旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向隨鉆擴眼技術(shù)

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向隨鉆擴眼技術(shù)在新發(fā)展的智能LH-ML5.6(MRC)鉆井和井下作業(yè)等新技術(shù)中，越來越多使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向隨鉆擴眼技術(shù)，已能在一趟中隨鉆擴眼實現(xiàn)由上一層套管鞋鉆達下一層套管鞋并能實時閉環(huán)傳送信息、精控井身軌跡、自動尋靶、快速高效低成本作業(yè)?，F(xiàn)以SPE112670《旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向隨鉆擴眼技術(shù)的成功應(yīng)用：北海、地中海和尼羅河三角洲實例研究》為主，整理這一新技術(shù)。1.摘要目前，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井與同心擴眼器相配合的隨鉆擴眼技術(shù)應(yīng)用越來越普遍，與常規(guī)先鉆導(dǎo)眼再用擴眼器擴眼相比，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向隨鉆擴眼技術(shù)可大大降低鉆井成本。然而，當(dāng)鉆頭和擴眼器這兩個切削工具鉆遇層位不同巖性差別較大的地層時，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向隨鉆擴眼下部鉆具組合會出現(xiàn)不穩(wěn)定、振動過大、粘滑等問題。本文介紹了指向式和推靠式兩種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向隨鉆擴眼下部鉆具組合在北海、地中海和尼羅河三角洲(埃及)定向井鉆井中的應(yīng)用情況，特別介紹了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向隨鉆擴眼鉆具組合在 w311.1mm(121/4〃)導(dǎo)眼中將實際井徑從330.2mm(13〃)擴大至444.5mm(171/2〃)的施工過程。集成到旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的獨特傳感器可測量近鉆頭井眼井徑、粘滑和振動，鉆井時其鉆臺和遙控中心實時可監(jiān)測井眼質(zhì)量和井下振動，利用這些實時數(shù)據(jù)可優(yōu)化鉆井參數(shù)并提高旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向隨鉆擴眼鉆具組合的性能。從振動、效率、性能、定向目標(biāo)和成本對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向隨鉆擴眼鉆具組合進行了分析，討論了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向隨鉆擴眼技術(shù)的結(jié)構(gòu)組成、作業(yè)方式及其局限性。特制的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)與具有對稱、受力平衡切削結(jié)構(gòu)的擴眼器組合提高了機械鉆速和定向控制效果，同時減少了由擴眼器產(chǎn)生的振動和可能出現(xiàn)的故障。而且，利用其具有的自動定向特性和實時監(jiān)控功能可優(yōu)化定向鉆井參數(shù)。2.先進技術(shù)及其代號這種特別的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)（RSS），在鉆柱（BHA）中使用了一系列新技術(shù)。圖3中A井的BHA為:121/4〃PDC鉆頭+121/4〃近鉆頭穩(wěn)定器+RSS(RST)+電阻率LWD+MWD+12〃鉆柱穩(wěn)定器+2x8〃無磁鉆鏈+1218〃鉆柱穩(wěn)定器+13〃擴眼器+8〃鉆鋌B井的BHA為:121/4〃PDC鉆頭+121/4〃近鉆頭穩(wěn)定器+RSS（RST）+電阻率LWD+聲波LWD+121/8〃鉆柱穩(wěn)定器+MWD+123/16〃鉆柱穩(wěn)定器+14〃擴眼器+8〃鉆鋌鉆頭至擴眼器的距離為39.1m。（C井為21.2m是最短距離）這套特別由RSS系統(tǒng)中，使用了閉環(huán)自動巡航（隨鉆）控制（ACCC）、實時粘卡和振動檢測（RSVD）及其實時報警系統(tǒng)、實時巴掌接觸式井徑檢測儀（RPCC）等先進技術(shù)。在較大尺寸井眼的隨鉆擴眼中達到28.1m/h的高鉆速并獲得優(yōu)質(zhì)井眼（無螺旋狀井眼）幾乎無鉆卡等事故，鉆柱平穩(wěn)低成本等效果。先進技術(shù)及其代號：AFE=AuthorizationForExpenditure核準(zhǔn)的擴大井徑程度BHA=BottomHoleAssembly井底（下部）鉆具組合RPCC=Real-timePad-ContactCaliper實時巴掌接觸式井徑檢測儀Shoe-to-Shoe,自（上一層）套管鞋至（下一層）套管鞋ACCC=AutomatedClosed-LoopCruiseControl，閉環(huán)自動巡航（隨鉆）控制CPS=CountsPerSecond每秒字符數(shù)DC=DrillCollar鉆鋌DLS=DoglegSeverity（degreesper30meters）狗腿嚴(yán)重度（每30米的度數(shù)）DPM=DynamicPressureModule動壓力模式GPM=GallonsPerMinute每分鐘加侖數(shù)（1美加侖/分二0.0631升/秒）LWD=LoggingWhileDrilling隨鉆測井MD=MeasuredDepth測深MWD=MeasurementWhileDrilling隨鉆測量NB=NearBit近鉆頭PDC=PolycrystallineDiamondCompact聚品金剛石孕鋃塊（鉆頭）ROP=DrillingRateOfPenetration鉆速RPM=RevolutionsPerMinute（轉(zhuǎn)盤）每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)RSS=RotarySteerableSystem旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向（鉆井）系統(tǒng)RSVD=Real-timeStick-slipandVibrationDetection實時粘一卡和振（震）動檢測SS%=Stick-slipSeverityinPercentage（ARPM/Mean_RPM*100%）粘卡嚴(yán)重度百分比TD=TargetDepth靶深TVD=TrueVerticalDepth真實垂直深度UR=Underreamer（套）管下擴眼器（出套管區(qū)用投球等方法可使切削刀張開的擴眼器，也稱水力擴眼器）VS=VerticalSection垂直段WOB=WeightOnBit鉆壓3.RSS-UR技術(shù)的發(fā)展與主要優(yōu)點全世界在定向井中使用RSS和UR已越來越多了。用導(dǎo)向馬達和雙中心鉆頭的常規(guī)方法，在通過套管的定向井中擴眼已受到限制。當(dāng)今，復(fù)合使用RSS和UR的BHA已普遍用于定向井?dāng)U眼的需求。井身結(jié)構(gòu)尺寸小的套管程序的套管變向器或在落魚附近重鉆新眼都已普遍使用RSS-UR技術(shù)。與雙中心鉆頭相關(guān)的常見復(fù)雜問題是：①方向控制能力差；②在軟地層中不能連續(xù)保持定向效果；③鉆速低；④嚴(yán)重的振（震）動和不規(guī)則的螺旋狀井眼。所有這些復(fù)雜問題導(dǎo)致需要尋求新的井眼擴徑方法，具有把井徑擴大到超過已下套管尺寸（內(nèi)徑）的能力。RSS-UR隨鉆擴眼已成為解決這些問題的新技術(shù)。SPE/IADC67760（2001年）報導(dǎo)了第一個隨鉆擴眼的工程應(yīng)用。RSS-UR技術(shù)的主要優(yōu)點如下：①在一趟鉆中自上一層套管鞋隨鉆擴眼到下一層套管鞋（Shoe-to-Shoe）；②具良好的LWD質(zhì)量和保持連續(xù)旋轉(zhuǎn)（指不必關(guān)掉轉(zhuǎn)盤）；③克服過去在定向井?dāng)U眼中遇到的各種麻煩和復(fù)雜問題；④井眼質(zhì)量好，下鉆和下套管均一次成功；⑤自動閉環(huán)巡航隨鉆控制（ACCC）和控斜模式能夠有效垂鉆和控斜鉆進；⑥在線的實時粘滑和振動檢測儀（RSVD）把橫向、軸向和粘滑等測量信息傳送給地面作業(yè)者以監(jiān)視UR-BHA穩(wěn)定性。主要技術(shù)內(nèi)容旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)（RSS）使用了推靠式（push-the-bit）和指向式（point-the-bit）兩類RSS。這種特別的RSS,push-the-bit常用在難以定向控制的環(huán)境需求，point-the-bit用于（較易定向的）小狗腿角（造斜率?。┚砥拭嬷?。不旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)（如Auto-trak）的控制導(dǎo)向結(jié)構(gòu)由3個獨立的、水力導(dǎo)向巴掌（pad）組成。3個巴掌全接觸井壁。調(diào)節(jié)巴掌一活塞可實現(xiàn)工具面方向和偏置量的變化。巴掌的伸出狀況用位置傳感器測量并反饋給控制者。在point-the-bit模式中，在導(dǎo)向單元前面安置一個全徑近鉆頭穩(wěn)定器，按所要求的導(dǎo)向方向作為支點和使（軸）翻轉(zhuǎn)傾斜并“撬起”（tilt）鉆頭。還利用全徑穩(wěn)定器來減弱由鉆頭產(chǎn)生的部分振動。因為鉆頭要被“撬起”到導(dǎo)向方向，所以多種類型的鉆頭都能使用。而在push-the-bit模式中，導(dǎo)向單元是緊靠在鉆頭上方的。偏置導(dǎo)向單元用來推靠鉆頭到所要求導(dǎo)向的方向。所以push-the-bit的RSS需要更深入地分析并選擇鉆頭類型，基于這個要求鉆頭要具有較強的側(cè)邊切削地層（井壁）的能力。因為在導(dǎo)向（偏置）單元上的巴掌給井壁以固定（常值）的力，它們的作用相當(dāng)于一個作用在BHA下部的水力減震緩沖器。當(dāng)導(dǎo)向（偏置）單元處在所要求的位置時，兩個巴掌被鎖定（lock）而另一個巴掌在高壓水力循環(huán)時保持“打開”（自由open）狀態(tài)。這個“浮動巴掌，floatingpad”使得導(dǎo)向工具與井壁保持良好接觸并同時有助于BHA下部減震。偏置導(dǎo)向單元的巴掌與井壁接觸時有少量的摩擦，通常摩擦力為5千磅，它有助于UR-BHA的穩(wěn)定。當(dāng)UR切削硬巖石而鉆頭切削軟巖石時，全部鉆壓可能都施加在UR上，而BHA下部可能處于拉伸狀態(tài)（這時鉆頭上無鉆壓）。這時可能導(dǎo)致劇烈振動、鉆柱渦旋（Whirl），嚴(yán)重時甚至脫扣?？梢源_信，在RSS上這個巴掌（浮動）所承受的常值（水）壓力能有助于BHA的穩(wěn)定。下傳指令程序和自動控斜模式控制井身軌跡的下傳指令用優(yōu)選轉(zhuǎn)數(shù)和排量程序法。（美國專利）這種方法具有3個主要優(yōu)點：1）隨鉆將下傳指令送到井底（不需停鉆）；2）使用轉(zhuǎn)數(shù)編碼下傳指令時，M/LWD數(shù)據(jù)仍可在地面（井口）解碼；3）這種下傳指令方法是經(jīng)濟有效的（因為它使用現(xiàn)有設(shè)備而不需增加設(shè)備）。導(dǎo)向工具工作狀態(tài)的實時井下反饋，給作業(yè)者以成功采用指令的信心，在閉環(huán)條件下RSS能連續(xù)地調(diào)整巴掌的位置。當(dāng)使用這個系統(tǒng)垂鉆和控斜鉆進時可使用巡航控制模式（CC/ACCC），并能自動尋靶，它經(jīng)濟有效，具有節(jié)省鉆機工作時間傳奇之效。RSVD—實時粘一^和振動檢測系統(tǒng)眾所周知，老法的隨鉆擴眼伴隨產(chǎn)生振動。這種特別的RSS設(shè)計了一種在線RSVD系統(tǒng)，可據(jù)以調(diào)變鉆進參數(shù)以減輕井下疲勞損壞。這種實時警報系統(tǒng)是適應(yīng)現(xiàn)代鉆井挑戰(zhàn)的需要而研發(fā)的，能幫助實現(xiàn)在一趟鉆中從上層套管鞋鉆到下層套管鞋（Shoe-to-shoe）。在RSS中設(shè)置的振動傳感器能檢測鉆柱的扭轉(zhuǎn)、橫向和縱向三種振動。因為這些傳感器被集成組裝在RSS中，它們很靠近鉆頭并可檢測出有可能導(dǎo)致井下工具損壞的振動慣量。再者，MWD工具被安放在緊靠擴眼器和穩(wěn)定器下面，以監(jiān)測由擴眼器產(chǎn)生的振動并將振動信號實時傳送到地面。RPCC一實時巴掌-接觸井徑儀這種特別的RSS的另一獨特功能是有一個實時巴掌一接觸井徑儀（RPCC）測量工具。每個巴掌都有一個內(nèi)部活塞測量傳感器。從三個巴掌傳感器得到的信息被送達在線處理器并計算出緊靠鉆頭處的井徑。近鉆頭井徑信息實時傳到地面。隨鉆井徑測值是這種特別的RSS的獨特點之一。它非常有用（略）。實時井徑測值的另一優(yōu)點是它關(guān)系到擴眼器的工作，它能靠擴眼器是否在有效工作以便及時調(diào)整。鉆頭、同心擴眼器和下部鉆具組合（BHA）如圖2所示的三個商業(yè)化通用的、張開/收縮式擴眼器（賣方A、B、C）已經(jīng)與RSS配合使用了。同心擴眼器比偏心擴眼器穩(wěn)定。這三種擴眼器刀片都是水力伸縮的（投球）。在RSS鉆的121/4〃導(dǎo)眼中可將井徑擴大到13〃至171/2〃。每次下鉆要選好PDC鉆頭和刀片式水力擴眼器。例如A井使用6翼PDC鉆頭，它有16mm的切削刃（并2.5〃的超徑值），UR（賣主A）有3個具13mmPDC切削刃的切削元件。在北海、地中海和尼羅河三角洲使用不同的BHA（圖2、3）。應(yīng)用實例（5口井）見圖4~18（文字略）

AFE=AutiiOfimtiaiiFavExp&idini?'&=SoftoolHaleAssembly=Dagieg、絆時迨，(degreespc?'W您e仞SDPM=D\牌gwic興'sssnj'eModuleGPM= GaHa^s戶創(chuàng)■MixtiteLWD=Logging D?'iUi^gMD=Measu?以Depffi=Mensu?'的刎rgilcD?NB=NearBitPDC= Pahc?')srn///.<■￡?Diamo^dCojnpncrROP= Rg悟OfPe^etJ官rfo??RPM=Re\ai^fio^s%.fMM*RSS=Rm門Stc&'ablcSystemRSI7D=Rcal-ti^eStick-shpmdVibrationD&tecno^SS%=Stick-slipSeverityinPercentage(ARPAf/Meafi_RPM*100%)ID=T。?、睥D劍*TVD=T?、.wVevdcaiDepth以=l標(biāo)心'必睥Frs=Ve.vticalSectiaiiWOB=WeightOnBirPJEESLreSen?rWrt?eDatalieOp-jcralAl-bllIncInaTin,RFWandGamma=adeA-GS-embfji'Real-HmsPad-DonladCalt>E-rExtremesandHydr^Its;l.e.inElnEmewT-?TSk：RS'/DSywe-mRoiailcrand>'tcalbnBtnwT；InternilFloJrt1:The12HB-hnfe?5ze旬％In盤wrb-lhe-^:ccnlgurslcrThe旬B濟口moketsImsIT2.STielen曲打心Ihebit]hfttpclnl-ifc-tllRSS.Thenear-ohRFCCtsmea-sured2.11metersrl"eUl.OpHaina]^,己Fa^Zome^teEl^nmoduMIs-pai:±d司rl"eUtrtrrclralcnRFkfl-s^dGsnrimaFLsymei^umrienl.Undem-amprGA.BorCFIqjfd2:Thnw：cofrirercjadfe-^valla^ertfysl「口D5n?nWcuntjer"S3ref&n/tTidaiTs代Barc]C|>Emb*=qumdInEmblnsimAllhUieonePL5h^he-tJtRS3.TtieRSBcar&econlflLTdInellherwaycepftTdirffLpon1ne 氣DLBTquliwtnls-arlkrm&iiinslrergli.BHftA日HKBBHACBHACBHAEWallA加IIBWEilCWallDW&IIEIn■:h'二廿Ita,MThite「ot2?-!araNRD?la:?Fqur。舀：c-srlc.iEH':cr^gbrankr:d=l=rrrclh= cJura?r^car?r匚acsmsrt5allEHAlaJjcrslghUyund?rgaL^?wIt】tTfi?IzcrInrcc: r.-idr=z:yD：b?(fc'.rc^Tta^srx。毛vk*mtItzaU^nhTTSdIc:I"cc12"x13”RSSUnderreamerRuninWellA4Kn12D0-16M-nu-TEHrn-qQ-WJ一ESA最日F-Figure4:Comparisonplotofexisting(blueandred}versusdrilled(magenta)wellpathfromCustomerWeIA.12.EQ12.3512.30122512.3012ISI2.D51245124d12%,rx13”RSS:Vibrationvs.CaliperinWellA12%3,x13,sAutomatedSteeringat49.85°INCinWellA□00陽上如——hcJSE：|WWW ?呷，兩再VV4的后■-晌.412D0禺一EEEL富言-ru■::■田-EEcdLI.SLiENLu■信耳?二rJL—fmLJ色京LI?mfr二芝|_|?巖二客-巴asu,肖e!B甘的Figure5:Near-bit(NB)InclinationanddownholeRPMmeasuremems.AutomatedSzeeringMademsntainedtheNBinclnation(lnc_RSS)a:49 ±0.2\I:isnotcedthatnear-bi:RPMresDonsewasverysmoothwhiledrillingat150RPM.Figure6:Lateral&axialvibration,stick-siipandnear-bitcaliperinWellA.Verylittlevibration(Vil)XY&VibZ)andnostick-slip(SS)reo!)sen'edwhiledrillingaheadat150RPMLow-:o-Mediumlateralvhradonseverity(between0and5)wasdetectedorioraconnsctian.

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