石油鉆井設(shè)備與工具閉環(huán)鉆井技術(shù)簡介

第六節(jié)閉環(huán)鉆井技術(shù)簡介前言環(huán)指鉆井作業(yè)過程。閉環(huán)鉆井是指鉆井過程的整體優(yōu)化。閉環(huán)鉆井的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)鉆井過程的全面自動化、智能化,解放鉆井人員、提高整體經(jīng)濟(jì)效益。鉆井自動化發(fā)展趨勢傳統(tǒng)轉(zhuǎn)盤鉆具螺桿鉆具M(jìn)WD計(jì)算機(jī)導(dǎo)向馬達(dá)自動化鉆井PDC鉆頭井下遙控工具19501960197019801990200020052010常規(guī)轉(zhuǎn)盤鉆井噴射鉆井最優(yōu)化鉆井定向井叢式井水平井小井眼井多分枝水平井大位移井地質(zhì)導(dǎo)向鉆井自動化鉆井一、鉆井作業(yè)自動化的發(fā)展過程鉆井作業(yè)自動化的發(fā)展過程可劃分為井下開環(huán)、井下半閉環(huán)、井下閉環(huán)和全閉環(huán)四個(gè)技術(shù)發(fā)展階段：1、井下開環(huán)鉆井階段指井下操作全部由人來完成,只有一般的井下測量工具。井眼軌跡的控制只能利用預(yù)測技術(shù)和更換井底鉆具組合來進(jìn)行。井眼軌跡質(zhì)量差,鉆井效率低,安全性差。如果井下開環(huán)鉆井用自動化鉆機(jī),就成為地面閉環(huán)、井下開環(huán)鉆井;否則為地面開環(huán)、井下開環(huán)鉆井。

2、井下半閉環(huán)鉆井階段有較先進(jìn)的井下測量工具(如MWD)，有地面可控的井下工具。測量數(shù)據(jù)向地面?zhèn)鬏?經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理及地面模擬,通過傳輸通道向井下傳送操作指令,隨后對井下操作進(jìn)行控制。與井下開環(huán)系統(tǒng)相比,測量精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、信息量大。操作指令更大程度上依靠計(jì)算機(jī)處理得到,人為經(jīng)驗(yàn)減少。井下可控工具(包括可變徑穩(wěn)定器、可調(diào)彎接頭、可變彎角井下動力鉆具、可伸縮偏心塊等)使得起下鉆操作大幅度減少,鉆井效率顯著提高。目前許多水平井、定向井都是利用井下半閉環(huán)鉆井技術(shù)完成的。3、井下閉環(huán)階段

指井身軌跡控制完全可以離開人的干預(yù)(特殊需要時(shí)例外),井下信息測量、傳輸、處理以及控制指令的產(chǎn)生和執(zhí)行完全自動進(jìn)行。有先進(jìn)的隨鉆測量工具(MWD等)和功能較強(qiáng)的井下可調(diào)控工具。同時(shí),必須有性能很好的微電腦(能承受井下的惡劣環(huán)境)。井下閉環(huán)鉆井作業(yè)可分為兩類:(1)中心電腦放在地面。通常是測量信息通過傳輸通道傳到地面,經(jīng)中心處理機(jī)處理后,控制指令傳給頂部驅(qū)動鉆機(jī),由頂部驅(qū)動鉆機(jī)來改變井下工具的工具面。也可以是中心電腦發(fā)出的控制指令傳給井下可控工具,從而改變井下工具的結(jié)構(gòu)參數(shù)。(2)中心電腦放在井下。隨鉆測量信息傳給井下電腦,由井下電腦發(fā)出控制指令來控制井下可控工具的工作狀態(tài)。測量信息同時(shí)傳給地面計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬研究,用來監(jiān)測井下作業(yè)效果。4、全閉環(huán)鉆井階段這是鉆井技術(shù)發(fā)展的最高階段。井下采用智能化鉆井系統(tǒng),地面監(jiān)控和操作采用規(guī)范的自動化系統(tǒng)。地面中心控制計(jì)算機(jī)控制整個(gè)鉆井作業(yè)系統(tǒng),井下智能鉆井系統(tǒng)則帶有獨(dú)立的井下微電腦。此時(shí),作業(yè)人員就可全部或大部分從作業(yè)環(huán)節(jié)中解放出來,從而實(shí)現(xiàn)鉆井的整體優(yōu)化。目前離實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)鉆井還有一段距離。執(zhí)行機(jī)構(gòu)測量系統(tǒng)控制系統(tǒng)雙向通訊閉環(huán)鉆井技術(shù)的流程框圖二、閉閉環(huán)鉆鉆井技技術(shù)的的必要要條件件要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)閉環(huán)環(huán)鉆井井作業(yè)業(yè)的全全過程程,必必須須具備備以下下六個(gè)個(gè)條件件:地面測測量,主要要包括括泥漿漿錄井井,鉆鉆井井參數(shù)數(shù)地面面測量量;井下隨隨鉆測測量,目目前主主要采采用MWD、LWD等等井下下測量量工具具;數(shù)據(jù)采采集,同同時(shí)包包括地地面計(jì)計(jì)算;(4)數(shù)數(shù)據(jù)的的整體體綜合合解釋釋,主主要要包括括把測測量數(shù)數(shù)據(jù)解解釋成成有用用的參參數(shù)以以指導(dǎo)導(dǎo)作業(yè)業(yè),同同時(shí)時(shí)用““人工工智能能”把把全世世界范范圍內(nèi)內(nèi)的專專家經(jīng)經(jīng)驗(yàn)應(yīng)應(yīng)用于于井場場;(5)地地面操操作控控制自自動化化,把把人人從鉆鉆井作作業(yè)過過程中中解放放出來來;(6)井井下操操作自自動控控制,主主要是是利用用“智智能””型井井下工工具和和自動動的井井底鉆鉆具組組合進(jìn)進(jìn)行控控制。。三、實(shí)實(shí)現(xiàn)閉閉環(huán)鉆鉆井的的核心心技術(shù)術(shù)油氣井井鉆井井將發(fā)發(fā)展為為像航航天、、航海海領(lǐng)域域的自自主導(dǎo)導(dǎo)彈那那樣高高水平平的““自主主鉆井井導(dǎo)彈彈”和和雙閉閉環(huán)(井下下與地地面之之間的的大閉閉環(huán)及及井下下導(dǎo)向向工具具與井井下測測量系系統(tǒng)之之間的的井下下小閉閉環(huán))系系統(tǒng)。。實(shí)現(xiàn)現(xiàn)這一一目標(biāo)標(biāo)的核核心技技術(shù)主主要有有：1、先先進(jìn)的的導(dǎo)向向鉆井井工具具(1)滑滑動式式導(dǎo)向向工具具滑動式式導(dǎo)向向工具具是導(dǎo)導(dǎo)向作作業(yè)時(shí)時(shí)鉆柱柱不旋旋轉(zhuǎn)(隨鉆鉆頭向向前推推進(jìn),鉆鉆柱沿沿井壁壁軸向向滑動動)。。目前前這類類導(dǎo)向向工具具占主主導(dǎo)地地位,主主要有有彎殼殼體馬馬達(dá)(含單單彎、、同向向雙彎彎、異異向雙雙彎導(dǎo)導(dǎo)向馬馬達(dá))、可可調(diào)彎彎接頭頭、可可變徑徑穩(wěn)定定器等等。導(dǎo)向鉆鉆井系系統(tǒng)滑動導(dǎo)向控制旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向控制Q（AKO導(dǎo)向馬達(dá)）可變徑穩(wěn)定器(2)旋旋轉(zhuǎn)式式導(dǎo)向向工具具旋轉(zhuǎn)式式導(dǎo)向向工具具是導(dǎo)導(dǎo)向作作業(yè)時(shí)時(shí)鉆柱柱旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)?，F(xiàn)現(xiàn)有的的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)式導(dǎo)導(dǎo)向工工具分分為兩兩類：：①靜止式式旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)向向工具具(即即導(dǎo)向向工具具的導(dǎo)導(dǎo)向翼翼肋相相對井井壁不不轉(zhuǎn)動動)；；②可調(diào)節(jié)節(jié)式的的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)向向工具具(即即在旋旋轉(zhuǎn)過過程中中實(shí)現(xiàn)現(xiàn)導(dǎo)向向)。。PowerDrivePrincipleofOperationSideforceorpushthebittoolPadsextenddynamicallyfromarotatinghousingCurvaturedefinedby3pointsofcontactPowerDriveBiasUnitHas3padsdrivenbyhydraulicactuatorsActuatorsapplylateralforcetothebitwhilealwaysrotatingatbitspeedPadoutPadin2、導(dǎo)導(dǎo)向方方式不論是是滑動動式還還是旋旋轉(zhuǎn)式式井下下閉環(huán)環(huán)鉆井井系統(tǒng)統(tǒng),都都必須須選擇擇合適適的導(dǎo)導(dǎo)向方方式。。導(dǎo)向向方式式主要要有兩兩種:(1)幾幾何導(dǎo)導(dǎo)向主要是是以預(yù)預(yù)置的的井眼眼軌跡跡或井井下實(shí)實(shí)時(shí)設(shè)設(shè)計(jì)的的井眼眼軌跡跡為參參考量量。導(dǎo)導(dǎo)向作作業(yè)時(shí)時(shí),將將實(shí)實(shí)測的的軌跡跡參數(shù)數(shù)與控控制參參考量量作比比較,由由控制制機(jī)構(gòu)構(gòu)給出出合適適的控控制指指令,從從而使使鉆頭頭沿最最優(yōu)的的井眼眼軌跡跡鉆進(jìn)進(jìn)。(2)地地質(zhì)質(zhì)導(dǎo)導(dǎo)向向在擁擁有有幾幾何何導(dǎo)導(dǎo)向向能能力力的的同同時(shí)時(shí),又又能能根根據(jù)據(jù)隨隨鉆鉆測測井井(LWD)得得出出的的地地層層巖巖性性、、地地層層層層面面、、油油層層特特點(diǎn)點(diǎn)等等地地質(zhì)質(zhì)特特征征參參量量,隨隨時(shí)時(shí)控控制制井井下下軌軌跡跡,使使鉆鉆頭頭沿沿地地層層最最優(yōu)優(yōu)位位置置鉆鉆進(jìn)進(jìn)。。在在預(yù)預(yù)先先并并不不掌掌握握地地層層性性質(zhì)質(zhì)特特點(diǎn)點(diǎn)、、層層面面特特征征的的情情況況下下,實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)精精確確控控制制。。當(dāng)前前導(dǎo)導(dǎo)向向技技術(shù)術(shù)大大多多是是以以幾幾何何導(dǎo)導(dǎo)向向?yàn)闉樘靥卣髡?。。對對于于一一些些油油層層變變化化不不大大、、油油層層較較厚厚、、對對地地層層性性質(zhì)質(zhì)特特點(diǎn)點(diǎn)了了解解較較清清楚楚的的場場合合,使使用用幾幾何何導(dǎo)導(dǎo)向向較較適適宜宜。。而而對對于于一一些些地地層層性性質(zhì)質(zhì)特特點(diǎn)點(diǎn)了了解解較較少少、、油油層層厚厚度度很很薄薄的的場場合合,使使用用地地質(zhì)質(zhì)導(dǎo)導(dǎo)向向更更為為合合適適。。3、、參參數(shù)數(shù)測測量量與與傳傳輸輸系系統(tǒng)統(tǒng)隨鉆鉆實(shí)實(shí)時(shí)時(shí)參參數(shù)數(shù)測測量量是是實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)全全閉閉環(huán)環(huán)鉆鉆井井的的重重要要環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)。。測量量參參數(shù)數(shù)包包括括實(shí)實(shí)鉆鉆井井身身軌軌跡跡隨隨鉆鉆井井身身幾幾何何參參數(shù)數(shù)與與隨隨鉆鉆地地層層評評價(jià)價(jià)、、隨隨鉆鉆測測井井、、隨隨鉆鉆地地震震等等評評價(jià)價(jià)參參數(shù)數(shù)以以及及隨隨鉆鉆工工程程參參數(shù)數(shù)等等。。各種種信信息息的的地地面面與與井井下下雙雙向向?qū)崒?shí)時(shí)時(shí)傳傳輸輸通通訊訊。。隨鉆鉆地地震震(SWD)原原理理Utilizingthebitasthesourceisgenerallyineffectiveinsoftsediments,horizontalwellsandwhiledrillingwithPDCbits.4、、地地面面監(jiān)監(jiān)控控系系統(tǒng)統(tǒng)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)導(dǎo)向向鉆鉆井井系系統(tǒng)統(tǒng)的的地地面面監(jiān)監(jiān)控控系系統(tǒng)統(tǒng)包包括括信信號號接接收收和和傳傳輸輸子子系系統(tǒng)統(tǒng)和和地地面面計(jì)計(jì)算算存存儲儲分分析析模模擬擬系系統(tǒng)統(tǒng),有有的的還還具具有有