Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)發(fā)展與應(yīng)用研究

付天明

（中石化中原石油工程有限公司西南鉆井分公司，成都 610021）①

Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)發(fā)展與應(yīng)用研究

付天明

（中石化中原石油工程有限公司西南鉆井分公司，成都 610021）①

旋轉(zhuǎn)自動導(dǎo)向系統(tǒng)是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的核心，是目前世界上具代表性和先進性的鉆井技術(shù)。概述了Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的發(fā)展概況，分析其系統(tǒng)構(gòu)成和導(dǎo)向機構(gòu)工作原理，總結(jié)了該系統(tǒng)的特點和優(yōu)勢，為現(xiàn)場應(yīng)用提供參考。

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)；導(dǎo)向原理；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；偏心裝置

早期的第1代旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具采用“側(cè)推鉆頭”的方式，利用工具外部的零部件側(cè)推鉆頭，給鉆頭施加一個強大的外力，迫使鉆頭偏離鉆具軸心運動而切入地層，從而達到定向鉆井的效果。這種工作方式由于鉆頭是在強大外力的作用下工作的，鉆頭受力不均勻，井眼有擴大的趨勢，容易造成井眼螺旋。同時，還會導(dǎo)致很多問題發(fā)生，最主要的一點就是推動鉆頭側(cè)向運動的零部件往往容易損壞，導(dǎo)致鉆頭螺旋、渦動、高振動，以及MWD／LWD的非正常損壞。其后果是井眼質(zhì)量受到限制，清潔井眼、反劃眼都要浪費大量的時間，測井、下套管、完井作業(yè)困難，難以體現(xiàn)施工效益［1-3］。

鉆頭定位旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)Geo-Pilot是美國斯派里森公司（現(xiàn)為美國Halliburton一分公司）和日本國家石油有限公司JNOC聯(lián)合開發(fā)的產(chǎn)品。相對于第1代“側(cè)推鉆頭”旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具而言，該工具是第1代“鉆頭導(dǎo)向”旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具。該系統(tǒng)并不是利用系統(tǒng)外部的零部件推動鉆頭來達到定向效果，取而代之的是1套偏心裝置，該偏心裝置使鉆頭驅(qū)動軸彎曲，驅(qū)動軸彎曲就會使使鉆頭軸心偏離鉆具軸心，從而達到定向鉆進的效果。該系統(tǒng)的斜向驅(qū)動軸部分由JNOC設(shè)計，斜向軸外部的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向部分由斯派里森公司設(shè)計。在獲得JNOC專利授權(quán)的情況下，該系統(tǒng)由美國斯派里森公司加工制造并投入商業(yè)化運營［4-10］。

1 技術(shù)分析

1．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主要由驅(qū)動軸、外殼、驅(qū)動軸密封裝置、非旋轉(zhuǎn)設(shè)備、上下軸承、偏心裝置、近鉆頭井斜傳感器、近鉆頭穩(wěn)定器、控制電路和傳感器等部件構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1） 驅(qū)動軸貫穿整個系統(tǒng)，其兩端安裝在軸承上，上部和鉆具連接，下部和鉆頭連接，是整個系統(tǒng)的動力傳輸部分。

2） 外殼是系統(tǒng)的外尾部結(jié)構(gòu)，相對于地層不轉(zhuǎn)動。其上端和系統(tǒng)的非旋轉(zhuǎn)設(shè)備連接，下端裝有1個近鉆頭穩(wěn)定器。

3） 非旋轉(zhuǎn)設(shè)備中的彈簧滾柱確保扶正器處于滿眼狀態(tài)，并保持和井壁接觸，從而使系統(tǒng)的外殼在轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動的情況下不旋轉(zhuǎn)。

4） 軸承分上下2部分，除常規(guī)的減阻作用外，上面的軸承可以防止上部扶正器上面的鉆具彎曲，下面的滾珠主要是使Geo-Pilot軸心居中，同時還起到一個支點的作用，以使鉆頭在傳動軸稍微彎曲的情況下，能產(chǎn)生較大的偏斜效果。

5） 偏心裝置是整個系統(tǒng)導(dǎo)向功能的核心（如圖2），由2個偏心環(huán)組成。控制2個偏心環(huán)運動的機械裝置是相互獨立的，其轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)動的位置由控制電路控制。

圖2 2個偏心環(huán)相對位置關(guān)系和造斜能力示意

6） 控制電路和傳感器部分是檢測和控制導(dǎo)向工具狀態(tài)的核心。一方面?zhèn)鞲衅鞑粩鄼z測系統(tǒng)的工具面位置（導(dǎo)向系統(tǒng)的工具面方向）；另一方面，該部分還根據(jù)設(shè)計的工具面數(shù)據(jù)，控制導(dǎo)向系統(tǒng)在鉆進過程中對系統(tǒng)產(chǎn)生的工具面偏移進行校正，使系統(tǒng)始終處于穩(wěn)定的工具面位置施工。

7） 近鉆頭穩(wěn)定器主要是起支撐的作用，以確保鉆頭在驅(qū)動軸發(fā)生彎曲的情況下，強迫鉆頭改變軸心方向，達到鉆頭定向的效果。

8） 近鉆頭井斜傳感器用來量近鉆頭井斜和系統(tǒng)的工具面方向。壓力補償器使系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)密封部位內(nèi)的壓力稍微高于環(huán)空壓力。

1．2 工作原理

Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)工作原理如圖3。驅(qū)動軸貫穿整個系統(tǒng)，是驅(qū)動鉆頭轉(zhuǎn)動的動力傳輸裝置。系統(tǒng)外殼安裝在軸承的外圍，相對地層不旋轉(zhuǎn)，以此提供一個相對穩(wěn)定的工具面。外殼兩端的旋轉(zhuǎn)密封裝置使驅(qū)動軸在旋轉(zhuǎn)的同時，所有運動的零部件都浸泡在外殼內(nèi)的潤滑油中，以降低運動摩阻并保護這些零部件。外殼內(nèi)部有一個傳感器組，用以測量近鉆頭井斜和系統(tǒng)的工具面方向。外殼的中間就是系統(tǒng)的核心部件——偏心裝置，當(dāng)2個偏心環(huán)的偏心位置正好相反時，此時驅(qū)動軸不彎曲；當(dāng)2個偏心環(huán)的偏心方向一致時，此時驅(qū)動軸彎曲幅度最大（其導(dǎo)向能力達到最強）；2個偏心環(huán)的偏心位置不在同一直線時，驅(qū)動軸的彎曲度介于彎曲幅度最大和不彎曲之間，由此控制系統(tǒng)不同的造斜能力。偏心環(huán)的偏心方向可以通過控制偏心環(huán)凸輪的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)，2個偏心環(huán)的偏心方向矢量和可以指向360°范圍內(nèi)的任意方向，其矢量和的大小也可在最大和最小之間調(diào)節(jié)，由此形成了系統(tǒng)在不同的方向進行導(dǎo)向，且造斜能力可以在最大和最小之間進行控制的特性。

2個偏心環(huán)的偏心位置不同時，就會產(chǎn)生轉(zhuǎn)動軸偏斜的效果，偏斜程度和偏斜方向可以根據(jù)施工的需要進行調(diào)整和控制。系統(tǒng)的偏心裝置和井下控制軟件一起工作，自動防止系統(tǒng)在設(shè)計工具面誤差范圍外的狀態(tài)下工作。

圖3 Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)的下部軸承距系統(tǒng)下端部0．61 m，這種結(jié)構(gòu)可以使驅(qū)動軸在發(fā)生輕微彎曲的情況下，鉆頭能有較大的偏斜幅度。Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)工作原理模擬如圖4所示。

圖4 Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)工作原理模擬

1．3 閉環(huán)控制

在最初的試驗階段，系統(tǒng)不具備受地面指令控制的功能，系統(tǒng)的偏斜是固定不變的。這種原始的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具只能通過人工方式來控制其工作，隨后才研發(fā)出閉環(huán)控制功能。

首先，設(shè)計的工具面通過旋轉(zhuǎn)鉆具下達到井下MWD，然后將另一個指令從地面下達到井下工具，要求它轉(zhuǎn)換該工具面。當(dāng)從地面下達第2個指令要求開始鉆進時，Geo-Pilot自動調(diào)整偏心裝置里2個偏心環(huán)的偏心位置，使轉(zhuǎn)動軸的偏斜方向達到設(shè)計要求。然后通過不斷地監(jiān)測外殼的旋轉(zhuǎn)、調(diào)整偏心裝置的偏心位置來保持工具以要求的方向鉆進。

工具面校正的速度很快，目前限制工具面的誤差為7°。當(dāng)轉(zhuǎn)動軸工作的工具面值超出設(shè)計的誤差范圍時，偏心裝置能在5 s內(nèi)將其校正到符合要求的工具面范圍內(nèi)。如果按該工具面鉆進，軌跡的方向控制不能滿足設(shè)計要求，可以再從地面向井下工具發(fā)送新的指令，新的指令被井下工具接受后，井下工具就按該工具面施工。這種工作模式就是閉環(huán)系統(tǒng)。

Geo-Pilot還可以實現(xiàn)向井下工具傳送設(shè)計的工具面數(shù)據(jù)、方位／井斜、靶點坐標(biāo)等多項功能。所有這些功能只需要在地面輕輕敲擊鍵盤就可以實現(xiàn)。

Geo-Pilot與斯派里森公司的MWD／LWD組合施工可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向通訊，同時和INSITE（The Integrated System for Information Technology and Engineering）系統(tǒng)兼容，利用該系統(tǒng)在地面除實時顯示有關(guān)地質(zhì)參數(shù)信息外，還實時顯示工具的工作參數(shù)和工作狀態(tài)，實現(xiàn)實時幾何導(dǎo)向和地質(zhì)導(dǎo)向。Geo-Pilot井下組合如圖5所示。

Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)地面與井下工具間的通訊是通過改變泥漿的排量來實現(xiàn)的。由于改變泥漿的排量不需要停止鉆具，因而可以在不影響鉆井的條件下實現(xiàn)工具位置的改變，實現(xiàn)快速鉆進。

圖5 Geo-Pilot井下組合示意

Geo-Pilot采用自動控制和人工控制2種方式進行旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向。采用自動控制方式，系統(tǒng)按預(yù)先設(shè)置的軌跡參數(shù)自行控制實鉆軌跡；采用人工控制方式，系統(tǒng)的導(dǎo)向方向和軌跡的控制由定向工程師負責(zé)完成。

目前，Geo-Pilot有2種系列產(chǎn)品：?7600系列（?172 mm）用于?212．70～?269．88 mm井眼施工；?9 600系列（?244．5 mm）用于?311．1～?444．5 mm井眼施工。

1．4 技術(shù)規(guī)范（如表1）

表1 Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范

2 系統(tǒng)特點

1） 系統(tǒng)的工作電源由1個整裝的長壽命鋰電池提供，用以監(jiān)測鉆頭指向、鉆具轉(zhuǎn)動速度、自身參數(shù)等。

2） 偏心裝置簡單，采用2個偏心環(huán)，一個套在另一個里面，使裝在2個軸承之間的轉(zhuǎn)軸彎曲，產(chǎn)生鉆頭的偏心效果。

3） 自動化修正系統(tǒng)使用近鉆頭井斜傳感器，自動修正偏心環(huán)位置，自動調(diào)整定向工具面和井斜。

4） 井下系統(tǒng)和地面之間的遙控雙向通訊，在不占用任何鉆機作業(yè)時間的情況下，軌跡可以得到精確控制。雙向通訊是通過Geo-Span下行命令傳輸系統(tǒng)和MWD／LWD來實現(xiàn)的，通過Geo-Span向井下旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)下達指令和工作數(shù)據(jù)，井下旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具接收指令并通過MWD／LWD系統(tǒng)向地面反饋工作數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)。采用這種技術(shù)，下達的指令從下達開始到井下返回信息，總時間不超過90 s。由于該系統(tǒng)在地面不會發(fā)生故障，因此始終能夠?qū)鹿ぞ哌M行控制?？刂品椒椋洪_泵，在地面轉(zhuǎn)動一個事先規(guī)定的井下工具能識別的指令盤，地面指令就可立即傳輸?shù)骄聝x器里面。

5） 為了提高Geo-Pilot系統(tǒng)的可靠性和工作壽命，系統(tǒng)內(nèi)部的軸承、密封件以及其他運動元件全部浸泡在潤滑油中。同時由于系統(tǒng)與泥漿隔離工作，從而避免了與泥漿之間的兼容性問題的發(fā)生。

6） Geo-Pilot能夠鉆多目標(biāo)井，可大幅度提高單井產(chǎn)量。利用該系統(tǒng)鉆側(cè)鉆井，在北海的2個主井眼鉆了6個分支井，其中第四裸眼側(cè)鉆分枝井垂深一直控制在設(shè)計軌跡±0．3 m范圍內(nèi)。

3 系統(tǒng)優(yōu)勢

1） 摩阻低，因而可有效地保證軌跡向前延伸，用于完鉆后的下套管和測井作業(yè)都很順利。Geo-Pilot由于避免了鉆頭側(cè)削（底層）的現(xiàn)象，鉆具的振動有效降低，該工具特別適用于大摩阻、大轉(zhuǎn)矩的大位移井和復(fù)雜程度很高的三維定向／水平井的施工。

2） 利用該系統(tǒng)施工有利于消除井眼螺旋、減少井眼的彎轉(zhuǎn)次數(shù)、提高軌跡的定向控制效果和鉆井效率、縮短鉆井周期，便于下套管和測井作業(yè)。

3） 井眼清潔效果好，減少了短起鉆次數(shù)，提高了鉆機的有效工作時間，對大角度井眼效果更佳。

4） 加長鉆頭的加長部分相當(dāng)于扶正器的效果，使鉆頭的使用壽命延長，起下鉆次數(shù)減少，用于鉆進的時間增加，提高了單井鉆進速度。

5） 使用加長保徑鉆頭，井下鉆具的振動降低，MWD／LWD出現(xiàn)故障的幾率降低。

6） 使用鋰電池供電，取消了渦輪發(fā)電機，增加了系統(tǒng)工作的可靠性，延長了系統(tǒng)的有效工作時間。

7） 該系統(tǒng)和泥漿隔離工作，消除了系統(tǒng)的軸承、密封件以及其他機械零部件和泥漿的不兼容問題。

8） 該系統(tǒng)具備自身診斷功能，向地面實時傳輸系統(tǒng)的工作數(shù)據(jù)及工作狀態(tài)，可確保系統(tǒng)正常工作。

4 結(jié)語

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)可以用于超長大位移延伸井、異常復(fù)雜的三維定向水平井等復(fù)雜井的施工，良好的施工效果可以避免用其他定向工具而導(dǎo)致的鉆速慢的問題。此外，由于鉆具一直是在旋轉(zhuǎn)，井眼的清潔效果得到大幅改善，鉆壓的傳遞也因摩阻的降低而變得容易，其優(yōu)良的定向鉆井功能也降低了起下鉆次數(shù)，提高了施工效益。

［1］王鵬，唐雪平，洪迪峰．旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具3D參數(shù)化虛擬樣機設(shè)計［J］．石油礦場機械，2013，42（6）：27-30．

［2］李俊，倪學(xué)莉，張曉東．動態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具設(shè)計探討［J］．石油礦場機械，2009，38（2）：63-66．

［3］孫銘新．旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)［M］．東營：中國石油大學(xué)出版社，2009．

［4］毛季．鉆井導(dǎo)向液壓系統(tǒng)及其主要元件的研究［D］．武漢：武漢科技大學(xué)，2013．

［5］趙金海，唐代緒，朱全塔．國外典型的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)［J］．國外油田工程，2002，18（11）：33-36．

［6］雷靜，楊甘生，梁濤，等．國內(nèi)外旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)導(dǎo)向原理［J］．探礦工程：巖土鉆掘工程，2012，39（9）：53-58．

［7］Stuart S，Demos P，Eric G．Application of a point the bit rotary steerable system in directional drilling prototype well-bore profiles［C］／／SPE／AAPG Western Regional Meeting．2000．

［8］Stuart S，Demos P．Field application of a fully rotating point-the-bit rotary steerable system［C］／／SPE／IADC drilling conference，2001．

［9］Janwadkar S，F(xiàn)ortenberry D，Dawkins B，et al．Pioneering Advanced Directional Drilling Technologies Overcome Challenges Of S And J Type Wells In N．America［C］／／SPE Annual Technical Conference and Exhibition，2006．

［10］Jaggi A，Gera S，Upadhyay S，et al．Application Of Novel Technology Improves Drilling Performance In Multi-Lateral Field Development Offshore West India-Reducing Risk And Increasing Production［C］／／SPE／IADC Drilling Conference，2007．

Study of Development and Application of Geo-Pilot Rotary Steering Drilling System

FU Tian-ming
（Southwest Drilling Company，Sinopec Zhongyuan Oilfield Service Corporation，Chengdu 610021，China）

The rotary steering drilling system is the key technique in rotary steering drilling，and is also the representativeness and advanced drilling tech at present．Its development tendency is reviewed；its system structure and working principle are analyzed．The summary of its feature and advance are given for on-site reference．

rotary steering drilling system；guiding principle；system structure；decentralizing device

TE921．2

B

1001-3482（2014）05-0077-04

2013-11-18

付天明（1970-），男，河南鄲城人，工程師，主要從事石油鉆井管理工作。