基于顶部驱动的滑动钻井导向控制技术

2013年第41卷第3期石油机械CHINAPETROLEUMMACHINERY钻井技术与装备基于顶部驱动的滑动钻井导向控制技术徐文刘新立马雒建胜宋绍军王1北京石油机械厂瑞邹连阳霞杨波2川庆钻探工程公司赵静唐有胜摘要将北京石油机械厂顶驱的主轴旋转定位技术与MWP随钻测量仪相结合，设计并实现了基于顶部驱动钻井和井下动力钻具组合的顶驱滑动钻井导向控制系统。该系统由顶部驱动钻井装置、人机交互界面、井下动力钻具以及MWD随钻测量工具等4部分组成，将顶驱和井下动力钻具相结合，实现对旋转钻柱包括转速、转向、角度在内的完全控制，并可根据井下实时反馈的井眼轨迹信息，实现滑动钻井之前工具面的设置以及滑动钻进过程中工具面的实时监控和动态调整。内蒙SNO11619H定向井项目的实际应用结果表明，该技术能够显著提升定向井钻进作业的整体时效和井眼质量，同时也为导向钻井的闭环控制和自动化控制奠定了基础。关键词顶部驱动；滑动钻井；MWD；导向；闭环钻井中图分类号TE921文献标识码ADOI103969JISSN10014578201303006TOPDRIVEBASEDSTEERINGCONTROLTECHNOLOGYFORSLIDEDRILLINGXUWENLIUXINLIMARUIZOULIANYANGZHAOJINGLUOJIANSHENGSONGSHAUNWANGXIAYANGBOTANGYOUSHENG1BEIJINGPETROLEUMMACHINERYPLANT2CHUANQINGDRILLINGANDEXPLORATIONENGINEERINGCOMPANYABSTRACTCOMBININGTHESPINDLEROTATIONANDPOSITIONINGTECHNOLOGYOFBEISHITOPDRIVEDRILLINGSYSTEMWITHMEASUREMENTWHILEDRILLINGMWDINSTRUMENT，THISPAPERPRESENTSTHEDESIGNOFTHETOPDRIVESTEERINGCONTROLSYSTERNFORSLIDEDRILLINGBASEDONTOPDRIVEDRILLINGANDDOWNHOLEPOWERDRILLTOOLASSEMBLYTHESYSTEMCONSISTSOFTOPDRIVEDRILLINGDEVICE，MANMACHINEINTERFACE，DOWNHOLEPOWERDRILLTOOLANDMWDTOO1TOPDRIVEANDDOWNHOLEPOWERDRILLTOOLARECOMBINEDINORDERTOACHIEVETHECOMPLETECONTROLOFROTATINGDRILLSTRINGINCLUDINGROTATIONSPEED，STEERINGANDANGLETHESETTINGOFTOOLFACEANDTHEREALTIMEMONITORINGANDDYNAMICADJUSTMENTOFTOOLFACEINTHEPROCESSOFSLIDEDRILLINGCANBEACHIEVEDACCORDINGTOTHEDOWNHOLEFEEDBACKINFORMATIONOFHOLETRAJECTORYTHEPRACTICALAPPLICATIONINTHESNO11619HDIRECTIONALWELLPROJECTININNERMONGOLIASHOWSTHATTHETECHNOLOGYCANREMARKABLYIMPROVETHETIMEEFFICIENCYANDHOLEQUALITYOFDIRECTIONALDRILLINGOPERATIONMEANWHILE，ITHASLAIDTHEFOUNDATIONFORTHECLOSEDLOOPCONTROLANDAUTOMATICCONTROLOFSTEERINGDRILLINGKEYWORDSTOPDRIVE；SLIDEDRILLING；MWD；STEERING；CLOSEDLOOPDRILLING0引言20世纪80年代以来，随着油气藏开发难度的增加以及测量技术的发展，尤其是高可靠性MWD随钻测量工具的成功应用，各种新型螺杆钻具相继出现，大大加快了高难度定向井和水平井的钻井速度，逐步形成了连续控制井眼轨迹的滑动导向钻井技术J。目前，广泛应用于石油天然气勘探开发钻井作业中的井下连续控制导向技术，是使用带有一定弯角度的万向轴弯壳体和不同形式扶正器亦称稳定器的井下动力钻具进行定向井、水平基金项目中国石油装备制造分公司科技项目“顶驱装置性能优化研究”。30一石油机械2O13年第4L卷第3期井作业中的误操作。3应用实例TDDS连续导向控制系统研制成功后在内蒙古鄂尔多斯的多口定向井钻进作业中进行了现场应用。以内蒙SNO11619H井为例，该井由长城钻探50560队负责施工，设计井深4750M，垂直段2900I13，造斜段850M，水平段1000M。垂直段使用1397MM5IN钻杆，水平段使用1143MM4IN钻杆。在垂直段进行的造斜作业中成功应用了TDDS连续导向控制系统，现场反映良好。垂直段结束后更换125。单弯螺杆钻具进行水平段钻井作业。定向造斜钻进进尺3266111，井斜2883。，现场司钻和定向工程师在定向创建工具面时继续使用TDDS连续导向控制系统成功完成了水平段的钻进，对该系统的实用性及适用性给予了较高评价。SNO11619H井钻井周期4862D，为苏南区域再创佳绩。TDDS控制系统在SNO11619H井的成功应用，表明该系统在定向井施工作业中可对钻柱工具面进行实时精确控制和动态调整，大大节约了传统定向井工艺中造斜作业停钻调整所需的工时，显著提高了钻井效率，使钻井工程向着全面自动化这一最终目标又迈进了一步。4结论与展望基于顶部驱动钻井装置和井下动力钻具的TDDS滑动钻井导向控制技术在定向井水平井钻井施工中可以实现快速精准的定向控制，显示出巨大的优越性及广阔的应用前景。主要体现在以下几个方面。1交互控制界面友好，操作安全、方便快捷，定位精度高。2定向作业效率高。常规定向井作业搬动转盘角度时需停钻后操作，有时1次操作不能顺利完成，需要反复多次操作和试钻，降低了钻井作业时效。应用TDDS滑动钻井导向技术，通过顶驱主轴旋转的精确定位控制，不仅实现了在滑动钻井方式下对工具面的动态调整，而且在高可靠性MWD随钻测量工具的配合下，通过双向通讯方式获取井下测量信息的实时反馈，能够更及时地对工具面进行调整，实现定向施工中井眼轨迹的连续控制，节省传统钻井技术下不必要的操作时间，显著提升钻进作业的整体时效和井眼质量，也为实现导向钻井的闭环控制和自动化控制奠定了基础。3顶驱滑动钻井导向控制系统TDDS对工具面的动态调整策略还处于定性阶段，需要在定向井工程师和录井工程师的指导下，人为输入旋转角度等修正信息，因此仍属于半自动化控制。对于钻井来说，在导向控制系统中增加反馈环节，形成信息闭环，进而实现钻进过程的自动控制和实时优化，是钻井导向控制技术的一个重要研究方向。为了实现真正意义上的闭环导向钻井，在后续研究中引入井下控制工程、人工智能等交叉学科的技术理论，与现有成果相结合，研发具有模糊控制逻辑的滑动钻井导向系统INTELLIGENTTDDS，ITDDS，南半自动控制转为全自动导向，将推动导向钻井作业向着闭环控制、智能化、信息化的方向不断前进。可以预见，未来的ITDDS系统将可以控制钻头沿着设计的井眼轨迹或者根据设定的地层地质目标，以闭环和全自动控制的方式完成钻进。参考文献1王卫彬，秦利民，刘俊，等导向钻井井下控制理论与技术的发展J石油钻探技术，2004，32664672肖仕红，梁政旋转导向钻井技术发展现状及展望J石油机械，2006，34466703熊继有，温杰文，荣继光，等旋转导向钻井