旋转导向钻井技术简介.

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国际上已经投入使用的旋转 导向钻井系统
美国Schlumberger Anadrill公司的R．L．Monti在1987年世界石油 大会上宣读的“Optimized Drilling-Closing the loop”论文中，对自动化 闭环优化钻井技术第一次做了系统的阐述。目前，世界上已有几家大石 油公司形成了商业化应用技术： 1、VDS自动垂直钻井系统：90年代初德国KTB项目组与East Man Teleo公司联合开发研制。 2、SDD自动直井钻井系统：AGIP公司与Baker Hughes Inteq公司合作 在VDS系统的基础上开发研制。 3、ADD自动定向钻井系统：1991年美国能源部资助研制，目前已达到 商业应用阶段。 4、AGS和Geo-Pilot旋转导向自动钻井系统：Sperry-sun公司1993年研 制了AGS；1999年又推出新一代的Geo-Pilot旋转导向自动钻井系统， 该系统的性能已达到90年代末世界先进的RCLS和SRD系统水平。

图2
AutoTrak RCLS结构示意图
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导向工具的执行机构有一不旋转导向套，中轴 从导向套中间穿过与钻头连接，带动钻头随钻 柱一起旋转，导向套与中轴通过轴承连接。当 周向均布的三个支撑冀肋分别以不同液压力支 撑于井壁时，将使不旋转外套不随钻柱旋转， 同时，井壁的反作用力将对井下偏置导向工具 产生一个偏置合力。通过控制三个支撑翼肋的 支出液压力的大小，可控制偏置力的大小和方 向，以控制导向钻井。液压力的大小由井下CPU 控制井下控制系统来调整。井下CPU在下井前， 预置了井眼轨迹数据。井下工作时，可将MWD测 量的井眼轨迹信息或LWD测量的地层信息与设计 数据进行对比，自动控制液压力，也可根据接 收到的地面指令调整设计参数，控制液压力， 以实现导向钻进。导向套内还有各种传感器， 可测量井斜角、方位角及工具的工作状态。(右 图是:井下偏置导向工具的导向原理示意图 )
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Байду номын сангаас
㈠、AutoTrak旋转闭环钻井系统
井下偏置导向工具导向原理示意 图
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㈠、AutoTrak旋转闭环钻井系统
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㈠、AutoTrak旋转闭环钻井系统
2、工作原理:AutoTrak RClS 系统的井下偏置导向工具由不 旋转外套和旋转心轴两大部分 通过上下轴承连接形成一可相 对转动的结构。旋转心轴上接 钻柱，下接钻头，起传递钻压 、扭矩和输送钻井液的作用。 不旋转外套上设置有井下CPU 、控制部分和支撑翼肋（右图 ）。

图5 PowerDrive系统主要组成部分
PowerDrive系统主要组成部分
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㈡ PowerDrive旋转导向钻井系统
与Auto Trak RClS系统靠独立的液压系统为 支撑翼肋的支出提供动力来源不同的是， Power DrIver SRD系统的支撑翼肋的支出动 力来源是钻井过程中自然存在的钻柱内外的 钻井液压差。如图6所示，有一控制轴从控制 部分稳定平台延伸到下部的翼肋支出控制机 构，底端固定上盘阀，由控制部分稳定平台 控制上盘阀的转角。下盘阀固定于井下偏置 工具内部，随钻柱一起转动，其上的液压孔 分别与翼肋支撑液压腔相通。在井下工作时， 由控制部分稳定平台控制上盘阀的相对稳定 性；随钻柱一起旋转的下盘阀上的液压孔将 依次与上盘阀上的高压孔接通，使钻柱内部 的高压钻井液通过该临时接通的液压通道进 图6 PowerDrive盘阀控制机构示意图 入相关的翼肋支撑液压腔，在钻柱内外钻井 液压差的作用下，将翼肋支出。这样，随着 PowerDrive盘阀控制机构示 钻柱的旋转，每个支撑翼肋都将在设计位置 支出，从而为钻头提供一个侧向力，产生导 意图 向作用。

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㈡ PowerDrive旋转导向钻井系统
2、井下定向控制单元
PowerDrive工具属调制式全旋转导向工具，该类工具的控制器、测量 传感器都密封在稳定平台内。三轴力反馈加速度计和磁通门传感器可 提供钻头倾斜角和方位角以及输入轴倾角位置信息；与控制器经信号 连接器接收的地面下行的井眼轨迹调控指令要求方向进行比较，推导 出涡轮发电机负载电流大小和通电时间。通过调节电流改变涡轮发电 机绕组回路阻抗，以使携带高强度永磁铁的涡轮叶片与稳定平台内的 扭矩线圈锅台产生不同的电磁转矩和加速度，进而使旋转换向阀保持 一个相对于井壁的固定转角，即工具面角，实现控制轴在受控状态下 的运动状态改变。 控制单元的运动由地面软件指令进行控制。在带井下实时通讯工具时， 该类工具可以通过编程实现对井斜角和方位角的内部自动控制，同时 会大大降低信号上传的要求。
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㈡ PowerDrive旋转导向钻井系统
它的导向力大小由液压机构所在井深 的钻柱内外压差决定。控制导向块在 某个方向上的伸出时间可调整井眼曲 率，最大造斜率可达8º ／30m。 PowerDrive工具把旋转钻井条件下测 得的井斜角、方位角和工具面角等数 据上传到地面，地面计算机监控系统 根据实钻井眼与设计井眼的相对位置 来产生改变工具面角等参数的下传指 令，经钻井液同步传输到井下仪器， 微处理器对钻井液脉冲信号加以识别， 与储存在仪器里的指令对比解释后， 由井下旋转导向工具执行指令，从而 实现钻柱旋转状态下的三维全导向。
旋转导向钻井 技术介绍
姚振华 2007年6月
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内容
概述 国际上已经投入使用的旋转导向钻井系统 在渤海油田使用的旋转导向钻井系统介绍 旋转导向方式的分类 旋转导向技术的应用
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旋转导向钻井技术概述
迄今为止，定向钻井技术经历了三个里程碑：利用造斜器(斜向器)定向钻 井；利用井下马达配合弯接头定向钻井；利用导向马达(弯壳体井下马达)定向 钻井。这三种定向钻井工具的广泛使用，促进了定向钻井技术的快速发展， 使得今天人们能够应用斜井、丛式井、水平井、水平分支井技术开发油田。 随着石油工业的发展，为了获得更好的经济效益，需要钻深井、超深井、 大位移井和长距离水平井，而且常常要在更复杂的地层如高陡构造带钻井。 这些都对定向钻井工具提出了更高的要求。 为了克服滑动导向技术的不足，从20世纪80年代后期，国际上开始研究 旋转导向钻井技术，到20世纪90年代初期多家公司形成了商业化技术。旋转 导向钻井系统实质上是一个井下闭环变径稳定器与测量传输仪器 （MWD/LWD）联合组成的工具系统。它完全抛开了滑动导向方式，而以旋 转导向钻进方式，自动、灵活地调整井斜和方位，大大提高了钻井速度和钻 井安全性，轨迹控制精度也非常高，非常适合目前开发特殊油藏的超深井、 高难度定向井、水平井、大位移井、水平分支井等特殊工艺井导向钻井的需 要。
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5、RCLS旋转闭环自动钻井系统：1993年AGIP公司与Baker Hughes Inteq公司合作，经过3年的研制，于1996年在4口井中试验获得了成功。 1997年，RCLS系统注册为Auto Trak，正式推向市场。截至2002年7 月累积钻进进尺超过1.609×106m。其63/4“系统创下了单次下井工作 时间92h，进尺2986m的世界纪录，81/4”系统创下了单次下井工作时间 167h，进尺3620m的世界纪录。 2、SDD自动直井钻井系统：AGIP公 司与Baker Hughes Inteq公司合作在VDS系统的基础上开发研制。 6、SRD全旋转导向自动钻井系统：1994年英国Camco公司在英格兰 Montrose地区进行了现场井下试验，获得了极大成功。该系统第一次 被世界石油界认可，是其1997年在世界上第一口水平位移超过10000m 的Wytch Farm油田M-11井的成功应用。1999年5月，Camco公司与 Schlumberger公司的Anadrill公司合并，其SRD系统注册为 PowerDrive。截至1999年底，该系统已下井138次，累计工作时间 11610h，总进尺47780m。目前，世界上3口位移超过10000m的大位移 井中，有2口应用了该系统。
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调制式旋转导向工具定向控 制原理图
图7 调制式旋转导向工具定向控制原理
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PowerDrive
㈠、AutoTrak旋转闭环钻井系统
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㈡ PowerDrive旋转导向钻井系统
1、系统的组成及工作原理
PowerDrive属调制式全旋转导向钻井 系统的典型代表产品，它也是利用推 靠钻头的偏置原理来导向。该系统由 井下旋转导向工具、MWD随钻测量 系统、地面井下双向信息通讯系统和 地面计算机监控系统组成(见右图)。 Power Driver SRD系统由控制部分稳 定平台和翼肋支出及控制机构组成。 控制部分稳定平台内部包括测量传感 器、井下CPU和控制电路，通过上下 轴承悬挂于外简内，靠控制两端的涡 轮在钻井液中的转速使该部分形成一 个不随钻柱旋转的、相对稳定的控制 平台。
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目前，旋转导向钻井系统形成了两大发展方向：一个是 以Baker Hughes Inteq公司的Auto Trak RClS系统为代表的不 旋转外筒式闭环自动导向钻井系统，它以其精确的轨迹控制精 度和完善的地质导向技术为特点，非常适用于开发难度高的特 殊油藏的导向钻井作业；HulliboIton公司的Geo—Pi1ot系统也 属于这一类导向钻井系统；另外一个是以Schlumberger Anadri11公司的Power Driver SRD系统为代表的全旋转自动 导向钻井系统，它以其同样精确的轨迹控制精度和特有的位移 延伸钻井能力为特点，非常适用于超深、边缘油藏的开发方案 中的深井、大位移井的导向钻井作业。下面对Auto Trak RClS 系统、Power Driver SRD系统和Geo-Pilot系统做简要介绍。
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旋转导向钻井技术概述
旋转导向钻井系统的特点是： · 在钻柱旋转的情况下，具有导向能力； · 如果需要，可以与井下马达一起使用； · 配有全系列标准的地层参数及钻井参数检测仪器； · 配有地面—井下双向通讯系统，可根据井下传来的数据，在不 起钻的情况下从地面发出指令改变井眼轨迹； · 工具设计制造模块化、集成化； · 可以在150º 以上的高温井中使用； · 定向钻井时不需要特殊的钻井参数，就可以保证最优的钻井过 程； · 导向自动控制，以保证准确光滑的井眼轨迹。
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㈠、AutoTrak旋转闭环钻井系统
1、系统组成:AutoTrak是旋转 导向钻井系统的代表产品，它 是基于推靠钻头的偏置原理来 导向的，其可变径稳定器的伸 缩块装在不旋转套筒上， AutoTrak旋转闭环钻井系统由 地面与井下的双向通讯系统( 地面监控计算机、解码系统及 钻井液脉冲信号发生装置)、 导向系统(AutoTrak工具)和 LWD(随钻测井)组成（图l）。
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国际上已经投入使用的旋转导向 钻井系统(续)
2000年，Schlumberger的PowerDrive SRD系 统引入中国境内应用，在设计井深8800m、水平位移 超过7500m的南海西江油田XJ24—3—A18井6871— 8610m井段中成功应用，大大提高了井身质量，避免 了6871m以上井段用滑动钻井方式多次出现的断马达 等井下复杂事故，大大提高了钻井效率和效益。尽管 该工具的日租金高达数万美元，仍直接节约了500万 美元的钻井作业费用；而油田开发和后续完井、采油 作业带来的间接经济效益更远远超过了直接经济效益。