旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)研究新進展

熊繼有 溫杰文 榮繼光 李宬曉

“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室·西南石油大學(xué)

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)研究新進展

熊繼有 溫杰文 榮繼光 李宬曉

“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室·西南石油大學(xué)

井下旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的核心部件,從應(yīng)用情況來看,指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具是發(fā)展的趨勢。為解決在鉆大位移井、水平分支井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井時出現(xiàn)的種種難題以及國內(nèi)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的“瓶頸”問題,將理論與實踐相結(jié)合,對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀做了分析;介紹了目前國內(nèi)外運用比較廣泛且典型的推靠式MRST和指向式Geo-Pilot井下閉環(huán)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具。在大量調(diào)研和文獻分析的基礎(chǔ)上,提出了研制與Geo-Pilot有所不同的新型指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的思路,并著重論述了其結(jié)構(gòu)與導(dǎo)向原理,總結(jié)出該指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的特性與優(yōu)點,提出了下一步的研究重點、難點與方向。

水平井 大位移井 推靠式 指向式 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井 偏置機構(gòu) 穩(wěn)定器 電子馬達

0 引言

近十幾年來,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,以及鉆井工藝對提高效率、降低成本、提高在惡劣環(huán)境和復(fù)雜地質(zhì)條件下鉆井能力等的要求,國內(nèi)外紛紛開展了對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的研究。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)是一項尖端的自動化鉆井新技術(shù),國外鉆井實踐證明,在水平井、大位移井、大斜度井、三維多目標井中推廣應(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 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前國外三大石油公司Baker Hughes、Schlumberger和 Halliburton通過各種方式分別形成了其各自商業(yè)化應(yīng)用的 PowerD rive SRD、Auto Trak RCLS和Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng),這3個系統(tǒng)的根本區(qū)別是井下鉆井工具各不相同,這也充分說明了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的核心。前面兩種系統(tǒng)可歸類為一種系統(tǒng)即推靠式(push-the-bit)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng);而后一種屬于指向式(point-the-bit)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)[1]。

國內(nèi)開展這方面的研究工作較晚。20世紀90年代才全面展開這方面的研究工作,2006年以蘇義腦院士為首的技術(shù)團隊研制成功了CGDS-1近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向旋轉(zhuǎn)鉆井系統(tǒng),在冀東、遼河等油田應(yīng)用15口井。另外,以張紹槐教授為首的研究團隊,近年來與中國石化勝利油田合作,在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井方面也取得了突破性的成果。但大多研究在推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井居多,指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井的研究在國內(nèi)還處于“瓶頸”狀態(tài)。

2 典型井下閉環(huán)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具

2.1 M RST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1)。由于其鉆柱與井壁之間不存在靜止點,因此,在鉆井過程中更可體現(xiàn)旋轉(zhuǎn)鉆井的優(yōu)越性[1]。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)定平臺控制的。當需要最大導(dǎo)向力時,穩(wěn)定平臺控制軸就帶動上盤閥旋轉(zhuǎn),使上盤閥穩(wěn)定在預(yù)定方向,控制上盤閥高壓孔方向恒定。在鉆柱旋轉(zhuǎn)過程中,每個“巴掌”依次在該方向附近伸出拍打井壁,導(dǎo)向機構(gòu)對井壁的作用力就是這些拍打力的合力。這個合力的反力就是鉆柱受到的導(dǎo)向力,方向沿著上盤閥預(yù)定方向的反方向。當不需要導(dǎo)向時,穩(wěn)定平臺帶動上盤閥以和鉆柱具有不同的某一轉(zhuǎn)速勻速轉(zhuǎn)動,這時“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,此時導(dǎo)向工具呈中性工作狀態(tài),達到穩(wěn)斜效果。M RST液壓控制閥采用上、下盤閥結(jié)構(gòu),上盤閥與穩(wěn)定平臺控制軸相連接,它只有一個弧形長孔形狀的高壓閥孔。下盤閥與鉆柱本體連接,隨M RST外殼及鉆柱一起旋轉(zhuǎn),它有3個互成120°圓心角的等直徑低壓孔(泄流孔),見圖2。

圖1 調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具圖

圖2 液壓控制上、下盤閥圖

2.2 Geo-Pilot的組成及工作原理

Geo-Pilo t[2-3]是一種不旋轉(zhuǎn)套式導(dǎo)向工具(圖3),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行導(dǎo)向,而是靠不旋轉(zhuǎn)套與萬向短節(jié)之間的一套偏心機構(gòu)使萬向軸偏置,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。該機構(gòu)由幾個可控制的偏心環(huán)組合而成,當井下自動控制完成偏心環(huán)組合之后,該機構(gòu)將相對于不旋轉(zhuǎn)套固定,從而始終將萬向軸向固定方向偏置,為鉆頭提供一個方向固定的傾角。

圖3 Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具圖

3 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

從應(yīng)用情況來看,指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具能夠更好地對井斜和方位進行控制,具有更長的壽命,指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)是發(fā)展趨勢[2]。筆者經(jīng)過大量調(diào)研和相關(guān)文獻的分析,提出新型指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具與Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具有些不同,并且還結(jié)合了少許推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的特性。

3.1 底部鉆具組合(BHA)

圖4 新型指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具BHA結(jié)構(gòu)簡圖

新型指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具BHA結(jié)構(gòu)(圖4)由4個部分組成,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、存儲器、螺線型電導(dǎo)管、隨鉆測量儀(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5)包含兩個尤為重要的組成部分:一個是近鉆頭穩(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;另一個是水力偏置機構(gòu),也可看著是一個特殊的“穩(wěn)定器”,因為它是由不旋轉(zhuǎn)外套筒、電子馬達和放射狀偏心環(huán)組成,并且在不旋轉(zhuǎn)外套筒上安裝有3個水力驅(qū)動“巴掌”,旋轉(zhuǎn)中心軸位于不旋轉(zhuǎn)外套筒內(nèi)依次穿過偏置系統(tǒng)和近鉆頭穩(wěn)定器。動力模塊電子馬達位于中心軸和不旋轉(zhuǎn)套筒之間與控制電路相連[4-7]。

圖5 新型指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具圖

3.2 導(dǎo)向原理

正常情況下,中心軸與外套筒中心線重合(圖6-Ⅰ)。鉆井的過程中,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?比如:井斜、方位),然后經(jīng)由螺線形電導(dǎo)管傳輸給動力模塊電子馬達,電子馬達給放射狀水力偏置系統(tǒng)提供動力[5-6,8],安裝在不旋轉(zhuǎn)套筒外部的“巴掌”伸出與井壁接觸,同時安裝在其內(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6-Ⅱ)。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,為鉆頭提供一個方向的固定的傾角,從而使鉆頭的鉆井方向發(fā)生改變,對井斜和方位進行糾正(見圖6-Ⅲ)。其中,鉆頭偏移角度不僅可調(diào),而且在鉆井過程中將鉆桿傳遞的扭矩和鉆壓實時傳遞給鉆頭。同時,控制電路把信號轉(zhuǎn)化成泥漿脈沖信號,上傳給地面控制系統(tǒng)進行分析。其導(dǎo)向原理如圖7所示。

圖6 新型指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具導(dǎo)向流程圖

圖7 新型指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具導(dǎo)向原理簡圖

4 新型指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的特性與優(yōu)點

1)穩(wěn)斜作業(yè)時,360°全方位計量、監(jiān)測,能實時地得到近鉆頭井徑大小,使得樞軸穩(wěn)定器能保證旋轉(zhuǎn)鉆進不偏心,降低近鉆頭振動,達到穩(wěn)斜目的。

2)連續(xù)、平滑鉆進保證了井眼質(zhì)量和井身軌跡的規(guī)范。

3)導(dǎo)向作業(yè)時,樞軸穩(wěn)定器給鉆頭提供一個固定的支點以便指向鉆頭順利完成導(dǎo)向,并且支點離鉆頭的距離越近鉆頭獲得的指向力就越大。在鉆軟地層時,電子控制模塊內(nèi)的幾何算法會使鉆頭的側(cè)削和傾斜作用適度,防止其超過極限值;相反,在作用于硬地層時,該工具施予鉆頭一個最大的指向力以獲得預(yù)設(shè)的偏角(地質(zhì)導(dǎo)向直接中靶)[5]。與該指向式鉆井工具配套使用的鉆頭為一種“環(huán)布”式的新型PDC鉆頭,不容易出現(xiàn)卡鉆,研磨能力強,壽命較長。

5 新型指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具今后研究的重點、難點及思路

在鉆井過程中,由于鉆井工具處在井下高溫、高壓的工作環(huán)境中,并伴有腐蝕、沖蝕、振動等,其工作環(huán)境和工作條件異常惡劣,給井下鉆井工具的研究和設(shè)計帶來相當?shù)碾y度。針對目前指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具現(xiàn)狀存在的不足,提出了如下的研究方向:①指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具中心軸三維結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析,建立三維力學(xué)模型;②指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具控制軸強度和剛度有限元分析及計算,振動模態(tài)分析;③指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具偏置機構(gòu)力學(xué)模型建立及仿真分析;④指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的下部鉆具組合力學(xué)分析;⑤指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計;⑥與指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具配伍的鉆頭優(yōu)選。

6 結(jié)論

1)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)是一個集機、電、液于一體的閉環(huán)自動控制系統(tǒng),并以旋轉(zhuǎn)鉆井為其技術(shù)特征,旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具是整個導(dǎo)向系統(tǒng)的核心,而指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具是未來的發(fā)展趨勢,其在減少井下摩阻、提高鉆探能力和控制精度方面具有獨特的優(yōu)勢。

2)認識、了解和掌握旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的特性和工作原理,并介紹了目前在國際上應(yīng)用比較廣泛的推靠式M RST和指向式Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具。

3)提出了研制與 Geo-Pilot有所不同的新型指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具,并著重分析了其結(jié)構(gòu)與導(dǎo)向原理,總結(jié)了其特性和優(yōu)點,提出了今后研究的重點、難點及思路。

4)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的優(yōu)越性顯而易見,但目前還有許多技術(shù)難題有待解決,發(fā)展?jié)摿艽?需進一步研究。

[1]李俊,倪學(xué)莉,張曉東.動態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具設(shè)計探討[J].石油礦場機械,2009,38(2):63-66.

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New progress in the research of rotary steerable drilling technology

Xiong Jiyou,Wen Jiewen,Rong Jiguang,Li Chengxiao
(State Key Laboratory for Oil&Gas Reservoir Geology and Ex p loitation,Southw est Petroleum University, Chengdu,Sichuan 610500,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 4,pp.87-90,4/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

Rotary steerable drilling tools are the core component of rotary steerable drilling system.Acco rding to the p resent application,point-the-bit is the development tendency of ro tary steerable drilling system.To solve those p roblem s in extended reach wells and ho rizontalmulti-branch wells and ease the"bottleneck"of domestic point-the-bit of rotary steerable drilling technology,combining theory w ith p ractice,we summarize the rotary steerable drilling technology at home and abroad,introduce two typical and popular bottom hole closed loop rotary steerable drilling tools,namely MRST and Geo-Pilot.Based on considerable investigations and analysisof documents,we develop a new idea fo r the research of a new rotary steerable drilling toolw hich is different from the Geo-Pilot,emphatically analyze its structure and steering p rincip le,summarize its traits and advantages,even p resent the focus,challenges and o rientation of further investigation in the next step.

horizontal well,extended reach well,push-the-bit,point-the-bit,rotary steerable drilling,eccentric system,stabilizer, electronic pump.

國家自然科學(xué)基金項目“西部油氣深井物理法隨鉆防漏堵漏研究”(編號:90610013)。

熊繼有,1951年生,教授,博士生導(dǎo)師;1978年畢業(yè)于原西南石油學(xué)院;從事鉆井工藝技術(shù)、射流理論與應(yīng)用技術(shù)、鉆井動力學(xué)等方面的研究工作。地址:(610500)四川省成都市新都區(qū)。電話:(028)83032923。E-mail:xiongtang2002@yahoo.com.cn

熊繼有等.旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)研究新進展.天然氣工業(yè),2010,30(4):87-90.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.04.022

2009-12-23 編輯 鐘水清)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.04.022

Xiong Jiyou,p rofessor,was born in 1951.He holds a Ph.D degree,being mainly engaged in drilling technology,jet theory and jet app lication technology,and drilling dynamics research.

Add:No.8.Xindu Avenue,Xindu District,Chengdu,Sichuan 610500,P.R.China

Tel:+86-288303 2923 E-mail:xiongtang2002@yahoo.com.cn