旋轉導向鉆井技術介紹

1、旋轉導向鉆井技術介紹引言近十幾年來，水平井、大位移井、多分支井等復雜結構井和“海油陸采”的迅速發(fā)展。為了節(jié)約開發(fā)成本和提高石油產量，對那些受地理位置限制或開發(fā)后期的油田，通常通過開發(fā)深井、超深井、大位移井和長距離水平井來實現(xiàn)，進而造成復雜結構的井不斷增多。目前通行的滑動鉆井技術已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代鉆井的需要。于是，自20世紀80年代后期，國際上開始加強對旋轉導向鉆井技術的研究；到90年代初期，旋轉導向鉆井技術已呈現(xiàn)商業(yè)化。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用旋轉導向鉆井技術，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。旋轉導向鉆井技術是現(xiàn)代導向鉆井技術

2、的發(fā)展方向。旋轉導向鉆井技術旋轉導向鉆井法是在用轉盤旋轉鉆柱鉆井時隨鉆實時完成導向功能。鉆進時的摩阻與扭阻小、鉆速高、鉆頭進尺多、鉆井時效高、建井周期短、井身軌跡平滑易調控。此外，其極限井深可達15 km，鉆井成本低。旋轉導向鉆井技術的核心是旋轉自動導向鉆井統(tǒng)，如圖1所示。它主要由地面監(jiān)控系統(tǒng)、地面與井下雙向傳輸通訊系統(tǒng)和井下旋轉自動導向鉆井系統(tǒng)3部分組成。1、 地面監(jiān)控系統(tǒng)旋轉導向鉆井系統(tǒng)的地面監(jiān)控系統(tǒng)包括信號接收和傳輸子系統(tǒng)及地面計算存儲分析模擬系統(tǒng)，有的還具有智能決策支持系統(tǒng)。旋轉導向鉆井系統(tǒng)的主要功能通過閉環(huán)信息流監(jiān)視并隨鉆調控井身軌跡，其關鍵技術是從地面發(fā)送到井下的下行控制指令系統(tǒng)。

3、2、 地面與井下雙向傳輸通訊系統(tǒng)目前已提出的信號傳輸方式有4種，即鉆井液脈沖、絕緣導線、電磁波和聲波。通過比較分析，筆者發(fā)現(xiàn)這4種傳輸方式各有優(yōu)缺點和應用局限，如表1所示。3、 井下旋轉自動導向鉆井系統(tǒng)井下旋轉自動導向鉆井系統(tǒng)是旋轉自動導向系統(tǒng)的核心，它主要由3部分構成，即測量系統(tǒng)、導向機構、CPU和控制系統(tǒng)。（1）測量系統(tǒng) 測量系統(tǒng)主要用于監(jiān)測井眼軌跡的井斜、方位及地層情況等基本參數(shù)，使鉆井過程中井下地質參數(shù)、鉆井參數(shù)和井眼參數(shù)能夠實時測量、傳輸、分析和控制。它經(jīng)歷了隨鉆測量(MWD、隨鉆測井(LWD、隨鉆地震(SWD、隨鉆地層評價測試技術(FEMWD和地質導向技術(GST幾個階段。 （2）

4、導向機構 導向機構代表了目前導向技術的先進水平。按原理不同，導向機構原理可分為: 導向力原理。推力式（或稱偏置式）旋轉導向工具和指向式旋轉導向工具。推力式旋轉導向工具是通過側向力推靠鉆頭來改變鉆頭的井斜和方位。而指向式旋轉導向工具是預先定向給鉆頭一個角位移，通過為鉆頭提供一個與井眼軸線不一致的傾角來使鉆頭定向造斜。控制原理。可變徑穩(wěn)定器式旋轉導向工具和調制式旋轉導向工具。前者是先通過電磁閥調節(jié)在伸縮塊上的液壓，以使導向力矢量滿足所需導向目標；再通過定向控制系統(tǒng)進行方位與井斜的控制（圖2）。而后者是通過調節(jié)渦輪發(fā)電機負載電流改變渦輪發(fā)電機繞組回路阻抗，以使攜帶高強度永磁鐵的渦輪葉片與穩(wěn)定平臺內的

5、扭矩線圈耦合產生不同的電磁轉矩和加速度，進而使旋轉換向閥保持一個相對于井壁的固定角度，即工具面角，最終實現(xiàn)控制軸在受控狀態(tài)下的運動狀態(tài)改變（圖3）。套筒旋轉與否原理。全旋轉導向工具和不旋轉套筒旋轉導向工具。全旋轉導向工具與井壁動態(tài)接觸，其旋轉控制閥在垂直井段隨鉆柱一起旋轉。不旋轉套筒旋轉導向工具與井壁靜態(tài)接觸，其外套不隨鉆柱旋轉。（3）CPU和控制系統(tǒng)CPU和控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的信息處理和管理中心，它接受來自各個傳感器的信號，并依據(jù)特定的數(shù)據(jù)處理方法和控制規(guī)律，來控制可調穩(wěn)定塊的伸縮，從而改變鉆頭的運動軌跡,以達到預設的要求。CPU運行的控制算法（包括控制器設計、模型辨識以及狀態(tài)估計等）是智能

6、鉆井的關鍵部分?？梢姡珻PU運行的控制算法、傳感器技術和變徑機構的開發(fā)是構成可變徑穩(wěn)定器的三大組成部分。旋轉導向鉆井工具旋轉導向鉆井工具是旋轉導向鉆井系統(tǒng)的核心，決定了旋轉導向鉆井系統(tǒng)的工作特色和工作能力。1、 典型井下閉環(huán)旋轉導向鉆井工具1.1 MRST的組成及工作原理調制式旋轉導向鉆井工具（MRST）屬于推靠式旋轉導向鉆井工具（圖4）。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)旋轉鉆井的優(yōu)越性。調制式旋轉導向鉆井系統(tǒng)導向力的大小和方向主要是由穩(wěn)定平臺控制的。當需要最大導向力時，穩(wěn)定平臺控制軸就帶動上盤閥旋轉，使上盤閥穩(wěn)定在預定方向，控制上盤閥高壓孔方向恒定。在鉆柱旋轉過程

7、中,每個“巴掌”依次在該方向附近伸出拍打井壁，導向機構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向力，方向沿著上盤閥預定方向的反方向。當不需要導向時，穩(wěn)定平臺帶動上盤閥以和鉆柱具有不同的某一轉速勻速轉動，這時“巴掌”均勻拍打井壁四周，導向工具可控制的液壓導向力的合力就等于零，此時導向工具呈中性工作狀態(tài)，達到穩(wěn)斜效果。MRST液壓控制閥采用上、下盤閥結構，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MRST外殼及鉆柱一起旋轉，它有3個互成120°圓心角的等直徑低壓孔（泄流孔），見圖5。圖4調制式旋轉導向鉆井工具圖圖5液

8、壓控制上、下盤閥圖1.2 Geo-Pilot的組成及工作原理Geo-Pilot是一種不旋轉套式導向工具（圖6）屬于指向式旋轉導向鉆井工具。它不是靠偏心穩(wěn)定器的翼肋推靠井壁偏置鉆頭進行導向，而是靠不旋轉套與萬向短節(jié)之間的一套偏心機構使萬向軸偏置，從而為鉆頭提供了一個與井眼軸線不一致的傾角，產生導向作用。該機構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，該機構將相對于不旋轉套固定，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6Geo-Pilot旋轉導向鉆井工具圖 2、 新型指向式旋轉導向鉆井工具結構與導向原理2.1 底部鉆具組合（BHA）及導向原理新型指向式

9、旋轉導向鉆井工具BHA結構（圖7）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、螺線型電導管、隨鉆測量儀（MWD）及控制電路和傳感器。該指向式旋轉導向鉆井工具（圖8）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，并為旋轉中心軸提供固定支點；另一個是水力偏置機構，也可看著是一個特殊的“穩(wěn)定器”，因為它是由不旋轉外套筒、電子馬達和放射狀偏心環(huán)組成，并且在不旋轉外套筒上安裝有3個水力驅動“巴掌”，旋轉中心軸位于不旋轉外套筒內依次穿過偏置系統(tǒng)和近鉆頭穩(wěn)定

10、器。動力模塊電子馬達位于中心軸和不旋轉套筒之間與控制電路相連。圖7新型指向式旋轉導向鉆井工具BHA結構簡圖 圖8新型指向式旋轉導向鉆井工具圖導向原理正常情況下，中心軸與外套筒中心線重合（圖9-）。鉆井的過程中，該新型指向式旋轉導向鉆井工具中的控制電路CPU接收到MWD總成中相關高端傳感器傳輸?shù)男盘枺ū热纾壕?、方位），然后?jīng)由螺線形電導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，安裝在不旋轉套筒外部的“巴掌”伸出與井壁接觸，同時安裝在其內部的偏心環(huán)旋轉。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，即中心軸與不旋轉套筒中心線形成一定角度（圖9-）。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