旋转导向随钻扩眼技术

旋转导向随钻扩眼技术在新发展的智能LH-ML5.6(MRC)钻井和井下作业等新技术中，越来越多使用旋转导向随钻扩眼技术，已能在一趟中随钻扩眼实现由上一层套管鞋钻达下一层套管鞋并能实时闭环传送信息、精控井身轨迹、自动寻靶、快速高效低成本作业。现以SPE112670《旋转导向随钻扩眼技术的成功应用：北海、地中海和尼罗河三角洲实例研究》为主，整理这一新技术。1.摘要目前，旋转导向钻井与同心扩眼器相配合的随钻扩眼技术应用越来越普遍，与常规先钻导眼再用扩眼器扩眼相比，旋转导向随钻扩眼技术可大大降低钻井成本。然而，当钻头和扩眼器这两个切削工具钻遇层位不同岩性差别较大的地层时，旋转导向随钻扩眼下部钻具组合会出现不稳定、振动过大、粘滑等问题。本文介绍了指向式和推靠式两种旋转导向随钻扩眼下部钻具组合在北海、地中海和尼罗河三角洲(埃及)定向井钻井中的应用情况，特别介绍了旋转导向随钻扩眼钻具组合在 w311.1mm(121/4〃)导眼中将实际井径从330.2mm(13〃)扩大至444.5mm(171/2〃)的施工过程。集成到旋转导向系统的独特传感器可测量近钻头井眼井径、粘滑和振动，钻井时其钻台和遥控中心实时可监测井眼质量和井下振动，利用这些实时数据可优化钻井参数并提高旋转导向随钻扩眼钻具组合的性能。从振动、效率、性能、定向目标和成本对旋转导向随钻扩眼钻具组合进行了分析，讨论了旋转导向随钻扩眼技术的结构组成、作业方式及其局限性。特制的旋转导向系统与具有对称、受力平衡切削结构的扩眼器组合提高了机械钻速和定向控制效果，同时减少了由扩眼器产生的振动和可能出现的故障。而且，利用其具有的自动定向特性和实时监控功能可优化定向钻井参数。2.先进技术及其代号这种特别的旋转导向系统（RSS），在钻柱（BHA）中使用了一系列新技术。图3中A井的BHA为:121/4〃PDC钻头+121/4〃近钻头稳定器+RSS(RST)+电阻率LWD+MWD+12〃钻柱稳定器+2x8〃无磁钻链+1218〃钻柱稳定器+13〃扩眼器+8〃钻铤B井的BHA为:121/4〃PDC钻头+121/4〃近钻头稳定器+RSS（RST）+电阻率LWD+声波LWD+121/8〃钻柱稳定器+MWD+123/16〃钻柱稳定器+14〃扩眼器+8〃钻铤钻头至扩眼器的距离为39.1m。（C井为21.2m是最短距离）这套特别由RSS系统中，使用了闭环自动巡航（随钻）控制（ACCC）、实时粘卡和振动检测（RSVD）及其实时报警系统、实时巴掌接触式井径检测仪（RPCC）等先进技术。在较大尺寸井眼的随钻扩眼中达到28.1m/h的高钻速并获得优质井眼（无螺旋状井眼）几乎无钻卡等事故，钻柱平稳低成本等效果。先进技术及其代号：AFE=AuthorizationForExpenditure核准的扩大井径程度BHA=BottomHoleAssembly井底（下部）钻具组合RPCC=Real-timePad-ContactCaliper实时巴掌接触式井径检测仪Shoe-to-Shoe,自（上一层）套管鞋至（下一层）套管鞋ACCC=AutomatedClosed-LoopCruiseControl，闭环自动巡航（随钻）控制CPS=CountsPerSecond每秒字符数DC=DrillCollar钻铤DLS=DoglegSeverity（degreesper30meters）狗腿严重度（每30米的度数）DPM=DynamicPressureModule动压力模式GPM=GallonsPerMinute每分钟加仑数（1美加仑/分二0.0631升/秒）LWD=LoggingWhileDrilling随钻测井MD=MeasuredDepth测深MWD=MeasurementWhileDrilling随钻测量NB=NearBit近钻头PDC=PolycrystallineDiamondCompact聚品金刚石孕锒块（钻头）ROP=DrillingRateOfPenetration钻速RPM=RevolutionsPerMinute（转盘）每分钟转数RSS=RotarySteerableSystem旋转导向（钻井）系统RSVD=Real-timeStick-slipandVibrationDetection实时粘一卡和振（震）动检测SS%=Stick-slipSeverityinPercentage（ARPM/Mean_RPM*100%）粘卡严重度百分比TD=TargetDepth靶深TVD=TrueVerticalDepth真实垂直深度UR=Underreamer（套）管下扩眼器（出套管区用投球等方法可使切削刀张开的扩眼器，也称水力扩眼器）VS=VerticalSection垂直段WOB=WeightOnBit钻压3.RSS-UR技术的发展与主要优点全世界在定向井中使用RSS和UR已越来越多了。用导向马达和双中心钻头的常规方法，在通过套管的定向井中扩眼已受到限制。当今，复合使用RSS和UR的BHA已普遍用于定向井扩眼的需求。井身结构尺寸小的套管程序的套管变向器或在落鱼附近重钻新眼都已普遍使用RSS-UR技术。与双中心钻头相关的常见复杂问题是：①方向控制能力差；②在软地层中不能连续保持定向效果；③钻速低；④严重的振（震）动和不规则的螺旋状井眼。所有这些复杂问题导致需要寻求新的井眼扩径方法，具有把井径扩大到超过已下套管尺寸（内径）的能力。RSS-UR随钻扩眼已成为解决这些问题的新技术。SPE/IADC67760（2001年）报导了第一个随钻扩眼的工程应用。RSS-UR技术的主要优点如下：①在一趟钻中自上一层套管鞋随钻扩眼到下一层套管鞋（Shoe-to-Shoe）；②具良好的LWD质量和保持连续旋转（指不必关掉转盘）；③克服过去在定向井扩眼中遇到的各种麻烦和复杂问题；④井眼质量好，下钻和下套管均一次成功；⑤自动闭环巡航随钻控制（ACCC）和控斜模式能够有效垂钻和控斜钻进；⑥在线的实时粘滑和振动检测仪（RSVD）把横向、轴向和粘滑等测量信息传送给地面作业者以监视UR-BHA稳定性。主要技术内容旋转导向系统（RSS）使用了推靠式（push-the-bit）和指向式（point-the-bit）两类RSS。这种特别的RSS,push-the-bit常用在难以定向控制的环境需求，point-the-bit用于（较易定向的）小狗腿角（造斜率小）井身剖面中。不旋转导向结构（如Auto-trak）的控制导向结构由3个独立的、水力导向巴掌（pad）组成。3个巴掌全接触井壁。调节巴掌一活塞可实现工具面方向和偏置量的变化。巴掌的伸出状况用位置传感器测量并反馈给控制者。在point-the-bit模式中，在导向单元前面安置一个全径近钻头稳定器，按所要求的导向方向作为支点和使（轴）翻转倾斜并“撬起”（tilt）钻头。还利用全径稳定器来减弱由钻头产生的部分振动。因为钻头要被“撬起”到导向方向，所以多种类型的钻头都能使用。而在push-the-bit模式中，导向单元是紧靠在钻头上方的。偏置导向单元用来推靠钻头到所要求导向的方向。所以push-the-bit的RSS需要更深入地分析并选择钻头类型，基于这个要求钻头要具有较强的侧边切削地层（井壁）的能力。因为在导向（偏置）单元上的巴掌给井壁以固定（常值）的力，它们的作用相当于一个作用在BHA下部的水力减震缓冲器。当导向（偏置）单元处在所要求的位置时，两个巴掌被锁定（lock）而另一个巴掌在高压水力循环时保持“打开”（自由open）状态。这个“浮动巴掌，floatingpad”使得导向工具与井壁保持良好接触并同时有助于BHA下部减震。偏置导向单元的巴掌与井壁接触时有少量的摩擦，通常摩擦力为5千磅，它有助于UR-BHA的稳定。当UR切削硬岩石而钻头切削软岩石时，全部钻压可能都施加在UR上，而BHA下部可能处于拉伸状态（这时钻头上无钻压）。这时可能导致剧烈振动、钻柱涡旋（Whirl），严重时甚至脱扣。可以确信，在RSS上这个巴掌（浮动）所承受的常值（水）压力能有助于BHA的稳定。下传指令程序和自动控斜模式控制井身轨迹的下传指令用优选转数和排量程序法。（美国专利）这种方法具有3个主要优点：1）随钻将下传指令送到井底（不需停钻）；2）使用转数编码下传指令时，M/LWD数据仍可在地面（井口）解码；3）这种下传指令方法是经济有效的（因为它使用现有设备而不需增加设备）。导向工具工作状态的实时井下反馈，给作业者以成功采用指令的信心，在闭环条件下RSS能连续地调整巴掌的位置。当使用这个系统垂钻和控斜钻进时可使用巡航控制模式（CC/ACCC），并能自动寻靶，它经济有效，具有节省钻机工作时间传奇之效。RSVD—实时粘一^和振动检测系统众所周知，老法的随钻扩眼伴随产生振动。这种特别的RSS设计了一种在线RSVD系统，可据以调变钻进参数以减轻井下疲劳损坏。这种实时警报系统是适应现代钻井挑战的需要而研发的，能帮助实现在一趟钻中从上层套管鞋钻到下层套管鞋（Shoe-to-shoe）。在RSS中设置的振动传感器能检测钻柱的扭转、横向和纵向三种振动。因为这些传感器被集成组装在RSS中，它们很靠近钻头并可检测出有可能导致井下工具损坏的振动惯量。再者，MWD工具被安放在紧靠扩眼器和稳定器下面，以监测由扩眼器产生的振动并将振动信号实时传送到地面。RPCC一实时巴掌-接触井径仪这种特别的RSS的另一独特功能是有一个实时巴掌一接触井径仪（RPCC）测量工具。每个巴掌都有一个内部活塞测量传感器。从三个巴掌传感器得到的信息被送达在线处理器并计算出紧靠钻头处的井径。近钻头井径信息实时传到地面。随钻井径测值是这种特别的RSS的独特点之一。它非常有用（略）。实时井径测值的另一优点是它关系到扩眼器的工作，它能靠扩眼器是否在有效工作以便及时调整。钻头、同心扩眼器和下部钻具组合（BHA）如图2所示的三个商业化通用的、张开/收缩式扩眼器（卖方A、B、C）已经与RSS配合使用了。同心扩眼器比偏心扩眼器稳定。这三种扩眼器刀片都是水力伸缩的（投球）。在RSS钻的121/4〃导眼中可将井径扩大到13〃至171/2〃。每次下钻要选好PDC钻头和刀片式水力扩眼器。例如A井使用6翼PDC钻头，它有16mm的切削刃（并2.5〃的超径值），UR（卖主A）有3个具13mmPDC切削刃的切削元件。在北海、地中海和尼罗河三角洲使用不同的BHA（图2、3）。应用实例（5口井）见图4~18（文字略）

AFE=AutiiOfimtiaiiFavExp&idini?'&=SoftoolHaleAssembly=Dagieg、绊时迨，(degreespc?'W您e仞SDPM=D\牌gwic兴'sssnj'eModuleGPM= GaHa^s户创■MixtiteLWD=Logging D?'iUi^gMD=Measu?以Depffi=Mensu?'的刎rgilcD?NB=NearBitPDC= Pahc?')srn///.<■£?Diamo^dCojnpncrROP= Rg悟OfPe^etJ官rfo??RPM=Re\ai^fio^s%.fMM*RSS=Rm门Stc&'ablcSystemRSI7D=Rcal-ti^eStick-shpmdVibrationD&tecno^SS%=Stick-slipSeverityinPercentage(ARPAf/Meafi_RPM*100%)ID=T。?、睥D剑*TVD=T?、.wVevdcaiDepth以=l标心'必睥Frs=Ve.vticalSectiaiiWOB=WeightOnBirPJEESLreSen»rWrt«eDatalieOp-jcralAl-bllIncInaTin,RFWandGamma=adeA-GS-embfji'Real-HmsPad-DonladCalt>E-rExtremesandHydr^Its;l.e.inElnEmewT-®TSk：RS'/DSywe-mRoiailcrand>'tcalbnBtnwT；InternilFloJrt1:The12HB-hnfe«5ze旬％In盘wrb-lhe-^:ccnlgurslcrThe旬B济口moketsImsIT2.STielen曲打心Ihebit]hfttpclnl-ifc-tllRSS.Thenear-ohRFCCtsmea-sured2.11metersrl"eUl.OpHaina]^,己Fa^Zome^teEl^nmoduMIs-pai:±d司rl"eUtrtrrclralcnRFkfl-s^dGsnrimaFLsymei^umrienl.Undem-amprGA.BorCFIqjfd2:Thnw：cofrirercjadfe-^valla^ertfysl「口D5n»nWcuntjer"S3ref&n/tTidaiTs代Barc]C|>Emb*=qumdInEmblnsimAllhUieonePL5h^he-tJtRS3.TtieRSBcar&econlflLTdInellherwaycepftTdirffLpon1ne 气DLBTquliwtnls-arlkrm&iiinslrergli.BHftA日HKBBHACBHACBHAEWallA加IIBWEilCWallDW&IIEIn■:h'二廿Ita,MThite「ot2«-!araNRD«la:?Fqur。舀：c-srlc.iEH':cr^gbrankr:d=l=rrrclh= cJura«r^car«r匚acsmsrt5allEHAlaJjcrslghUyund«rgaL^«wIt】tTfi?IzcrInrcc: r.-idr=z:yD：b«(fc'.rc^Tta^srx。毛vk*mtItzaU^nhTTSdIc:I"cc12"x13”RSSUnderreamerRuninWellA4Kn12D0-16M-nu-TEHrn-qQ-WJ一ESA最日F-Figure4:Comparisonplotofexisting(blueandred}versusdrilled(magenta)wellpathfromCustomerWeIA.12.EQ12.3512.30122512.3012ISI2.D51245124d12%,rx13”RSS:Vibrationvs.CaliperinWellA12%3,x13,sAutomatedSteeringat49.85°INCinWellA□00阳上如——hcJSE：|WWW •呷，两再VV4的后■-晌.412D0禺一EEEL富言-ru■::■田-EEcdLI.SLiENLu■信耳•二rJL—fmLJ色京LI•mfr二芝|_|・岩二客-巴asu,肖e!B甘的Figure5:Near-bit(NB)InclinationanddownholeRPMmeasuremems.AutomatedSzeeringMademsntainedtheNBinclnation(lnc_RSS)a:49 ±0.2\I:isnotcedthatnear-bi:RPMresDonsewasverysmoothwhiledrillingat150RPM.Figure6:Lateral&axialvibration,stick-siipandnear-bitcaliperinWellA.Verylittlevibration(Vil)XY&VibZ)andnostick-slip(SS)reo!)sen'edwhiledrillingaheadat150RPMLow-:o-Mediumlateralvhradonseverity(between0and5)wasdetectedorioraconnsctian.

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