井下旋转导向钻井工具研究现状.docx

井下旋转导向钻井工具研究现状 0 旋转导向钻井技术 近十年来，水平井、大位移井、复合井等复杂结构井和“海油陆地开采”的快速发展，以及井技术的提高效率、降低成本。改革开放和复杂地质条件下的钻井能力。国内外对旋转导向钻技术的科学研究。旋转导向钻井技术是一项尖端的自动化钻井新技术,国外钻井实践证明,在水平井、大位移井、大斜度井、三维多目标井中推广应用旋转导向钻井技术,既提高了钻井速度,也减少了钻井事故,从而降低了钻井成本。旋转导向钻井工具是旋转导向钻井系统的核心,决定了旋转导向钻井系统的工作特色和工作能力。 1 旋转导向钻井技术 目前国外三大石油公司Baker Hughes、Schlumberger和Halliburton通过各种方式分别形成了其各自商业化应用的PowerDrive SRD、AutoTrak RCLS和Geo-Pilot旋转导向钻井系统,这3个系统的根本区别是井下钻井工具各不相同,这也充分说明了旋转导向钻井工具是旋转导向钻井系统的核心。前面两种系统可归类为一种系统即推靠式(push-the-bit)旋转导向钻井系统;而后一种属于指向式(point-the-bit)旋转导向钻井系统。 国内开展这方面的研究工作较晚。20世纪90年代才全面展开这方面的研究工作,2006年以苏义脑院士为首的技术团队研制成功了CGDS-1近钻头地质导向旋转钻井系统,在冀东、辽河等油田应用15口井。另外,以张绍槐教授为首的研究团队,近年来与中国石化胜利油田合作,在旋转导向钻井方面也取得了突破性的成果。但大多研究在推靠式旋转导向钻井居多,指向式旋转导向钻井的研究在国内还处于“瓶颈”状态。 2 标准闭合旋转导向钻井工具 2.1 稳定平台控制轴与上盘阀旋转 调制式旋转导向钻井工具(MRST)属于推靠式旋转导向钻井工具(图1)。由于其钻柱与井壁之间不存在静止点,因此,在钻井过程中更可体现旋转钻井的优越性。调制式旋转导向钻井系统导向力的大小和方向主要是由稳定平台控制的。当需要最大导向力时,稳定平台控制轴就带动上盘阀旋转,使上盘阀稳定在预定方向,控制上盘阀高压孔方向恒定。在钻柱旋转过程中,每个“巴掌”依次在该方向附近伸出拍打井壁,导向机构对井壁的作用力就是这些拍打力的合力。这个合力的反力就是钻柱受到的导向力,方向沿着上盘阀预定方向的反方向。当不需要导向时,稳定平台带动上盘阀以和钻柱具有不同的某一转速匀速转动,这时“巴掌”均匀拍打井壁四周,导向工具可控制的液压导向力的合力就等于零,此时导向工具呈中性工作状态,达到稳斜效果。MRST液压控制阀采用上、下盘阀结构,上盘阀与稳定平台控制轴相连接,它只有一个弧形长孔形状的高压阀孔。下盘阀与钻柱本体连接,随MRST外壳及钻柱一起旋转,它有3个互成120°圆心角的等直径低压孔(泄流孔),见图2。 2.2 翼肋推井壁偏置钻头导向作用 Geo-Pilot是一种不旋转套式导向工具(图3),属于指向式旋转导向钻井工具。它不是靠偏心稳定器的翼肋推靠井壁偏置钻头进行导向,而是靠不旋转套与万向短节之间的一套偏心机构使万向轴偏置,从而为钻头提供了一个与井眼轴线不一致的倾角,产生导向作用。该机构由几个可控制的偏心环组合而成,当井下自动控制完成偏心环组合之后,该机构将相对于不旋转套固定,从而始终将万向轴向固定方向偏置,为钻头提供一个方向固定的倾角。 3 旋转导向系统 从应用情况来看,指向式旋转导向钻井工具能够更好地对井斜和方位进行控制,具有更长的寿命,指向式旋转导向系统是发展趋势。笔者经过大量调研和相关文献的分析,提出新型指向式旋转导向钻井工具与Geo-Pilot旋转导向钻井工具有些不同,并且还结合了少许推靠式旋转导向钻井工具的特性。 3.1 旋转导向钻井工具 新型指向式旋转导向钻井工具BHA结构(图4)由4个部分组成,分别是:枢轴稳定器、水力偏置系统、MWD总成和钻柱稳定器。其中,MWD总成包括:CPU、存储器、螺线型电导管、随钻测量仪(MWD)及控制电路和传感器。该指向式旋转导向钻井工具(图5)包含两个尤为重要的组成部分:一个是近钻头稳定器(枢轴稳定器),该稳定器由不锈钢材料组成,拥有4个螺旋形刀锋翼肋且相互“环布”连接,并为旋转中心轴提供固定支点;另一个是水力偏置机构,也可看着是一个特殊的“稳定器”,因为它是由不旋转外套筒、电子马达和放射状偏心环组成,并且在不旋转外套筒上安装有3个水力驱动“巴掌”,旋转中心轴位于不旋转外套筒内依次穿过偏置系统和近钻头稳定器。动力模块电子马达位于中心轴和不旋转套筒之间与控制电路相连。 3.2 动力和井-环模块 正常情况下,中心轴与外套筒中心线重合(图6-Ⅰ)。钻井的过程中,该新型指向式旋转导向钻井工具中的控制电路CPU接收到MWD总成中相关高端传感器传输的信号(比如:井斜、方位),然后经由螺线形电导管