旋转导向钻井技术简介

旋转导向钻井技术介绍姚振华2007年6月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

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。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。旋转导向钻井技术概述

美国SchlumbergerAnadrill公司的R．L．Monti在1987年世界石油大会上宣读的“OptimizedDrilling-Closingtheloop”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EastManTeleo公司联合开发研制。2、SDD自动直井钻井系统：AGIP公司与BakerHughesInteq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。国际上已经投入使用的旋转导向钻井系统5、RCLS旋转闭环自动钻井系统：1993年AGIP公司与BakerHughesInteq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AutoTrak，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BakerHughesInteq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WytchFarm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。

2000年，Schlumberger的PowerDriveSRD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。国际上已经投入使用的旋转导向钻井系统(续)

目前，旋转导向钻井系统形成了两大发展方向：一个是以BakerHughesInteq公司的AutoTrak

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SchlumbergerAnadri11公司的PowerDriverSRD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AutoTrak

RClS系统、PowerDriverSRD系统和Geo-Pilot系统做简要介绍。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）。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

㈠、AutoTrak旋转闭环钻井系统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2AutoTrakRCLS结构示意图㈠、AutoTrak旋转闭环钻井系统

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)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)。PowerDriverSRD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。㈡PowerDrive旋转导向钻井系统图5PowerDrive系统主要组成部分PowerDrive系统主要组成部分

与AutoTrak

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，PowerDrIverSRD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，产生导向作用。㈡PowerDrive旋转导向钻井系统图6PowerDrive盘阀控制机构示意图PowerDrive盘阀控制机构示意图

㈡PowerDrive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。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。㈡PowerDrive旋转导向钻井系统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PowerDriveSideforceor“pushthebit”toolAvailableSizes–1100*,900,675,475*PowerDrive675ControlUnitControlofBiasProvisionofsurveydataPowerDriveBiasUnitHas3padsdrivenbyhydraulicactuatorsActuatorsapplylateralforcetothebitwhilealwaysrotatingatbitspeedPowerDrive675PadoutPadinPowerDriveBHAConfigurations⑴整个钻具组合对井眼没有静止点，能减小摩阻、利于井眼清洗、优化井身质量、减小卡钻风险；有利于延长位移。⑵内部故障诊断和工具维护指示减小了井下故障发生的几率。⑶用连续的钻井液脉冲波可同步发送和接收MWD、LWD等数据，一体化的设计特色和软件使其获得6-12bit/s的数据传输速度，传输质量通过提高信噪比得到提高。⑷地面监控系统能改善对钻压、钻井泵的控制。通过改变钻井泵的流量，可改编数据传输速度，存贮记录频率和数据帧格式。通过改变数据帧，它能随钻井和地质条件的改变而选择哪个数据实时传输和哪个数据存贮起来。⑸可配套使用特制的PDC钻头，大幅度提高机械钻速。与GST(地质导向工具)、MWD、LWD等工具组合使用，能测地层密度、孔隙度、双电阻率和定向参数，实现地质导向。⑹旋转控制阀在垂直井段随钻柱一起旋转，导向块产生的导向力也不断变化，会造成井眼扩径和井下钻具的横向冲击与振动。同时由于活塞伸缩频繁和液压控制系统的工作介质的影响，工具的耐磨损与密封是关键技术。PowerDrive系统的特点Sperry-Sun公司的Geo-Pilot旋转导向钻井系统也是一种不旋转外筒式导向工具，但与AutoTrak

RClS系统和PowerDriverSRD系统不同的是，Geo-Pilot旋转导向钻井系统不是靠偏置钻头进行导向，而是靠不旋转外筒与旋转心轴之间的一套偏置机构使旋转心轴偏置，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。其偏置机构是一套由几个可控制的偏心圆环组合形成的偏心机构，当井下自动控制完成组合之后，该机构将相对于不旋转外套固定，从而始终将旋转心轴向固定方向偏置，为钻头提供一个方向固定的倾角（如下图：井下偏置导向工具结构示意图）。㈢Geo-Pilot系统Geo-Pilot™

SystemGeo-PilotBasicOperatingPrincipleRotatingShaftisdeflectedinCenterbetweenbearingsWithdualeccentriccamsResultsinbittiltinoppositedirection综合上述各种旋转导向钻井工具，从导向方式上可以分为两类：推靠式(Push-the-bit)和指向式(Point-the-bit)。其中AutoTrack、PowerDrive属于推靠式旋转导向工具；Geo-Pilot属于指向式旋转导向工具。四、旋转导向方式的分类图9推靠式旋转导向工具导向原理图图10指向式旋转导向工具导向原理图推靠式旋转导向工具导向原理图

指向式旋转导向工具导向原理图

推靠式旋转导向井下工具中，偏置稳定器安放在靠钻头位置，其后面串接一个或多个钻柱稳定器，为了减小上部的钻柱力学性能对底部钻具组合导向性能的影响，串接了一根柔性钻具。在旋转导向过程中，偏置工具的偏心产生的钻头侧向力起主要导向作用。这样导向方式的特点是钻头的侧向力大。造斜率高，但旋转导向钻出的井眼狗腿大，轨迹波动大，不平滑。指向式旋转导向井下工具中，偏置稳定器安放在两个稳定器之间，为了减小上部的钻柱力学性能对底部钻具组合导向性能的影响，串接了一根柔性钻具。在旋转导向过程中，偏置工具的偏心导致其上下两跨钻柱发生弯曲，使钻头处钻柱的轴线和井眼轴线之间出现夹角，当然也有侧向力，但主要是由于钻头的转角而实现的旋转导向。这样导向方式的特点是钻头的侧向力较小，造斜率较低。但旋转导向钻出的井眼狗腿小，轨迹平缓。旋转导向方式的分类旋转导向方式的分类

推靠式和指向式导向方式的对比图工具类型推靠式旋转导向钻具指向式旋转导向钻具工具特点⒈造斜率较高；⒉侧向载荷较大；⒊钻头和钻头轴承的磨损较严重。⒈能钻出较平滑的井眼；⒉摩阻和扭矩较小；⒊可以使用较大的钻压；⒋机械钻速较高；⒌有助于发挥钻头的性能；⒍钻头及其轴承承受的侧向载荷较小；⒎极限位移增加。以Geo-Pilot为例介绍旋转导向工具的应用五、旋转导向技术的应用

2005年，我公司首次与Halliburton公司合作，在渤海的NB35-2油田水平分支井8-1/2〞井眼作业中，使用该公司的旋转导向工具和我公司的FELWD测井工具联合作业，取得了预期的效果。（截止目前，使用该工具共作业12口井；另外，2006年还有10口水平分支井要使用以上工具联合作业）在该油田水平分支井8-1/2〞井眼作业中使用的钻具组合为：8-1/2〞PDCBit(18x2,20x3W/28Restrictor,0.43m)+GP7600TL085(7.07m)+51/16〞FLEXSub(W/DMinside,2.76m)+6-3/4〞FELWD(14.64m)+6-3/4〞HOC(3.07m)+6-3/4〞F/V(0.69m)+5〞HWDPx1+6-3/4〞(F/J&JAR)+5〞HWDPx2+5〞DPx90+5〞HWDPx24+5〞DP

NB35-2油田水平分支井8-1/2"井眼作业时，轨迹的控制是定向井工作的重中之重。为了控制好轨迹，作业中我们严格按照设计钻进（如果油层走向同设计对比存在少许偏差，那我们严格按照陆地项目组的要求作业），勤跟踪、预测轨迹变化趋势，增强工作人员责任心（整个钻井作业中，钻台至少保持了一名经验丰富的定向井工程师指导钻进），确保GP能够正常工作，同时避免轨迹控制上“大起大落”。根据已钻井的作业情况,我们控制轨迹主要使用以下钻井参数:（另外，在保护好油层的条件下，同时确保GP能够发挥更好的效果，根据不同的地层情况,可使用的泥浆性能为：1.地层特别松软,可钻性好,机械钻速高于120米/小时,其漏斗粘度90~100sec/qt,密度1.16g/cm3;2.可钻性相对来说较差的地层,其ROP<100米/小时,其漏斗粘度75~85sec/qt,密度1.15g/cm3.)增斜钻进：