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1、旋转导向钻井系统原理简介,石油大学（华东）韩志勇2003.07.10,导向钻井系统的发展史,1933年,第一口定向井,导向钻井,螺杆钻具和弯接头,有线导向工具,无线随钻测量,导向马达,旋转导向钻井系统,滑动导向钻井：滑动钻进：改变井眼方向；旋转钻进：保持井眼方向；,滑动导向钻井的存在问题,滑动钻进,旋转钻进,滑动钻进时的存在问题：滑动困难；需保持定向；井眼不清洁；钻速很低；井眼扭曲；环空压力波动；钻柱粘卡；屈曲和自锁；造斜率对地层敏感；,旋转钻进时的存在问题：震动造成马达和MWD的破坏；钻头磨损加快；井眼质量差，不利于测井；不能用于空气钻井,导向钻井,早期的旋转导向钻井思想,这是1955年申请
2、专利的旋转导向系统。一个非旋转套筒，指向钻头的一个特定方位。该专利描述其目的是：使钻铤相对井眼轴线有一个很小的偏离，从而使钻头具有横向前进。,导向钻井,早期的旋转导向钻井思想,这是1959年申请专利的旋转导向系统。液压驱动一个靠近钻头的导引鞋，同样控制井眼轨迹。导引鞋处在非旋转筒内，液压控制其伸出或缩回，而无需起下钻。可连续定向造斜。,导向钻井,还有其他许多早期的旋转导向钻井工具：机械作用导向鞋；mechanically activated guide shoes,eccentric液压作用导向鞋；hydraulically activated guide shoes,偏心非旋转套筒；nonr
3、otating sleeves,嵌套的偏心剑套筒；nested eccentric cam sleeves间歇作用的桨叶；intermittently activated paddles上述这些工具的原理，都与现代旋转导向系统类似，但没有一个成功地商业化。显然，缺乏有效的井下传感器和控制系统，阻碍了这些技术的发展，因而也没能实现轨迹控制的理想。,早期的旋转导向钻井思想,导向钻井,导向钻井,导向马达采用的轨迹控制原理就是“三点定圆”；工具1-3旋转导向工具也是采用三点定圆法控制轨迹，这与导向马达相同。理想情况下，钻头按照三点定圆钻出圆弧轨迹。但要注意，除了几何因素外，还有力学因素。但工具4的原理
4、不是三点定圆。,导向钻井,第一类旋转导向系统的原理,工具1所示的钻头总是指向曲线的外侧。工具1是依靠靠近钻头处的一个或几个翼块控制几何约束力，翼块独立伸出给井壁一个支撑力。翼块可以从一个非旋转筒内半静态地伸出，例如Baker Hughes Inteq AutoTrak系统。或者是从旋转筒内动态地伸出，例如Camco公司的 Steerable Rotary Drilling(SRD)系统。曲率大小取决于工具结构，和来自组合上部的弯矩，还有翼块伸出的弯矩。翼块的伸出，直接或间接地受到受限于设计的可调节的力的控制。轨迹控制取决于翼块的有效伸出，井眼直径，钻头侧切能力等。一般来说，这类工具的造斜率小于
5、导向马达。,扶正器,翼块,钻头,导向钻井,第二类旋转导向系统的原理,工具2所示，钻头也总是指向曲线的外侧。但比情况1的度数要小。工具2，例如Halliburton公司的Geo-Pilot系统，Cambridge的AGS系统，是一个变形的连续旋转的驱动轴处在一个非旋转套筒内。在套筒的中部，有一对偏心环，迫使驱动轴偏心变形，导致钻头轴线倾斜，形成三点定圆趋势。钻头的轨迹由三点几何确定，而钻头轴线趋向于和井眼轴线相一致。,扶正器,非旋转套筒,钻头,旋转轴,导向钻井,第三类旋转导向系统的原理,工具3是另一种工具，由于钻头轴的上端反时针转动，同时钻柱顺时针转动，(Directional Drilling
6、 Dynamics Co.)使得钻头轴线相对于井眼方向有一个“翘起”的位置。这种系统可提供较高度数的钻头倾角，而不需要非旋转套筒接触井壁，而且可以使钻头轴线与井眼轴线一致。这种工具由于商业原因而出在上述两种之后。,扶正器,非旋转套筒,钻头,钻头轴,导向钻井,旋转导向系统的“三巨头”,Halliburtons rotary steerable drilling system,dubbed Geo-Pilot。由Sperry Sun 和Japan National Oil Corporation 联合设计。指引钻头原理(Point the bit)。在北海进行裸眼侧钻，从两个主井眼中侧钻出6个分支
7、水平井。在第二口的四分支水平井中，垂深误差在1英尺之内。Baker Hughes AutoTrack Rotary Closed Loop。由Baker Hughes和ENI-AGIP S.p.A.联合开发的。侧推钻头原理(Push the bit)。在北海的一个井眼钻进中，钻进了4383英尺，垂深误差在 8英寸之内。Schlumberger 的rotary steerable system called the PowerDrive*475。测推钻头原理(Push the bit)。突出特点是钻速快，大大节约钻井成本。目前几口最大水平位移的大位移井，都是用他钻成的。,目前市场上比较成熟的旋转
8、导向钻井系统有三种：,PowerDrive,完全的旋转导向系统：整个钻柱，从上到下，全部都在旋转，没有静止的部分；但在下部控制总成内部，有不旋转的部分；,PowerDrive,完全的旋转导向系统：整个钻柱，从上到下，全部都在旋转，没有静止的部分；但在下部控制总成内部，有不旋转的部分；,PowerDrive,结构：下部偏置部分：在旋转过程中始终给钻头一个侧向力；中部控制部分：始终控制侧向力的方向；上部MWD部分：测量信息及传输；关键是控制总成内的不转动的部分，具有一个称作“惯性平台”的部分，实际上是由井下计算机控制的“电子液压伺服系统”，可以保证控制轴不受整个钻柱转动的影响。控制轴可以给定偏置部
9、分一个轨迹控制所需要的导向方位角。,PowerDrive,钻头侧向力的产生原理控制轴和上盘，是由惯性平台控制的独立部分。上盘的水眼方位，就是给钻头侧向力的方位。该方位确定后，不管钻柱如何转动，上盘都不转动。下盘与偏置机构以及钻头相连接，随钻柱转动而转动。只有上下盘水眼相通时，才能有泥浆流过，并推动支撑块伸出，给井壁一作用力，同时给钻头一反方向的作用力。,PowerDrive,二.大位移井的轨迹控制技术,总运行情况：井数：47 口；下井次数：138次；工作时间：11610小时；总进尺：47780米；最大井深：11278米；最大井眼曲率：11/30米；最长一次进尺：1389米；最长一次下井时间：1
10、63小时,基本数据：长度：4.9米；排量：5001000gpm转速：40220rpm压降：100psi最小钻头压降：500psi最高温度：120C泥浆密度：7.520ppg数据传输：通过MWD,二.大位移井的轨迹控制技术,PowerDrive 的优越性工具简单，不增加地面设备；工具的压降低，小于100psi（约0.7MPa）；与实时的Schlumberger MWD,LWD,APWD配合；传输高速，适合快速钻井；接受和发送数据同时进行；与井眼没有静止的接触部分井眼清洁好；卡钻的风险小；标准的钻井作业；,AUTO-TRACK,非旋转套依靠反向电机驱动，使之相对于井眼不旋转，保持侧推钻头的力的方向
11、不变。非旋转套并非绝对不旋转，但工具自己可以测得非旋转套筒的旋转，并随时调整三个“翼块”给出的侧推力的方向。,AUTO-TRACK,关键部分：非旋转套整个钻柱在旋转，如何保证非旋转套不旋转？非旋转套的内部，装有井下计算机、井斜传感器、液压控制、支撑块机构等部分；,AUTO-TRACK,两个环：井下控制闭环：按照给定的轨道钻进，或按照地质导向钻进；井下与地面的双向传输；低边改变井下钻井模式。,“指引钻头”式旋转导向钻井系统,外壳顺时针方向转动,马达反时针方向转动,转速与外壳转速相等,Offset,当外壳带动钻头旋转时，马达带动偏离节反向旋转，从而保持钻头的偏离方向不变，钻出预定的曲线形井眼。,“
12、指引钻头”式旋转导向钻井系统,“侧推钻头”式旋转导向钻井系统,Bias the bit,导向钻井,第四类旋转导向系统的原理,工具4的轨迹控制并不是三点定圆几何理论，而是由钻头方向独立确定的。钻头设计成侧切能力很小，并有一个柔性联结，该柔性联结把钻头与钻柱的弯矩隔开。这种轨迹控制机理可以在小井眼内提供比其他机理更高的造斜率。,钻柱,柔性铰接,钻头,钻头轴,第四类旋转导向系统的原理,令：,二式联立，可得：,则：,指引钻头式系统的井眼曲率计算：,一种新的短半径旋转钻井系统,全机械式，无井下马达，无电子系统，可精确地钻出918米曲率半径的短半径水平井。弯曲段钻进需要824小时，垂深误差在60cm以内。
13、钻弯曲段组合结构如图所示，包括：Amoco专利的抗涡动的偏心PDC钻头，钻头短节，信息环，非旋转的偏心柔性套筒，下扭矩壳，球销，上扭矩壳。造斜原理是：钻头总是指向井眼曲率的切线方向，即“指引钻头”（pointing the bit）原理。两个接触点，一个在钻头上，一个在柔性套筒的“耐磨板(Wear Pad)”上，两点控制着钻头的倾角。钻头短节可以调节两点之间的距离，从而控制井眼曲率。,柔性套筒刀翼,柔性套筒,信息口,旋转主轴,插销,插销洞,一种新的短半径旋转钻井系统,当心轴反时针转动时，心轴和柔性套筒在某个位置就可以“锁住”。心轴和柔性套筒上各有一个“泥浆口”，当心轴与套筒锁住之后，两个泥浆口
14、将互相连通，泥浆循环压力将会下降一个值，泥浆循环时将没有脉冲信号。此时心轴可以带动柔性套筒反时针旋转，从而调节工具面。柔性套筒起到导向的作用。,工具面调节好之后，只要顺时针旋转，插销就会从插销洞中脱出来，使心轴和套筒“解锁”，同时刀翼又会吃住井壁，柔性套筒将不旋转，保持工具面不变。在解锁状态下，心轴每旋转一周，两个泥浆口将会相通一次，从而发出一个泥浆脉冲，地面上可以接收到这个脉冲，从而可以监视工具面是否发生变化。,一种新的短半径旋转钻井系统,1.保持工具面不变，可精确钻出斜面圆弧井眼。2.没有井下动力钻具，不存在反扭角的问题。3.不需要MWD监测，定向后地面上就有“标记”。4.具有旋转钻进的优
15、越性，克服滑动钻进的缺点。5.水平段采用旋转钻进的“满眼组合”。,侧钻前，需要磨洗套管8米左右，然后打水泥塞，再钻导眼，然后准确地从造斜点开始侧钻。在柔性套筒上部安置定向接头，内置定向键；正常下钻。采用常规的“mule shoe”定向。定向仪器的下入，必要时也要采用泵冲法。第一次摆正工具面角之后，在井口以上的钻柱母线上做标记。当钻柱顺时针旋转时，套筒卡在井壁上不旋转，给出的工具面角也不会变化。当需要向下移动套筒时，只要反时针转动钻柱，就可带动套筒，并按照井口钻柱上的标记线再次摆正工具面。,闭环钻井,旋转导向闭环钻井系统,德国用于超深井防斜的垂直钻井系统VDS(Vertical Drilling
16、 System)美国能源部提出的自动钻井系统ADD(Automatic Directional Drilling)Cambridge Radiation Technology Ltd.公司的自动导向系统AGS(Automated Guidance System)英国CAMCO公司推出的旋转导向钻井系统SRD(Steerable Rotary Drilling)BakeHughes公司的旋转导向钻井系统RCLS(Rotary Closed Loop System)，商品名称AutoTrack。,旋转导向钻井系统的应用及前景,韩志勇石油大学石油工程学院2003/10/10,旋转导向系统的优点,大大
17、增强轨迹控制能力：地面与井下双向传输，改变井下钻进模式；几何导向和地质导向，都可连续旋转钻进；不存在反扭角问题，可精确中靶；提高钻速，缩短周期，降低成本：不存在滑动钻进加不上钻压问题；旋转钻进速度快；井眼光滑无波动：井眼光滑，则摩阻摩扭很小；井眼光滑则起下钻通畅；下套管，固井，完井都很顺利；,讲,旋转导向系统的优点,旋转钻进与滑动钻进的钻速比较。,讲,旋转导向系统的优点PowerDrive应用情况,Wytch Farm 油田M11井：下井6次，配合地质导向仪器，钻水平段原计划64天，实际40天，节约24天，节省资金120万美元；平均日进尺原计划34米，实际53米。,讲,旋转导向系统的优点Pow
18、erDrive应用情况,Wytch Farm 油田M-15井：这是一口阶梯式水平井，两次转向。以7/30米和5/30米的造斜率，分别在19000ft和22000ft处转向。设计日进尺320ft，实际日进尺530ft。全井节省6天时间。,讲,旋转导向系统的优点PowerDrive应用情况,英国，Brent油田一口在已钻井区绕障的水平井。井眼在水平段以4.33/30米的曲率，扭方位51.8，成功绕过障碍，并钻进油层。一趟钻，钻进3195英尺，纯钻120小时，泥浆循环工作50小时。,讲,旋转导向系统的优点PowerDrive应用情况,这是挪威一口在井斜角60情况下扭方位的井。由于地层原因，滑动钻进特
19、别困难。用PowerDrive 一趟钻，95小时，钻进3596ft，机械钻速37.8米/时。井眼曲率4.07/30米。,旋转导向系统的优点PowerDrive应用情况,马来西亚。Bekok A7st井。这是一口从老井中反向三维侧钻的井。钻进1389米，51m/时，日进尺513米。井眼曲率2.03.7/30M米。井斜由40增至70。,讲,旋转导向系统的优点PowerDrive应用情况情况,这是挪威一口井在井斜角77下用扶正器组合钻进，结果井眼向左偏离（虚线）的井。用PowerDrive 纠方位。在井斜77情况下，方位从188扭到198。机械钻速70ft/时，以前为3349 70ft/时。,旋转导
20、向系统的优点,井眼光直无波动的重要性：摩阻摩扭小；井眼清洁；使用水基泥浆的潜力：费用低；环保有利；除砂易，少跑泥浆；减少粘卡完井和下套管容易；固井质量高；,讲,旋转导向系统的优点 AUTO-TRACK应用情况,这是一口在海上平台上钻的三维多目标水平井：常规方法钻12-1/4“，80%进尺要滑动钻进。旋转转速最高60rpm。循环携岩时间加长，钻速下降50%。用AUTO TRACK 带PDC钻头，下井两次，工作61.5小时，钻速95/时。比常规节省4天时间，节省经费40万。,讲,旋转导向系统的优点 AUTO-TRACK应用情况,这是一口大位移水平井。计划钻的12-1/4“井眼3400米，有3000
21、米井斜为70。由于要探测上部的气顶，要求钻进时带FEMWD。实际用8-1/4“AUTO TRACK,一趟钻钻完3621米，用93.5小时，平均钻速为38.6米/时，最后的250米由于地质家的要求而控制钻速。,比常规节省6天；节约100万；稳斜段井斜误差为0.15。,旋转导向系统的优点 AUTO-TRACK应用情况,这是一口打水平段的实例。原井在水平段断钻具，要求从85开始向下侧钻，井斜角增至95，同时扭方位，然后钻进水平段。实际：井斜8590，方位172160。在1336米的水平段垂深误差为0.2米。7“尾管下入和固井顺利，且可旋转。节约60万,旋转导向系统的优点 AUTO-TRACK应用情况
22、,又一口井：预计后段油层下倾，实际碰到断层，且油层上倾。采用地质导向，准确找到油层。,油层,油层,断层,旋转导向系统的应用前景,油田开发上的应用：断层油藏；边际卫星油田降低成本，提高采收率,讲,旋转导向系统的应用前景,Designer Wells(设计师井)高难度的三维多目标大位移水平井，有较大的方位变化；井口固定条件下，希望钻的各种定向井；必须是使用高新技术钻出的井。,讲,旋转导向系统的应用前景,讲,穿过多个目标。,旋转导向系统的应用前景,旋转导向系统的应用前景SDD垂直钻井装置,AGIP公司在10年前开发了SDD。后来又与Baker Hughes一起开发了AUTO TRACK。SDD的整个
23、钻柱是不旋转的，只有马达轴带动钻头旋转。有一个可膨胀式扶正器，四个扶正块，在液缸的驱动下，可给钻头以纠斜力。每0.2秒测一次井斜，若有偏离若达到0.14，就会立即纠正。,旋转轴,讲,旋转导向系统的应用前景SDD垂直钻井装置,右图是三口井的水平投影图。其中一口是用常规技术钻的井水平投影图呈“8”字形状。一口是中间一段时间SDD中断，后又使用的井；一口是全用SDD钻的井，水平投影图是一个“点”,讲,旋转导向系统的应用前景SDD垂直钻井装置,SDD钻出的井眼：井轴笔直；井壁光滑；井径规则；到1999年，SDD已在22口井，钻了11500小时，进尺37500米。已从多次失败走向成熟。优点很多。其中最令人感兴趣的是，出现了一种新的井身结构，称为“Lean Profile(瘦剖面)”。或可称为“小环隙钻井技术”。“瘦”到什么程度？如右图。可见主要是上部瘦，下部并不瘦。,89mm,85mm,38mm,35mm,60mm,38mm,直径差,讲,热烈庆祝石油大学建校50周年！,
