造斜工具与定向钻井技术的发展

井眼方向变化的基本原理
• 钻头对井底的不对称切削 – 偏喷嘴的作用 • 最典型的是射流钻头，三 个喷嘴中，有一个特别大， 另两个是比较小的。在定 向喷射钻进时，大喷嘴一 边井底冲蚀快，形成偏窝。 在旋转钻进，即可钻出弯 曲井眼。
井眼方向变化的基 本原理
• 钻头对井底的不对称切削 – 地层因素 • 最地层倾斜及可钻性的 各向异性； • 地层可钻性的纵向变化； • 地层可钻性的横向变化：
• • • • 射流钻头； 柔性套筒式； 铰接接头式； 活塞支撑块式；
造斜工具 的发展
– 可以形成旋转导向钻井系统的工具：既可钻弯曲 井段，也可钻直线井段。这是第四代造斜工具的 代表。
• 侧推钻头式(push the bit)； • 指引钻头式(point the bit)；
“指引钻头”式旋转导向钻井系 统
造斜工具 的发展
侧推钻头式之二：AUTO-TRACK 造斜工具 的发展
关键部分：非旋转套 整个钻柱在旋转，如何保证非旋转套不旋转？ 非旋转套的内部，装有井下计算机、井斜传感器、液压控制、 支撑块机构等部分； 不旋转的“惯性平台”在主轴外面。
侧推钻头式之二：AUTO-TRACK 造斜工具 的发展
非旋转套依靠反向电机驱动，使之相对于井眼不旋转，保持侧推钻头的力的方向不 变。非旋转套并非绝对不旋转，但工具自己可以测得非旋转套筒的旋转，并随时调 整三个“翼块”给出的侧推力的方向。
扶正器
旋转轴
非旋转套筒
钻头
指引钻头式之一：Geo-Pilot，AGS （非旋转套筒+偏心环）
指引钻头式之二：Schlumberger,BP Amoco （反转马达+万向节）
反转电 马达
造斜 工具 的发 展
万向节
相对外筒有偏 角的驱动轴
造斜工具简介
动力钻具造斜工具
•
影响造斜工具造斜率的因素 分析： – 1. 造斜钻具结构性能的 影响：
6 EJ 1 PX 1 PT sin LT L 2
• PX 与工具的弯曲角γ1 成正变关系； • PX 与弯曲点以上钻柱 的刚度EJ成正比关系； • PX 与动力钻具长度LT 成反比关系；
1 K R
造斜工具简介动力钻具造斜工具
• 造斜率的简易计算法 —几何定圆法
– 国外流行三点定圆法： • 扶正器直径与钻头相等。
1 1 2
1 L1 R sin 1 2
2 1
1 L2 R sin 2 2
L1 L2 R 2(sin 1 sin 2 ) L1 L2 2(sin1 sin ) L1 L2 L1 L2 2(sin1 sin( 2 1 )) 2 2
造斜工具简介动力钻具造斜工具
• 造斜率的简易计算法 —几何定圆法
– 单弯组合的几何定圆法： Df Dc L1 ( R ) sin ( R Db )tg 2 2
L2 R 2 sin
R Db Dc / 2 cos R Df / 2 L2 (2 Db Dc ) sin L2 D f sin
第二代造斜工具 (动力钻具造斜工具)
• 动力钻具又称井下马达，包括 涡轮钻具、螺杆钻具、电动钻 具三种。常用前两种。 • 位置：在钻铤和钻头之间。钻 井液循环驱动。 • 动力钻具以上整个钻柱都不旋 转，对定向造斜非常有利。 • 结构由三种: – 动力钻具带弯接头； – 动力钻具上接弯钻杆； – 动力钻具带偏心垫块；
– 岩性变化； – 溶洞的存在； – 破碎带；
井眼方向变化的基本原理
• 钻头对井壁的侧向切削 – 侧向切削的根本原因，是在钻 头上存在一个侧向力。钻头上 的侧向力与很多因素有关：
• 钻压； • 钻柱重力：
– 钟摆力； – 杠杆力；
• 钻柱弹性力； • 井眼约束条件； • 特殊结构力：
– 水力喷射横向力； – 定向支撑横向力；
第三代造斜工具
弯外壳螺杆钻具
造斜工具 的发展
1. 弯曲点距离钻头大大缩短，造斜率大大提高； 2. 同时转动钻柱，可以钻出直线形井眼；钻速快； 3. 可以进行导向钻井（滑动导向钻井系统）；
第三代造斜工具：铰接式螺杆钻具
铰接接头下钻时是直的； 受压后可以在一个方向上 弯曲一定的角度； 可精确控制弯曲曲率；
Db D f sin 2L 2
联立三式，求出γ、β、R 。
造斜工具简介动力钻具造斜工具
• 造斜率的简易计算法 —几何定圆法
– 双弯组合的几何定圆法： • 扶正器直径小于钻头。
1 1 2
1 L1 R sin 1 2
2 1
造斜工具 的发展
曲率可达到短半径范围；
滑动导向钻井的存在问题
(第四代造斜工具出现的原因)
滑动钻进 旋转钻进
导向 造斜工具 钻井 的发展
滑动钻进时的存在 问题：
1. 滑动困难；
2. 需保持定向； 3. 井眼不清洁；
旋转钻进时的存 在问题：
1. 粘滑振动造成 马达和MWD 的破坏；
2. 钻头磨损加快； 3. 井眼质量差， 不利于测井；
• 关键是控制总成内的不转动的部分，具有一个称作“惯性平台” 的部分，实际上是由井下计算机控制的“电子液压伺服系统”， 可以保证控制轴不受整个钻柱转动的影响。控制轴可以给定偏置 部分一个轨迹控制所需要的导向方位角。 • 不旋转的“惯性平台”在内部。
侧推钻头式之一：PowerDrive
• 钻头侧向力的产生原理
2. Baker Hughes’ AutoTrack Rotary Closed Loop 。由Baker Hughes和ENI-AGIP S.p.A. 联合开发的。偏置钻头原理(Bias the bit)。在北海的一个井眼钻进中，钻进了4383英尺，垂深误 差在± 8英寸之内。
3. Schlumberger 的rotary steerable system called the PowerDrive* 475 。偏置钻头原理(Bias the bit)。突出特点是钻 速快，大大节约钻井成本。目前几口最大水平位移的大位移井， 都是用它钻成的。在Power Drive之后，又推出Point the Bit Steering Rotary System。
– 控制轴和上盘，是由惯性平台控 制的独立部分。上盘的水眼方位， 就是给钻头侧向力的方位。该方 位确定后，不管钻柱如何转动， 上盘都不转动。 – 下盘与偏置机构以及钻头相连接， 随钻柱转动而转动。 – 只有上下盘水眼相通时，才能有 泥浆流过，并推动支撑块伸出， 给井壁一作用力，同时给钻头一 反方向的作用力。
造斜工具与定向钻井 技术的发展
1. 井眼方向变化的基本原理；
2. 造斜工具与定向井技术的发展；
石油大学（华东） 韩志勇
轨迹控制与井眼方向变化
• 1. 要求：在实钻过程中，设法使实钻的井眼轨迹尽 可能符合设计的井眼轨道。 • 2. 实质：井眼轨迹控制，的实质，就是不断地控制 井眼的前进方向。井眼方向由井眼的井斜角和井斜 方位角来表示的。 • 3. 井眼方向控制内容： – 井斜角的控制：增斜、降斜、稳斜； – 井斜方位角控制：增方位、降方位、稳方位；
4. 钻速很低；
5. 井眼扭曲； 6. 环空压力波动；
7. 钻柱粘卡；
滑动导向钻井： 滑动钻进：改变井眼方向； 旋转钻进：保持井眼方向； 8. 屈曲和自锁； 9. 造斜率对地层敏 感； 10.反扭角的影响；
第四代造斜工具：旋转造斜工具
• 没有井底动力钻具。 • 旋转造斜工具有两大类：
– 仅仅可以进行旋转定向造斜的工具：
(第一代)30年代
射流钻头 肘节工具 弯外壳螺杆钻具 (第三代)70-90年代 弯接头+井底动力钻具 (第二代)40-60年代
旋转导向造斜工具 (第四代)90年代末出现
第一代造斜工具(转盘钻造斜工具)
• 槽式变向器：
– 造斜过程： • 定向安置槽式变 向器； • 加压剪断销钉， 旋转钻进钻出导 眼； • 起钻并起出槽式 变向器； • 更换扩眼钻头， 扩大导眼； – 每安置一次，只能 使井斜增加一个导 斜角大小的角度。
增斜 稳斜 增方位 稳方位
(九种组合)
降斜
降方位
井眼方向变化的基本原理
• 钻头对井底的不对称切削 – 近钻头钻柱的弯曲和倾斜。 • 在某个时刻，钻头轴线与 井眼轴线是重合的。但当 钻头前进时，钻头轴线总 是与原井眼轴线不重合。 钻头前进方向总在变化。 • 这就使钻头对井底的切削， 一边钻速快，一边钻速慢。 钻出的井眼发生弯曲了。
造斜工具简介动力钻具造斜工具
• 影响造斜工具造斜率的因素分析： W T – 2. 钻进速度的影响： 2 • K与侧向钻速VC 成正比； • K与机械钻速Vt 成反比； • K与动力钻具直径和井径之差(DW-DT) 成正比； • 动力钻具长度影响很大，采用短动力钻具可显著增大造斜率；
D D 2Vc K l l Vt
第一代造斜工具 (转盘钻造斜工具)
• 射流钻头：
– 工作三部曲： • 1.定向喷射，大水眼冲出 “斜窝”；适当加压使钻 头进入“窝”内，继续喷 射； • 2.边喷射，上下活动钻柱， 扩大“斜窝”，并对井底 造成冲击； • 3.旋转钻进，钻出弯曲井眼； – 适用地层：软地层； – 需要给大水眼喷嘴定向。
侧推钻头式之一：PowerDrive
• 完全的旋转导向系统：
– 整个钻柱，从上到下，全部都在旋转，没有静止的部分； – 但在下部控制总成内部，有不旋转的部分；
造斜工具 的发展
• 结构：
– 下部偏置部分：在旋转过程中始终给钻头一个侧向力； – 中部控制部分：始终控制侧向力的方向； – 上部MWD部分：测量信息及传输；
造斜工具简介
转盘钻造斜工具
• 对抗器：
– 作用：可在小范围内改变 井斜方位 – 结构： • 体部为一根短钻铤；形 状如图； • 上下两个瓦片，用小轴 相连，并被固定在体部 的纵向沟槽内。 – 改变瓦片宽度，可以实现 增方位或减方位；
造斜工具简介
转盘钻造斜工具
• 套筒形变向器： – 只能在小范围内改变井眼 方位。 – 结构： • 心轴与钻头、钻铤连接； • 心轴外有套筒；套筒与 心轴用小轴连接； • 套筒外有上下两个“瓦 片”； – 改变上下瓦片的位置，可 以实现增方位或减方位；
造斜方式与造斜工具的发展
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造斜工具 的发展
造斜：使井眼方向发生变化的工艺过程。
（包括前述的九种组合中除 了稳斜稳方位以外的八种。）
造斜工具：使井眼方向发生变化的工具。
造斜工具与造斜方式有关。
造斜方式与造斜工具的发展
（主流造斜工具的发展）
造斜工具 的发展
旋转钻井方式
斜向器(Whipstock)
滑动钻井方式
1 L2 R sin 2 2
L1 L2 R 2(sin 1 sin 2 ) L1 L2 2(sin1 sin )
Db D f sin 2L 2

L1 L2 L L2 1 2(sin1 sin( 2 1 )) 2( 2 )
造斜工具 的发展
“侧推钻头”式旋转导向钻井系 统
Bias the bit
旋转导向系统的“三巨头”
导向 造斜工具 钻井 的发展
目前市场上的旋转导向钻井系统分属三大公司集团：
1. Halliburton’s rotary steerable drilling system, dubbed GeoPilot 。由Sperry Sun 和Japan National Oil Corporation 联合 设计。指引钻头原理(Point the bit)。在北海进行裸眼侧钻，从 两个主井眼中侧钻出6个分支水平井。在第二口的四分支水平井 中，垂深误差在±1英尺之内。
指引钻头式之一：Geo-Pilot，AGS （非旋转套筒+偏心环）
导向 造斜工具 钻井 的发展
Halliburton公司的Geo-Pilot系统 ，Cambridge的AGS系统， 是一个变形的连续旋转的驱动轴处在一个非旋转套筒内。在套 筒的中部，有一对偏心环，迫使驱动轴偏心变形，导致钻头轴 线倾斜，形成三点定圆趋势。钻头的轨迹由三点几何确定，而 钻头轴线趋向于和井眼轴线相一致。