自動(dòng)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具結(jié)構(gòu)原理及特點(diǎn)

自動(dòng)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具結(jié)構(gòu)原理及特點(diǎn)［摘要］自動(dòng)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具彌補(bǔ)了滑動(dòng)式導(dǎo)向鉆井工具在定向井鉆井，特別是在大位移井及長(zhǎng)距離水平井的使用中暴露的缺點(diǎn)與不足。淺顯分析國(guó)內(nèi)外在定向鉆井工具技術(shù)差距,從結(jié)構(gòu)原理和特點(diǎn)上出發(fā)闡述了自動(dòng)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向向鉆井工具的。［關(guān)鍵詞］自動(dòng)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具刖言現(xiàn)有的滑動(dòng)式導(dǎo)向鉆井工具在定向鉆井,特別是在大位移井及長(zhǎng)距離水平井的使用中暴露出不少缺點(diǎn)與不足。自動(dòng)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具可以彌補(bǔ)這些缺點(diǎn)，是目前定向鉆井工具發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)及方向。筆者據(jù)此介紹美國(guó)三家公司的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的結(jié)構(gòu)原理及特點(diǎn)。針對(duì)現(xiàn)有定向鉆井工具的缺點(diǎn)和不足，淺析今后旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。迄今為止，定向鉆井技術(shù)經(jīng)歷了三個(gè)里程碑:①利用造斜器（斜向器）定向鉆井;②利用井下馬達(dá)配合彎接頭定向鉆井（造斜率是彎接頭彎角、井下馬達(dá)剛度和地層巖石硬度的函數(shù)）;③利用導(dǎo)向馬達(dá)（彎殼體井下馬達(dá)）定向鉆井（彎角點(diǎn)離鉆頭的距離近得多，因此產(chǎn)生的造斜率大）。目前這三種定向鉆井工具在世界各地被廣泛使用，并促進(jìn)了定向鉆井技術(shù)的快速發(fā)展,使得今天人們能夠應(yīng)用斜井、叢式井、水平井技術(shù)開發(fā)油田。目前國(guó)內(nèi)定向鉆井工具現(xiàn)狀隨著石油工業(yè)的發(fā)展，為了獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益，需要開發(fā)深井、超深井、大位移井和長(zhǎng)距離水平井,而且常常要在更復(fù)雜的地層，如高陡構(gòu)造帶鉆井。這些都對(duì)定向鉆井工具提出了更高的要求。目前以井下馬達(dá)為主的定向鉆井工具已不能滿足現(xiàn)代鉆井技術(shù)的要求,主要存在以下缺點(diǎn)和不足：（1） 利用井下馬達(dá)導(dǎo)向時(shí)是滑動(dòng)鉆進(jìn),鉆柱彎曲比旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)嚴(yán)重，井壁與鉆柱間的軸向摩擦力大，使鉆壓很難加在鉆頭上。在大延伸井和水平井中這一情況更嚴(yán)重，在極端情況下會(huì)造成鉆柱屈服，因此它限制了水平井和大斜度井的深度。（2） 在地面對(duì)井下馬達(dá)進(jìn)行扭方位操作時(shí)，旋轉(zhuǎn)摩擦、鉆頭扭矩、鉆桿的扭轉(zhuǎn)彈性變形等都妨礙了工具面的控制，從而影響井下馬達(dá)在大斜度井和水平井中的使用。（3） 在導(dǎo)向鉆進(jìn)時(shí),鉆柱的扭轉(zhuǎn)彈性變形會(huì)引起工具面角不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致井眼軌跡扭曲，進(jìn)一步加大鉆柱受到的摩擦力,同樣限制了鉆井深度。與旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)相比，滑動(dòng)鉆井時(shí)巖屑排出困難，限制了鉆速和可鉆深度。與旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)相比，滑動(dòng)鉆進(jìn)鉆速較低。井下馬達(dá)轉(zhuǎn)速較高，降低了鉆頭和井下馬達(dá)的使用壽命,也增加了起下鉆的次數(shù)。使用井下馬達(dá)鉆井容易引起卡鉆?；瑒?dòng)鉆進(jìn)與旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)頻繁轉(zhuǎn)換會(huì)引起較大的井眼狗腿度，且隨井斜曲率的增加而增加。缺球形封頭與筒體連接處新開發(fā)的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具克服了以上缺點(diǎn)與不足，其特點(diǎn)是：具有在鉆柱旋轉(zhuǎn)情況下定向的能力；可以與井下馬達(dá)一起使用；配有全系列標(biāo)準(zhǔn)的地層參數(shù)及鉆井參數(shù)檢測(cè)儀器；配有地面-井下雙向通訊系統(tǒng)，可根據(jù)井下傳來(lái)的數(shù)據(jù)，在不起鉆的情況下從地面發(fā)出指令改變井眼軌跡；工具設(shè)計(jì)制造模塊化、集成化；可以在150°C以上的高溫井中使用；定向鉆井時(shí)不需要特殊的鉆井參數(shù)，可以保證最優(yōu)的鉆井過(guò)程；導(dǎo)向自動(dòng)控制，以保證準(zhǔn)確光滑的井眼軌跡。三.國(guó)外主要的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具結(jié)構(gòu)及工作原理國(guó)外多家石油工具公司都在致力于這一先進(jìn)的定向鉆井工具的研究，并取得了初步成果。這里介紹美國(guó)三家公司的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)。l.BakerHughes公司的自動(dòng)閉環(huán)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具：1993年,Agip.S.P.A和BakerHughesInteq開始開發(fā)和研制旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具。工具包含地面與井下的雙向通訊系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)和LWD(隨鉆測(cè)井)系統(tǒng)三個(gè)部分。(1)地面與井下的雙向通訊系統(tǒng):此系統(tǒng)可使操作者在不停鉆的情況下，用鉆井液脈沖從地面向井下工具發(fā)出指令改變井眼軌跡、造斜率、方位改變率及降斜率等,指示井底發(fā)射器有選擇地發(fā)送需要的信息。為了能使地面指令向下傳輸，開發(fā)了一項(xiàng)通過(guò)在井上調(diào)制排量來(lái)向下傳遞命令的新技術(shù):立管上安裝一個(gè)旁通觸發(fā)器，可在地面把部分鉆井液送回鉆井液池，相應(yīng)的流量變化導(dǎo)致井下發(fā)電機(jī)的電壓變化，這樣加載了信息的排量變化順序就送到井下并在井下得到解釋。它可以把地層參數(shù)、井下溫度、井眼軌跡參數(shù)、井底壓力及工具的運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)用鉆井液正脈沖傳輸?shù)降孛妫⒃诘孛娼邮兆g碼。此工具的上傳數(shù)據(jù)采用了已經(jīng)成功應(yīng)用20多年的MWD中的井下遙控脈沖發(fā)射器。導(dǎo)向系統(tǒng)在井下構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng),可以在沒(méi)有地面技術(shù)人員干預(yù)的情況下自動(dòng)控制井斜和方位。導(dǎo)向工具的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有一不旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向套，中軸從導(dǎo)向套中間穿過(guò)與鉆頭連接，帶動(dòng)鉆頭隨鉆柱一起旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)向套與中軸通過(guò)軸承連接。3個(gè)可伸縮棱塊布置在導(dǎo)向套中,棱塊由3個(gè)獨(dú)立的液壓活塞驅(qū)動(dòng),由液壓閥控制有選擇地伸出，壓靠在井壁以產(chǎn)生需要的導(dǎo)向力，液壓閥可以調(diào)節(jié)每個(gè)活塞內(nèi)的壓力,根據(jù)力的合成原理，不僅可調(diào)節(jié)導(dǎo)向力的大小，還可把導(dǎo)向力調(diào)節(jié)到任意方向，所以此工具既可調(diào)節(jié)井眼軌跡方向，又可調(diào)節(jié)造斜率的大小，液壓閥又是受井下微處理器的控制。導(dǎo)向套內(nèi)還有各種傳感器，可測(cè)量井斜角、方位角及工具的工作狀態(tài)。1旋轉(zhuǎn)鉆柱;2液壓控制閥;3控制器及傳感器;4軸承;5鉆頭;6伸縮棱塊;7靜止導(dǎo)向套實(shí)際上，不旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向套會(huì)因鉆壓、轉(zhuǎn)速的不同而有所旋轉(zhuǎn)，大約每半小時(shí)旋轉(zhuǎn)2?3周。因此，設(shè)置了電子檢測(cè)裝置時(shí)刻測(cè)量導(dǎo)向套的相對(duì)位置，然后由井下微處理器調(diào)整各個(gè)活塞內(nèi)的壓力。這樣，液壓導(dǎo)向力也會(huì)隨導(dǎo)向套的旋轉(zhuǎn)作相應(yīng)調(diào)整,保證導(dǎo)向力的大小及方向不會(huì)因?qū)蛱椎霓D(zhuǎn)變?cè)阢@井時(shí)該系統(tǒng)可以設(shè)置兩種模式。保持模式。這種模式可使井眼軌跡保持一定的井斜角和方位角。它在井下微處理器中設(shè)有造斜力或降斜力、變方位力、井斜角和方位角3個(gè)參數(shù)。若井眼軌跡與預(yù)定的井斜角或方位角發(fā)生偏差，井下微處理器將用設(shè)定好的造斜力或變方位力來(lái)修正井眼軌跡，直到恢復(fù)預(yù)定的井斜角和方位角。設(shè)定造斜力和變方位力主要是為了控制井眼狗腿度。保持模式可同時(shí)施加造斜力和變方位力。導(dǎo)向模式。這種鉆進(jìn)模式如同利用導(dǎo)向馬達(dá)滑動(dòng)鉆進(jìn)方式，可控制井眼軌跡的變化。須設(shè)置導(dǎo)向棱塊產(chǎn)生合力矢的大小和方向兩個(gè)參數(shù)。合力矢的方向相當(dāng)于彎殼體馬達(dá)的工具面角。合力矢的大小是為了控制井眼軌跡的變化率。與導(dǎo)向馬達(dá)相比，該旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具能更精確地控制井眼軌跡，鉆頭側(cè)向力和井眼狗腿度可由閉環(huán)系統(tǒng)連續(xù)控制。LWD(隨鉆測(cè)井)系統(tǒng)該系統(tǒng)能夠使鉆頭得到精確的地質(zhì)導(dǎo)向,并取代了有線測(cè)井。它還具有GAMMA測(cè)井和電阻率測(cè)井功能。2.PowerDriverSRD系統(tǒng)井下導(dǎo)向工具的結(jié)構(gòu)原理1鉆頭;2活塞缸;3棱快;4旋轉(zhuǎn)鉆柱;5控制系統(tǒng)及測(cè)量系統(tǒng)PowerDriverSRD系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的導(dǎo)向原理與BakerHughes公司的導(dǎo)向鉆井工具類似，都是利用近鉆頭導(dǎo)向塊的伸縮與井壁相互作用產(chǎn)生導(dǎo)向力,但是結(jié)構(gòu)有所不同。主要區(qū)別在于沒(méi)有靜止的導(dǎo)向套,3個(gè)導(dǎo)向棱塊隨鉆柱一起旋轉(zhuǎn)。當(dāng)需要在某個(gè)方向?qū)驎r(shí)，每轉(zhuǎn)1周每個(gè)導(dǎo)向棱塊都要在該方向上伸出1次,頂向井壁產(chǎn)生導(dǎo)向力，轉(zhuǎn)離該方向后,棱塊自動(dòng)縮回。其導(dǎo)向原理與結(jié)構(gòu)如圖3和圖4所示。如圖4所示，它的控制器、旋轉(zhuǎn)換向閥及測(cè)量機(jī)構(gòu)都置于鉆柱中間，可以保持相對(duì)靜止。旋轉(zhuǎn)換向閥可以旋轉(zhuǎn)到任意方向再保持靜止，從而使導(dǎo)向棱塊只有在旋轉(zhuǎn)到某一方向時(shí),鉆井液才驅(qū)動(dòng)棱塊伸出達(dá)到控制井眼軌跡方向的目的。它的導(dǎo)向力大小是固定的?？赏ㄟ^(guò)控制導(dǎo)向棱塊在某個(gè)方向上伸出的時(shí)間來(lái)調(diào)整井眼曲率。3.GeoPilot系統(tǒng)井下導(dǎo)向工具的結(jié)構(gòu)原理如圖5所示,Sperry-Sun公司的GeoPilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)也是一種不旋轉(zhuǎn)外筒式導(dǎo)向工具，但與BakerHughesInteq公司的AutoTrakRCLS系統(tǒng)和SchlumbergerAnadrill公司的PowerDriverSRD系統(tǒng)不同的是,GeoPilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)不是靠偏置鉆頭進(jìn)行導(dǎo)向，而是靠不旋轉(zhuǎn)外筒與旋轉(zhuǎn)心軸之間的一套偏置機(jī)構(gòu)使旋轉(zhuǎn)心軸偏置，從而為鉆頭提供了一個(gè)與井眼軸線不一致的傾角,產(chǎn)生導(dǎo)向作用。其偏置機(jī)構(gòu)是一套由幾個(gè)可控制的偏心圓環(huán)組合形成的偏心機(jī)構(gòu)，當(dāng)井下自動(dòng)控制完成組合之后，該機(jī)構(gòu)將相對(duì)于不旋轉(zhuǎn)外套固定，從而始終將旋轉(zhuǎn)心軸向固定方向偏置,為鉆頭提供一個(gè)方向固定的傾角。4結(jié)論BakerHughes公司的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具完全解決了旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的導(dǎo)向問(wèn)題,自動(dòng)化程度高,帶有隨鉆測(cè)井短節(jié),可以實(shí)現(xiàn)地質(zhì)導(dǎo)向,并已在多口井中實(shí)施了商業(yè)化使用,不失為一種較為理想的定向井鉆井工具。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向閉環(huán)鉆井工具具有在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)連續(xù)導(dǎo)向的能力,可以提高機(jī)械鉆速和井眼凈化效果，減少壓差卡鉆,降低鉆井成本。還具有三維井眼軌跡自動(dòng)控制的能力,從而提高