旋轉導向鉆井系統的特性及典型結構

旋轉導向鉆井系統的特性及典型結構

旋轉導向鉆井系統的特性及典型結構 李清濤
摘要：本文介紹了旋轉導向鉆井技術相比于滑動導向鉆井技術的優越性，并重點介紹了Baker Hughes, Schlumberger, HALLIBURTON三家公司已經商業化的自動旋轉導向鉆具的結構原理及特點。
關鍵詞：旋轉導向、滑動導向、結構
引言
 為了節約開發成本和提高石油產量，對那些受地理位置限制或開發后期的油田，通常通過開發深井、超深井、大位移井和長距離水平井來實現，進而造成復雜結構井不斷增多。目前通行的滑動鉆井技術已經不能滿足現代鉆井的需要。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商業化。
 旋轉導向系統自20世紀90年代問世以來，已在高難度條件下的鉆井作業特別是在海上大位移鉆井中獲得廣泛應用，成為一種必不可少的導向鉆進工具。它代表了當今世界鉆井技術發展的最高水平，該技術使世界鉆井技術發生了一次質的飛躍。
1 滑動導向鉆井技術
 迄今為止，定向鉆井技術經歷了三個里程碑：①利用造斜器(斜向器)定向鉆井；②利用井下馬達配合彎接頭定向鉆井；③利用導向馬達(彎殼體井下馬達)定向鉆井。目前這三種定向鉆井工具在世界各地被廣泛使用,并促進了定向鉆井技術的快速發展,使得今天人們能夠應用斜井、叢式井、水平井技術開發油田。
 隨著石油工業的發展，為了獲得更好的經濟效益，需要開發深井、超深井、大位移井和長距離水平井，而且常常要在更復雜的地層，如高陡構造帶鉆井。這些都對定向鉆井工具提出了更高的要求。目前以井下馬達為主的定向鉆井工具已不能滿足現代鉆井技術的要求，主要存在以下缺點和不足。
 (1)利用井下馬達導向時是滑動鉆進，鉆柱彎曲比旋轉鉆進時嚴重，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重，在極端情況下會造成鉆柱屈服，因此它限制了水平井和大斜度井的深度。
 (2)在地面對井下馬達進行扭方位操作時，旋轉摩擦、鉆頭扭矩、鉆桿的扭轉彈性變形等都妨礙了工具面的控制，從而影響井下馬達在大斜度井和水平井中的使用。
 (3)在導向鉆進時，鉆柱的扭轉彈性變形會引起工具面角不穩定，從而導致井眼軌跡扭曲，進一步加大鉆柱受到的摩擦力，同樣限制了鉆井深度。
 (4)與旋轉鉆進相比，滑動鉆井時巖屑排出困難，限制了鉆速和可鉆深度。
 (5)與旋轉鉆進相比，滑動鉆進鉆速較低。井下馬達轉速較高，降低了鉆頭和井下馬達的使用壽命，也增加了起下鉆的次數。
 (6)使用井下馬達鉆井容易引起卡鉆。
 因此，在復雜鉆井中，必須有新的鉆井方法來取代滑動鉆井，旋轉導向鉆井就是其發展方向。
2國際上已經商業化的旋轉導向系統
 美國Schlumberger Anadrill公司的R·L·Monti在1987年世界石油大會上宣讀的“Optimized Drilling-Closing the Loop”論文中，對自動化閉環優化鉆井技術第一次做了系統的闡述。目前，世界上已有幾家大石油公司形成了商業化應用技術：
 (1) VDS自動垂直鉆井系統：90年代初德國KTB項目組與Eastman Teleo公司聯合開發研制。
 (2) SDD自動直井鉆井系統：AGIP公司與Baker Hughes Inteq公司合作在VDS系統的基礎上開發研制。
 (3) ADD自動定向鉆井系統：1991年美國能源部資助研制，目前已達到商業應用階段。
 (4) AGS和Geo Pilot旋轉導向自動鉆井系統：Sperry Sun公司1993年研制了AGS；1999年，又推出新一代的Geo Pilot旋轉導向自動鉆井系統，該系統的性能已達到90年代末世界先進的RCLS和SRD系統水平。
 (5) RCLS旋轉閉環自動鉆井系統：1993年，Agip公司與Baker Hughes Inteq公司合作，經過3年的研制，于1996年在4口井中試驗獲得了成功。1997年，RCLS系統注冊為Auto Trak，正式推向市場。截至2000年6月30日，該系統已下井320次，井下工作時間累計40000 h，總進尺15×104m。其6 3/4in系統創下了單次下井工作時間92 h，進尺2986 m的世界紀錄。8 1/4in系統創下了單次下井工作時間167 h，進尺3620 m的世界紀錄。
 (6) SRD全旋轉導向自動鉆井系統：1994年英國Camco公司在英格蘭Montrose地區進行了現場井下試驗，獲得了極大成功。該系統第一次被世界石油界認可，是其1997年在世界上第一口水平位移超過10000 m的Wytch Farm油田M-11井的成功應用。1999年5月，Camco公司與Schlumberger公司的Anadrill公司合并，其SRD系統注冊為PowerDrive應用于現場。截至1999年底，該系統已下井138次，累計工作時間11610 h，總進尺47780 m。目前，世界上3口位移超過10000 m的大位移井中，有2口應用了該系統。2000年，Schlumberger的PowerDrive SRD系統引入中國境內應用，在設計井深8800 m，水平位移超過7500 m的南海西江油田XJ24- 3 -A18井在6871~8610 m井段中成功應用，使該井井身質量大大提高，避免了6871 m以上井段用滑動鉆井方式多次出現的斷馬達等井下復雜事故，同時大大提高了鉆井效率和效益。盡管該工具的日租金高達數萬美元，仍直接節約了500萬美元的鉆井作業費用；而油田開發和后續完井、采油作業帶來的間接經濟效益更遠遠超過了直接經濟效益。
3國外主要的旋轉導向工具井下偏置導向單元的結構及工作原理
 目前，世界上較成熟的閉環自動導向鉆井系統有BakerHughes Inteq公司的Auto Trak RCLS系統、Schlumberger Anadrill公司的Power Driver SRD系統、以及Sperry Sun公司的Geo Pilot系統。這三個系統的根本區別是井下偏置導向工具各不相同。
 Auto Trak RCLS系統的井下偏置導向工具的結構原理介紹

圖1　BakerHughes公司旋轉導向工具導向原理示意圖
1—不旋轉導向套; 2—與鉆頭連接的旋轉鉆柱; 3—伸縮棱塊

圖2　BakerHughes公司旋轉導向工具結構示意圖
1旋轉鉆柱；2液壓系統； 3控制器及傳感器；4軸承；5鉆頭； 6伸縮棱塊；7靜止導向套
 RCLS系統的井下偏置導向工具由不旋轉外套和旋轉心軸兩大部分通過上下軸承連接形成一可相對轉動的結構。旋轉心軸上接鉆柱,下接鉆頭，起傳遞鉆壓、扭矩和輸送鉆井液的作用。不旋轉外套上設置有井下CPU、控制部分和支撐翼肋。
 圖1是井下偏置導向工具的導向原理示意圖。當周向均布的三個支撐翼肋分別以不同液壓力支撐于井壁時，將使不旋轉外套不隨鉆柱旋轉，同時，井壁的反作用力將對井下偏置導向工具產生一個偏置合力。通過控制三個支撐翼肋的支出液壓力的大小，可控制偏置力的大小和方向，以控制導向鉆井。液壓力的大小由井下CPU控制井下控制系統來調整。井下CPU在下井前，預置了井眼軌跡數據。井下工作時，可將MWD測量的井眼軌跡信息或LWD測量的地層信息與設計數據進行對比，自動控制液壓力，也可根據接收到的地面指令調整設計參數，控制液壓力，以實現導向鉆進。
 實際上,不旋轉導向套會因鉆壓、轉速的不同而有所旋轉，大約每半小時旋轉2-3周。因此，設置了電子檢測裝置時刻測量導向套的相對位置，然后由井下微處理器調整各個活塞內的壓力。這樣，液壓導向力也會隨導向套的旋轉作相應調整，保證導向力的大小及方向不會因導向套的轉動而改變。
 3.2 Power Driver SRD系統井下偏置導向工具的結構原理

圖3　Power Driver SRD系統旋轉導向工具導向原理示意圖
1導向棱塊；2旋轉鉆柱；3導向控制閥

圖4　Power Driver SRD系統旋轉導向工具結構示意圖
1鉆頭；2活塞缸；3棱快；4旋轉鉆柱；5控制系統及測量系統
 Power Driver SRD系統旋轉導向工具的導向原理與BakerHughes公司的導向鉆井工具類似,都是利用近鉆頭導向塊的伸縮與井壁相互作用產生導向力，但是結構有所不同。主要區別在于沒有靜止的導向套，3個導向棱塊隨鉆柱一起旋轉。當需要在某個方向導向時，每轉1周每個導向棱塊都要在該方向上伸出1次，頂向井壁產生導向力，轉離該方向后，棱塊自動縮回。其導向原理與結構如圖3和圖4所示。
 如圖4所示，它的控制器、旋轉換向閥及測量機構都置于鉆柱中間，可以保持相對靜止。旋轉換向閥可以旋轉到任意方向再保持靜止，從而使導向棱塊只有在旋轉到某一方向時，鉆井液才驅動棱塊伸出達到控制井眼軌跡方向的目的。它的導向力大小是固定的。可通過控制導向棱塊在某個方向上伸出的時間來調整井眼曲率。
3.3 Geo Pilot系統井下偏置導向工具的結構原理

圖5　Geo Pilot井下偏置導向工具的結構示意圖
 如圖5所示, Sperry-Sun公司的Geo Pilot旋轉導向鉆井系統也是一種不旋轉外筒式導向工具，但與Baker Hughes Inteq公司的Auto Trak RCLS系統和Schlumberger Anadrill公司的Power Driver SRD系統不同的是， Geo Pilot旋轉導向鉆井系統不是靠偏置鉆頭進行導向，而是靠不旋轉外筒與旋轉心軸之間的一套偏置機構使旋轉心軸偏置，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。其偏置機構是一套由幾個可控制的偏心圓環組合形成的偏心機構,當井下自動控制完成組合之后，該機構將相對于不旋轉外套固定，從而始終將旋轉心軸向固定方向偏置，為鉆頭提供一個方向固定的傾角。
4 結論與認識
 (1)旋轉導向系統是一個集機、電、液于一體的閉環自動控制系統，包括地面井下雙向信息傳輸系統、地面監控系統及隨鉆地質參數、工程參數測量系統、偏置單元等組成部分。旋轉導向閉環鉆井系統的核心是旋轉導向工具, 3種典型的旋轉導向系統的根本區別是井下偏置導向工具。
 (2)旋轉導向閉環鉆井工具具有在旋轉鉆進時連續導向的能力,可以提高機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控制的能力,從而提高井眼軌跡的平滑度,降低扭矩和摩阻,也就能夠增加井身的延伸長度。旋轉導向鉆井技術有極大的實用價值和應用前景。
 (3)目前國內正在研制開發旋轉導向系統。認識、了解和掌握旋轉導向系統的功能、特性和典型結構，是用好及開發這種高新技術工具系統的前提和基礎。
參考文獻
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