旋轉導向鉆井技術研究新進展

熊繼有 溫杰文 榮繼光 李宬曉

“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·西南石油大學

旋轉導向鉆井技術研究新進展

熊繼有 溫杰文 榮繼光 李宬曉

“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·西南石油大學

井下旋轉導向鉆井工具是旋轉導向鉆井系統的核心部件,從應用情況來看,指向式旋轉導向鉆井工具是發展的趨勢。為解決在鉆大位移井、水平分支井等復雜結構井時出現的種種難題以及國內指向式旋轉導向鉆井技術的“瓶頸”問題,將理論與實踐相結合,對旋轉導向鉆井技術的國內外研究現狀做了分析;介紹了目前國內外運用比較廣泛且典型的推靠式MRST和指向式Geo-Pilot井下閉環旋轉導向鉆井工具。在大量調研和文獻分析的基礎上,提出了研制與Geo-Pilot有所不同的新型指向式旋轉導向鉆井工具的思路,并著重論述了其結構與導向原理,總結出該指向式旋轉導向鉆井工具的特性與優點,提出了下一步的研究重點、難點與方向。

水平井 大位移井 推靠式 指向式 旋轉導向鉆井 偏置機構 穩定器 電子馬達

0 引言

近十幾年來,水平井、大位移井、多分支井等復雜結構井和“海油陸采”的迅速發展,以及鉆井工藝對提高效率、降低成本、提高在惡劣環境和復雜地質條件下鉆井能力等的要求,國內外紛紛開展了對旋轉導向鉆井技術的研究。旋轉導向鉆井技術是一項尖端的自動化鉆井新技術,國外鉆井實踐證明,在水平井、大位移井、大斜度井、三維多目標井中推廣應用旋轉導向鉆井技術,既提高了鉆井速度,也減少了鉆井事故,從而降低了鉆井成本。旋轉導向鉆井工具是旋轉導向鉆井系統的核心,決定了旋轉導向鉆井系統的工作特色和工作能力。

1 國內外研究現狀

目前國外三大石油公司Baker Hughes、Schlumberger和 Halliburton通過各種方式分別形成了其各自商業化應用的 PowerD rive SRD、Auto Trak RCLS和Geo-Pilot旋轉導向鉆井系統,這3個系統的根本區別是井下鉆井工具各不相同,這也充分說明了旋轉導向鉆井工具是旋轉導向鉆井系統的核心。前面兩種系統可歸類為一種系統即推靠式(push-the-bit)旋轉導向鉆井系統;而后一種屬于指向式(point-the-bit)旋轉導向鉆井系統[1]。

國內開展這方面的研究工作較晚。20世紀90年代才全面展開這方面的研究工作,2006年以蘇義腦院士為首的技術團隊研制成功了CGDS-1近鉆頭地質導向旋轉鉆井系統,在冀東、遼河等油田應用15口井。另外,以張紹槐教授為首的研究團隊,近年來與中國石化勝利油田合作,在旋轉導向鉆井方面也取得了突破性的成果。但大多研究在推靠式旋轉導向鉆井居多,指向式旋轉導向鉆井的研究在國內還處于“瓶頸”狀態。

2 典型井下閉環旋轉導向鉆井工具

2.1 M RST的組成及工作原理

調制式旋轉導向鉆井工具(MRST)屬于推靠式旋轉導向鉆井工具(圖1)。由于其鉆柱與井壁之間不存在靜止點,因此,在鉆井過程中更可體現旋轉鉆井的優越性[1]。調制式旋轉導向鉆井系統導向力的大小和方向主要是由穩定平臺控制的。當需要最大導向力時,穩定平臺控制軸就帶動上盤閥旋轉,使上盤閥穩定在預定方向,控制上盤閥高壓孔方向恒定。在鉆柱旋轉過程中,每個“巴掌”依次在該方向附近伸出拍打井壁,導向機構對井壁的作用力就是這些拍打力的合力。這個合力的反力就是鉆柱受到的導向力,方向沿著上盤閥預定方向的反方向。當不需要導向時,穩定平臺帶動上盤閥以和鉆柱具有不同的某一轉速勻速轉動,這時“巴掌”均勻拍打井壁四周,導向工具可控制的液壓導向力的合力就等于零,此時導向工具呈中性工作狀態,達到穩斜效果。M RST液壓控制閥采用上、下盤閥結構,上盤閥與穩定平臺控制軸相連接,它只有一個弧形長孔形狀的高壓閥孔。下盤閥與鉆柱本體連接,隨M RST外殼及鉆柱一起旋轉,它有3個互成120°圓心角的等直徑低壓孔(泄流孔),見圖2。

圖1 調制式旋轉導向鉆井工具圖

圖2 液壓控制上、下盤閥圖

2.2 Geo-Pilot的組成及工作原理

Geo-Pilo t[2-3]是一種不旋轉套式導向工具(圖3),屬于指向式旋轉導向鉆井工具。它不是靠偏心穩定器的翼肋推靠井壁偏置鉆頭進行導向,而是靠不旋轉套與萬向短節之間的一套偏心機構使萬向軸偏置,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。該機構由幾個可控制的偏心環組合而成,當井下自動控制完成偏心環組合之后,該機構將相對于不旋轉套固定,從而始終將萬向軸向固定方向偏置,為鉆頭提供一個方向固定的傾角。

圖3 Geo-Pilot旋轉導向鉆井工具圖

3 新型指向式旋轉導向鉆井工具結構與導向原理

從應用情況來看,指向式旋轉導向鉆井工具能夠更好地對井斜和方位進行控制,具有更長的壽命,指向式旋轉導向系統是發展趨勢[2]。筆者經過大量調研和相關文獻的分析,提出新型指向式旋轉導向鉆井工具與Geo-Pilot旋轉導向鉆井工具有些不同,并且還結合了少許推靠式旋轉導向鉆井工具的特性。

3.1 底部鉆具組合(BHA)

圖4 新型指向式旋轉導向鉆井工具BHA結構簡圖

新型指向式旋轉導向鉆井工具BHA結構(圖4)由4個部分組成,分別是:樞軸穩定器、水力偏置系統、MWD總成和鉆柱穩定器。其中,MWD總成包括: CPU、存儲器、螺線型電導管、隨鉆測量儀(MWD)及控制電路和傳感器。該指向式旋轉導向鉆井工具(圖5)包含兩個尤為重要的組成部分:一個是近鉆頭穩定器(樞軸穩定器),該穩定器由不銹鋼材料組成,擁有4個螺旋形刀鋒翼肋且相互“環布”連接,并為旋轉中心軸提供固定支點;另一個是水力偏置機構,也可看著是一個特殊的“穩定器”,因為它是由不旋轉外套筒、電子馬達和放射狀偏心環組成,并且在不旋轉外套筒上安裝有3個水力驅動“巴掌”,旋轉中心軸位于不旋轉外套筒內依次穿過偏置系統和近鉆頭穩定器。動力模塊電子馬達位于中心軸和不旋轉套筒之間與控制電路相連[4-7]。

圖5 新型指向式旋轉導向鉆井工具圖

3.2 導向原理

正常情況下,中心軸與外套筒中心線重合(圖6-Ⅰ)。鉆井的過程中,該新型指向式旋轉導向鉆井工具中的控制電路CPU接收到MWD總成中相關高端傳感器傳輸的信號(比如:井斜、方位),然后經由螺線形電導管傳輸給動力模塊電子馬達,電子馬達給放射狀水力偏置系統提供動力[5-6,8],安裝在不旋轉套筒外部的“巴掌”伸出與井壁接觸,同時安裝在其內部的偏心環旋轉。在“巴掌”和近鉆頭穩定器支點共同作用下,鉆頭形成一偏角,即中心軸與不旋轉套筒中心線形成一定角度(圖6-Ⅱ)。在偏心環作用下,將連接著鉆頭的中心軸向固定方向偏置,為鉆頭提供一個方向的固定的傾角,從而使鉆頭的鉆井方向發生改變,對井斜和方位進行糾正(見圖6-Ⅲ)。其中,鉆頭偏移角度不僅可調,而且在鉆井過程中將鉆桿傳遞的扭矩和鉆壓實時傳遞給鉆頭。同時,控制電路把信號轉化成泥漿脈沖信號,上傳給地面控制系統進行分析。其導向原理如圖7所示。

圖6 新型指向式旋轉導向鉆井工具導向流程圖

圖7 新型指向式旋轉導向鉆井工具導向原理簡圖

4 新型指向式旋轉導向鉆井工具的特性與優點

1)穩斜作業時,360°全方位計量、監測,能實時地得到近鉆頭井徑大小,使得樞軸穩定器能保證旋轉鉆進不偏心,降低近鉆頭振動,達到穩斜目的。

2)連續、平滑鉆進保證了井眼質量和井身軌跡的規范。

3)導向作業時,樞軸穩定器給鉆頭提供一個固定的支點以便指向鉆頭順利完成導向,并且支點離鉆頭的距離越近鉆頭獲得的指向力就越大。在鉆軟地層時,電子控制模塊內的幾何算法會使鉆頭的側削和傾斜作用適度,防止其超過極限值;相反,在作用于硬地層時,該工具施予鉆頭一個最大的指向力以獲得預設的偏角(地質導向直接中靶)[5]。與該指向式鉆井工具配套使用的鉆頭為一種“環布”式的新型PDC鉆頭,不容易出現卡鉆,研磨能力強,壽命較長。

5 新型指向式旋轉導向鉆井工具今后研究的重點、難點及思路

在鉆井過程中,由于鉆井工具處在井下高溫、高壓的工作環境中,并伴有腐蝕、沖蝕、振動等,其工作環境和工作條件異常惡劣,給井下鉆井工具的研究和設計帶來相當的難度。針對目前指向式旋轉導向鉆井工具現狀存在的不足,提出了如下的研究方向:①指向式旋轉導向鉆井工具中心軸三維結構動力學分析,建立三維力學模型;②指向式旋轉導向鉆井工具控制軸強度和剛度有限元分析及計算,振動模態分析;③指向式旋轉導向鉆井工具偏置機構力學模型建立及仿真分析;④指向式旋轉導向鉆井工具的下部鉆具組合力學分析;⑤指向式旋轉導向鉆井工具結構的優化設計;⑥與指向式旋轉導向鉆井工具配伍的鉆頭優選。

6 結論

1)旋轉導向鉆井系統是一個集機、電、液于一體的閉環自動控制系統,并以旋轉鉆井為其技術特征,旋轉導向鉆井工具是整個導向系統的核心,而指向式旋轉導向鉆井工具是未來的發展趨勢,其在減少井下摩阻、提高鉆探能力和控制精度方面具有獨特的優勢。

2)認識、了解和掌握旋轉導向鉆井工具的特性和工作原理,并介紹了目前在國際上應用比較廣泛的推靠式M RST和指向式Geo-Pilot旋轉導向鉆井工具。

3)提出了研制與 Geo-Pilot有所不同的新型指向式旋轉導向鉆井工具,并著重分析了其結構與導向原理,總結了其特性和優點,提出了今后研究的重點、難點及思路。

4)指向式旋轉導向鉆井工具的優越性顯而易見,但目前還有許多技術難題有待解決,發展潛力很大,需進一步研究。

[1]李俊,倪學莉,張曉東.動態指向式旋轉導向鉆井工具設計探討[J].石油礦場機械,2009,38(2):63-66.

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New progress in the research of rotary steerable drilling technology

Xiong Jiyou,Wen Jiewen,Rong Jiguang,Li Chengxiao
(State Key Laboratory for Oil&Gas Reservoir Geology and Ex p loitation,Southw est Petroleum University, Chengdu,Sichuan 610500,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 4,pp.87-90,4/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

Rotary steerable drilling tools are the core component of rotary steerable drilling system.Acco rding to the p resent application,point-the-bit is the development tendency of ro tary steerable drilling system.To solve those p roblem s in extended reach wells and ho rizontalmulti-branch wells and ease the"bottleneck"of domestic point-the-bit of rotary steerable drilling technology,combining theory w ith p ractice,we summarize the rotary steerable drilling technology at home and abroad,introduce two typical and popular bottom hole closed loop rotary steerable drilling tools,namely MRST and Geo-Pilot.Based on considerable investigations and analysisof documents,we develop a new idea fo r the research of a new rotary steerable drilling toolw hich is different from the Geo-Pilot,emphatically analyze its structure and steering p rincip le,summarize its traits and advantages,even p resent the focus,challenges and o rientation of further investigation in the next step.

horizontal well,extended reach well,push-the-bit,point-the-bit,rotary steerable drilling,eccentric system,stabilizer, electronic pump.

國家自然科學基金項目“西部油氣深井物理法隨鉆防漏堵漏研究”(編號:90610013)。

熊繼有,1951年生,教授,博士生導師;1978年畢業于原西南石油學院;從事鉆井工藝技術、射流理論與應用技術、鉆井動力學等方面的研究工作。地址:(610500)四川省成都市新都區。電話:(028)83032923。E-mail:xiongtang2002@yahoo.com.cn

熊繼有等.旋轉導向鉆井技術研究新進展.天然氣工業,2010,30(4):87-90.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.04.022

2009-12-23 編輯 鐘水清)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.04.022

Xiong Jiyou,p rofessor,was born in 1951.He holds a Ph.D degree,being mainly engaged in drilling technology,jet theory and jet app lication technology,and drilling dynamics research.

Add:No.8.Xindu Avenue,Xindu District,Chengdu,Sichuan 610500,P.R.China

Tel:+86-288303 2923 E-mail:xiongtang2002@yahoo.com.cn