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。     

APS RSM旋转导向钻井系统

<正>美国APS公司研制开发的RSM旋转导向钻井系统包括旋转导向和动力钻井2部分。该系统综合了旋转导向系统的导向能力和动力钻具的技术优势,可用于垂直、增斜和稳斜钻进。APS RSM旋转导向钻井系统具有以下技术特点:1)集成了动力钻具的功能;2)旋转导向工具的所有部件都随钻具一起转动;3)兼容各种型号的动力钻具;4)定向测定传感器距离钻头仅1.2m;5)旋转导向工具     

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。      

基于静摩擦扭矩释放的快速滑动定向钻井技术

由导向马达、随钻测量系统构成的滑动钻井仍然是目前的主要定向钻井方式。国外近年发展起来的一种依靠控制钻柱旋转扭摆的工艺方法,突破了滑动钻井工艺中马达导向所面临的局限性,同时费用又低于旋转导向系统。该方法以滑动动摩擦原理及其优势为基础,建立了钻柱物理模型,把滑动钻井时井下钻柱摩擦力的分布状态划分为3个典型区间:地面扭摆作用区、静摩擦区、反扭矩作用区;由自动扭摆控制软件系统对顶驱扭矩、钻头钻压和钻进速度的连续不断地测量,自动计算和最大限度地扩展地面扭摆作用区的长度(或减少下部动力钻具静摩擦区的长度),实现钻柱摩阻的减少,从而有效地提高了滑动钻井的机械钻速、提高定向作业纯钻时效,减少导向马达和钻头的损坏。实例运用结果表明:该方法能够提高机械钻速近50%,与常规复合导航钻井相比,节省了调整工具面角的时间损失,因而是一种极具发展前景的技术。     

随钻仪器和定向工具实钻及循环试验系统的研制

旋转导向钻井技术长期被国外垄断,国内由于缺乏必要的地面试验设备而严重影响其研发和产业化进程。鉴于此,研制了随钻仪器和定向工具实钻及循环试验系统。该系统由水平钻机试验系统和循环试验系统2部分组成。包含3 122 m室外埋地管线的循环试验系统可进行随钻仪器信号传输和相关工具单元试验检测;水平钻机试验系统配合循环系统可在实验室内进行旋转导向工具的实钻试验。完成的70多项循环试验和7次导向工具实钻试验为随钻仪器和定向工具参数的调整及结构改进提供了试验数据。该系统的成功研制加快了国内旋转导向技术的研发速度。     

新型旋转导向井下闭环钻井工具

近年来大位移井和复要轨迹井眼的需求不断增加,对井下钻井工具的研制提出了新的要求,利用现有的动力导向技术,钻压旗加困难,难以发挥高效钻头的作用,“滑动”方式下大摩阻的存在使井底工具面的控制难度加在,井眼水平延伸受到限制,为减小摩阻,使钻柱具有更大的延伸能力,实现对井眼轨迹的精确控制,国内外纷纷致车于井下可控工具和旋转导向闭环钻井系统的研究,本文介绍了2类可实现井下全方位控制的偏置机构及目前国内外已有的几种旋转导向闭环钻井系统。     

旋转导向闭环钻井系统

通过对比研究国内外有代表性的旋转导向钻井系统的组成及特点,介绍了旋转导向闭环钻井系统的集成方式、井下定向控制单元、地面监测系统,论述了旋转导向钻井工具在旋转钻进时具有连续三维导向和增大延伸长度的能力,可提高钻速,缩短建井周期,降低钻井成本,并详细阐述了国内正在开发的旋转导向闭环钻井系统(MRSS)的定向控制原理、5个组成部分及主要技术特点。认为只有开发和集成钻井信息管理与决策软件,才能充分发挥旋转导向闭环钻井系统的效益     

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。     

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。     

动态指向式旋转导向钻井工具测控系统设计与性能分析

为了开发高性能的旋转导向钻井工具系统,进行了动态指向式旋转导向钻井工具测控系统设计与性能分析。在自行设计的动态指向式旋转导向钻井工具原理样机的基础上,设计了测控系统,分析了其关键技术;通过模拟实际钻井工况,测试分析了测控方案的可行性,检验了测量信号处理与控制算法的有效性。测试结果表明,应用互补滤波算法,能够将工具面角动态测量波动降低84%;采用永磁同步电机电流环、电机转速环、稳定平台对地转速环和稳定平台位置环的四环控制系统,除满足导向钻井的性能指标外,在粘滑度为200%工况下,还可以将系统工具面角波动控制在±5°范围内。研究结果表明,互补滤波算法能够有效提高工具面角的动态测量精度,四环控制系统能够实现工具面角的快速稳定控制,测控性能指标能够满足钻井工程技术要求。      

认识控制扭矩是改善定向滑动钻井的关键

20 0 4 0 3 0 2 ,在美国Texas州Dallas市召开的SPE钻井技术会议上,美国Nobel公司宣读一篇题为“认识与控制扭矩是定向滑动钻进的关键”的论文。该公司在钻机上安装1套“扭矩自动控制系统”,进行钻井地面技术整合及MWD数据的处理,从而达到增加机械钻速及增加水平段钻进能力;钻进时进行工具面的修正;提高井眼轨迹质量;延长井下马达寿命;工具面快速与精确定向;迅速进行滑动与旋转钻进的转换。该系统是由软件与硬件组成,硬件部分为液压动力旋转器,安装在钻机顶驱上,其基本原理是根据各个传感器所获得的数据,根据滑动钻进时钻具每一旋转周期…     

旋转导向钻井工具系统的研究及应用

总结了国家863课题“旋转导向三维可控钻井技术研究”的研究工作进展及其在现场试验情况，根据旋转导向钻井技术方面的技术特点，开展了旋转导向偏心工具及导向机构、钻井液脉冲器，井下测量数据传输技术，随钻地质参数测量技术，井下钻井工程参数测量技术4个方面的关键技术研究，研制出了旋转导向钻井工具系统。通过室内模拟试验，验证了该工具系统设计原理的合理性。陆地和海上油田的钻井试验表明，在井斜约60°的大斜度稳斜井段，井斜控制和方位控制都满足控制要求；采用旋转导向钻具组合提高了钻压，最高钻压可达240 kN。为“十一五”期间旋转导向钻井工具系统的进一步完善和应用奠定了坚实的工程化基础。     

动态指向式旋转导向钻井工具稳定平台的控制

动态指向式旋转导向钻井工具是目前最先进的自动化钻井工具,而安装在工具内部的稳定平台控制的性能指标决定了动态指向式旋转导向钻井工具的导向能力和导向精度。基于动态指向式旋转导向钻井工具原理样机,分析了圆周角位置控制中存在的测量值周期性突变现象,提出了角位置预处理方法,解决了电机转向控制和测量值跳变的问题;结合理论建模与系统识别方法,获取了原理样机稳定平台的控制模型,搭建了稳定平台工具面角反馈-前馈仿真系统,针对井下黏滑工况进行了测试分析。分析结果表明:反馈-前馈仿真系统可以较好地抑制黏滑工况造成的工具面角波动,在黏滑度100%的情况下可将工具面角控制在±13°范围内,满足钻井过程中的技术要求。所得结论可以指导旋转导向钻井工具成功命中地质目标。     

可控偏心器旋转导向钻井工具研制与现场试验

研制的可控偏心器旋转导向钻井工具主要由驱动轴,导向机构、定位总成、测控单元、轴承支撑系统等部分组成。该工具通过偏心执行机构——导向机构来实现井眼轨迹的控制。导向机构由3个互成120°角的翼肋及液缸组成,3个翼肋的伸出量在钻具的相应位置形成1个偏心位移矢量,使可控偏心器偏离井眼中心线,形成1个等效弯接头,通过调整3个翼肋的偏心位移矢量,可形成不同的工具面角和弯接头弯角。现场试验证明,该工具的工作原理可行,满足旋转导向钻井井眼轨迹的控制要求。     

静态推靠式旋转导向控制模型与造斜率预测方法

推靠式旋转导向工具的防斜、稳斜能力强,能基本满足复杂地层安全高效钻进的需要,但目前的造斜率预测方法没有考虑推靠块控制方式及钻进过程的影响,存在造斜率预测精度低的问题。为此,考虑导向工具的结构特性,建立了静态推靠式旋转导向控制模型,给出了可靠的导向力控制方案,利用下部钻具组合力学模型及钻头–地层相互作用模型,得到了基于零侧向钻速条件下的造斜率预测模型,并引入折算系数对造斜率预测结果进行了修正。实例计算及敏感性分析结果表明,该方法预测精度高,能够满足井眼轨迹精确控制的需要;导向合力、钻压、钻头与稳定器的距离对推靠式旋转导向工具的造斜能力影响显著,现场施工时为了充分发挥导向合力的作用,要适当减小钻头与稳定器的距离、降低钻压,以提高旋转导向工具的造斜能力。研究结果为旋转导向钻具组合优选、钻井参数优化等提供了理论依据。     

南海西江大位移井定向控制技术研究

对南海西江大位移井的定向控制技术进行了分析研究。在南海西江大位移井定向钻进控制中,综合使用了滑动导向马达及旋转导向工具2种钻井系统。当使用滑动导向马达时,虽然可实现水平位移超过8km的大位移井导向钻进目标,但施工难度较大,要求必须通过数值模拟来精心设计底部钻具组合;当使用旋转导向工具时,则可顺利实现大位移井的自动导向控制,并且可获得较高的控制质量。综合考虑技术与经济两方面因素,在钻进大位移井的小位移井段时,可使用滑动导向马达通过复合钻进实现井眼轨迹的连续导向控制,而在钻进较大位移井段时,则宜使用旋转导向工具进行自动旋转导向控制钻进。应根据井况对大位移井定向钻进进行变换控制。     

旋转导向钻井地面监控系统研究

为了将井眼轨迹以及其他有关的钻井参数用图形和数据三维可视化地显示出来,便于现场工程技术人员直观地掌握和分析钻头所在位置以及井下导向工具对井眼轨迹的控制情况,研制了地面监控和井眼轨迹可视化子系统,该系统是调制式旋转导向钻井系统(MRSS)的指挥中心。可实时监控井下导向工具,控制井眼轨迹按设计的轨迹逼近靶区并中靶。文中介绍了MRSS地面监控子系统的总体设计;在导入设计数据和实时采集MWD上传的实钻数据的基础上,进行了设计井眼和实钻井眼的轨迹描述、轨迹偏差分析和轨迹修正设计、进而计算出MRSS轨迹控制参数及相应的下传控制指令;研究了控制指令下传给井下导向工具的方式并给出最佳指令编码方案。系统的各项功能集成在一个一体化的地面监控和井眼轨迹三维可视化软件系统中,是信息化、智能化钻定向井的创新工程。     

现代导向钻井技术的新进展及发展方向

总结了导向钻井技术的进展历程,并指出现代导向钻井先进技术正在高速发展,近年又有许多新进展.中国应迎接挑战,加大投入,加速发展.指出了滑动导向钻井和所谓“复合钻进”存在许多弊端.旋转导向钻井时的摩阻与扭阻小、钻速高、钻头进尺多、钻井时效高、钻井周期短、井身轨迹平滑、极限井深可达15km,每米进尺成本低,是现代导向钻井的发展方向.现代导向钻井的关键技术是旋转导向钻井、几何导向和地质导向钻井.文章强调了地质导向的功能.着重阐述了旋转导向钻井的原理与控制理论,旋转导向钻井系统的5大组成部分,旋转导向钻井工具的工作原理、结构类型及其进展现状和发展方向,并对加速发展我国的现代导向钻井技术提出了若干建议.     

导向钻井技术现状及发展方向

基于随钻测量的导向钻井技术是实现定向钻进的核心技术，广泛应用于定向井、水平井、大位移井、分支井的施工作业中。文中指出了滑动导向钻井存在的不足，介绍了旋转导向钻井、几何导向钻井的现状，并详细介绍了国内外目前最先进的地质导向钻井系统。     

焦石坝页岩气水平井钻井提速工具应用

针对焦石坝区块页岩气水平井在钻进过程中遇到的地层可钻性差、摩阻扭矩大、井下动力钻具寿命
短等问题,在详细分析钻井施工难点的基础上,优选多种新型提速工具进行了现场应用。采用旋冲钻具改变破岩
方式提高了研磨性地层的破岩效率;采用水力振荡器和旋转导向工具将定向过程中的静摩擦变为动摩擦,实现了
长裸眼段降摩减阻和轨迹高效控制;采用低速螺杆、等壁厚螺杆和耐油螺杆延长了井下动力钻具单趟钻寿命及进
尺。现场应用效果表明,通过新型提速工具的优选应用,机械钻速同比提高２８％～８６．３９％,实现了一趟钻完成一开
进尺,一趟钻完成水平段进尺,有效提高了钻井效率,为焦石坝及邻近区块后续页岩气水平井钻井提速提供了技术
参考和支撑。