李才良
(渤海鉆探塔里木鉆井分公司裝備管理科,新疆庫爾勒 841000)①
旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)及鉆井工具應(yīng)用研究
李才良
(渤海鉆探塔里木鉆井分公司裝備管理科,新疆庫爾勒 841000)①
旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)是由井下閉環(huán)變徑穩(wěn)定器與測量傳輸儀器(MWD/LWD)聯(lián)合組成的工具系統(tǒng),它完全拋開了滑動導(dǎo)向方式,以旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)方式自動、靈活地調(diào)整井斜和方位,大幅提高了鉆井速度、鉆井安全性和軌跡控制精度。分析了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn),介紹了典型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、工作原理及發(fā)展、應(yīng)用情況。為超深井、高難度定向井、大位移井、水平分支井等特殊工藝井的導(dǎo)向鉆井提供技術(shù)支持。
旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng);導(dǎo)向原理;系統(tǒng)結(jié)構(gòu);技術(shù)特點(diǎn)
旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)通過井下旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具實(shí)現(xiàn)軌跡的控制和鉆進(jìn)施工,采用MWD實(shí)現(xiàn)軌跡幾何導(dǎo)向,采用LWD實(shí)現(xiàn)軌跡地質(zhì)導(dǎo)向。該技術(shù)取消了滑動鉆進(jìn)工作方式,使鉆具在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的同時實(shí)現(xiàn)軌跡的控制,在有效克服地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的一些缺陷、提高油藏開發(fā)的整體效益、有效避免鉆井風(fēng)險方面有重要意義[1]。
旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)主要是利用井下旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具在鉆具底部控制鉆具軸線產(chǎn)生偏心效果,從而給鉆頭施加側(cè)向力來實(shí)現(xiàn)軌跡的旋轉(zhuǎn)控制[2]。
鉆具在井下產(chǎn)生偏心時的受力分析如圖1所示。下部鉆具AB犆在不受外力的作用下是1條直線,這時施加給鉆具的鉆壓(設(shè)為F)全部加在鉆頭上。當(dāng)在B點(diǎn)因偏心裝置的作用使鉆具產(chǎn)生彎曲時,施加給鉆頭的鉆壓分解為沿鉆具軸向的力Fh和垂直于井壁的側(cè)向力Fc。Fh控制鉆頭沿鉆具軸線方向行進(jìn),F(xiàn)c控制鉆頭沿側(cè)向方向行進(jìn)。
式中:α為鉆具因彎曲而產(chǎn)生軸線間的夾角。
當(dāng)偏心裝置在井下處于不同的位置時,鉆頭受到的側(cè)向力方向就不同。通過偏心控制裝置可以將偏心裝置擺放在任意位置,側(cè)向力也可控制在井眼垂直剖面360°范圍內(nèi)的任意方向,從而實(shí)現(xiàn)軌跡全方位的控制。
圖1 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井鉆頭受力分析
旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具主要包括旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具和其他配套工具。根據(jù)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具實(shí)現(xiàn)鉆具偏心的機(jī)理的不同,將旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具分為不隨鉆柱旋轉(zhuǎn)的靜態(tài)調(diào)節(jié)式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具和隨鉆具旋轉(zhuǎn)的動態(tài)調(diào)節(jié)式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具2種。配套工具包括高性能鉆頭、定向接頭、無磁鉆桿、井下儀器MWD懸掛短節(jié)、無磁鉆鋌、短無磁鉆鋌、鉆鋌、短鉆鋌、柔性鉆鋌、加重鉆桿、斜坡鉆桿、井下加力器、震擊器、扶正器、單向閥和其他無磁/非無磁配合接頭等[3-5]。
2.1 動態(tài)可調(diào)式
動態(tài)可調(diào)式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具在轉(zhuǎn)動過程中,控制可調(diào)偏心穩(wěn)定器翼片在固定的方向輪流伸出,從而給鉆頭施加1個與翼片伸出方向相反的側(cè)向力,實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向功能。這種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具由于需要鉆具轉(zhuǎn)動才能使穩(wěn)定器翼片伸出,故稱為動態(tài)可調(diào)式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具。
2.1.1 工作原理
動態(tài)調(diào)節(jié)式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具受導(dǎo)向控制裝置的控制。當(dāng)導(dǎo)向控制裝置控制導(dǎo)向鉆具處于導(dǎo)向工作狀態(tài)時,調(diào)整導(dǎo)向軸的方向,使導(dǎo)向鉆具處于需要的工作位置。施工時,導(dǎo)向軸控制高壓流體進(jìn)入高壓腔,由高壓流體為翼片的伸出提供動力,控制閥控制翼片的伸縮,相當(dāng)于給鉆具施加了1個側(cè)向力,從而完成旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)的任務(wù)。當(dāng)導(dǎo)向控制裝置控制導(dǎo)向鉆具不處于導(dǎo)向工作狀態(tài)時,翼片不運(yùn)動,井下鉆具組合以其自然的工作狀態(tài)工作。
動態(tài)調(diào)節(jié)式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的施工效果是在鉆具的轉(zhuǎn)動過程中實(shí)現(xiàn)的。如果鉆具不運(yùn)動,則不能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向鉆進(jìn)。
2.1.2 典型動態(tài)可調(diào)式鉆井系統(tǒng)
SCHLUMBERGER公司的Powerdrive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)是一種動態(tài)可調(diào)式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具,主要由側(cè)向偏置機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)2部分組成,如圖2所示,側(cè)向偏置機(jī)構(gòu)通過翼片伸出,以和井壁接觸時受到井壁反作用的方式給鉆頭施加1個側(cè)向力??刂茩C(jī)構(gòu)通過機(jī)械連接方式與側(cè)向偏置機(jī)構(gòu)連接,主要功能是控制側(cè)向偏置機(jī)構(gòu)對鉆頭產(chǎn)生的側(cè)向力的大小和方向,其動力由傳遞轉(zhuǎn)矩的傳動軸總成提供,渦輪為傳動軸總成提供動力。
圖2 Power drive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)
控制機(jī)構(gòu)由高壓腔、盤狀控制閥總成、傳遞轉(zhuǎn)矩的傳動軸總成、齒輪傳動總成、電子線路及近鉆頭井斜傳感器等組件共同組成。
電子線路及近鉆頭井斜傳感器主要是測量旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的狀態(tài)及接收地面指令、控制側(cè)向偏置機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)。當(dāng)需要旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具導(dǎo)向工作時,地面指令通過脈沖泥漿壓力形式傳遞到井下工具,井下工具接收到地面的信號后,自動擺放側(cè)向偏置機(jī)構(gòu)所需要設(shè)置的位置,并打開高壓控制閥,使高壓腔內(nèi)充滿高壓泥漿。當(dāng)井下工具不需要導(dǎo)向工作時,井下工具接收到地面的信號后,關(guān)閉高壓控制閥,高壓腔內(nèi)沒有高壓泥漿,側(cè)向偏置機(jī)構(gòu)的3個活塞全部縮回,工具處于自然工作狀態(tài)。
高壓腔為側(cè)向偏置機(jī)構(gòu)翼片的伸出提供動力,內(nèi)部的高壓由高壓控制閥控制。當(dāng)工具處于導(dǎo)向工作狀態(tài)時,高壓控制閥打開,里面的高壓泥漿將壓力傳遞到盤狀控制閥總成。
傳動軸總成為轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具外殼提供動力,齒輪傳動總成控制旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具是轉(zhuǎn)動還是不轉(zhuǎn)動。
盤狀控制閥總成由上、下2個圓形盤閥共同組成。盤狀控制閥總成的上盤閥不隨鉆具轉(zhuǎn)動,其本體上有3個連通的孔,呈120°分布,其中1個為高壓孔,2個為低壓孔。高壓孔的軸線方向就是Power drive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的高邊位置,它與高壓腔連通,同時低壓孔與井眼環(huán)空連通。盤狀控制閥總成的下盤閥隨鉆具一起同步轉(zhuǎn)動,其本體上也有3個孔,呈120°分布,都是卸壓孔。上、下控制盤在控制閥同軸心中上下放置,上、下控制盤上的孔都是同一軸心距。上、下盤閥的結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 盤狀控制閥總成上下盤閥結(jié)構(gòu)
側(cè)向偏置機(jī)構(gòu)的核心是3個可伸縮的翼片和控制3個翼片伸縮的活塞。系統(tǒng)處于導(dǎo)向方式工作時,高壓控制閥被打開,高壓泥漿進(jìn)入高壓腔室,高壓腔室與高壓孔連通??刂崎y中的下盤閥與鉆具一起轉(zhuǎn)動。當(dāng)下盤閥上的1個孔轉(zhuǎn)到與高壓孔重疊的狀態(tài)時,高壓孔中的高壓流體進(jìn)入該孔,推動與該孔連通的活塞向外推進(jìn),從而將與活塞連接的翼片推出。當(dāng)該孔轉(zhuǎn)到與上盤閥的高壓孔連通的同時,下盤閥上的另外2個孔也同時與上控制盤的低壓孔連通,這2個孔內(nèi)的活塞沒有受到內(nèi)、外的壓力,在里面彈簧的作用下,帶動翼片縮回。由于上控制盤是不動的,下控制盤上的每一個孔轉(zhuǎn)動到與上控制盤上的高壓孔同軸時,該下控制盤孔所對應(yīng)的翼片伸出,其他兩翼片縮回。因此,隨著鉆具的轉(zhuǎn)動,翼片就在上控制盤高壓孔處輪流固定伸出。
當(dāng)翼片伸出時,翼片與井壁接觸,相當(dāng)于給井壁施加了1個外力,根據(jù)作用力與反作用力相等的原理,翼片給井壁施加外力的同時,導(dǎo)向工具也受到了大小與該力相等、但方向相反的力,這個力就是翼片伸出時鉆具受到的側(cè)向力,其方向與高壓孔的位置正好相反,大小與導(dǎo)向工具控制軸的方向有關(guān)。Power drive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具處于導(dǎo)向工作方式時的狀態(tài)如圖4所示。
圖4 Power drive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具導(dǎo)向工作狀態(tài)
由此,調(diào)整高壓孔的位置,鉆頭就可受到1個方向與高壓孔位置相反的力。由于該工具的高邊位置與上盤閥的高壓孔一致,因此翼片伸出的方向與高壓孔的方向相反,翼片施加給井壁的力也與高壓孔的方向相反。根據(jù)作用力與反作用力間的相互關(guān)系,鉆頭受到的力的方向就與高壓孔的方向一致,即高邊方向就是鉆頭受到的側(cè)向力方向。這樣,當(dāng)調(diào)整高壓孔處于高邊位置(0°)時,鉆頭受到的側(cè)向力方向向上,此時相當(dāng)于全力增井斜。當(dāng)調(diào)整高壓孔處于90°時,鉆頭受到的側(cè)向力方向指向井眼法面90°方向,此時相當(dāng)于全力增方位。當(dāng)調(diào)整高壓孔處于180°時,鉆頭受到的側(cè)向力方向指向井眼法面180°,此時相當(dāng)于全力降井斜。當(dāng)調(diào)整高壓孔處于270°時,鉆頭受到的側(cè)向力方向指向井眼法面270°,此時相當(dāng)于全力降方位。
Power drive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具對軌跡的控制是通過由地面向井下工具傳遞泥漿壓力脈沖的形式來控制的,地面計算機(jī)監(jiān)視由地面向井下工具傳遞的脈沖序列,然后顯示出導(dǎo)向工具的新狀態(tài)以便地面進(jìn)一步確認(rèn)工具的位置是否正確。
2.2 靜態(tài)可調(diào)式
旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的偏心穩(wěn)定器固定不動,但可調(diào)整其固定方向。鉆具轉(zhuǎn)動過程中,由于可調(diào)偏心穩(wěn)定器在固定的方向,從而給鉆頭施加固定的側(cè)向力,實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向功能。鉆具不動偏心穩(wěn)定器翼片就已伸出,可以控制偏心穩(wěn)定器的方向,故稱為靜態(tài)可調(diào)式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具。
2.2.1 工作原理
和動態(tài)調(diào)節(jié)式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具工作原理不同,靜態(tài)調(diào)節(jié)式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具是利用可調(diào)偏心扶正器來實(shí)現(xiàn)的。可調(diào)偏心扶正器是1個可以在地面控制其伸縮及其伸縮量的偏心扶正器,其扶正器偏心塊在鉆具轉(zhuǎn)動過程中與井壁保持相對穩(wěn)定。
其工作機(jī)理是:在地面通過開泵或加壓等手段,調(diào)整可調(diào)偏心扶正器各個伸出塊的伸出量,進(jìn)而改變偏心扶正器的偏心距大小和偏心方位角,從而改變井下鉆具組合的軸向偏心,使鉆頭上的造斜力和方位調(diào)整力符合軌跡調(diào)整的需要,進(jìn)而達(dá)到導(dǎo)向鉆進(jìn)的目的。當(dāng)不需要導(dǎo)向鉆進(jìn)時,可調(diào)偏心扶正器各個伸出塊縮回,井下鉆具組合以其自然的工作狀態(tài)工作。
2.2.2 典型靜態(tài)可調(diào)式鉆井系統(tǒng)
Auto Trak RCLS旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)是由BAKER-HUGHES INTEQ公司和AGIP公司聯(lián)合研制成功的閉路旋轉(zhuǎn)裝置。
Auto Trak RCLS系統(tǒng)是1種靜態(tài)可調(diào)式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具,它主要由與鉆具一起旋轉(zhuǎn)的傳動軸和不隨鉆具旋轉(zhuǎn)的靜態(tài)穩(wěn)定器套組成,如圖5所示。靜態(tài)穩(wěn)定器套包含1個近鉆頭井斜傳感器、隨鉆控制電路以及可由液壓控制的3個翼片。3個翼片是相互獨(dú)立的,流經(jīng)穩(wěn)定器的高壓流體為翼片伸出或縮回提供動力,各翼片伸出的大小由井下微處理系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計的數(shù)據(jù)和實(shí)時監(jiān)測的結(jié)果來綜合控制,以使各翼片與井壁相互作用,受到井壁的作用力的矢量和指向設(shè)計軌跡的前進(jìn)方向,如圖6所示。當(dāng)需要穩(wěn)斜鉆進(jìn)時,各翼片在控制機(jī)構(gòu)的控制下縮回,不與井壁相互作用,鉆具以其自然的對軌跡的影響力工作。
圖5 Auto Trak RCLS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖6 Auto Trak RCLS受力分析
AutoTrak RCLS系統(tǒng)內(nèi)部微處理器根據(jù)實(shí)時監(jiān)測的數(shù)據(jù),計算出軌跡沿設(shè)計方向行進(jìn)時各穩(wěn)定器翼片需要承受的力,確定定向所需要的工具面數(shù)據(jù)及方向,同時還控制軌跡控制井段的造斜率以符合要求。
實(shí)鉆過程中,由于受地層特性和鉆速的影響,非旋轉(zhuǎn)套會出現(xiàn)一定量的偏移。為了補(bǔ)償該偏移對軌跡控制造成的影響,系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測穩(wěn)定器套的位置,根據(jù)軌跡控制所需要的力及其方向,自動調(diào)整各穩(wěn)定器翼片所受到的力,使鉆具始終受到1個與軌跡控制需要一致的恒定合力。
井下工具和地面之間的雙向通訊通過泥漿來進(jìn)行。當(dāng)?shù)孛嫘枰蛳聜鬟f信號時,采用負(fù)脈沖信號技術(shù),而井下數(shù)據(jù)向上傳送則采用正脈沖信號技術(shù)。
與Auto Trak RCLS系統(tǒng)配套施工的儀器還包括井下探管。井下探管控制井下各組成部分的工具面位置,實(shí)現(xiàn)地面和井下之間的雙向通訊。同時該部分還包括施工所需要的定向傳感器和鉆具振動傳感器,同時與近鉆頭井斜傳感器通過超聲波進(jìn)行通訊。方位傳感器測量軌跡的方向,近鉆頭井斜傳感器在地層剛打開不久就可測量到軌跡近鉆頭處的井斜,三維分布的方位和近鉆頭井斜傳感器一起,共同實(shí)現(xiàn)軌跡的精確測量和為控制軌跡所需參數(shù)提供依據(jù)。振動傳感器測量鉆具的振動情況,由此判斷和控制井下工具安全工作。
Auto Trak RCLS系統(tǒng)可加掛地質(zhì)導(dǎo)向儀器RNT(The Reservoir Navigation Tool)。RNT系統(tǒng)包括1個多級電阻率傳感器MPR(Multiple Propagation Resistivity)和方位伽瑪傳感器GR(Dual Azimuthal Gamma Ray)。采用雙頻發(fā)射雙接收器設(shè)計技術(shù),RNT可以測量4種補(bǔ)償電阻率曲線,可在各種變化不定的條件下精確測量地層的真實(shí)電阻率。400 k Hz的電磁波可以探測地層深層的測量數(shù)據(jù),2 MHz的電磁波可以提高地層的分辨率。在水平段施工,400 k Hz的電磁波可以準(zhǔn)確分辨地層邊界,精確測量高達(dá)5.5 m深的地層電阻率,實(shí)鉆過程中可以提前75 m探測到地層的邊界,從而精確控制軌跡在產(chǎn)層中穿行。
常用的Auto Trak RCLS旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)鉆具組合如圖7。
圖7 常用的AutoTrak RCLS旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)鉆具組合
1) 采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)施工,由于取消了井下馬達(dá)操作,井下鉆具一直處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài),因此對鉆具組合性能的選擇尤為重要。
2) 施工時,應(yīng)根據(jù)地層對軌跡的影響力、軌跡走向合理選擇下井鉆具組合,以充分利用地層的自然增、降斜能力,避免長時間使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具施工。
3) 施工過程中,當(dāng)需要對軌跡進(jìn)行調(diào)整時,只需要在地面通過向鉆具加壓、往復(fù)開泵或加壓、開泵組合來調(diào)整旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的狀態(tài),使鉆具在轉(zhuǎn)動狀態(tài)下能達(dá)到所需要的軌跡控制的效果。
1) 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)取消了井下馬達(dá),其對軌跡的控制主要是通過調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的狀態(tài),從而使鉆具在連續(xù)轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生不同效果的側(cè)向力來完成的。因此,避免了由于鉆柱彈性變形而造成的工具面控制問題和井下鉆具所受摩阻大的問題,井眼扭曲程度得到控制,使鉆井施工對井深的限制得到解決。
2) 由于井下鉆具采用穩(wěn)定器結(jié)構(gòu),且鉆具連續(xù)轉(zhuǎn)動,井下鉆具和井壁間的接觸面積減少,井眼清洗效果得到改善,避免了鉆井施工過程中常發(fā)生的粘附卡鉆、砂橋卡鉆等鉆井事故,有效避免了鉆井施工的風(fēng)險。
3) 鉆具轉(zhuǎn)動,使得鉆壓控制更容易;摩阻減少,軌跡平滑,使得軌跡能最大限度的向前延伸,并可使完井作業(yè)和測井作業(yè)變得更加容易。
4) 采用旋轉(zhuǎn)地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù),在提高軌跡穿越油層效率的同時,超長水平段能使單井施工的效益得到大幅度提高,并可有效減少油藏開發(fā)所須的油井?dāng)?shù)量、降低油藏整體開發(fā)費(fèi)用。
5) 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)現(xiàn)已進(jìn)入了現(xiàn)場試驗(yàn)階段并取得了良好的效果,它能克服滑動導(dǎo)向工具施工中存在的諸多缺陷,能提高鉆井速度、降低鉆進(jìn)時的摩阻和轉(zhuǎn)矩、高精度地控制井身軌跡,是大幅度提高鉆井工作能力的有效技術(shù),必將成為未來導(dǎo)向鉆井技術(shù)的主流。
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Application Study on Rotary Steering Drilling Technology and Its Drilling Tools
rotary oriented drilling system;orient principle;system structure;technical feature
TE921
B
10.3969/j.issn.1001-3842.2014.09.019
1001-3482(2014)09-0069-05
2014-03-25
李才良(1979-),男,四川瀘縣人,工程師,主要從事鉆井裝備技術(shù)及管理工作。
Abstract:The rotary steerable drilling system is the combined one consisting of down-hole closeloop radial adjustable stabilizers and MWD/LWD,which totally put the slide steering system but based on rotary guided drilling,automatically and flexibly adjusting inclination and azimuth,greatly increasing drilling speed,safety and the precision of trajectory control.Its technical feature is analyzed and structure,working principle and tendency and application are introduced.It provides the technical assistance to super deep well,directive well drilling,highly displacement drilling,horizontal branch well.