旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)RNDS-勝利鉆井工程技術(shù)公司(推薦)

2023/2/31

熱烈歡迎各位領(lǐng)導(dǎo)

專家光臨指導(dǎo)2023/2/32地面控制旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)（RNDS）

RotaryNavigateDrillingSystem勝利鉆井工程技術(shù)公司魏文忠、秦利民Copyright1996-98?DaleCarnegie&Associates,Inc.2023/2/33內(nèi)容：

1、

導(dǎo)向鉆井技術(shù)發(fā)展概述

2、

RNDS系統(tǒng)的組成和總體效果

3、

RNDS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

4、RNDS系統(tǒng)工作原理

5、RNDS系統(tǒng)的特點

6、附錄1：活塞推力計算

7、附錄2：“法面矢量法”軌跡控制和預(yù)測模型

2023/2/34主要導(dǎo)向工具及分類旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具兩維可變徑穩(wěn)定器型HVGS、AGS、TRACKS三維靜止式導(dǎo)向工具VDS、ADD、RCLS、XTCS、RNDS調(diào)節(jié)式導(dǎo)向工具SRD、（RCLD）滑動導(dǎo)向工具單彎動力鉆具異向雙彎動力鉆具固定偏心塊鉆具KOS、AKODTUEBS一、概述2023/2/35

近幾年國內(nèi)普遍推廣應(yīng)用的滑動導(dǎo)向鉆井技術(shù)，采用的井下工具是導(dǎo)向螺桿鉆具PDM，滑動導(dǎo)向鉆井技術(shù)首先是馬達(dá)的可靠性和壽命受到限制；更重要的是在大位移延伸井鉆井過程中，滑動鉆進(jìn)時鉆具的摩阻力經(jīng)常大于下滑力，使鉆頭加不上鉆壓，以及工具面失控等問題。

2023/2/3620世紀(jì)80年代末，國外首先研制了遙控變徑穩(wěn)定器（如AGS、Tracks等），雖然僅是兩維旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向控制鉆井軌跡，但是在完成的許多大位移延伸井的鉆井過程中起到了決定性的作用。1999年勝利鉆井技術(shù)公司引進(jìn)了美國Sperry-Sun公司的遙控變徑穩(wěn)定器AGS，在埕北21-平1大位移水平井施工中起到了很好的作用。但是，變徑穩(wěn)定器旋轉(zhuǎn)系統(tǒng),不能控制方位。2023/2/37在變徑穩(wěn)定器的基礎(chǔ)上，國外各大石油公司紛紛研制全方位控制的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，其中，最有成就的就是AutoTrack和PowerDrive。2023/2/382023/2/392023/2/3102023/2/3112023/2/3122023/2/3132023/2/314二、RNDS系統(tǒng)的組成

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)（RNDS），由旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具（CPD）和MWD測量系統(tǒng)組成，其中MWD系統(tǒng)是成熟的，不進(jìn)行任何的改造就可以直接應(yīng)用；旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具（CPD）與AutoTrack井下工具屬于同一類型，都是非旋轉(zhuǎn)偏心穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)，但具體的構(gòu)造不同、控制方式不同，與后者相比結(jié)構(gòu)簡單的多；但是CPD也不同于江蘇油田的舵板式鉆頭導(dǎo)向器，它是一個功能強大的井下導(dǎo)向工具，且具有雙向通訊功能，與MWD/FEWD系統(tǒng)可以組成完整的、可靠的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具M(jìn)WD上穩(wěn)定器2023/2/315

我們認(rèn)為導(dǎo)向鉆井技術(shù)，就是只用一種具有多功能的鉆井軌跡控制系統(tǒng)，能夠連續(xù)地控制井身軌跡的鉆井技術(shù)。首先該系統(tǒng)整體必須具有穩(wěn)斜效果，并能夠?qū)?、方位的全面控制。不論是滑動?dǎo)向鉆井系統(tǒng)，還是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，都應(yīng)該具有連續(xù)進(jìn)行穩(wěn)斜、增斜、降斜和調(diào)整方位的能力。

整體具有穩(wěn)斜效果和具有連續(xù)(不用起下鉆更換鉆具)控制軌跡的能力,是導(dǎo)向鉆井技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)的定向方式鉆井的兩個必要條件。

RNDS系統(tǒng)根據(jù)鉆具整體力學(xué)計算的結(jié)果，在MWD系統(tǒng)之后再配置一個普通穩(wěn)定器，在調(diào)節(jié)鉆壓的情況下，系統(tǒng)整體還具有微量調(diào)節(jié)井斜的能力，其整體穩(wěn)斜效果相當(dāng)好。

系統(tǒng)整體效果分析2023/2/316三、RNDS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

RNDS系統(tǒng)中的井下導(dǎo)向工具（CPD），全部采用機械結(jié)構(gòu)，不需要旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定平臺、電子伺服機構(gòu)、油壓系統(tǒng)、以及井下微電腦、專門的測量系統(tǒng)等，并且很好地解決了操作指令下行通道和數(shù)據(jù)傳輸問題（雙向通訊功能）。CPD全長只有3米，高強度的一體化外殼設(shè)計，采用平衡活塞低壓密封結(jié)構(gòu)，安全可靠，簡單而巧妙的機械設(shè)計，運動部件全部在油浴中，動作平穩(wěn)，性能穩(wěn)定。

2023/2/317結(jié)構(gòu)原理示意圖定向線心軸活塞彈簧鎖銷活塞爪注油孔非旋轉(zhuǎn)套筒凸輪凸輪銷蘑菇頭孔板平衡活塞筒式斜面體

通過CPD內(nèi)部和環(huán)空的壓差作用，使心軸帶動斜面體向下運動，使這些活塞爪進(jìn)行伸展，并在凸輪機構(gòu)的控制下，活塞爪在鉆井液的循環(huán)狀態(tài)下有兩種工作位置。由于偏心作用和活塞爪的推力作用，使鉆頭對井壁產(chǎn)生一側(cè)向力和偏角，從而使井眼軌跡改變方向。通過MWD傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號進(jìn)行地面定向控制和對軌跡進(jìn)行計算和預(yù)測。2023/2/318四、力學(xué)原理圖合力方向旋轉(zhuǎn)軸非旋轉(zhuǎn)套筒

當(dāng)非旋轉(zhuǎn)套筒支撐在井壁上時，由于穩(wěn)定器的偏心作用和活塞爪的推力作用，鉆頭產(chǎn)生側(cè)向力和傾角，從而實現(xiàn)對軌跡控制的目的。2023/2/319五、旋轉(zhuǎn)鉆井系統(tǒng)控制回路示意圖地面電腦監(jiān)控頂驅(qū)或轉(zhuǎn)盤鉆柱信息傳輸MWD探管旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具鉆頭數(shù)據(jù)工具面測量控制回路2023/2/320六、RNDS系統(tǒng)的特點

靜止式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)（靜態(tài)可控偏心器）比調(diào)節(jié)式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具更容易實現(xiàn)井下控制，并且對鉆具不存在間歇沖擊力，靜態(tài)合矢量方向可以精確控制，可以有效地解決大位移延伸井鉆井的摩阻、扭矩問題，不易造成粘卡，有助于排除巖屑；容易解決近鉆頭測量問題?？梢杂糜谝仔钡貙拥拇怪便@井；可以形成近鉆頭井斜測量，用于超薄油藏的水平鉆進(jìn)；并且具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠，加工使用成本低，適用性強等特點，可以大面積推廣應(yīng)用。

RNDS系統(tǒng)與滑動導(dǎo)向鉆井技術(shù)相比，不使用動力鉆具，避免了動力鉆具的不可靠性問題，鉆井的安全性提高；不存在動力鉆具反扭角造成的工具面失控問題，鉆壓、排量等鉆井參數(shù)不受動力鉆具的影響，使用范圍擴大，可以做到優(yōu)化鉆井參數(shù)鉆井，大大提高鉆井速度和鉆井效率。

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由于MWD必須在開泵循環(huán)狀態(tài)下測量，所以，滑動導(dǎo)向鉆井MWD測量都不是“靜態(tài)測量”，測量精度受到井下馬達(dá)的震動的影響；所以旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井的測量精度比滑動導(dǎo)向鉆井高。

RNDS系統(tǒng)與目前國外已使用的井下閉環(huán)旋轉(zhuǎn)鉆井系統(tǒng)相比，沒有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，制造加工和使用成本低的多，不僅可以用于大位移延伸井（ERD）和高難度三維多目標(biāo)井（DesignerWell）的鉆井，而且能夠在大量的定向井、水平井鉆井中推廣應(yīng)用。

由于這種工具可以通過泵簡單且快速的操作，能夠?qū)碥壽E進(jìn)行精確的控制，是一個功能強大的井下導(dǎo)向工具，且具有雙向通訊功能，與MWD/FEWD系統(tǒng)可以組成完整的、可靠的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)。2023/2/3221、活塞推力計算

其中，T=100kgf為復(fù)位彈簧的彈性力;μ=0.1鋼與鋼在油潤滑情況下的摩擦系數(shù)。

七、理論研究2023/2/3232、“法面矢量法”軌跡控制和預(yù)測模型2023/2/3242023/2/325

將設(shè)計軌道分段，并列出各段起始點終點數(shù)據(jù)，建立各段方程與方程②聯(lián)求解，即得過P點的法面與設(shè)計軌道的交點J的參數(shù)（xj、yj、zj），由此可得法面偏差距離

其中:2023/2/326

在給定軌跡偏離設(shè)計線的最大限定距離后，在選定軌跡偏離設(shè)計線的法面距離的情況下,必須控制井斜角偏差，以及控制井斜方位角偏差。即:

2023/2/327八、用途和意義

RNDS系統(tǒng)的研制開發(fā)，將對我國鉆井技術(shù)產(chǎn)生巨大的影響：1、將是我國首家研制開發(fā)成功的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，進(jìn)一步提高我們鉆井的技術(shù)水平，大面積推廣之后，必將帶來鉆井技術(shù)的一次新的革命，技術(shù)經(jīng)濟效益和社會效益是巨大的。2、進(jìn)一步增強我們的的技術(shù)實力，為大位移延伸井、特殊工藝井鉆井提供了可靠的工具。3、可以用于易斜地層的垂直鉆井，在這種意義上，又相當(dāng)于德國研制的VDS自動垂直鉆井系統(tǒng)。4、由于MWD測量的位置距離鉆頭較近，因此，用于超薄油層的水平段鉆進(jìn)，將是非常理想的。5、容易形成近鉆頭井斜測量。6、其他旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)能夠完成的任務(wù)，RNDS系統(tǒng)也能夠完成。2023/2/328目前研制開發(fā)工作的進(jìn)展：1、完成了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具總體方案的研究。2、完成了與AGS通用件的90%的測繪工作和拆裝工具的設(shè)計工作。3、目前預(yù)計已完成設(shè)計總工作量的30%。2023/2/329九、結(jié)論

總之，根據(jù)對國內(nèi)外旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的學(xué)習(xí)和了解，同時根據(jù)我公司引進(jìn)的AGS變徑穩(wěn)定器的結(jié)構(gòu)原理和設(shè)計特點，經(jīng)過長期的研究，有了重大的突破，RNDS旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的設(shè)計原理明確，結(jié)構(gòu)簡單可靠，可以大面積推廣應(yīng)用。目前，國外已經(jīng)發(fā)展到旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向閉環(huán)系統(tǒng)，但是還沒有真正的達(dá)到井底閉環(huán)階段；而RNDS是靜止式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，不能達(dá)到井底閉環(huán)鉆井，但是，這在我國還是走在了前列，并且，它具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性強、使