定向滑动钻进控制系统与控制方法研究

针对螺杆钻具在定向钻井过程中由于井眼摩阻大所导致的工具面调整困难和滑动钻进托压问题,利用顶驱精确定位和左右旋转的特点,研究开发基于顶驱可编程控制器(PLC)和传感器于一体的滑动钻进控制系统。本文深入研究和分析了钻具滑动前后摩擦力的变化规律和控制扭矩旋转钻具减小井眼摩阻的方法。通过5个传感器的实时数据采集,依据定向工程师的经验和推理方法,将其转换为计算机可以执行的控制程序,建立以PLC为核心的人机控制界面,PLC计算调整工具面所需的旋转角度,将工具面准确调整到设计的工具面角度;根据大钩悬重和压差?P判断托压,出现托压时PLC计算不改变工具面的旋转扭矩,以计算的扭矩为限值左右旋转钻具减小井眼摩阻,直到压差?P0,解决滑动托压。研究表明,新方法能大幅减小井眼摩阻,提高机械钻速;其方法是目前解决螺杆钻具滑动钻进最有效的控制方法。     

摇摆旋转钻具解决定向钻井托压难题

定向钻井过程中,滑动钻进托压、马达工具面调整和保持困难,始终是影响滑动钻进机械钻速的主要问题。为了解决这些问题,一种新的基于顶驱的控制系统已完成室内试验。该系统配有一个可编程控制器,接收控制顶驱所需的MWD、钻杆扭矩、立管压力、大钩悬重等多个传感器数据。依据定向钻井控制流程,对顶驱进行程控编程,控制顶驱精确转动调整和保持工具面;运用扭矩摇摆技术顺时针逆时针交替旋转钻具,降低井眼摩阻,解决滑动托压,提高机械钻速。类似的控制系统应用证明,该系统用于滑动钻进非常有效,能显著提高造斜段和水平段的钻进能力,适用于难度较大的定向井和水平井的钻井作业。     

扭矩摇摆技术研究现状

滑动钻进托压、马达工具面调整和保持困难是影响定向钻井机械钻速的主要问题,解决上述问
题有多种方法,水力振荡器和旋转导向系统是很好的选择。考虑到成本和其它因素,一种正在研发的基于顶
驱的地面控制系统能有效解决上述问题。该系统采用一个可编程控制器,接收ＭＷＤ、钻杆扭矩、立管压力、大
钩悬重等多个传感器数据,依照定向钻井控制流程,对顶驱进行程控编程,分析传感器数据,输出控制参数,控
制顶驱精确转动,调整和保持工具面;运用扭矩摇摆技术顺时针逆时针交替旋转钻具,降低井眼摩阻,解决滑
动托压,提高机械钻速。该系统用于滑动钻进非常有效,能显著提高斜井段和水平段的钻进能力,适用于难度
较大的定向井和水平井的钻井作业。     

可旋转钻柱定向钻进工具设计及测试

针对滑动定向钻进时摩阻高、机械钻速低的技术难题,设计了一种滑动定向钻进时可旋转钻柱的降阻工具RSD,建立了底部钻具组合扭转动力学模型,分析了RSD扭矩及RSD安放位置对于螺杆钻具工具面角的影响规律。利用可模拟螺杆反扭矩振动的试验装置,进行了RSD原理样机室内测试,并利用测试井进行了RSD原理样机现场测试。理论分析及测试结果表明,RSD工作原理可行、结构设计合理,在钻柱旋转时可以稳定和调节螺杆钻具的工具面角。研究认为,利用RSD既可以实现螺杆钻具滑动定向钻进,又可以旋转RSD以上的钻柱,降低摩阻。      

定向钻井电控式扭矩离合控制工具研制与应用

旋转导向工具由于尺寸大，在钻井过程中井壁不稳定时容易发生卡钻、埋钻等复杂故障，处理难度大，现场应用受到一定限制。针对这种情况，文章研究了一种适用于定向钻进过程中的电控式扭矩离合控制工具。该工具在定向过程中可以将下部钻具与上部钻具的扭矩进行分离，实现上部钻具随钻盘低转速旋转送钻，下部钻具与螺杆工具配合滑动定向钻进。该工具由两部分组成：地面信号下传单元和井下信号接收及离合控制单元。井下信号接收及离合控制单元安放在近钻头位置，地面信号下传单元通过钻井液将信号传递到井下，离合控制单元接收指令后，用电液控制方式执行钻柱扭矩分离与结合动作。该工具使用的关键点是安放位置和反扭矩的控制，通过对下部钻具摩阻扭矩的分析，运用Landmark软件计算工具安放位置，抗反扭矩工具可抵抗并吸收螺杆钻具的反扭矩。现场应用表明，该系统可有效缓解托压，降摩减阻，稳定工具面，提高钻压传递效率，较大幅度提高机械钻速，实现低成本代替旋转导向工具，具有广阔应用前景。     

反扭矩定向系统研制及试验

现有旋转滑动钻井工具无法同时实现隔离上部钻具旋转和钻头破岩产生的反扭矩,且工具面角不可控。基于此,设计了分时动态隔离上部钻具旋转和承载下部钻具扭矩的反扭矩定向钻井系统;研制了反扭矩定向系统样机;利用该样机开展了实钻测试,实钻总进尺57 m,工具面角控制精度小于±5°、造斜率达23.0°/100 m,平均机械钻速约为6.5 m/h(泥岩)。研究表明：研制的反扭矩定向系统可同时隔离上部钻具旋转和下部钻具扭矩;能精确控制工具面角,实现了下部钻具自动精确导向钻井的功能,验证了反扭矩定向系统结构设计理论的正确性。相关成果有望解决滑动钻进钻柱“托压”和井眼轨迹控制难题,提高弯螺杆滑动导向钻井时效。     

卫 68-FP1 井泥页岩油藏水平井钻井技术

为了解决卫68-FP1 井水平段井眼尺寸小、井下摩阻大、井眼轨迹不易控制等问题,在计算不同井眼曲率下摩阻、扭矩的基础上,结合邻井实钻资料,优化了井眼轨道设计,以降低摩阻和扭矩;根据非常规水平井的实钻经验,选用"小角度螺杆+欠尺寸双稳定器"钻具组合,并对螺杆钻具的弯角和稳定器外径进行了优化,以提高井眼轨迹控制精度;选用合理密度的油基钻井液,以保证水平段的井壁稳定性;采用C1+伽马地质导向技术,以提高油层钻遇率;制定了安全钻进技术措施,以确保钻井安全。实钻结果表明:合理的井眼轨道设计能够有效降低钻进摩阻;"小角度螺杆+欠尺寸双稳定器"钻具组合能精确控制井眼轨迹,并能提高旋转钻进比例;C1+伽马地质导向技术能确保水平段始终在油层穿行。卫 68-FP1 井的顺利完成,可为泥页岩油藏水平井的钻井施工提供借鉴。      

大位移井摩阻扭矩监测方法

对于井下摩阻扭矩的监测和控制是事关大位移井钻井成败的关键,但目前对摩阻扭矩的分析还停留在预测阶段,而随钻过程中对其的实时监测和分析尚不成熟。为此,在摩阻扭矩预测分析的基础上,开展了摩阻扭矩的实时监测方法研究:钻进过程中,连续记录接立柱时上提钻具、下放钻具和旋转提离井底时的大钩载荷,记录不同井深条件下复合钻进扭矩值和旋转提离井底扭矩值;将所记录的值标注于摩阻扭矩监测图版上,形成实时监测数据与理论计算数据的对比曲线,并将其用于评价井眼清洗程度、井眼缩径、垮塌等井下情况,及时地掌握钻井液性能变化、井眼轨迹光滑度、减摩降扭工具的使用情况。桩129-1HF井现场监测试验结果表明,在摩阻扭矩较大的井段及时采取循环钻井液、短起下钻、调整钻井液性能、增加润滑剂含量、优化钻具组合等措施,控制摩阻扭矩效果良好,保证了该井安全顺利完钻。结论认为,所建立的摩阻扭矩实时监测方法可为大位移井安全优质高效钻进提供有力的技术支撑。     

页岩油超长水平井钻井关键技术分析

本文针对页岩油超长水平段水平井在陇东钻进过程中井眼轨迹控制、井壁稳定、摩阻扭矩以及钻井液优选等关键技术进行了分析研究。对钻具摩阻扭矩过大的问题总结和采用滑动钻进钻柱双向扭转降阻提速技术分析。     

BH-HVT 水力振荡器在三维绕障井ZH30-38 井的应用

大位移、大井斜井段钻井施工中,因钻具与井壁间摩阻大,导致钻压无法平滑地传递,经常出现托压现象,需频繁提放钻具,调整工具面,严重影响施工效率。为缓解钻具托压,在ZH30-38井三开稳斜扭方位井段应用BH-HVT水力振荡器,通过工具产生的轴向振动,使滑动钻进摩阻由静摩擦转变为动摩擦,降低了钻井摩阻、改善了钻压传递效率,提高了机械钻速。与邻井同层位未使用该工具时相比较,滑动机械钻速提高26.1%～40.4%,行程钻速提高133.1%～187.5%。水力振荡器在该井的成功应用,为大位移、大井斜井及水平井的钻井提速提供了有益的借鉴。     

基于顶部驱动的滑动钻井导向控制技术

将北京石油机械厂顶驱的主轴旋转定位技术与MWP随钻测量仪相结合,设计并实现了基于顶部驱动钻井和井下动力钻具组合的顶驱滑动钻井导向控制系统。该系统由顶部驱动钻井装置、人机交互界面、井下动力钻具以及MWD随钻测量工具等4部分组成,将顶驱和井下动力钻具相结合,实现对旋转钻柱包括转速、转向、角度在内的完全控制,并可根据井下实时反馈的井眼轨迹信息,实现滑动钻井之前工具面的设置以及滑动钻进过程中工具面的实时监控和动态调整。内蒙SNO116-19H定向井项目的实际应用结果表明,该技术能够显著提升定向井钻进作业的整体时效和井眼质量,同时也为导向钻井的闭环控制和自动化控制奠定了基础。     

PIPE ROCK钻柱扭摆系统应用评价

国外以斯伦贝谢公司Slider系统为代表的钻柱扭摆系统在常规滑动定向钻进时,取得了较好的减轻摩阻、克服钻进"托压"的应用效果,但国内钻柱扭摆系统仍处于试验与完善阶段。为此,从分析自主研发的PIPE ROCK钻柱扭摆系统的原理及系统构成、操作流程、使用方法、试验实钻结果等方面入手,结合与常规滑动钻进方式的技术效果比较结果,总结了该系统现场试验所取得的成果,分析了该系统的缺陷并提出了改进措施。研究结果表明:(1) L204井应用该系统前后的数据表明,扭摆钻井防托压效果明显;(2) Long016-H1井水平段共定向调整轨迹20次,使用常规滑动定向平均纯钻时效为64.3%,而使用钻柱扭摆系统的定向纯钻时效提高到83.4%,提升效果明显;(3)使用扭摆系统后,可以在钻进过程中不停钻调节定向工具面,使工具面保持长期稳定,提高了定向精准度;(4)钻柱扭摆系统目前还存在着自动化程度较低、需要人工实时调整扭矩设定值、使用效果受人员个体差异影响较大等缺点,因而有必要持续改进该系统以最终实现轨迹的智能控制。结论认为,该钻柱扭摆系统成功地解决了定向钻进托压难题,具有提高定向纯钻时效、提高定向精准度的作用,减少了定向次数和定向段长,大幅度提高了定向机械钻速和单趟钻的行程钻速,能够满足现场作业要求,具备工业化应用的条件。     

大位移井减阻工具性能试验与数值模拟

为解决大位移井、长水平井等在钻进过程中摩阻大、托压等问题,设计了新型大位移井减阻工具。该工具利用水力脉冲压力波动,使钻柱产生轴向振动,有效减小钻柱与井壁间的摩阻,改善钻压传递,延伸定向井、大位移井、水平井等井眼长度。通过工具性能试验和数值模拟相结合的方法,验证了减阻工具设计的可行性和振动的稳定性。分析了叶轮的叶片数、承压板的通孔面积、钻井液排量等参数对减阻工具脉动压力频率和幅值、压降、轴向振动位移等的影响规律。研究结果可为大位移井降摩减阻技术研究、减阻工具参数优选等提供参考。     

特深定向井滑动导向过程中扭矩传递规律研究

常规滑动导向过程中工具面调控速度与精度对提高特深定向/水平井定向钻井效率至关重要,明确常规导向过程中扭矩传递规律对提高工具面调控效率具有重要意义,而且该研究还是实现定向钻井自动化和智能化的核心基础理论。为此,建立了滑动导向过程中钻具动力学计算模型,给出了钻具井口扭转角度与井底工具面扭转角度间的函数关系。分析了钻具扭转角度、钻具结构尺寸、井深及井眼轨迹等对滑动导向过程中扭矩传递的影响规律,指出了影响钻柱扭矩传递效率的关键因素为钻柱扭转弹性刚度和黏滞阻尼系数,给出了提高工具面调控效率的工程建议为提高钻柱扭转弹性刚度和降低黏滞阻尼系数。通过与工程实际进行对比分析,指明了模型优化方向,优化后的模型计算精度超过了70%。研究结果可为特深定向/水平井滑动导向过程中工具面调控效率的提高提供指导,为自动化钻井技术研究打下理论基础。     

用旋转导向钻井系统钻大位移井

在用滑动导向系统钻大位移井时,随着位移及井深的不断增大,由于上部钻柱不旋转,会引起摩阻和扭矩过大、方位漂移失控、井眼清洗不良等问题。计算和实践表明,用滑动导向系统进行钻井时,大位移井的极限延伸能力受到了限制。文中对用旋转导向系统钻大位移井进行了方案性研究,设计了相应的可遥控和井下自动控制的旋转导向工具RSDS,并对旋转导向的机理进行了理论研究。所设计的旋转导向工具以钻井液为动力,充分利用了钻井液的冷却作用,具有较好的工作可靠性,结构简单。用旋转导向系统RSDS进行大位移井钻井,可望相当准确的控制井眼轨迹,大幅度减少钻柱所受的摩阻和扭矩,显著改善井眼的清洁状况。     

钻柱涡动理论研究的必由之路——钻井液动力润滑学与钻柱动力学相结合

浸泡在钻井液内的旋转受压钻柱,在屈曲和涡动的作用下,容易发生疲劳断裂和使井眼倾斜。对此现象业界已进行了较深入的研究,但还有一些问题没有解决,如随着井斜角的增加涡动现象减小直至消失的原因、屈曲后的钻柱是否一定与井壁接触、钻柱表面与井壁间是否存在滑动及滑动的影响因素、钻柱的稳定性和偏心率随转速的变化规律等。为了寻求上述问题的研究方法,在介绍钻柱的正弦屈曲和螺旋屈曲、旋转钻柱的最大涡动角速度、旋转钻柱与钻井液的相互作用、旋转钻柱与井壁的碰撞和涡动4方面的研究进展基础上,分析了这些研究方法中存在的问题,提出钻井液动力润滑学与钻柱动力学相结合是钻柱涡动理论研究的必然。     

摩阻与扭矩分析在水平井钻井设计中的运用

摩阻与扭矩对水平井钻井施工的影响非常大,决定了起下钻及钻进施工能否正常进行,因此,在钻井设计中提前进行摩阻与扭矩分析,对成功完成钻井作业具有积极作用。文章就摩阻与扭矩对钻具屈曲、当量米塞斯应力、侧向载荷和扭矩等进行了校核,即在滑动钻进时不发生屈曲:当量米塞斯应力校核的安全系数需要在1.67以上、低于屈服极限的60%;侧向载荷必须低于1 000 N/m;扭矩必须低于IADC推荐钻杆最大扭矩的90%。文章通过实例阐述了摩阻扭矩分析在造斜段螺杆钻具组合滑动钻进、复合钻进及水平段旋转导向钻进时的钻具屈曲校核、当量米塞斯应力校核、侧向载荷校核和扭矩校核的具体作法和步骤,以及滑动钻进的极限井深。通过实例井实钻效果分析,认为摩阻扭矩分析是钻井设计阶段水平井钻具组合可行性论证的不可或缺的重要步骤,是安全、优质、高效钻井的基本保证,可以为国内钻井设计部门和定向井技术服务公司在水平井设计中提供参考和借鉴。     

摩阻扭矩装置钻柱稳定性分析及可视化应用

钻进过程中钻柱的非线性屈曲影响着摩阻扭矩试验装置的安全和平稳运行。针对现有的水平井摩阻扭矩试验装置,基于动力学软件ADAMS,结合力平衡理论和相似理论,建立了与真实试验装置具有一致钻井参数的水平井段钻柱-井壁动态非线性接触模型。研究了不同钻压下钻柱在井筒中的运动状态与钻柱系统各测点的偏移量,通过分析得到钻柱屈曲的临界预警钻压为29 N,进一步保证了装置的安全运行,提高了钻柱摩阻扭矩装置的试验效率。另因钻柱系统在井筒中的钻进过程难以观测,结合仿真结果,基于Keyshot软件重现了井下钻具组合钻进过程,实现了井下钻柱系统工作状态的可视化。在试验和理论相互补充、支撑的同时便于利用该装置针对钻柱摩阻扭矩开展更深层次的研究。     

气体钻水平井用减阻器

在气体钻大位移定向井、 水平井中, 随着井眼的延伸, 摩擦阻力越来越大, 使得钻压难以施加到钻头上, 使钻井无法继续进行; 此外, 还使得卡钻等井下事故频繁。文章介绍的钻具减阻器不仅能降低钻具在滑动钻进中的摩擦阻力, 并且能满足旋转钻进时对钻具的要求, 同时减小旋转钻进时的扭矩, 满足气体钻水平井、 大位移水平井等特殊工艺钻井的需求。