《2-201005010214屈雄伟》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2-201005010214屈雄伟（26页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、Baker Hughes公司旋转导向钻井技术综述摘要：旋转自动导向钻井技术是 90 年代初才发展起来的一项自动化钻井新技术。进入 80 年代以来, 世界上各油田相继进入开发后期, 油藏开发难度逐渐增加, 油藏开发形势、油藏地质条件等因素对钻井的要求越来越苛刻; 特别是 90 年代中期石油价格持续低迷, 给石油工业带来了更严峻的挑战, 钻井行业首当其冲成为迎接挑战的前锋。针对这一问题, 国外从 80 年代末期开始进行旋转自动导向钻井系统的理论研究。Baker Hughes 公司的自动旋转导向钻井工具完全解决了旋转钻井的导向问题 , 自动化程度高 , 配有随钻测井短节 , 可以实现地质导向 , 并
2、已在多口井中实施了商业化使用。现有的滑动式导向钻井工具在定向钻井 , 特别是在大位移井及长距离水平井的使用中暴露出不少缺点与不足。自动旋转导向钻井工具可以弥补这些缺点 , 是目前定向钻井工具发展的一个热点及方向。据此介绍美国Baker Hughes公司的自动旋转导向钻井工具的结构原理及特点。自动旋转导向钻井的关键技术和解决方法的突破以及目前存在的问题及可能解决的办法。目录一对Baker Hughes公司旋转导向钻井技术综述的说明 1.旋转导向钻井技术概述 2.旋转导向钻井系统的特点 3.调制式旋转导向钻井系统工作原理4 Baker Hughes 公司的自动闭环旋转导向工具5.旋转导向钻井系统分
3、类6.旋转导向钻井工具二.1.国际上已经投入使用的旋转导向钻井系统 2.他们各自取得了什么成就 三. 旋转导向钻井系统关键技术研究四1.最新型RSS系统的介绍2.前存在的问题及可能解决的办法一对Baker Hughes公司旋转导向钻井技术综述的说明1. 旋转导向钻井技术概述到目前为止，定向钻井技术经历了三个发展阶段：（1）利用造斜器(斜向器)定向钻井；（2）利用井下马达配合弯接头定向钻井；（3）利用导向马达(弯壳体井下马达)定向钻井。这三种定向钻井工具的广泛使用，促进了定向钻井技术的快速发展，使得今天人们能够应用斜井、丛式井、水平井、水平分支井技术开发油田。 随着石油工业的发展，为了获得更好的
4、经济效益，需要钻深井、超深井、大位移井和长距离水平井，而且常常要在更复杂的地层如高陡构造带钻井。这些都对定向钻井工具提出了更高的要求。 为了克服滑动导向技术的不足，从20世纪80年代后期，国际上开始研究旋转导向钻井技术，到20世纪90年代初期多家公司形成了商业化技术。旋转导向钻井系统实质上是一个井下闭环变径稳定器与测量传输仪器（MWD/LWD）联合组成的工具系统。它完全抛开了滑动导向方式，而以旋转导向钻进方式，自动、灵活地调整井斜和方位，大大提高了钻井速度和钻井安全性，轨迹控制精度也非常高，非常适合目前开发特殊油藏的超深井、高难度定向井、水平井、大位移井、水平分支井等特殊工艺井导向钻井的需要。
5、2.旋转导向钻井系统的特点1.在钻柱旋转的情况下，具有导向能力；2如果需要，可以与井下马达一起使用；3配有全系列标准的地层参数及钻井参数检测仪器；4配有地面井下双向通讯系统，可根据井下传来的数据，在不起钻的情况下从地面发出指令改变井眼轨迹；5工具设计制造模块化、集成化；6可以在150以上的高温井中使用；7定向钻井时不需要特殊的钻井参数，就可以保证最优的钻井过程；8导向自动控制，以保证准确光滑的井眼轨迹。3.调制式旋转导向钻井系统工作原理调制式旋转导向钻井系统主要包括地面监控系统、双向通讯系统、井下工具系统、井下测量系统及短程通讯系统等五部分，如图3所示。地面监控系统的主要功能可概括为以下三个方
6、面：（1）随钻监测旋转导向钻井工具在井下的工作状况，此即所谓的“监”；（2）当实钻井眼轨迹偏离了设计轨道，能够及时分析和计算出轨迹的偏离程度，设计出新的待钻井眼轨道，并产生使旋转导向系统按新的井眼轨道钻进的控制指令，此即所谓的“控”；（3）把设计井眼轨道和实钻井眼轨迹以及其它相关的重要参数可视化地显示出来，便于现场工程技术人员直观地掌握和分析钻头所在位置以及旋转导向钻井工具对井眼轨迹的控制情况。图3 旋转导向钻井系统原理示意图井下测量系统主要由随钻测量系统和工具测控系统两部分组成。随钻测量系统主要用于测量井眼轨迹几何参数和地质参数，如井斜角、方位角、工具面角、自然伽马、电阻率等。此外，由于调制
7、式旋转导向钻井系统在钻井过程中一直处于全旋转工作状态，因此，作为井下工具系统测控部分的稳定平台测量系统是保证实现旋转导向钻井的关键，稳定平台首先通过自身的测控系统在旋转钻柱内与大地保持相对静止，然后完成对井斜角、方位角及工具面角的测量，从而实现对井下工具的实时空间姿态测量。双向通讯系统首先是将井下测量信息，通过上行通讯系统传至地面，上传数据包含两部分： MWD测量的实钻井眼轨迹参数； 井下工具系统自身测量的近钻头轨迹参数和有关旋转导向井下工具工况的参数。上传至地面的数据可通过通讯电缆或数据传输线直接传到地面监控计算机。现场工程师利用地面监控系统可对设计井眼轨道与已钻井眼轨迹进行比较，然后通过下
8、行通讯系统发送控制指令到控制机构，实现对井眼轨迹的实时监控。研究开发的调制式旋转导向井下工具系统主要由稳定平台测控短节、偏置导向执行短节等两大部分组成。偏置导向执行短节主要包括液压分配机构、翼肋伸缩机构及对应的高/低压孔。翼肋伸缩机构的伸缩由钻柱内外的钻井液压差提供动力，并由液压分配机构分配。液压分配机构为一盘阀系统，它主要由上、下盘阀组成。上盘阀由稳定平台的控制轴控制，不随钻柱转动，其上有弧形高压孔。下盘阀与钻柱本体连接，并随钻柱一起旋转，上面有三个沿周向均匀分布直径相同的低压孔，三个低压孔分别与伸缩翼肋的液压腔相通。需要导向时，高压钻井液由上盘阀高压孔控制进入下盘阀某一低压孔，并经下盘阀低
9、压孔进入相连的支撑翼肋液压腔，该支撑翼肋将被高压钻井液推动支撑于井壁，产生导向力。当下盘阀随钻柱一起同步旋转时，其上的3个低压孔将依次与上盘阀高压孔接通，与其相连的支撑翼肋也将依次在预定位置伸出，产生预定方向的导向合力。该合力方向称为工具面，由稳定平台根据导向需要确定，并由控制轴控制。井下工具测控系统与MWD（LWD）随钻测量系统数据之间的交换由井下短程通讯系统完成。现场工程师通过地面处理系统了解井下工具测控单元对下传指令的接收/解码情况（导向方向、解码的正确性和井下工具系统实际的执行情况等）。同时地面处理系统通过对井眼信息的计算处理，形成实钻井眼轨迹数据，并进一步计算出井下工具系统的实际造斜
10、率。这两项结合在一起可以得出井下工具系统的实际导向能力。同时，根据实钻井眼轨迹数据进行井眼轨道校正设计，得出下一步进行导向钻井所需要的导向能力和导向方向的参数。上述经过地面系统处理得到的井下工具系统的实际造斜率与经过井眼轨道校正设计得到的下一步继续进行导向钻井所需要的导向能力和导向方向，将代替闭环控制系统最初的输入参数，用于设定新的工具系统的参数。对该新的工具系统设定参数进行编码、下传，指导井下工具系统进行新的旋转导向钻进，从而实现“大闭环”控制。4 Baker Hughes 公司的自动闭环旋转导向工具1993年 , Agip. S. P. A 和 Baker Hughes Inteq开始开发
11、和研制旋转导向工具。工具包含地面与井下的双向通讯系统、导向系统和LWD(随钻测井)系统三个部分。(1) 地面与井下的双向通讯系统此系统可使操作者能在不停钻的情况下 , 用钻井液脉冲从地面向井下工具发出指令改变井眼轨迹、造斜率、方位改变率及降斜率等 , 指示井底发射器有选择地发送需要的信息。为了能使地面指令向下传输, 开发了一项通过在井上调制排量来向下传递命令的新技术立管上安装一个旁通触发器, 可在地面把部分钻井液送回钻井液池, 相应的流量变化导致井下发电机的电压变化, 这样加载了信息的排量变化顺序就送到井下并在井下得到解释。它可以把地层参数、井下温度、井眼轨迹参数、井底压力及工具的运行状态等数
12、据用钻井液正脉冲传输到地面, 并在地面接收译码。此工具的上传数据采用了已经成功应用20多年的MWD中的井下遥控脉冲发射器。(2)导向系统在井下构成一个闭环自动控制系统 可以在没有地面技术人员干预的情况下自动控制井斜和方位。导向工具的执行机构有一不旋转导向套 , 中轴从导向套中间穿过与钻头连接 , 带动钻头随钻柱一起旋转 , 导向套与中轴通过轴承连接。3个可伸缩棱块布置在导向套中 , 棱块由3个独立的液压活塞驱动 , 由液压阀控制有选择地伸出 , 压靠在井壁以产生需要的导向力 , 液压阀可以调节每个活塞内的压力 , 根据力的合成原理 , 不仅可调节导向力的大小 , 还可把导向力调节到任意方向 ,
13、 所以此工具既可调节井眼轨迹方向 , 又可调节造斜率的大小 , 液压阀又是受井下微处理器的控制。导向套内还有各种传感器 , 可测量井斜角、方位角及工具的工作状态。图 1、2 分别为 Baker Hughes 公司旋转导向工具导向原理与结构示意图。实际上,不旋转导向套会因钻压、转速的不同而有所旋转 , 大约每半小时旋转 23 周。因此, 设置了电子检测装置时刻测量导向套的相对位置 , 然后由井下微处理器调整各个活塞内的压力。这样 , 液压导向力也会随导向套的旋转作相应调整 , 保证导向力的大小及方向不会因导向套的转动而改变。在钻井时该系统可以设置两种钻进模式。保持模式。这种模式可使井眼轨迹保持一
14、定的井斜角和方位角。它在井下微处理器中设有造斜力或降斜力、变方位力、井斜角和方位角3个参数。若井眼轨迹与预定的井斜角或方位角发生偏差 , 井下微处理器将用设定好的造斜力或变方位力来修正井眼轨迹 , 直到恢复预定的井斜角和方位角。设定造斜力和变方位力主要是为了控制井眼狗腿度。保持模式可同时施加造斜力和变方位力。导向模式。这种钻进模式如同利用导向马达滑动钻进方式 , 可控制井眼轨迹的变化。须设置导向棱块产生合力矢的大小和方向两个参数。合力矢的方向相当于弯壳体马达的工具面角。合力矢的大小是为了控制井眼轨迹的变化率。与导向马达相比 , 该旋转导向工具能更精确地控制井眼轨迹 , 钻头侧向力和井眼狗腿度可
15、由闭环系统连续控制。(3) LWD(随钻测井)系统，该系统能够使钻头得到精确的地质导向 , 并取代了有线测井。它还具有GAMMA测井和电阻率测井功能。5.旋转导向钻井系统分类旋转导向钻井系统的核心是井下旋转导向钻井工具系统。按照国际惯例，目前的旋转导向钻井井下工具系统，根据其导向方式可以划分为推靠式（Push the Bit）和指向式（Point the Bit）两种（见图1）。推靠式是在钻头附近直接给钻头提供侧向力，指向式是通过近钻头处钻柱的弯曲使钻头指向井眼轨迹控制方向。钻头倾角侧向力推靠式指向式偏置机构图1 旋转导向钻井工具系统导向方式示意图图2 两种偏置工作方式对比旋转导向钻井系统的工作机理都是靠偏置机构（Bias Units）分别偏置钻头或钻柱，从而产生导向。偏置机构的工作方式又可分为静态偏置式（Static Bias）和动态偏置式（Dynamic Bias）（即调制式（Modulated）两种，如图2所示。静态偏置式是指偏置导向机构在钻进过程中不与钻柱一起旋转，从而在某一固定方向上提供侧向力；调制式是指偏置导向机构在钻进过程中与钻柱一起旋转，依靠控制系统使其在某一位置定向支出提供导向力。综合考虑导向方式和偏置方式，可以将目前世界上所有的旋转导向钻井系统的井下工具系统按其工作方式更全面、准确地分为三种，即静态偏置推靠式、调制式（动态偏置推靠式）和静态偏置指向式，其代
