认识与控制扭矩是改善定向滑动钻井的关键

今年3月2日在美国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:定向滑动钻进的关键”的论文(SPE/IADC 8716 2 )。该公司在钻机上安装了一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,从而达到以下目的: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。这套扭矩自动控制系统由软件与硬件组成,硬件部分为一液压动力旋转器,安装在钻机顶驱上。其基本原理是根据各个传感器所获得…     

PDC钻头反扭矩分析及控制技术

定向滑动钻井时,PDC钻头上产生的反扭矩变化较大,导致工具面控制不稳,影响了钻进的连续性和速度。采用有限元数值模拟技术定量地分析了PDC钻头破岩时产生的扭矩,进一步证实存在较大反扭矩。介绍了Southard钻井技术公司最近研制的一种无反扭矩钻井工具,即行星钻头驱动器。该工具构思巧妙、设计新颖,通过控制定向钻井时PDC钻头上产生的反扭矩及其变化,从而提高钻进效率,具有一定的发展前景。     

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。     

认识与控制扭矩是改善定向滑动钻井的关键

2004年3月2日,在美国Texas州Dallas市召开的SPE钻井技术会议上,美国Nobel公司宣读了一篇题为 "认识与控制扭矩:定向滑动钻进的关键"的论文(SPE／IADC 87162)。     

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。     

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。      

连续管钻井电液定向装置工具面调整方法

针对连续管钻井过程中工具面难以及时摆正的问题,研究了连续管钻井电液定向装置工具面调整方法。在设计连续管钻井电液定向装置结构的基础上,应用空间圆弧轨迹矢量描述方法,按照工具面调整方式及该电液定向装置的结构特点,提出了适合该装置调整工具面的方法,并建立了滑动螺母运动位移与工具面调整角度的函数模型。研究发现,控制滑动螺母在一个行程（0~110 mm）内往复轴向移动,可带动定向装置中的螺旋芯轴双向旋转工具面;工具面角在0°~360°范围内变化时,滑动螺母运动位移与工具面角调整量呈“折线”关系,且在每条“折线”的两斜直线段上,滑动螺母运动位移随工具面角调整量均呈线性增加关系。研究结果表明,该新型连续管钻井电液定向装置的工具面调整方法切实可行,有助于提高连续管钻井效率,有利于推动国内连续管钻井技术的研究与应用。      

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。     

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。     

WTZ-50型钻机的改进设计

WTZ- 5 0型钻机于 1 985年研制成功 ,该钻机是针对我国平原松软地区进行石油地球物理勘探钻震源炮井而设计的一种全液压车装地震钻机 ,该钻机具有泥浆介质循环钻井的功能 ,钻井深度为 5 0 m(泥浆介质钻井 ) ;动力头输出扭矩为 5 6 0 N· m;输出转速为 0～ 2 5 0 r· min-1;加压提升力为 1 0 k N;钻具为6 0 mm× 3 0 0 0 mm。该钻机安装在东风 EQ1 0 93 FJ型双桥驱动高通过性汽车底盘上 ,使其具有良好的运移性 ,搬迁方便、符合野外施工的要求 ;该钻机以液压驱动并控制钻具的旋转、提升、钻进和井架的起落 ,以皮带传动、气动摩擦离合器…     

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。     

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     

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。     

自动滑动钻井控制系统的研究进展

鉴于旋转导向钻井工具所需费用高且对井眼尺寸的限制严格,国外研发了一种新型自动滑动钻井控制系统,即自动扭矩控制系统。该滑动钻井控制系统的硬件部分是一个与顶驱控制系统相连的地面控制系统,它采用扭矩摇摆技术通过顺时针与逆时针交互旋转钻柱顶部,以保持上部钻柱一直做切向运动,从而克服与导向马达问题有关的多种摩擦阻力。现场应用结果表明,该技术能使钻压平稳地传递给钻头,增加工具面定位优势,延长井下设备(马达、钻头、MWD等)的使用寿命,减小井眼轨迹的偏移和降低扭曲值,进而大幅提高钻井效率。     

定向滑动钻进控制新方法研究

在用螺杆钻具进行定向钻井时,由于井眼摩阻大,常导致工具面调整困难和滑动钻进托压。针对该问题,研究了有效结合了顶驱可编程控制器和传感器的滑动钻进控制新方法。首先,分析研究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。然后,通过5个传感器的实时数据采集,依据现场技术人员的经验和操作方法,将其转换为计算机可以执行的控制程序,建立了以可编程控制器为核心的人机控制界面,用可编程控制器计算了调整工具面所需的旋转角度,并将工具面准确调整到设计的角度;根据大钩悬重和压差Δp判断是否出现托压,出现托压时用可编程控制器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Δp0,解决滑动托压。相关应用表明,新方法能大幅减小井眼摩阻,提高机械钻速,是目前螺杆钻具滑动钻进中最有效的控制方法。      

套管钻井技术在垦东341井的应用

套管钻井技术是一种新的钻井技术,其目的是降低钻井成本,提高钻井效率以及把井眼问题控制到最低程度。套管由顶部驱动装置带动旋转,由套管传递扭矩,带动安装在套管端部上的钻头旋转并钻进。垦东341井是中石化公司在胜利油田垦东地区的一口探井,一开采用了0339．7套管钻井技术进行钻进;实践证明,海上钻井使用该项技术,可以简化表层钻井的程序,缩短钻井周期,降低成本,具有广泛的应用前景。     

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。     

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。     

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。     

旋转导向钻井系统在张海29-36L井的应用

埕海2-2人工岛是大港油田为实现海油陆采而建设的人工岛,因受地面条件和地质靶点制约,主要采用大斜度井、大位移井、水平井等复杂井型进行开发。张海29-36L井是部署在埕海2-2人工岛的一口三开大位移定向井,本井最大水平位移1 764.51 m,最大井斜76.16°,为有效克服三开滑动钻井产生的频繁托压、粘卡现象,应用了斯伦贝谢公司的Power Drive Xceed指向式旋转导向钻井系统,其工作原理是在钻具旋转状态下实现定向作业,应用旋转钻进方式代替滑动钻进方式,显著地减小了钻柱与井壁之间摩阻/扭矩。张海29~36 L井应用结果表明,应用旋转导向钻井系统井段比未使用该工具的井段机械钻速提高了71%,取得了非常显著的提速效果;与邻井相比,提高了行程钻速,缩短了钻井周期;旋转导向钻井系统在张海29-36L井成功应用实例为探索大位移井钻井提速提供了有益的参考。