旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)鉆試驗(yàn)*

吳超 菅志軍 郭云 尚捷

(中海油田服務(wù)股份有限公司)

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)鉆試驗(yàn)*

吳超 菅志軍 郭云 尚捷

(中海油田服務(wù)股份有限公司)

為了加快我國(guó)海上油氣藏開(kāi)發(fā)的步伐，降低勘探開(kāi)發(fā)成本，中海油田服務(wù)股份有限公司成功研制了一套旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)。文中主要對(duì)該系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，如導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、井下渦輪發(fā)電機(jī)、地面指令下傳裝置的組成與工作原理進(jìn)行了論述，并對(duì)其實(shí)鉆試驗(yàn)作了簡(jiǎn)要介紹。

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)井下渦輪發(fā)電機(jī)地面指令下傳裝置實(shí)鉆試驗(yàn)

大斜度井、水平井、分支井、大位移井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆井技術(shù)在復(fù)雜油氣藏開(kāi)發(fā)中得到了廣泛應(yīng)用，但這種傳統(tǒng)的定向鉆井技術(shù)存在以下缺點(diǎn)［1］:一是采用泥漿馬達(dá)配合彎接頭等工具對(duì)井眼軌跡的控制不夠靈活和準(zhǔn)確，改變方向時(shí)需要重新調(diào)整彎接頭的方向，影響鉆井時(shí)效;二是滑動(dòng)鉆井使得鉆柱的摩阻增大，井眼不規(guī)整，井眼清潔難以保證，容易產(chǎn)生鉆柱損壞、粘卡等鉆井事故，給鉆井工程帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)是一種高端的定向鉆井技術(shù)，它取代了傳統(tǒng)的泥漿馬達(dá)和彎接頭，通過(guò)緊鄰鉆頭的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的井眼軌跡調(diào)整及控制，整個(gè)鉆具及鉆柱隨鉆頭一起旋轉(zhuǎn)，完成全井段鉆井作業(yè)，因此井身質(zhì)量高，鉆井速度快，井眼清潔好，鉆具粘卡幾率低，從而降低了定向鉆井的工程風(fēng)險(xiǎn)，特別是可與隨鉆測(cè)井儀器組合在一起，在鉆大斜度井、水平井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井時(shí)能夠準(zhǔn)確定向進(jìn)入油層的最佳位置。目前旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)已經(jīng)在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用于石油勘探開(kāi)發(fā)生產(chǎn)中，但該項(xiàng)技術(shù)被國(guó)外的斯倫貝謝、哈里伯頓、貝克休斯等幾家大的油田服務(wù)公司壟斷，我國(guó)尚未有可供商業(yè)化應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)產(chǎn)品。為了加快我國(guó)海上油氣藏開(kāi)發(fā)的步伐，降低勘探開(kāi)發(fā)成本，中海油開(kāi)展了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)研究工作，并已取得較大突破［2-7］，成功研制出了一套旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)。本文就所研制的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，如導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、井下渦輪發(fā)電機(jī)、地面指令下傳裝置的組成與工作原理進(jìn)行論述，并對(duì)其鉆井實(shí)鉆試驗(yàn)情況作簡(jiǎn)要介紹。

1 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

1.1 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)主要是通過(guò)靠近鉆頭的導(dǎo)向翼肋按照指令要求(包括一定的力的大小和方向)伸出推靠井壁，井壁產(chǎn)生的反作用力使鉆頭沿著設(shè)計(jì)的方向鉆井，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向鉆井。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向原理如圖1所示。

圖1 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向原理示意圖

導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向單元主要由旋轉(zhuǎn)軸、不旋轉(zhuǎn)套、液壓控制閥單元、導(dǎo)向翼肋、電子控制單元及近鉆頭測(cè)量傳感器、上下軸承等組成。旋轉(zhuǎn)軸上部與鉆柱連接，下部與鉆頭連接，鉆進(jìn)時(shí)隨鉆柱儀器旋轉(zhuǎn)。液壓控制閥單元、導(dǎo)向翼肋、電子控制單元及近鉆頭測(cè)量傳感器等安裝固定在不旋轉(zhuǎn)外套上，通過(guò)上下軸承分離旋轉(zhuǎn)軸和不旋轉(zhuǎn)外套的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。工作時(shí)周向均布的3個(gè)導(dǎo)向翼肋在液壓活塞的推動(dòng)下推靠井壁而形成合力，井壁對(duì)導(dǎo)向單元的反作用力即為鉆頭導(dǎo)向的方向。由于受到摩擦力的作用，導(dǎo)向翼肋支撐于井壁時(shí)將不隨鉆柱旋轉(zhuǎn)，形成相對(duì)固定的導(dǎo)向力的方向。通過(guò)調(diào)整3個(gè)導(dǎo)向翼肋力的大小，可控制導(dǎo)向力的大小和方向，以控制導(dǎo)向鉆井，其中導(dǎo)向力的大小由井下CPU控制井下控制系統(tǒng)來(lái)調(diào)整。井下CPU在下井前預(yù)置了井眼軌跡數(shù)據(jù);井下工作時(shí)，可將MWD測(cè)量的井眼軌跡信息或LWD測(cè)量的地層信息與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以自動(dòng)控制液壓力，也可根據(jù)接收到的地面指令調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)以控制導(dǎo)向力，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向鉆進(jìn)。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)圖

1.2 井下渦輪發(fā)電機(jī)

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)井下渦輪發(fā)電機(jī)主要由導(dǎo)流葉輪、渦輪轉(zhuǎn)子、定子及發(fā)電機(jī)線圈組件等組成，其基本工作原理是地面指令讓鉆桿柱來(lái)的鉆井液經(jīng)過(guò)導(dǎo)流葉輪而發(fā)生流動(dòng)方向改變，使得鉆井液對(duì)渦輪轉(zhuǎn)子具有良好的驅(qū)動(dòng)效果，渦輪轉(zhuǎn)子在鉆井液的驅(qū)動(dòng)下發(fā)生旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)磁軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)時(shí)切割定子線圈而產(chǎn)生三相交流電，經(jīng)過(guò)整流、穩(wěn)壓后作為系統(tǒng)的直流電源。圖3為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)渦輪發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)圖。

圖3 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)渦輪發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)圖

1.3 地面指令下傳裝置

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)地面指令下傳裝置通過(guò)一個(gè)可控制的旁通閥，可以在不停鉆、不停泵的條件下實(shí)現(xiàn)地面指令下傳。地面指令下傳系統(tǒng)基本由旁通閥裝置、控制系統(tǒng)、井下信號(hào)接收及解碼電路等3部分組成?？刂葡到y(tǒng)控制旁通閥裝置閥片的開(kāi)啟和關(guān)閉動(dòng)作。旁通閥進(jìn)口與立管相連，出口與回路管線相連回接到鉆井液池。旁通閥開(kāi)啟時(shí)，10%～20%的鉆井液流量經(jīng)旁通閥分流直接回到鉆井液池，在鉆井管柱中產(chǎn)生鉆井液負(fù)脈沖而實(shí)現(xiàn)編碼指令的下傳，井下傳感器接收指令下傳信號(hào)并解碼，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)向單元的控制。

2 實(shí)鉆試驗(yàn)

2011年10月，所研制的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)在渤海JJSY-3實(shí)驗(yàn)井進(jìn)行實(shí)鉆試驗(yàn)。該井基本參數(shù):φ311.150 mm井眼601 m，下φ244.475 mm套管固井，井斜16.3°，方位232.7°;試驗(yàn)井井眼直徑φ215.900 mm，從617 m鉆至838 m，該段地層為明化鎮(zhèn)組上段，巖性為泥巖與粉細(xì)砂巖不等厚互層夾砂質(zhì)泥巖;鉆具組合為φ215.900 mm PDC鉆頭+φ171.450 mm(導(dǎo)向短節(jié)+柔性短節(jié)+渦輪發(fā)電機(jī)短節(jié)+井下控制短節(jié)+隨鉆測(cè)量短節(jié)+保護(hù)短節(jié)+短非磁鉆鋌)+φ203.200 mm扶正器+φ165.100 mm浮閥短節(jié)+φ165.100 mm鉆鋌×2+φ127.000 mm加重鉆桿+φ165.100 mm震擊器+φ127.000 mm加重鉆桿×5+φ127.000 mm鉆桿。

此次實(shí)鉆試驗(yàn)時(shí)先鉆開(kāi)水泥塞，然后提出鉆具，接上旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，再下鉆具，開(kāi)始旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井試驗(yàn)。617～663 m井段，工具采用穩(wěn)斜鉆進(jìn)模式，指令設(shè)定3個(gè)翼肋的推力均為最大導(dǎo)向力的25%; 663～750 m井段，指令設(shè)置為造斜模式，設(shè)定導(dǎo)向角為0°、導(dǎo)向力大小為最大導(dǎo)向力的75%;750～838 m井段，試驗(yàn)扭方位效果，指令設(shè)定導(dǎo)向角為－90°、導(dǎo)向力大小為最大導(dǎo)向力的75%。

此次旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)實(shí)鉆試驗(yàn)累計(jì)進(jìn)尺221 m，有效鉆進(jìn)時(shí)間12 h，初步驗(yàn)證了所研制的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的功能及工作原理，并取得了良好效果，主要體現(xiàn)在:

(1)所研制的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的導(dǎo)向功能能夠順利實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)能夠按照指令進(jìn)行造斜、扭方位鉆井。

(2)所研制的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具具有較好的造斜和扭方位的能力，在造斜井段實(shí)現(xiàn)最大造斜率為5.7(°)/ 30 m，在扭方位井段實(shí)現(xiàn)最大方位調(diào)整率為6.6(°)/ 30 m，并且在扶正器模式設(shè)置情況下穩(wěn)斜效果較好。

(3)成功實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)與隨鉆測(cè)井系統(tǒng)的掛接，渦輪發(fā)電機(jī)功率能夠滿足工具的需求。

(4)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的指令下傳功能能夠?qū)崿F(xiàn)，但還存在一定誤碼率，需要今后作進(jìn)一步的改進(jìn)與完善。

3 結(jié)束語(yǔ)

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)是一項(xiàng)尖端自動(dòng)化鉆井新技術(shù)，它代表了當(dāng)今世界鉆井技術(shù)發(fā)展的最高水平，該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成為開(kāi)發(fā)復(fù)雜油藏的超深井、高難定向井、水平井、大位移井鉆井中使用的必備技術(shù)，尤其是在海上油氣田更具優(yōu)越性。中海油田服務(wù)股份有限公司所研制的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)經(jīng)過(guò)定向井實(shí)鉆試驗(yàn)，驗(yàn)證了其原理及功能設(shè)計(jì)的可行性，同時(shí)為后續(xù)的試驗(yàn)研究工作奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。下一步的研究工作將主要集中在大量的實(shí)鉆試驗(yàn)，驗(yàn)證其可靠性及穩(wěn)定性。

［1］李松林，蘇義腦，董海平．美國(guó)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具結(jié)構(gòu)原理及特點(diǎn)［J］．石油機(jī)械，2000，28(1):46-48，59．

［2］姜偉．旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向偏心穩(wěn)定器井壁推靠力力學(xué)特性及影響因素研究［J］．中國(guó)海上油氣，2010，22(6):397-402．

［3］姜偉．旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向偏心穩(wěn)定器芯軸撓曲特性研究［J］．中國(guó)海上油氣，2010，22(3):183-185．

［4］程載斌，姜偉，蔣世全，等．旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具驅(qū)動(dòng)芯軸剛度與疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法［J］．中國(guó)海上油氣，2010，22(4):254-258．

［5］陳紅新，蔣世全，姜偉，等．適用于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的非接觸式電能傳輸方法［J］．中國(guó)海上油氣，2009，21(2):113-115，119．

［6］李漢興，姜偉，蔣世全，等．可控偏心器旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具偏心位移控制分析［J］．中國(guó)海上油氣，2008，20(3):184-188．

［7］姜偉．旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向偏心穩(wěn)定器力學(xué)特性研究［J］．中國(guó)海上油氣，2009，21(3):176-179．

Study on key techniques and drilling test of rotary steerable drilling system

Wu ChaoJian ZhijunGuo YunShang Jie
(China Oilfield Service Ltd．，CNOOC，Beijing，101149)

A rotary steerable drilling system has been studied and developed successfully by China Oilfield Service Ltd．，CNOOC，in order to accelerate oil and gas field development offshore China and reduce the exploration and development cost．This paper describes the key techniques of the system，such as the conformation and work principle of steering machine，downhole turbogenerator and ground instruction device，etc．a(chǎn)s well as introduces field drilling test briefly．

rotary steerable drilling system;steering machine;downhole turbogenerator;ground instruction device;drilling test

2012-01-16改回日期:2012-03-27

(編輯:孫豐成)

*中國(guó)海洋石油總公司“十二五”科技重大項(xiàng)目“液壓動(dòng)力旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)系列研究(編號(hào):CNOOC-KJ125ZDXM12LTD04YF2011-05)”部分研究成果。

吳超，男，高級(jí)工程師，1982年畢業(yè)于原西南石油學(xué)院鉆井工程專業(yè)，現(xiàn)任中海油田服務(wù)股份有限公司技術(shù)總監(jiān)，主要從事鉆井工程、隨鉆測(cè)井、導(dǎo)向鉆井、物探采集設(shè)備、油田化學(xué)、深海油氣開(kāi)發(fā)等研究工作。