井下闭环钻井系统的研究与开发-

1、第25卷第2期1997年6月石油钻探技术P ET RO L EU M DR IL L IN G T ECHN IQ U ESV ol.25,N o.2Jun.,1997技术评述井下闭环钻井系统的研究与开发狄勤丰张绍槐(陕西西安710065提要根据现代钻井工程技术的发展规律,综述了井下闭环钻井系统的可行方案、主要特征及技术发展背景,给出了井下闭环钻井系统的分类和适用范围。同时从钻达能力、经济效益两个角度论述了发展井下闭环系统的必要性。分析认为,以地质导向为特点的旋转式井下闭环钻井系统将成为未来井下闭环钻井系统的发展模式。主题词闭环钻井系统导向钻井自动化钻机顶部驱动钻井定向井水平井钻井费用计算机控

2、制美国一、技术发展背景现代钻井工程的主题是努力降低钻井成本,提高探井的成功率。利用现代高新技术提高钻井速度、保证钻井质量、减少钻井事故是实现这一主题的关键。要实现现代钻井目标,就必须像汽车工业、化学工业那样,实现作业的自动化闭环控制,即实现闭环钻井,尽量把人力从钻井操作中解放出来,从根本上解决钻井作业过程中存在的各种问题,提高井眼轨迹控制精度和钻井整体经济效益。1.井下开环钻井阶段:指井下操作全部由人来完成,只有一般的井下测量工具,那时还没有M W D 等随钻测量工具。井眼轨迹的控制只能利用预测技术和更换井底钻具组合来进行。井眼轨迹质量差,钻井效率低,安全性差。如果井下开环钻井用自动化钻机,就

3、成为地面闭环、井下开环钻井;否则为地面开环、井下开环钻井。2.井下半闭环钻井阶段:有较先进的井下测量工具(如M WD,有地面可控的井下工具。测量数据向地面传输,经过计算机处理及地面模拟,通过传输通道向井下传送操作指令,随后对井下操作进行控制。与井下开环系统相比,测量精度高、实时性强、信息量大。操作指令更大程度上依靠计算机处理得到,人为经验减少。井下可控工具(包括可变径稳定器、可调弯接头、可变弯角井下动力钻具、可伸缩偏心垫块等使得起下钻操作大幅度减少,钻井效率显著提高。国外许多水平井、定向井都是利用井下半闭环钻井技术完成的。同样,井下半闭环钻井用自动化钻机则成为地面闭环、井下半闭环钻井;否则为地

4、面开环、井下半闭环钻井。3.井下闭环阶段:指井身轨迹控制完全可以离国家自然科学基金资助项目论文开人的干预(特殊需要时例外,井下信息测量、传输、处理以及控制指令的产生和执行完全自动进行。有先进的随钻测量工具(M W D等和功能较强的井下可调控工具。同时,必须有性能很好的微电脑(能承受井下的恶劣环境。井下闭环钻井作业可分为两类:(1中心电脑放在地面。通常是测量信息通过传输通道传到地面,经中心处理机处理后,控制指令传给顶部驱动钻机,由顶部驱动钻机来改变井下工具的工具面。这时不需要井下可控工具2。也可以是中心电脑发出的控制指令传给井下可控工具,从而改变井下工具的结构参数。(2中心电脑放在井下。随钻测量

5、信息传给井下电脑,由井下电脑发出控制指令来控制井下可控工具的工作状态。测量信息同时传给地面计算机进行模拟研究,用来监测井下作业效果。第(1类井下闭环钻井技术的发展受到信息传输问题的制约2。显然,第(2类井下闭环钻井技术是发展方向。如果井下闭环钻井不用自动化钻机,则为地面开环、井下闭环钻井;如果用自动化钻机,则接近全闭环钻井阶段。井下闭环钻井通常指地面开环、井下闭环(简称井下闭环钻井。4.全闭环钻井阶段:这是钻井技术发展的最高阶段。井下采用智能化钻井系统,地面监控和操作采用规范的自动化系统。地面中心控制计算机控制整个钻井作业系统,井下智能钻井系统则带有独立的井下微电脑。此时,作业人员就可全部或大

6、部分从作业环节中解放出来,从而实现钻井的整体优化。目前离实现全闭环钻井还有一段距离。从上述的四个阶段可以看出,要实现全闭环钻井,首先必须实现井下闭环钻井。由此可见,井下闭环钻井系统在闭环钻井技术中处于举足轻重的地位。但从本质上说,目前井下闭环钻井研究几乎都局限于研制井下可控导向工具。二、系统的分类从功能上讲,井下闭环钻井系统具有以下特点: (1具有高性能的井下可控工具;(2具有先进的井下测量工具;(3必须配置井下电脑;(4具有向上传输信息和向下传输干预指令的能力;(5必须能实时控制井眼轨迹,并能沿预置或要求的轨迹钻进;(6具有合理的导向方式,使摩阻达到最小;(7能优化钻进参数;(8地面应具有井

7、下作业的仿真、模拟技术。这八项功能决定了井下闭环钻井系统的主要组成。钻头(切削机构、执行机构(导向机构、控制机构、信息采集及实时处理机构、信息传输机构等组成了井下闭环钻井系统的井下系统。与此同时,井下闭环系统还必须配有地面模拟监控系统,其主要功用在于:根据井下系统的特点、井下工作环境、控制目的、井下实时信息,进行地面模拟和监控,判断井下闭环钻井系统的行为特点和实际工况能否满足设计要求。地面监控系统并不是井下闭环钻井系统的核心组成。井下闭环钻井系统的核心部件是执行机构(导向工具及控制机构。不同的导向工具决定了不同的井下控制方式、原理和方法,井下实际工况也就具有不同的特点,地面模拟模型也就不同。因

8、此,从某种意义上讲,井下导向工具的特点代表了井下闭环系统的特征;井下导向钻具是实现井下闭环钻井的关键。目前的导向钻具主要有两大类:(1滑动式导向工具,其特点是导向作业时钻柱不旋转(随钻头向前推进,钻柱沿井壁轴向滑动。目前这类导向工具占主导地位,主要有弯壳体马达(含单弯、同向双弯、异向双弯导向马达、可调弯接头4、可变径稳定器(如HVG S57等。滑动式导向工具包括变角度型、偏心垫块型、井斜控制型几种。(2旋转式导向工具,其特点是导向作业时钻柱旋转。现有的旋转式导向工具或研究方案主要有V DS系统(自动垂直钻井系统8、A DD系统(自动定向钻井系统9、AG S系统(自动导向钻井系统10、SRD系统

9、(可导向的旋转钻井系统11。前三者为静止式旋转导向工具(即导向工具的导向翼肋相对井壁不转动,后者为可调节式的旋转导向工具(即在旋转过程中实现导向。由不同的导向工具组成的井下闭环钻井系统,具有不同工作特色。这里把滑动式导向工具组成的井下闭环钻井系统称为滑动式井下闭环钻井系统,而把由旋转式导向工具组成的井下闭环钻井系统称为旋转式井下闭环钻井系统。三、井下作业特点滑动式井下闭环钻井系统的主要特征是导向工57第25卷第2期狄勤丰等:井下闭环钻井系统的研究与开发具在导向作业时钻柱不旋转,这就带来了两大问题:(1摩阻问题。由于钻柱不旋转,整个钻柱躺在井壁上,随着井深和井斜的增加,钻柱所受的摩阻越来越大,轴

10、向摩阻给钻压控制造成麻烦。在极限情况下,钻柱发生屈曲,钻压无法传递到钻头上,使井下闭环钻井系统的极限工作井深受到限制。切向摩阻(阻力矩及钻头扭矩则常常引起钻柱的扭转屈曲,使井下工具面的控制变得十分困难。工具面左右摆动,严重影响系统的工作效率。在一定的情况下,导向能力将彻底丧失。在现行导向作业中,具体作法是在滑动导向一段距离后,就改用旋转方式工作,从而使摩阻减少,但这是由操作人员来进行监视和地面控制的。在井下闭环钻井时,两种方式的转换就得由井下控制系统监控,这无形中为滑动式闭环钻井系统的实现带来了困难。同时到达极限井深时,尽管旋转作业还能继续,但滑动导向已不再可能。(2井眼清洗问题。随着井斜角增

11、大,泥浆的携岩能力变差,钻柱不旋转的后果是使井眼清洗能力大幅度降低12,这也给滑动式井下系统的发展带来了困难。对于旋转式井下闭环钻井系统来说,由于导向时钻柱连续旋转,摩阻问题和井眼清洗问题较少。不利的因素是,尽管摩阻、阻力矩等不再影响工具面,但阻力矩、钻头扭矩及可能的钻柱扭转屈曲可能导致下部钻柱组合的扭转振动。另外,旋转式井下闭环钻井系统的控制难度较大,投资也多。四、导向方式选择不论是滑动式还是旋转式井下闭环钻井系统,都必须选择合适的导向方式。导向方式主要有两种:(1几何导向。主要是以预置的井眼轨迹或井下实时设计的井眼轨迹为参考量。导向作业时,将实测的轨迹参数与控制参考量作比较,由控制机构给出

12、合适的控制指令,从而使钻头沿最优的井眼轨迹钻进。(2地质导向。在拥有几何导向能力的同时,又能根据随钻测井(LW D得出的地层岩性、地层层面、油层特点等地质特征参量,随时控制井下轨迹,使钻头沿地层最优位置钻进。在预先并不掌握地层性质特点、层面特征的情况下,实现精确控制。美国A na dr ill公司的地质导向钻井系统已取得商业性成功,并在一些油田得到较好应用13。值得一提的是,当前情况下导向技术大多是以几何导向为特征,而且由于控制机构在地面,还没有实现井下闭环控制。使用哪一种导向方式,应视其具体工作环境而定。对于一些油层变化不大、油层较厚、对地层性质特点了解较清楚的场合,使用几何导向较适宜,既能

13、满足精度要求,又能降低成本。而对于一些地层性质特点了解较少、油层厚度很薄的场合,使用地质导向更为合适。根据导向工具特点及导向方式,井下闭环系统可采用如下四种组合方式:(1几何导向+滑动式井下闭环钻井系统;(2地质导向+滑动式井下闭环钻井系统;(3几何导向+旋转式井下闭环钻井系统;(4地质导向+旋转式井下闭环钻井系统。五、技术发展趋势由上分析知,井下闭环钻井系统可采用四种组合方式,但哪种方式更为合适,应从发展的观点加以论证。井下闭环钻井,应理解为钻井过程的整体优化。优化的目标包括两个方面,首先是效益目标,其次是控制目的。按其定义,除要解决好控制问题,把人员大幅度解放出来外,最根本的目的还在于提高

14、整体经济效益。井下钻井作业过程(环可在某个时刻关闭,但是,如果闭环的效益不及开环,那么就使得此项工作远未达到原定目的和任务。假如说井下导向钻井技术发展的初期目标主要是为了精确控制井眼轨迹,那么,井下闭环钻井技术发展的最终目的应该是提高整体经济效益,即单位原油的成本尽量降低。因此,井下闭环钻井技术的发展趋势取决于井下闭环钻井系统的效益特点及适用场合。现有的滑动式导向钻井系统遇到的最大问题是摩阻和井眼清洗问题,而这一点正是限制其使用的根本原因。作为导向钻井技术发展背景的延伸分枝钻井(ERD工程及大位移水平井,对导向钻井系统的最大要求是所用导向系统具有较高的钻达能力,这样就可以使井眼尽可能地在油层中

15、延伸,增强单井的采收能力。另外,ERD工程及大位移水平井在经济效益上体现出的巨大优势还在于能大幅度减少开发油田所需的平台数量。在海滩滩涂及需要建海洋平台的场合,ERD工程及大位移水平井可使总体投资大幅度减少。因为,建一座合适的平台或建一座人工岛的费用高达上亿美元。如能减少平台总数,节省的资金将十分可观,而这一点只能利用特殊的钻58石油钻探技术1997年6月井技术,使钻头进尺增加、钻速加快、起下钻次数减少、井眼轨迹控制精度增高、钻达能力大幅度提高才能做到。这是利用滑动式闭环钻井技术无法实现的,只有靠旋转闭环钻井系统才能实现。正如J .D .Barr 所言,目前“大多数文献都指出或暗示了旋转式导向

16、系统是ERD 工程所必需的工具”11。经验表明,滑动式导向技术在井深78km 时将变得十分困难,而旋转式导向技术的极限井深由钻柱抗扭强度决定,一般超过10km 11。通过对比分析11,可以看出旋转式导向技术具有明显优势。图1比较了随着井眼延伸,马达导向(滑动式导向和旋转式导向的极限井深。垂直箭头表明旋转式导向可以大幅度降低给定延伸长度下的钻井成本,水平箭头则表明旋转导向可以增加实际井眼的可达极限井深,从而提高油田生产能力并获得巨大的经济效益。图2则表明了旋转式导向是如何带来操作上的优点以及这些优点是如何相互促进而使综合经济效益得以提高的。所有这些效益的提高都促使了最终目标的实现: 单位原油的成

17、本降低。图1可导向极限深度比较(据文献11 图2效益框图(据文献14综上考虑,旋转工作方式下导向的闭环钻井技术才是真正可行的最优化目标。在此目标下,可视使用环境选择几何导向或地质导向技术。但井下闭环 钻井的发展趋势应是在旋转方式导向为特点的综合系统。六、结论1.滑动式导向工具在使用范围和控制能力上存在较大局限性。2.旋转式导向工具是实现ER D 工程、大位移水平井、设计师型定向井等所必需的工具。3.目前条件下,配几何导向工具的旋转式井下闭环钻井系统在经济投入上有较大优势,同时又能基本满足ER D 工程等的特殊需要。4.实现井下闭环钻井的四种导向组合方式将各显特色,但最终的目标和发展趋势将是配地

18、质导向工具的旋转式井下闭环钻井系统。19961016收稿;19970405改回参考文献1M onti R .L .,et al .Optimiz ed drilling -clos ing th e3苏义脑,陈元顿.连续控制钻井技术在我国的初步实践.石油钻采工艺,1995,17(14宁秀旭译.用于控制和校正定向井井身轨迹的可调式多角弯接头.国外钻井技术,1988(3钻井技术,1995(16Odell A.C.,et al.App lication of a h ighly variablegauge stabiliz er at W ytch farm to ex tended th e ER

19、D en velop.SPE 304627Underw ood L.D.,et al.A s ystem s appr oach todow nhole adju stable s tabilizer design and applica-tion .S PE 274848Chur C.,et al.Ver tical dr illin g technology:A mile-ston in directional drilling.SPE 2575910Bell S.Innovative meth ods low er drilling cos ts.P.E .I .,1993(211Bar

20、r J .D .,et al .S teerable r otary dr illing w ith anex perimental s ystem .S PE 2938212Lock ett T.J.,et al.The importan ce of rotation ef-fects for efficient cu ttings removal during drilling.SPE 2576814Barr J .D .,et al .Brief :S teer able rotary drilling w ithan exper imental sys tem .J .P .T .,1

21、996(3作者简介狄勤丰,1963年生。1987年毕业于华东石油学院(现石油大学北京研究生部,获硕士学位。后赴西安石油学院任教,副教授。现在西南石油学院攻读博士学位。系本刊通讯员。张绍槐,1931年生。1953年毕业于清华大学。现59第25卷第2期狄勤丰等:井下闭环钻井系统的研究与开发PET ROLEUM DRILLING TECHNIQUES Jun.,1997numer ical simula tion,co mpact ion facto r ,po lution zone,pr oductio nL iu Y a j un ,teaching in the U niv er sity

22、of Petroleum (Beij ing .Shen J ianx in ,w or king in Oil &Gas D ev elop -ment Comp an y of T arim Petroleum Ex p lor ation and D ev elop ment Command D ep ar tment .W ang H ong x un ,r etir ed p r of essor of the U ni -vers ity of P etr oleum (B eij ing .Statements on Completion OptimizationAbst

23、ract :T his paper pr esented the o ver all de-sign co nceptio n for co mpletio n optimizatio n fro m the pro spect o f w ell completio n sy stems engineer -ing .W ith gett ing hig h o il pro duction a s the go al ,this paper pr eliminar ily discussed the influence fac-tor s and basic met ho ds of oi

24、l well completio n o pti-mizatio n fr om the pr ospect s of w ell t ype (including hor izontal w ell and Straightho le,tubing and casing size,co mpletion patt ern a nd co mpletion par meter ,respectiv ely.T w o computation cases a re pr ov ided in the paper.Keys :drilling engineer ing ,w ell complet

25、 ion,op-timizat ion,sy st ems engineer ing ,w ell pr oduction ra te,tubing ,casing ,hor izo nt al w ell,st raight holeX iong Y ouming ,T ong M in and Shu Shihong ,the member of Chinese P etr oleum S ociety and ass oci -ate p rof essor ,lectur er and lectur er of X inan Petroleum I nstitute ;X iong i

26、s a rep orter of P DT Ed -itor ial Boar d .Technology of Increasing Recovery Effi -ciency with Direct Electric FieldAbstract :T his paper int ro duced the techno lo gi-ca l measur es a nd tests o f increasing r eco ver y effi-ciency w ith dir ect electr ic field co nducted in tw o oil fields o f Rus

27、sia.T est s indicated that this method could r emarkably incr ease t he recov ery efficiency o fhig h a nd ultr ahigh wa ter-co ntent r eserv oir.T his pa-per a lso discussed the action mechanism of direct elect ric field streng thening oil discharg e,incr easing capa city o f w ater injectio n and

28、r emov ing fo rmat ion plug ging.Keys :direct electric cur r ent ,enhanced oil r e-cover y ,w ater flo oding ,plug r emov al,oil displace-ment mechanism ,cr ude o ut put,RussiaGuan J iteng ,W ang Diansheng and H uang L i -ubin ,vice d ir ector and associate p rof essor ,lectur er and lectur er of Ap

29、 p lied P hy sics D ep artment of the U niver sity of P etr oleum (H uadong .Study and Development Trend of Under -ground Closed -loop Drilling SystemsAbstract :Co nsider ing moder n dr illing techno lo -gy ,the feasible ty pes,char acter istics and dev elo ping backg r ound of under gr ound closed-lo op dr illing sys-tem hav e beed ana