旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)介紹

1、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)介紹引言近十幾年來(lái)，水平井、大位移井、多分支井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井和“海油陸采”的迅速發(fā)展。為了節(jié)約開(kāi)發(fā)成本和提高石油產(chǎn)量，對(duì)那些受地理位置限制或開(kāi)發(fā)后期的油田，通常通過(guò)開(kāi)發(fā)深井、超深井、大位移井和長(zhǎng)距離水平井來(lái)實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而造成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的井不斷增多。目前通行的滑動(dòng)鉆井技術(shù)已經(jīng)不能滿(mǎn)足現(xiàn)代鉆井的需要。于是，自20世紀(jì)80年代后期，國(guó)際上開(kāi)始加強(qiáng)對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的研究；到90年代初期，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)已呈現(xiàn)商業(yè)化。國(guó)外鉆井實(shí)踐證明，在水平井、大位移井、大斜度井、三維多目標(biāo)井中推廣應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)，既提高了鉆井速度，也減少了鉆井事故，從而降低了鉆井成本。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)是現(xiàn)代導(dǎo)向鉆井技術(shù)

2、的發(fā)展方向。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井法是在用轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)鉆柱鉆井時(shí)隨鉆實(shí)時(shí)完成導(dǎo)向功能。鉆進(jìn)時(shí)的摩阻與扭阻小、鉆速高、鉆頭進(jìn)尺多、鉆井時(shí)效高、建井周期短、井身軌跡平滑易調(diào)控。此外，其極限井深可達(dá)15 km，鉆井成本低。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的核心是旋轉(zhuǎn)自動(dòng)導(dǎo)向鉆井統(tǒng)，如圖1所示。它主要由地面監(jiān)控系統(tǒng)、地面與井下雙向傳輸通訊系統(tǒng)和井下旋轉(zhuǎn)自動(dòng)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)3部分組成。1、 地面監(jiān)控系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的地面監(jiān)控系統(tǒng)包括信號(hào)接收和傳輸子系統(tǒng)及地面計(jì)算存儲(chǔ)分析模擬系統(tǒng)，有的還具有智能決策支持系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的主要功能通過(guò)閉環(huán)信息流監(jiān)視并隨鉆調(diào)控井身軌跡，其關(guān)鍵技術(shù)是從地面發(fā)送到井下的下行控制指令系統(tǒng)。

3、2、 地面與井下雙向傳輸通訊系統(tǒng)目前已提出的信號(hào)傳輸方式有4種，即鉆井液脈沖、絕緣導(dǎo)線、電磁波和聲波。通過(guò)比較分析，筆者發(fā)現(xiàn)這4種傳輸方式各有優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用局限，如表1所示。3、 井下旋轉(zhuǎn)自動(dòng)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)井下旋轉(zhuǎn)自動(dòng)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)是旋轉(zhuǎn)自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)的核心，它主要由3部分構(gòu)成，即測(cè)量系統(tǒng)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、CPU和控制系統(tǒng)。（1）測(cè)量系統(tǒng) 測(cè)量系統(tǒng)主要用于監(jiān)測(cè)井眼軌跡的井斜、方位及地層情況等基本參數(shù)，使鉆井過(guò)程中井下地質(zhì)參數(shù)、鉆井參數(shù)和井眼參數(shù)能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量、傳輸、分析和控制。它經(jīng)歷了隨鉆測(cè)量(MWD、隨鉆測(cè)井(LWD、隨鉆地震(SWD、隨鉆地層評(píng)價(jià)測(cè)試技術(shù)(FEMWD和地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)(GST幾個(gè)階段。 （2）

4、導(dǎo)向機(jī)構(gòu) 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)代表了目前導(dǎo)向技術(shù)的先進(jìn)水平。按原理不同，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)原理可分為: 導(dǎo)向力原理。推力式（或稱(chēng)偏置式）旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具和指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具。推力式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具是通過(guò)側(cè)向力推靠鉆頭來(lái)改變鉆頭的井斜和方位。而指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具是預(yù)先定向給鉆頭一個(gè)角位移，通過(guò)為鉆頭提供一個(gè)與井眼軸線不一致的傾角來(lái)使鉆頭定向造斜?？刂圃??？勺儚椒€(wěn)定器式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具和調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具。前者是先通過(guò)電磁閥調(diào)節(jié)在伸縮塊上的液壓，以使導(dǎo)向力矢量滿(mǎn)足所需導(dǎo)向目標(biāo)；再通過(guò)定向控制系統(tǒng)進(jìn)行方位與井斜的控制（圖2）。而后者是通過(guò)調(diào)節(jié)渦輪發(fā)電機(jī)負(fù)載電流改變渦輪發(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(tái)內(nèi)的

5、扭矩線圈耦合產(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(gè)相對(duì)于井壁的固定角度，即工具面角，最終實(shí)現(xiàn)控制軸在受控狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變（圖3）。套筒旋轉(zhuǎn)與否原理。全旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具和不旋轉(zhuǎn)套筒旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具。全旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具與井壁動(dòng)態(tài)接觸，其旋轉(zhuǎn)控制閥在垂直井段隨鉆柱一起旋轉(zhuǎn)。不旋轉(zhuǎn)套筒旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具與井壁靜態(tài)接觸，其外套不隨鉆柱旋轉(zhuǎn)。（3）CPU和控制系統(tǒng)CPU和控制系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的信息處理和管理中心，它接受來(lái)自各個(gè)傳感器的信號(hào)，并依據(jù)特定的數(shù)據(jù)處理方法和控制規(guī)律，來(lái)控制可調(diào)穩(wěn)定塊的伸縮，從而改變鉆頭的運(yùn)動(dòng)軌跡,以達(dá)到預(yù)設(shè)的要求。CPU運(yùn)行的控制算法（包括控制器設(shè)計(jì)、模型辨識(shí)以及狀態(tài)估計(jì)等）是智能

6、鉆井的關(guān)鍵部分。可見(jiàn)，CPU運(yùn)行的控制算法、傳感器技術(shù)和變徑機(jī)構(gòu)的開(kāi)發(fā)是構(gòu)成可變徑穩(wěn)定器的三大組成部分。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的核心，決定了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的工作特色和工作能力。1、 典型井下閉環(huán)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具1.1 MRST的組成及工作原理調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具（MRST）屬于推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具（圖4）。由于其鉆柱與井壁之間不存在靜止點(diǎn)，因此，在鉆井過(guò)程中更可體現(xiàn)旋轉(zhuǎn)鉆井的優(yōu)越性。調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)導(dǎo)向力的大小和方向主要是由穩(wěn)定平臺(tái)控制的。當(dāng)需要最大導(dǎo)向力時(shí)，穩(wěn)定平臺(tái)控制軸就帶動(dòng)上盤(pán)閥旋轉(zhuǎn)，使上盤(pán)閥穩(wěn)定在預(yù)定方向，控制上盤(pán)閥高壓孔方向恒定。在鉆柱旋轉(zhuǎn)過(guò)程

7、中,每個(gè)“巴掌”依次在該方向附近伸出拍打井壁，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)對(duì)井壁的作用力就是這些拍打力的合力。這個(gè)合力的反力就是鉆柱受到的導(dǎo)向力，方向沿著上盤(pán)閥預(yù)定方向的反方向。當(dāng)不需要導(dǎo)向時(shí)，穩(wěn)定平臺(tái)帶動(dòng)上盤(pán)閥以和鉆柱具有不同的某一轉(zhuǎn)速勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)“巴掌”均勻拍打井壁四周，導(dǎo)向工具可控制的液壓導(dǎo)向力的合力就等于零，此時(shí)導(dǎo)向工具呈中性工作狀態(tài)，達(dá)到穩(wěn)斜效果。MRST液壓控制閥采用上、下盤(pán)閥結(jié)構(gòu)，上盤(pán)閥與穩(wěn)定平臺(tái)控制軸相連接，它只有一個(gè)弧形長(zhǎng)孔形狀的高壓閥孔。下盤(pán)閥與鉆柱本體連接，隨MRST外殼及鉆柱一起旋轉(zhuǎn)，它有3個(gè)互成120°圓心角的等直徑低壓孔（泄流孔），見(jiàn)圖5。圖4調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具圖圖5液

8、壓控制上、下盤(pán)閥圖1.2 Geo-Pilot的組成及工作原理Geo-Pilot是一種不旋轉(zhuǎn)套式導(dǎo)向工具（圖6）屬于指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具。它不是靠偏心穩(wěn)定器的翼肋推靠井壁偏置鉆頭進(jìn)行導(dǎo)向，而是靠不旋轉(zhuǎn)套與萬(wàn)向短節(jié)之間的一套偏心機(jī)構(gòu)使萬(wàn)向軸偏置，從而為鉆頭提供了一個(gè)與井眼軸線不一致的傾角，產(chǎn)生導(dǎo)向作用。該機(jī)構(gòu)由幾個(gè)可控制的偏心環(huán)組合而成，當(dāng)井下自動(dòng)控制完成偏心環(huán)組合之后，該機(jī)構(gòu)將相對(duì)于不旋轉(zhuǎn)套固定，從而始終將萬(wàn)向軸向固定方向偏置，為鉆頭提供一個(gè)方向固定的傾角。圖6Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具圖 2、 新型指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具結(jié)構(gòu)與導(dǎo)向原理2.1 底部鉆具組合（BHA）及導(dǎo)向原理新型指向式

9、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具BHA結(jié)構(gòu)（圖7）由4個(gè)部分組成，分別是：樞軸穩(wěn)定器、水力偏置系統(tǒng)、MWD總成和鉆柱穩(wěn)定器。其中，MWD總成包括：CPU、存儲(chǔ)器、螺線型電導(dǎo)管、隨鉆測(cè)量?jī)x（MWD）及控制電路和傳感器。該指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具（圖8）包含兩個(gè)尤為重要的組成部分：一個(gè)是近鉆頭穩(wěn)定器（樞軸穩(wěn)定器），該穩(wěn)定器由不銹鋼材料組成,擁有4個(gè)螺旋形刀鋒翼肋且相互“環(huán)布”連接，并為旋轉(zhuǎn)中心軸提供固定支點(diǎn)；另一個(gè)是水力偏置機(jī)構(gòu)，也可看著是一個(gè)特殊的“穩(wěn)定器”，因?yàn)樗怯刹恍D(zhuǎn)外套筒、電子馬達(dá)和放射狀偏心環(huán)組成，并且在不旋轉(zhuǎn)外套筒上安裝有3個(gè)水力驅(qū)動(dòng)“巴掌”，旋轉(zhuǎn)中心軸位于不旋轉(zhuǎn)外套筒內(nèi)依次穿過(guò)偏置系統(tǒng)和近鉆頭穩(wěn)定

10、器。動(dòng)力模塊電子馬達(dá)位于中心軸和不旋轉(zhuǎn)套筒之間與控制電路相連。圖7新型指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具BHA結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 圖8新型指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具圖導(dǎo)向原理正常情況下，中心軸與外套筒中心線重合（圖9-）。鉆井的過(guò)程中，該新型指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具中的控制電路CPU接收到MWD總成中相關(guān)高端傳感器傳輸?shù)男盘?hào)（比如：井斜、方位），然后經(jīng)由螺線形電導(dǎo)管傳輸給動(dòng)力模塊電子馬達(dá)，電子馬達(dá)給放射狀水力偏置系統(tǒng)提供動(dòng)力，安裝在不旋轉(zhuǎn)套筒外部的“巴掌”伸出與井壁接觸，同時(shí)安裝在其內(nèi)部的偏心環(huán)旋轉(zhuǎn)。在“巴掌”和近鉆頭穩(wěn)定器支點(diǎn)共同作用下，鉆頭形成一偏角，即中心軸與不旋轉(zhuǎn)套筒中心線形成一定角度（圖9-）。在偏心環(huán)作用下，將連接著鉆頭的中心軸向固定方向偏置，為鉆頭提供一個(gè)方向的固定的傾角，從而