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1、第六节第六节 闭环钻井技术简介闭环钻井技术简介1骄阳书苑前言 环指钻井作业过程。闭环钻井是指钻环指钻井作业过程。闭环钻井是指钻井过程的整体优化。井过程的整体优化。 闭环钻井的目标是实现钻井过程的全闭环钻井的目标是实现钻井过程的全面自动化、智能化面自动化、智能化, , 解放钻井人员、提高解放钻井人员、提高整体经济效益。整体经济效益。2骄阳书苑钻钻井井自自动动化化发发展展趋趋势势传统转盘钻具传统转盘钻具螺杆钻具螺杆钻具MWD计算机计算机导向马达导向马达自动化钻井自动化钻井PDC钻头钻头井下遥井下遥控工具控工具195019601970198019902000 2005 2010常规转盘钻井常规转盘钻
2、井喷射钻井喷射钻井最优化钻井最优化钻井定向井定向井丛式井丛式井水平井水平井小井眼井小井眼井多分枝水平井多分枝水平井大位移井大位移井地质导向钻井地质导向钻井自动化钻井自动化钻井3骄阳书苑一、钻井作业自动化的发展过程一、钻井作业自动化的发展过程 钻井作业自动化的发展过程可划分为井下开环、井钻井作业自动化的发展过程可划分为井下开环、井下半闭环、井下闭环和全闭环四个技术发展阶段：下半闭环、井下闭环和全闭环四个技术发展阶段： 1 1、 井下开环钻井阶段井下开环钻井阶段 指井下操作全部由人来完成指井下操作全部由人来完成, , 只有一般的井下测量只有一般的井下测量工具。井眼轨迹的控制只能利用预测技术和更换井
3、底钻具工具。井眼轨迹的控制只能利用预测技术和更换井底钻具组合来进行。井眼轨迹质量差组合来进行。井眼轨迹质量差, , 钻井效率低钻井效率低, , 安全性差。安全性差。 如果井下开环钻井用自动化钻机如果井下开环钻井用自动化钻机, , 就成为地面闭环、就成为地面闭环、井下开环钻井井下开环钻井; ; 否则为地面开环、井下开环钻井。否则为地面开环、井下开环钻井。4骄阳书苑 2 2、井下半闭环钻井阶段、井下半闭环钻井阶段 有较先进的井下测量工具有较先进的井下测量工具( (如如MWD)MWD)，有地面可控的井，有地面可控的井下工具。测量数据向地面传输下工具。测量数据向地面传输, , 经过计算机处理及地面模经
4、过计算机处理及地面模拟拟, , 通过传输通道向井下传送操作指令通过传输通道向井下传送操作指令, , 随后对井下操作随后对井下操作进行控制。进行控制。 与井下开环系统相比与井下开环系统相比, , 测量精度高、实时性强、信测量精度高、实时性强、信息量大。操作指令更大程度上依靠计算机处理得到息量大。操作指令更大程度上依靠计算机处理得到, , 人为人为经验减少。井下可控工具经验减少。井下可控工具( (包括可变径稳定器、可调弯接包括可变径稳定器、可调弯接头、可变弯角井下动力钻具、可伸缩偏心块等头、可变弯角井下动力钻具、可伸缩偏心块等) ) 使得起下使得起下钻操作大幅度减少钻操作大幅度减少, , 钻井效率
5、显著提高。目前许多水平井、钻井效率显著提高。目前许多水平井、定向井都是利用井下半闭环钻井技术完成的。定向井都是利用井下半闭环钻井技术完成的。5骄阳书苑3 3、 井下闭环阶段井下闭环阶段 指井身轨迹控制完全可以离开人的干预指井身轨迹控制完全可以离开人的干预( (特特殊需要时例外殊需要时例外) , ) , 井下信息测量、传输、处理以井下信息测量、传输、处理以及控制指令的产生和执行完全自动进行。有先进及控制指令的产生和执行完全自动进行。有先进的随钻测量工具的随钻测量工具(MWD (MWD 等等) ) 和功能较强的井下可调和功能较强的井下可调控工具。同时控工具。同时, , 必须有性能很好的微电脑必须有
6、性能很好的微电脑( (能承受能承受井下的恶劣环境井下的恶劣环境) )。6骄阳书苑井下闭环钻井作业可分为两类井下闭环钻井作业可分为两类: :(1) (1) 中心电脑放在地面。通常是测量信息通过传输通道传到中心电脑放在地面。通常是测量信息通过传输通道传到地面地面, , 经中心处理机处理后经中心处理机处理后, , 控制指令传给顶部驱动钻机控制指令传给顶部驱动钻机, , 由顶部驱动钻机来改变井下工具的工具面。也可以是中心由顶部驱动钻机来改变井下工具的工具面。也可以是中心电脑发出的控制指令传给井下可控工具电脑发出的控制指令传给井下可控工具, , 从而改变井下工从而改变井下工具的结构参数。具的结构参数。(
7、2) (2) 中心电脑放在井下。随钻测量信息传给井下电脑中心电脑放在井下。随钻测量信息传给井下电脑, , 由井由井下电脑发出控制指令来控制井下可控工具的工作状态。测下电脑发出控制指令来控制井下可控工具的工作状态。测量信息同时传给地面计算机进行模拟研究量信息同时传给地面计算机进行模拟研究, , 用来监测井下用来监测井下作业效果。作业效果。7骄阳书苑4 4、全闭环钻井阶段、全闭环钻井阶段 这是钻井技术发展的最高阶段。井下这是钻井技术发展的最高阶段。井下采用智能化钻井系统采用智能化钻井系统, , 地面监控和操作采地面监控和操作采用规范的自动化系统。地面中心控制计算用规范的自动化系统。地面中心控制计算
8、机控制整个钻井作业系统机控制整个钻井作业系统, , 井下智能钻井井下智能钻井系统则带有独立的井下微电脑。此时系统则带有独立的井下微电脑。此时, , 作作业人员就可全部或大部分从作业环节中解业人员就可全部或大部分从作业环节中解放出来放出来, , 从而实现钻井的整体优化。目前从而实现钻井的整体优化。目前离实现全闭环钻井还有一段距离。离实现全闭环钻井还有一段距离。8骄阳书苑执行机构测量系统控制系统双向通讯9骄阳书苑闭闭环环钻钻井井技技术术的的流流程程框框图图10骄阳书苑二、闭环钻井技术的必要条件二、闭环钻井技术的必要条件 要实现闭环钻井作业的全过程要实现闭环钻井作业的全过程, , 必须必须具备以下六
9、个条件具备以下六个条件: : (1)(1)地面测量地面测量, ,主要包括泥浆录井主要包括泥浆录井, , 钻井参数钻井参数地面测量地面测量; ;(2)(2)井下随钻测量井下随钻测量, , 目前主要采用目前主要采用MWDMWD、LWD LWD 等井下测量工具等井下测量工具; ; (3)(3)数据采集数据采集, , 同时包括地面计算同时包括地面计算; ; 11骄阳书苑(4) (4) 数据的整体综合解释数据的整体综合解释, , 主要包括把测量主要包括把测量数据解释成有用的参数以指导作业数据解释成有用的参数以指导作业, , 同时同时用用“人工智能人工智能”把全世界范围内的专家经把全世界范围内的专家经验应
10、用于井场验应用于井场; ; (5) (5) 地面操作控制自动化地面操作控制自动化, , 把人从钻井作业把人从钻井作业过程中解放出来过程中解放出来; ; (6) (6) 井下操作自动控制井下操作自动控制, , 主要是利用主要是利用“智能智能”型井下工具和自动的井底钻具组合进行型井下工具和自动的井底钻具组合进行控制控制 。12骄阳书苑三、实现闭环钻井的核心技术三、实现闭环钻井的核心技术 油气井钻井将发展为像航天、航海领油气井钻井将发展为像航天、航海领域的自主导弹那样高水平的域的自主导弹那样高水平的“自主钻井导自主钻井导弹弹”和双闭环和双闭环( (井下与地面之间的大闭环及井下与地面之间的大闭环及井下
11、导向工具与井下测量系统之间的井下井下导向工具与井下测量系统之间的井下小闭环小闭环) ) 系统。实现这一目标的核心技术系统。实现这一目标的核心技术主要有：主要有：13骄阳书苑1、先进的导向钻井工具、先进的导向钻井工具 (1) (1) 滑动式导向工具滑动式导向工具 滑动式导向工具是导向作业时钻柱不滑动式导向工具是导向作业时钻柱不旋转旋转( (随钻头向前推进随钻头向前推进, , 钻柱沿井壁轴向滑钻柱沿井壁轴向滑动动) )。目前这类导向工具占主导地位。目前这类导向工具占主导地位, , 主要主要有弯壳体马达有弯壳体马达( (含单弯、同向双弯、异向双含单弯、同向双弯、异向双弯导向马达弯导向马达) )、可调
12、弯接头、可变径稳定器、可调弯接头、可变径稳定器等。等。14骄阳书苑导向钻井系统导向钻井系统滑动导向控制滑动导向控制滑动导向控制滑动导向控制旋转导向控制旋转导向控制旋转导向控制旋转导向控制Q Q（AKOAKO导向马达）导向马达）导向马达）导向马达）可变径稳定器可变径稳定器可变径稳定器可变径稳定器15骄阳书苑16骄阳书苑17骄阳书苑 (2) (2) 旋转式导向工具旋转式导向工具 旋转式导向工具是导向作业时钻柱旋旋转式导向工具是导向作业时钻柱旋转。现有的旋转式导向工具分为两类：转。现有的旋转式导向工具分为两类： 静止式旋转导向工具静止式旋转导向工具( (即导向工具的即导向工具的导向翼肋相对井壁不转动
13、导向翼肋相对井壁不转动) ) ； 可调节式的旋转导向工具可调节式的旋转导向工具( (即在旋转即在旋转过程中实现导向过程中实现导向) )。18骄阳书苑PowerDrive Principle of OperationSide force or push the bit toolPads extend dynamically from a rotating housingCurvature defined by 3 points of contact19骄阳书苑PowerDrive Bias UnitHas 3 pads driven by hydraulic actuatorsActuators
14、 apply lateral force to the bit while always rotating at bit speedPad outPad outPad inPad in20骄阳书苑21骄阳书苑2 2、导向方式、导向方式 不论是滑动式还是旋转式井下闭环钻井系统不论是滑动式还是旋转式井下闭环钻井系统, ,都必须选择合适的导向方式。导向方式主要有两都必须选择合适的导向方式。导向方式主要有两种种: : (1) (1) 几何导向几何导向 主要是以预置的井眼轨迹或井下实时设计的主要是以预置的井眼轨迹或井下实时设计的井眼轨迹为参考量。导向作业时井眼轨迹为参考量。导向作业时, , 将实测的轨迹
15、将实测的轨迹参数与控制参考量作比较参数与控制参考量作比较, , 由控制机构给出合适由控制机构给出合适的控制指令的控制指令, , 从而使钻头沿最优的井眼轨迹钻进。从而使钻头沿最优的井眼轨迹钻进。22骄阳书苑(2) (2) 地质导向地质导向 在拥有几何导向能力的同时在拥有几何导向能力的同时, , 又能根据随钻又能根据随钻测井测井(LWD) (LWD) 得出的地层岩性、地层层面、油层特得出的地层岩性、地层层面、油层特点等地质特征参量点等地质特征参量, , 随时控制井下轨迹随时控制井下轨迹, ,使钻头沿使钻头沿地层最优位置钻进。在预先并不掌握地层性质特地层最优位置钻进。在预先并不掌握地层性质特点、层面
16、特征的情况下点、层面特征的情况下, , 实现精确控制。实现精确控制。 当前导向技术大多是以几何导向为特征。对当前导向技术大多是以几何导向为特征。对于一些油层变化不大、油层较厚、对地层性质特于一些油层变化不大、油层较厚、对地层性质特点了解较清楚的场合点了解较清楚的场合, , 使用几何导向较适宜。而使用几何导向较适宜。而对于一些地层性质特点了解较少、油层厚度很薄对于一些地层性质特点了解较少、油层厚度很薄的场合的场合, , 使用地质导向更为合适。使用地质导向更为合适。23骄阳书苑 24骄阳书苑3 3、参数测量与传输系统、参数测量与传输系统 随钻实时参数测量是实现全闭环钻井的重要随钻实时参数测量是实现
17、全闭环钻井的重要环节。环节。 测量参数包括实钻井身轨迹随钻井身几何参数测量参数包括实钻井身轨迹随钻井身几何参数与随钻地层评价、随钻测井、随钻地震等评价参与随钻地层评价、随钻测井、随钻地震等评价参数以及随钻工程参数等。数以及随钻工程参数等。 各种信息的地面与井下双向实时传输通讯。各种信息的地面与井下双向实时传输通讯。25骄阳书苑26骄阳书苑随钻地震(SWD)原理Utilizing the bit as the source is generally ineffective in soft sediments, horizontal wells and while drilling with PDC bits.27骄阳书苑4、地面监控系统、地面监控系统 旋转导向钻井系统的地面监控系统包括旋转导向钻井系统的地面监控系统包括信号接收和传输子系统和地面计算存储分信号接收和传输子系统和地面计算存储分析模拟系统析模拟系统, ,有的还具有智能决策支持系统。有的还具有智能决策支持系统。主要功能是通过闭环信息流监视并随钻调主要功能是通过闭环信息流监视并随钻调控井身轨迹控井身轨迹, ,它的关键技术是从地面发送到它的关键技术是从地面发送到井下的下行控制指令系统井下的下行控制指令系统 。28骄阳书苑
