Pilot?

SystemGeo-Pilot?

System67Geo-PilotBasicOperatingPrincipleRotatingShaftisdeflectedinCenterbetweenbearingsWithdualeccentriccamsResultsinbittiltinoppositedirectionGeo-PilotBasicOperatingPrin68旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)簡介課件69旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)簡介課件70旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)簡介課件71綜合上述各種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具，從導(dǎo)向方式上可以分為兩類：推靠式(Push-the-bit)和指向式(Point-the-bit)。其中AutoTrack、PowerDrive屬于推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具；Geo-Pilot屬于指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具。四、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向方式的分類圖9推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具導(dǎo)向原理圖圖10指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具導(dǎo)向原理圖推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具導(dǎo)向原理圖

指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具導(dǎo)向原理圖

綜合上述各種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具，從72推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向井下工具中，偏置穩(wěn)定器安放在靠鉆頭位置，其后面串接一個或多個鉆柱穩(wěn)定器，為了減小上部的鉆柱力學(xué)性能對底部鉆具組合導(dǎo)向性能的影響，串接了一根柔性鉆具。在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向過程中，偏置工具的偏心產(chǎn)生的鉆頭側(cè)向力起主要導(dǎo)向作用。這樣導(dǎo)向方式的特點(diǎn)是鉆頭的側(cè)向力大。造斜率高，但旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆出的井眼狗腿大，軌跡波動大，不平滑。指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向井下工具中，偏置穩(wěn)定器安放在兩個穩(wěn)定器之間，為了減小上部的鉆柱力學(xué)性能對底部鉆具組合導(dǎo)向性能的影響，串接了一根柔性鉆具。在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向過程中，偏置工具的偏心導(dǎo)致其上下兩跨鉆柱發(fā)生彎曲，使鉆頭處鉆柱的軸線和井眼軸線之間出現(xiàn)夾角，當(dāng)然也有側(cè)向力，但主要是由于鉆頭的轉(zhuǎn)角而實(shí)現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向。這樣導(dǎo)向方式的特點(diǎn)是鉆頭的側(cè)向力較小，造斜率較低。但旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆出的井眼狗腿小，軌跡平緩。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向方式的分類推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向井下工具中，偏置穩(wěn)定器安放在靠鉆73旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向方式的分類

推靠式和指向式導(dǎo)向方式的對比圖工具類型推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具工具特點(diǎn)⒈造斜率較高；⒉側(cè)向載荷較大；⒊鉆頭和鉆頭軸承的磨損較嚴(yán)重。⒈能鉆出較平滑的井眼；⒉摩阻和扭矩較??；⒊可以使用較大的鉆壓；⒋機(jī)械鉆速較高；⒌有助于發(fā)揮鉆頭的性能；⒍鉆頭及其軸承承受的側(cè)向載荷較小；⒎極限位移增加。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向方式的分類推靠式和指向式導(dǎo)向方式的對比圖工具特點(diǎn)⒈74以Geo-Pilot為例介紹旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的應(yīng)用五、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)的應(yīng)用

2005年，我