摘 要:旋转自动导向闭环钻井技术代表了当今世界钻井技术发展的最高水平。本文概述了国外闭环自动旋转导向钻井系统的发展,列举了国际上已经商业化的旋转导向钻井系统的特点,详细描述了三种最具有代表性的旋转导向钻井系统的原理和主要技术特性。本文根据调研情况将这些旋转导向钻井系统的导向方式分为指向式和推靠式,并描述了这两种旋转导向方式的特点。本文可以为旋转导向钻井系统研究提供参考,也可以为油公司引进工具或服务提供线索。
主题词 闭环钻井 旋转导向旋转导向方式 指向式 推靠式
一、闭环旋转自动导向 钻井系统的发展
1,概述
旋转自动导向闭环钻井技术是20世纪末期发展起来的一项尖端
自动化钻井技术,它代表了当今世界钻井技术发展的最高水平,该技术使世界钻井技术发生了一次质的飞跃。
闭环自动导向钻井系统包括由井下偏置导向工具、MW D/FEW D/LW D 等先进的测量仪器及井下自
动控制系统形成的井下旋转自动导向系统、地面监控系统,以及将井下闭环自动导向系统和地面监控系统联系在一起以形成全井闭环控制的双向通讯技术。该阶段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,完全适合目前开发特殊油藏的超深井、高难定向井、水平井、大位移井、聪明井等特殊工艺井导向钻井的需要,同时也是满足闭环自动钻井发展需要的一种导向方式。
2,国际上已经商业化的旋转
导向系统
美国Schlumberger Anadrill 公司的R 1L 1M onti 在1987年世界石油大会上宣读的“Optimized Drilling 2Closing the Loop ”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K T B 项目组与East 2man T eleo 公司联合开发研制。
(2)S DD 自动直井钻井系统:AGIP 公司与Baker Hughes Inteq 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)AG S 和G eo Pilot 旋转导向自动钻井系统:S perry Sun 公司1993年研制了AG S ;1999年,又
推出新一代的G eo 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RC LS 和SRD 系统水平。
(5)RC LS 旋转闭环自动钻井
系统:1993年,Agip 公司与Baker
Hughes Inteq 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,RC LS 系统注册为Auto T rak ,正式推向市场。截至2000年6月30日,该系统已下井320次,井下工作时间累计40000h ,总进尺15×104m 。其6∃/in 系统创下了单次下井工作时
间92h ,进尺2986m 的世界纪录,8∀/in 系统创下了单次下井工作时间167h ,进尺3620m 的世界纪录。
(6)SRD 全旋转导向自动钻井系统:1994年英国Camco 公司在英格兰M ontrose 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Wytch Farm 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P owerDrive 应用于现场。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P owerDrive SRD 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X J243A18井在6871～8610m 井段中成功应用,使该井井身质量大大提高,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,同时大大提高了钻井效率和效
3,发展方向
目前,闭环自动导向钻井技术形成了两大发展方向:一个是以Baker Hughes Inteq公司的Auto T rak RC LS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,非常适用于高开发难度的特殊油藏的开发方案设计和导向钻井作业;Hulliborton公司的G eo Pilot系统也属于这一类导向钻井系统;另外一个是以Schlum2 berger Anadrill公司的P ower Driver SRD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。尽管目前闭环自动导向钻井技术存在两个发展方向,但其长远发展方向都将是集两者优点于一身的闭环自动导向钻井技术。
二、世界上主要的井下
偏置导向工具的结 构及工作原理
目前,世界上较成熟的闭环自动导向钻井系统有Baker Hughes In2 teq公司的Auto T rak RC LS系统、Schlumberger Anadrill公司的P ower Driver SRD系统,以及S perry Sun 公司的G eo Pilot系统。这三个系统的根本区别是井下偏置导向工具各不相同。
1,Auto Trak RC LS系统的井下偏置导向工具的结构原理介绍RC LS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
。
图1 RC LS
井下偏置导向工具的导向原理示意图
图2 Pow erDrive盘阀控制机构示意图
图1是井下偏置导向工具的导
向原理示意图。当周向均布的三个
支撑翼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MW D测量的井眼轨迹
信息或LW D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。
2,Power Driver SRD系统井
下偏置导向工具的结构原理
SRD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
上下轴承悬挂于外筒内,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
图3 G eo Pilot 井下偏置导向工具的结构示意图
稳定的控制平台。
与Auto T rak RC LS 系统靠的液压系统为支撑翼肋的支出提供动力来源不同的是,P ower Driver SRD 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2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(见图2)。
3,Geo
Pilot 系统井下偏置
导向工具的结构原理
如图3所示,S perry -Sun 公司的G eo 2Pilot 旋转导向钻井系统也是一种不旋转外筒式导向工具,但与Baker Hughes Inteq 公司的Auto T rak RC LS 系统和Schlumberger Anadrill
公司的P ower Driver SRD 系统不同
的是,G eo 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
图4 推靠式(Push the
bit)旋转导
向工具的导向原理图
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。
三、旋转导向方式的分类
1,按导向方式分类
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 )(如图4所示)和指向式(P oint -the -bit )
(如图5所示
)。
图5 指向式(Point the bit)旋转导
向工具的导向原理图
图4所示的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
图5所示的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。
国际上现有的旋转导向工具的分类:AutoT rack和WellD one的VERTIC A LIXX R、WE LLDIREC2T OR R、WE LLDIREGE NT R属于推靠
式旋转导向工具;G eo Pilot、
C DA、P ower Drive和3S属于指向式
旋转导向工具。
2,两种旋转导向方式的特点
推靠式旋转导向钻具的特点:
-造斜率较高
-侧向载荷较大
-钻头和钻头轴承的磨损较
严重
指向式旋转导向钻具的特点:
-能钻出较平滑的井眼
-摩阻和扭矩较小
-可以使用较大的钻压
-机械钻速较高
-有助于发挥钻头的性能
-钻头及其轴承承受的侧向
载荷较小
-极限位移增加
参考文献
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S teering the Wellbore While R otating the
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〔5〕S teve Pruett1S lickBore T M Drilling
System1http://w w w hallibur2
ton1com
(收稿日期 20020424)
非均质厚层段压裂/填砂工艺的改进
在对薄的(<60ft)、均质油藏实施的多数传统压裂/填砂作业中,整个油层厚度都实施压裂。但是,在对较厚的非均质油藏实施的压裂/充填作业中,裂缝高度经常小于油层的厚度。可通过选择性地在低应力(高渗透)层中的压裂传播来控制裂缝的发育,但当较低应力层位于层段的顶部时,可能在环形空间内产生早期脱砂现象,从而阻碍了较高应力层的后续压裂和整个层段环形空间的密封。在对厚的层段实施压裂/填砂处理过程中,当由于早期脱砂而终止泵注时,可以观察到上述现象。
分流过程就是射孔层段内就地应力从最低到最高处裂缝边缘刚度不断增大的过程。支撑剂每次只填充一条裂缝有利于分流。填充了的裂缝比其它的更硬,因而不宜延伸。随后混砂液将随之流向其它裂缝边缘。应力不均的较厚层段的成功完井是和应用固定在采油筛管上的分流管柱分不开的。
使用井底具有存储功能的仪表进行施工动态分析需遵照下列原则:①仪表的温度降低解释为流体通过仪表;②仪表的温度升高解释为无流体通过仪表或通过仪表的流体在减少。
全文3详细描述了应用该工序的四个实例。实例1经历的早期脱砂着重强调在单一连续泵注作业中可以连续压裂不同层段,首先是就地应力低的层段,然后是就地应力高的层段。混砂液密度达到3lb/gal时发生早期环形空间脱砂。早期脱砂后,大约85%的支撑剂位于炮眼附近。较高的混砂液浓度可能阻碍向裂缝地层中进一步泵注,当混砂液浓度高时产生新的裂缝的可能性很小。因此,设计了多级前置液/混砂液工序,并在实例3和4中实施,两种实例油藏都具有不均质性且射孔层段厚的特点。
在实例2中,由两小层组成的层段没有发生脱砂。据推测大部分前置液优先进入上层,造一条更长的裂缝,而不是造两条等长的裂缝。为了使裂缝长度均匀,在实例3中考虑实施多级压裂。
固定在采油筛管上的分流管柱提供了一种在这些条件下流体分流的手段。
裸眼测井的详细评价正确分析了完井层段内的层位差异。这些资料有利于选择候选井,其中有些层段差异不利于通过传统单一前置液/混砂液处理工艺完成油藏的有效压裂/填砂处理。
测井评价有助于分析处理动态的井下仪表的战略地位。多级仪表的使用提高了分流工艺的整体评价水平。
在这些多级施工过程中观察到的裂缝连续开启、闭合、再开启的复杂动态模拟非常困难。裂缝的模拟程序不能处理这一复杂过程。
分流管柱在加砂分流阶段是有用的。不停泵连续泵注完成了厚的非均质射孔井段全部目的层的压裂施工。层位的正确测井解释将改进设计和完井的成功率。多级仪表对于正确评价混砂液分流是必要的。下载本文
