井下旋轉導向鉆井工具研究現(xiàn)狀

井下旋轉導向鉆井工具研究現(xiàn)狀

0旋轉導向鉆井技術近十年來，水平井、大位移井、復合井等復雜結構井和“海油陸地開采”的快速發(fā)展，以及井技術的提高效率、降低成本。改革開放和復雜地質條件下的鉆井能力。國內外對旋轉導向鉆技術的科學研究。旋轉導向鉆井技術是一項尖端的自動化鉆井新技術,國外鉆井實踐證明,在水平井、大位移井、大斜度井、三維多目標井中推廣應用旋轉導向鉆井技術,既提高了鉆井速度,也減少了鉆井事故,從而降低了鉆井成本。旋轉導向鉆井工具是旋轉導向鉆井系統(tǒng)的核心,決定了旋轉導向鉆井系統(tǒng)的工作特色和工作能力。1旋轉導向鉆井技術目前國外三大石油公司BakerHughes、Schlumberger和Halliburton通過各種方式分別形成了其各自商業(yè)化應用的PowerDriveSRD、AutoTrakRCLS和Geo-Pilot旋轉導向鉆井系統(tǒng),這3個系統(tǒng)的根本區(qū)別是井下鉆井工具各不相同,這也充分說明了旋轉導向鉆井工具是旋轉導向鉆井系統(tǒng)的核心。前面兩種系統(tǒng)可歸類為一種系統(tǒng)即推靠式(push-the-bit)旋轉導向鉆井系統(tǒng);而后一種屬于指向式(point-the-bit)旋轉導向鉆井系統(tǒng)。國內開展這方面的研究工作較晚。20世紀90年代才全面展開這方面的研究工作,2006年以蘇義腦院士為首的技術團隊研制成功了CGDS-1近鉆頭地質導向旋轉鉆井系統(tǒng),在冀東、遼河等油田應用15口井。另外,以張紹槐教授為首的研究團隊,近年來與中國石化勝利油田合作,在旋轉導向鉆井方面也取得了突破性的成果。但大多研究在推靠式旋轉導向鉆井居多,指向式旋轉導向鉆井的研究在國內還處于“瓶頸”狀態(tài)。2標準閉合旋轉導向鉆井工具2.1穩(wěn)定平臺控制軸與上盤閥旋轉調制式旋轉導向鉆井工具(MRST)屬于推靠式旋轉導向鉆井工具(圖1)。由于其鉆柱與井壁之間不存在靜止點,因此,在鉆井過程中更可體現(xiàn)旋轉鉆井的優(yōu)越性。調制式旋轉導向鉆井系統(tǒng)導向力的大小和方向主要是由穩(wěn)定平臺控制的。當需要最大導向力時,穩(wěn)定平臺控制軸就帶動上盤閥旋轉,使上盤閥穩(wěn)定在預定方向,控制上盤閥高壓孔方向恒定。在鉆柱旋轉過程中,每個“巴掌”依次在該方向附近伸出拍打井壁,導向機構對井壁的作用力就是這些拍打力的合力。這個合力的反力就是鉆柱受到的導向力,方向沿著上盤閥預定方向的反方向。當不需要導向時,穩(wěn)定平臺帶動上盤閥以和鉆柱具有不同的某一轉速勻速轉動,這時“巴掌”均勻拍打井壁四周,導向工具可控制的液壓導向力的合力就等于零,此時導向工具呈中性工作狀態(tài),達到穩(wěn)斜效果。MRST液壓控制閥采用上、下盤閥結構,上盤閥與穩(wěn)定平臺控制軸相連接,它只有一個弧形長孔形狀的高壓閥孔。下盤閥與鉆柱本體連接,隨MRST外殼及鉆柱一起旋轉,它有3個互成120°圓心角的等直徑低壓孔(泄流孔),見圖2。2.2翼肋推井壁偏置鉆頭導向作用Geo-Pilot是一種不旋轉套式導向工具(圖3),屬于指向式旋轉導向鉆井工具。它不是靠偏心穩(wěn)定器的翼肋推靠井壁偏置鉆頭進行導向,而是靠不旋轉套與萬向短節(jié)之間的一套偏心機構使萬向軸偏置,從而為鉆頭提供了一個與井眼軸線不一致的傾角,產生導向作用。該機構由幾個可控制的偏心環(huán)組合而成,當井下自動控制完成偏心環(huán)組合之后,該機構將相對于不旋轉套固定,從而始終將萬向軸向固定方向偏置,為鉆頭提供一個方向固定的傾角。3旋轉導向系統(tǒng)從應用情況來看,指向式旋轉導向鉆井工具能夠更好地對井斜和方位進行控制,具有更長的壽命,指向式旋轉導向系統(tǒng)是發(fā)展趨勢。筆者經過大量調研和相關文獻的分析,提出新型指向式旋轉導向鉆井工具與Geo-Pilot旋轉導向鉆井工具有些不同,并且還結合了少許推靠式旋轉導向鉆井工具的特性。3.1旋轉導向鉆井工具新型指向式旋轉導向鉆井工具BHA結構(圖4)由4個部分組成,分別是:樞軸穩(wěn)定器、水力偏置系統(tǒng)、MWD總成和鉆柱穩(wěn)定器。其中,MWD總成包括:CPU、存儲器、螺線型電導管、隨鉆測量儀(MWD)及控制電路和傳感器。該指向式旋轉導向鉆井工具(圖5)包含兩個尤為重要的組成部分:一個是近鉆頭穩(wěn)定器(樞軸穩(wěn)定器),該穩(wěn)定器由不銹鋼材料組成,擁有4個螺旋形刀鋒翼肋且相互“環(huán)布”連接,并為旋轉中心軸提供固定支點;另一個是水力偏置機構,也可看著是一個特殊的“穩(wěn)定器”,因為它是由不旋轉外套筒、電子馬達和放射狀偏心環(huán)組成,并且在不旋轉外套筒上安裝有3個水力驅動“巴掌”,旋轉中心軸位于不旋轉外套筒內依次穿過偏置系統(tǒng)和近鉆頭穩(wěn)定器。動力模塊電子馬達位于中心軸和不旋轉套筒之間與控制電路相連。3.2動力和井-環(huán)模塊正常情況下,中心軸與外套筒中心線重合(圖6-Ⅰ)。鉆井的過程中,該新型指向式旋轉導向鉆井工具中的控制電路CPU接收到MWD總成中相關高端傳感器傳輸?shù)男盘?比如:井斜、方位),然后經由螺線形電導管傳輸給動力模塊電子馬達,電子馬達給放射狀水力偏置系統(tǒng)提供動力,安裝在不旋轉套筒外部的“巴掌”伸出與井壁接觸,同時安裝在其內部的偏心環(huán)旋轉。在“巴掌”和近鉆頭穩(wěn)定器支點共同作用下,鉆頭形成一偏角,即中心軸與不旋轉套筒中心線形成一定角度(圖6-Ⅱ)。在偏心環(huán)作用下,將連接著鉆頭的中心軸向固定方向偏置,為鉆頭提供一個方向的固定的傾角,從而使鉆頭的鉆井方向發(fā)生改變,對井斜和方位進行糾正(見圖6-Ⅲ)。其中,鉆頭偏移角度不僅可調,而且在鉆井過程中將鉆桿傳遞的扭矩和鉆壓實時傳遞給鉆頭。同時,控制電路把信號轉化成泥漿脈沖信號,上傳給地面控制系統(tǒng)進行分析。其導向原理如圖7所示。4滑鉆進井眼質量保證1)穩(wěn)斜作業(yè)時,360°全方位計量、監(jiān)測,能實時地得到近鉆頭井徑大小,使得樞軸穩(wěn)定器能保證旋轉鉆進不偏心,降低近鉆頭振動,達到穩(wěn)斜目的。2)連續(xù)、平滑鉆進保證了井眼質量和井身軌跡的規(guī)范。3)導向作業(yè)時,樞軸穩(wěn)定器給鉆頭提供一個固定的支點以便指向鉆頭順利完成導向,并且支點離鉆頭的距離越近鉆頭獲得的指向力就越大。在鉆軟地層時,電子控制模塊內的幾何算法會使鉆頭的側削和傾斜作用適度,防止其超過極限值;相反,在作用于硬地層時,該工具施予鉆頭一個最大的指向力以獲得預設的偏角(地質導向直接中靶)。與該指向式鉆井工具配套使用的鉆頭為一種“環(huán)布”式的新型PDC鉆頭,不容易出現(xiàn)卡鉆,研磨能力強,壽命較長。5指向式旋轉導向鉆井工具的研究方向在鉆井過程中,由于鉆井工具處在井下高溫、高壓的工作環(huán)境中,并伴有腐蝕、沖蝕、振動等,其工作環(huán)境和工作條件異常惡劣,給井下鉆井工具的研究和設計帶來相當?shù)碾y度。針對目前指向式旋轉導向鉆井工具現(xiàn)狀存在的不足,提出了如下的研究方向:(1)指向式旋轉導向鉆井工具中心軸三維結構動力學分析,建立三維力學模型;(2)指向式旋轉導向鉆井工具控制軸強度和剛度有限元分析及計算,振動模態(tài)分析;(3)指向式旋轉導向鉆井工具偏置機構力學模型建立及仿真分析;(4)指向式旋轉導向鉆井工具的下部鉆具組合力學分析;(5)指向式旋轉導向鉆井工具結構的優(yōu)化設計;(6)與指向式旋轉導向鉆井工具配伍的鉆頭優(yōu)選。6旋轉導向鉆井工具發(fā)展趨勢1)旋轉導向鉆井系統(tǒng)是一個集機、電、液于一體的閉環(huán)自動控制系統(tǒng),并以旋轉鉆井為其技術特征,旋轉導向鉆井工具是整個導向系統(tǒng)的核心,而指向式旋轉導向鉆井工具是未來的發(fā)展趨勢,其在減少井下摩阻、提高鉆探能力和控制精度方面具有獨特的優(yōu)勢。2)認識、了解和掌握旋轉導向鉆井工具的特性和工作原理,并介紹了目前在國際上應用比較廣泛