旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)應(yīng)用研究及其進(jìn)展

鄧元洲（四川川慶石油鉆采科技有限公司， 四川 德陽 618300）

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旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)應(yīng)用研究及其進(jìn)展

鄧元洲（四川川慶石油鉆采科技有限公司， 四川 德陽 618300）

摘要：近年來，隨著我國油氣業(yè)的發(fā)展，對(duì)鉆井技術(shù)的研究也越來越深入。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)是一項(xiàng)先進(jìn)的自動(dòng)化鉆井技術(shù)，經(jīng)實(shí)踐研究證明，在水平井、大斜度井、大位移井以及三維多目標(biāo)井的鉆井作業(yè)中應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)可以大大提高作業(yè)效率和速度、降低作業(yè)成本，同時(shí)也十分安全可靠，能夠減少鉆井安全事故的發(fā)生。本文主要探討了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的應(yīng)用及其進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)；鉆井；應(yīng)用；進(jìn)展

在油氣田勘探開發(fā)過程中，鉆井技術(shù)非常重要，只有滿足了相應(yīng)的鉆井技術(shù)要求，才能夠提高油氣開采效率，獲得更大的產(chǎn)能。目前的鉆井作業(yè)對(duì)井眼軌跡的要求越來越高，在此背景下，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。我國對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的研究起于“九五”期間，直至“十一五”期間順利完成了這項(xiàng)研究。以下筆者就根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料及實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)來談?wù)勑D(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的應(yīng)用及其進(jìn)展。

1 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究

（1）總體方案 經(jīng)改進(jìn)后的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了測(cè)量和軌跡控制這兩大功能。以MWD井眼參數(shù)測(cè)量為基礎(chǔ)，在測(cè)量工具單元上增加了環(huán)空壓力、鉆井鉆壓以及扭矩等的測(cè)量，單元數(shù)據(jù)通過信號(hào)通道實(shí)現(xiàn)了井下與地面之間的連通。可控偏心穩(wěn)定器也是一個(gè)重要單元，它可以用來控制井眼軌跡參數(shù)，為了改變井斜和定位，目前其采用的是液壓推動(dòng)偏心穩(wěn)定器翼肋的伸縮。一般采用RS232總線來連接兩個(gè)單元之間的信息通道，由地面計(jì)算機(jī)等設(shè)備來接收井下數(shù)據(jù)并下達(dá)控制工具指令，將井下上傳的數(shù)據(jù)解碼還原成井下地層和井眼參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)、環(huán)空壓力參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)以及工程參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)。另外，RS232總線還負(fù)責(zé)將地面發(fā)出的井眼軌跡控制指令編碼傳達(dá)給井下工具，再由井下工具根據(jù)指令實(shí)施軌跡控制及導(dǎo)向。

（2）旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具系統(tǒng) 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具系統(tǒng)的井下部分主要是由鉆頭、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具、滾輪穩(wěn)定器、伽瑪短接、電阻率短接、工程參數(shù)短接、柔性短接、MWD以及鉆柱穩(wěn)定器等機(jī)構(gòu)部分構(gòu)成的。

（3）關(guān)鍵部件及單元的測(cè)試 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具系統(tǒng)的各單元經(jīng)過大量測(cè)試后，又專門在鉆井模擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了模擬測(cè)試實(shí)驗(yàn)，在120r/min的轉(zhuǎn)速條件下進(jìn)行連續(xù)測(cè)試證明，三個(gè)翼肋伸出狀態(tài)下工具可達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)。室內(nèi)測(cè)試完畢后再進(jìn)行鉆井測(cè)試，測(cè)試結(jié)果達(dá)到了油氣田測(cè)試的指標(biāo)要求，并且具備實(shí)鉆水平。

2 典型井下閉環(huán)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具

調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具是一種推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具，其鉆柱與井壁之間無靜止點(diǎn)，在鉆井過程中能夠發(fā)揮出更好的旋轉(zhuǎn)鉆井特點(diǎn)。該系統(tǒng)導(dǎo)向力的大小及方向受穩(wěn)定平臺(tái)的控制，若需要最大導(dǎo)向力則穩(wěn)定平臺(tái)會(huì)帶動(dòng)上盤閥旋轉(zhuǎn)，此時(shí)每個(gè)“巴掌”依次拍打井壁，其拍打的合力就是導(dǎo)向機(jī)構(gòu)對(duì)井壁的作用力，而合力的反力則是鉆柱受到的導(dǎo)向力；若不需要導(dǎo)向力則穩(wěn)定平臺(tái)會(huì)帶動(dòng)上盤閥以區(qū)別于鉆柱的轉(zhuǎn)速勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)每個(gè)“巴掌”均勻拍打井壁四周，合力為零，導(dǎo)向工具呈中性工作狀態(tài)。Geo-Pilot是一種不旋轉(zhuǎn)套式導(dǎo)向工具，其導(dǎo)向并非依靠偏心穩(wěn)定器的翼肋，而是依靠不旋轉(zhuǎn)套與萬向短節(jié)之間的偏心機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)是由多個(gè)可控制的偏心環(huán)組合而成的，當(dāng)偏心環(huán)組合完成后機(jī)構(gòu)將相對(duì)于不旋轉(zhuǎn)套固定，以為鉆頭提供方向固定的傾角。

3 新型指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具

根據(jù)實(shí)踐結(jié)果顯示，采用新型指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具可以實(shí)現(xiàn)對(duì)井斜和方位的更有力控制，并且其壽命更長。新型指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具是由水力偏置系統(tǒng)、樞軸穩(wěn)定器、MWD總成以及鉆柱穩(wěn)定器這四個(gè)部分組成的，其中MWD總成又包括存儲(chǔ)器、CPU、螺線型電導(dǎo)管、傳感器、隨鉆測(cè)量儀以及控制電路等。該工具中最重要的兩個(gè)部分當(dāng)屬水力偏置系統(tǒng)和樞軸穩(wěn)定器，前者可以看做是一個(gè)特殊的“穩(wěn)定器”，后者則是一個(gè)由不銹鋼材料制成的擁有四個(gè)螺旋形刀鋒翼肋的連接。一般情況下，在正常鉆井過程中，新型指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具中的控制電路在接收到MWD總成中的井斜和方位等信號(hào)后會(huì)經(jīng)由螺線形電導(dǎo)管傳輸給電子馬達(dá)，然后再由電子馬達(dá)傳輸給放射狀水力偏置系統(tǒng)。而“巴掌”則會(huì)伸出與井壁接觸。在“巴掌”及近鉆頭穩(wěn)定器支點(diǎn)兩方的作用下，鉆頭會(huì)形成一偏角。在偏心環(huán)的作用下，將中心軸向某個(gè)固定方向偏置，可以為鉆頭提供一個(gè)固定方向的傾角，以達(dá)到糾正井斜和方位的目的。鉆頭偏移角度不但可以調(diào)整，并且還可以將鉆桿傳遞的扭矩及鉆壓實(shí)時(shí)傳遞給鉆頭。

4 新型指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的未來發(fā)展方向

新型指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的未來發(fā)展方向主要集中在：進(jìn)一步分析鉆井工具的中心軸三維結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)，并建立三維力學(xué)模型；對(duì)鉆井工具控制軸的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行有限元分析及振動(dòng)模態(tài)分析；建立及仿真分析鉆井工具的偏置機(jī)構(gòu)力學(xué)模型；對(duì)鉆井工具的下部鉆具進(jìn)行組合力學(xué)分析；對(duì)鉆井工具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；優(yōu)選與鉆井工具配伍的鉆頭。

5 結(jié)語

綜上所述，油氣田的勘探開發(fā)離不開鉆井技術(shù)，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)作為一種先進(jìn)的鉆井技術(shù)，其能夠大大提高鉆井作業(yè)效率、降低成本，因此未來仍需進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)該技術(shù)的研究，以使其發(fā)揮出更大的作用。

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作者簡介：鄧元洲（1979- ），男 ，四川蒼溪人，工程師，碩士，主要從事鉆井工作。