（油气井工程专业论文）高压水射流防斜装置原理分析及其设计.pdf

p r i n c i p l ea n a l y s i sa n dd e s i g no ft h eh i g hp r e s s u r ew a t e rj e t a n t i d e v i a t i o nd e v i c e y ud e p i n g ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rx uy i ji a b s t r a c t w i t ht h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to fo i l - f i e l de x p l o r a t i o n ，t h ew e l ld e v i a t i o nb r i n gas e r i e s h a r mt ot h e d r i l l i n ge n g i n e e r i n gi nt h ed r i l l i n gp r o c e s s ，s ot h et e c h n i q u eo fp r e v e n t i n g d e v i a t i o na n dh o l e s t r a i g h t e n i n gi n t h e d r i l l i n gp r o c e s s i sa l s oc a u s e dt h eo i l - f i e l d d e v e l o p m e n tp e r s o n n e l sv a l u em o r ea n dm o r e a n a l y s i sa n t i d e f l e c t i o nd e v i c eo fd o m e s t i c a n df o r e i g n ，t h e r ea r em a n yd e v i a t i o nc o n t r o lw a y s s o m es i m p l ea n t i d e f l e c t i o nd e v i c ei sn o t s u i t a b l ef o rc o m p l e xf o r m a t i o n a u t o m a t i cv e r t i c a ld r i l l i n gt e c h n o l o g ym o n o p o l i e sb yf o r e i g n a n dw eu s et h e mw i l lp a yh i g hc o s t s ot h i sa r t i c l ed e s i g nan e w t y p eo fh i g h p r e s s u r ew a t e r j e ta n t i - d e f l e c t i o nd e v i c e e n c o u n t e r e das e r i o u sh o l ed e v i a t i o na n dl o we f f i c i e n c yi nt h ec o m p l e xd e e pw e l lo r c o m p l e xf o r m a t i o n t h i sp a p e rd e v e l o pan o v e lm e t h o dt op r e v e n tt h eh o l ed e v i a t i o n h i g h p r e s s u r ew a t e rj e ta n t i - d e f l e c t i o n t h e r ei sag r a v i t a t i o n a ld e f l e c t i o ni nt h eh i g h - p r e s s u r e w a t e rj e ta n t i d e f l e c t i o n ，i td e t e c t e dh o l ed e v i a t i o np o s i t i o n t h ev a l v em e c h a n i c sg u i d e h i g h - p r e s s u r ew a t e rj e ti n t oal o w s i d ei nt h eh o l e h i g hp r e s s u r ej e tw a st u r n e do nd u r i n gt h e p a r to fr o t a t i n gt i m e s ，i te r o s i o no ns t r a t aw h i c hw eh o p e c o m p l e t ef l u i ds w i t c ht h r o u g ht h e v a l v eb o d y d u r i n gd r i l l i n gd i r e c t i o nc a nb ec o n t r o l l e d i nt h i sw a yt h e r ew i l lb eav e r t i c a l w e l l t h i sd e v i c eu s e sh i g h - p r e s s u r ew a t e r j e tt e c h n o l o g y , s oi tc a ni m p r o v ef r a c t u r e dr o c ka n d b o t t o mh o l ec l e a n i n g i ti san e w t y p eo fa n t i d e f l e c t i o nd e v i c e h i g h p r e s s u r ew a t e rj e ta n t i d e f l e c t i o nd e v i c ec o m p o s e do ft w op a r t sw h i c hg r a v i t y d e f l e c t i o ns y s t e ma n dv a l v e sp a r t ss y s t e m v a l v es y s t e mi sc o m p o s e do ft h ee l e c t r o m a g n e t i c v a l v ea n ds l i d ev a l v e d e s i g ni d e ao fv a l v es y s t e mi st h a tu s ec o n v e n t i o n a ld r i l lf l u i df l o w c o n t r o lt h eh i g h p r e s s u r ef l u i df l o w t h ep a p e rh a se s t a b l i s h e dt h es i m p l i f i e dp d cb i tw h i c h h a v eh i g hp r e s s u r en o z z l et h r e ed i m e n s i o n a lg e o m e t r i cm o d e la n dh o l eb o t t o mo ft h ew e l l l l f l o wf i e l dp h y s i c a lm o d e lu s i n gt h ep r o es o f t w a r e t h e nu s e st h es t a n d a r dk st u r b u l e n t f l o wm o d e lt os i m u l a t i o nt h eb o r o mo ft h ew e l lf l o wf i e l du n d e rd r i l lb i ts t a t i cc o n d i t i o n t h i s p r o v eh i g h p r e s s u r ew a t e rj e tt op r e v e n tb o r e h o l et i l t t h e ne s t a b l i s h m e n to fs o l e n o i dv a l v e m a t h e m a t i c a lm o d e li sd i s c u s s e da n di t sr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c sb ys i m u l a t i o nm o d e lw h i c h i sr u ni ns i m u l i n ko fm a t l a ba rea n a l y z e d a n a l y s i so ft h er e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so f t h es o l e n o i dv a l v e i tp r o v e dt h a tt h ee l e c t r o m a g n e t i cv a l v et oc o n t r o lt h es w i t c h i n gi ss t a b l e a n dr e l i a b l e a tl a s t3 dg r a p h i c so fp a r t sa n do v e r a l ls t r u c t u r ea r em a d eb yu s i n gp r o e n g i n e e rs o f t w a r e t h es t r u c t u r a la n a l y s i sa n dm o t i o ne m u l a t i o no ft h ea n t i - d e f l e c t i o n d e v i c et y p es u p e r c h a r g ea lea c h i e v e da tt h eb a s e t h ed e s i g no fa n t i - d e f l e c t i o nd e v i c ew i l lh a v ea ni m p o r t a n tg u i d i n gs i g n i f i c a n c et ot h e d e v e l o p m e n to f t h ev e r t i c a lb o r e h o l ea n dh i g h - p r e s s u r eje t o r i e n t e dt e c h n o l o g yi nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：p r e v e n t i n gd e v i a t i o n ，h i g hp r e s s u r ew a t e rj e t ，e l e c t r o m a g n e t i cv a l v e ，g r - a v i t a t i o n a l d e f l e c t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：童终生 日期：矽刃年箩月习日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：盔垒整垩 指导教师签名：幺象玺篁 日期：川年步月z 6 日 日期：勘节年t 月日 中国石油大学( 华东) 硕士毕业论文 1 1 课题的研究目的 第一章绪论 钻井是石油天然气等地下资源勘探开发的基本手段，直井防斜技术是钻井现场经常 碰到的技术难题之一。在钻直井时，如果井斜过大，会使井眼偏离地下设计目标，打乱 油气田开发的布局。在斜井内，钻柱易靠在井壁一侧，旋转时发生严重摩擦，使钻柱磨 损或折断，也可能造成井壁坍塌及键槽卡钻等事故。井斜超标也会影响固井质量，井斜 过大会直接影响井下的分层开采和注水工作的正常进行，也常引起油管和抽油杆的磨损 或折断。所以，井斜超标对油气田的勘探与开发都有很大危害。近1 0 年来发展的旋转 导向钻井技术及工具，在一定程度上解决了垂直钻井所遇到的问题，也是当前解决垂直 钻井这一世界性难题最有效的技术方案。全球每年钻井近7 万口，其中大多数是直井， 近年来水平井、大位移井、多分支井的数量不断增加。随着油气勘探开发领域不断向深 部地层和深水海域进军，深井和超深井的数量不断增加，深探井，超深探井钻井技术成 为一个国家或一个企业集团钻井技术水平高低的标志。钻井由于地层趋势( 地层倾角、 断层等) 对钻头的影响或钻进盐层段时旋转钻具组合难以预测的因素，所钻出的井通常 都会有井斜。钻井眼时保持井眼垂直有诸多益处：最直的井眼轨迹是最短的，使套管下 井更深，降低扭矩和摩阻，避免粘滑和减少地质上的不确定性因素。 射流按压力分为低压、高压和超高压射流。压力 6 0 m p a 为高压水射流，用于清洗设 备、辅助机械破岩等；在石油工业中，如果压力 i o o m p a 为超高压水射流，可以直接破 碎岩石。大量的试验表明，超高压射流辅助机械钻井时机械钻速提高2 - - 3 倍，具有广 阔的发展前景。 喷射钻井之所以能十分显著地提高机械钻速，节约钻井成本，主要是具有很高能量 的泥浆射流不仅有效地清洗井底，创造了良好的破岩环境，而且强大的水力能量具有直 接或辅助钻头机械破碎岩石的作用。射流在井底破碎岩石、清除岩屑的过程中，将水力 能量以力的形式作用于井底岩面，这就是射流冲击力，即射流对井底岩面的总动压力。 它是射流的主要水力参数之一，标志着喷射钻井的发展水平。 山前高陡构造地区井斜控制困难。这种构造带具有地层倾角大、硬度大和可钻性差 等特点，井斜控制极其困难，大大影响了钻井速度、增加了钻井成本，延缓了我国西部 第章绪论 油气开发生产的发展。因此发展垂直钻井对我国有很大意义。而用高压水射流实现防斜， 还可以有效地清洗井底，创造了良好的破岩环境，而且强大的水力能量具有直接或辅助 钻头机械破碎岩石的作用。 基于防斜技术和高压水射流技术，本文运用高压水射流辅助破岩来实现防斜。如图 1 1 所示，高压水射流能够使钻头产生偏离忆 削i 一1 高压水射流作用并底图 f i g 1 1 t h ei n f l u e n c eo f t h eh i g hp r e s s u t ew a t e r j e to nt h ed o w nh o l e 利用高压水射流防斜装置钻井能够防斜的同时提高清岩效率提高钻进速度，因此研 究此防斜装置据有重要研究意义。 12 课题研究目标、研究内容、拟解决的关键问题 l2 1 课题研究目标 采用机械结构控制，阀门装置控制高水射流喷嘴喷射的方位来主动防斜，并且提高 清岩效率，提高钻速。防止井斜的同时能够打快，是新型防止井斜技术。 】2 2 整体思路设计 ( 1 ) 钻头倾斜如图1 2 所示所示；井下增压器提供高压射流，由重力偏摆来跟踪井斜 方向，其摆动方向与井眼底边保持一致，钻头上有两个高压喷嘴，通过电路的设计，使 低边接收到来自井下增压器的高压水射流，从而使低边破岩效果更好，因此，钻头会向 低边偏离，从而实现防斜打直井的目的。 ( 2 ) 当钻柱垂直于井底时，高压水射流对井底均匀起作用，高压水射流起辅助破岩和 中国石油大学( 华东) 硕士毕业论文 清洗井底的作用。发生井斜时，高压水射流通过钻头的高压喷嘴冲蚀井眼低边。 ( 3 ) 关键要解决的问题是：重力偏摆跟踪井斜；高压水射流选择性喷射的控制： o 一孔 图1 - 2 高压水射流防斜装置设计草图 f i g 1 2 t h es k e t c ho fh i g hp r e s s u r ew e l ld e v i a t i o nc o n t r o le q u i p m e n t 1 2 3 课题研究内容 ( 1 ) 高压水射流改变钻头钻进方向的研究 通过对有高压喷嘴p d c 钻头的数值模拟以及高压射流破岩理论，研究当高压射流 指向那边冲蚀，钻头就从会相应的向那边偏斜。控制高压水射流的喷射方位，能够改变 钻头钻进方向。 ( 2 ) 阀门的设计 选择一种合适的阀门机构，设计其控制方法。当有井斜时候想办法把高压水射流导 向井眼低边。 ( 3 ) 重力偏摆定位系统的原理分析及其设计 对现有的侧斜机构进行分析，选出一种合适的重力信号式测斜机构用于跟踪井斜， 分析其稳定性和精度，以及偏摆定位机构原理分析。 ( 4 ) 整体结构设计 与现有的底部钻具怎样结合在一起，以及对所有零件的空间摆放问题的研究。把各 3 第一章绪论 个部分组成一个整体。 1 2 4 拟解决的关键问题 ( 1 ) 重力偏摆检测井斜的问题； ( 2 ) 高压水射流改变钻进方向的问题； ( 3 ) 井斜信号控制阀门的闭合问题： 1 3 研究方法、技术路线、可行性分析 1 3 1 课题拟采用的研究方法 在对防斜技术和高压水射流技术理解的基础上，用阀门控制高压水射流喷射方位的 以主动防斜，高压水射流上接井下增压器。并且分析其控制的稳定性和精度。设定井下 参数以及模拟井底流场。 1 3 2 技术路线 技术路线如图1 3 所示： 图l - 3 技术路线图 f i g 1 - 3 t h er o u t eo ft h et e c h n i q u e 1 3 3 可行性分析 ( 1 ) 对国内外相关理论进行了比较充分的资料调研，了解了当前的研究概况和现状， 熟悉了相关理论和实验手段，并进行了初步的理论探讨。对各个装置部分的功能都有一 定的理解。 4 中国石油大学( 华东) 硕士毕业论文 ( 2 ) 依托c n p c 钻井重点实验室，以高压水射流重点研究室相关骨干科研人员为主 体，涵盖高压水射流、流体力学、岩石力学等多个研究领域，为本项目顺利完成提供了 可靠保障。最近井下增压器和高压水射流钻头的研制为高压水射流实现防斜提供了物质 基础。 1 4 课题的创新性 课题的创新性表现在以下两个方面： ( 1 ) 本文在调研传统防斜方法和高压水射流特性的基础上，提出一种新的防止井斜方 法一高压水射流主动防斜。高压射流在一部分旋转运动期间被开启，以便以此在一朝向 所需路径的方向上冲蚀地层，借助阀门机构实现流体切换，在钻井过程中可以在方向上 予以控制，实现主动防止井斜打垂直井眼的目的。高压水射流还能辅助破碎岩石提高清 岩率，提高钻进速度。 ( 2 ) 运用重力偏摆装置检测出井斜方位，以此为根据控制下面的阀门机构。由于直接 用电磁阀门控制高压射流需要很大电能和难度很大的高压密封，本文设计了由电磁换向 阀和滑阀组成的阀门机构，这样就实现了常压流体控制高压流体，既使控制变的相对更 容易，也节省了电能和降低密封难度。 最终，该设计要解决的问题是通过对现有的井斜测控机构的分析，提出一种适合控 制高压水射流冲蚀方向的方案，以及让高压水射流按照我们的预期的设定选择性的喷射 井底来达到控制井斜的目的，这样用到高压水射流辅助破岩和清洗井底，提高钻进速度， 发挥了高压水射流的优势。 该高压水射流防斜装置的设计，对今后高压射流技术用于导向的发展具有重要的指 导意义。 1 5 预期效果 ( 1 ) 通过对现有的井斜测控机构的分析，提出一种合适的检测到井斜的办法，能够在 倾斜角度比较小的时候检测到井斜。 ( 2 ) 通过高压水射流的选择性冲蚀井底防止井斜，高压水射流辅助破岩和清洗井底， 提高钻进速度。 5 第二章井斜控制技术及高压水射流在钻井中的应用 第二章井斜控制技术以及高压水射流在钻井中的应用 目前，国内外防斜打直技术归纳起来主要有钟摆法井斜控制技术、刚性满眼钻具组 合防斜技术、离心力防斜纠斜技术、利用钻具弯曲防斜纠斜技术、导向钻井防斜纠斜技 术及井下专用工具防斜纠斜技术等。 2 1 井斜的原因分析 井为什么会斜? 找到井斜的原因，就可以提出防斜的措施。影响井斜的因素很多， 但概括起来可分为两大类：一类是地质因素，一类是钻具因素。 ( 1 ) 地质因素【2 j 人们提出了许多理论，来解释地质因素导致井斜的原因。其中，最本质的是地层可 钻性的不均匀性和地层的倾斜两个因素。这种地层可钻性的不均匀性表现在许多方面， 再与地层倾斜相结合，导致井眼倾斜。 地层可钻性的各向异性，即地层可钻性在不同方向上的不均匀性如图2 1 所示， 沉积岩都有这样的特性：垂直层面方向的可钻性高，平行层面方向的可钻性低。钻头总 是有向着容易钻进的方向前进的趋势。在地层倾斜的情况下，当地层倾角小于4 5 0 时， 钻头前进方向偏向垂直地层层面的方向，于是偏离铅垂线。在地层倾角超过6 0 0 以后， 钻头前进方向则是沿着平行地层层面方向下滑，也要偏离铅垂线。当地层倾角在4 5 。 6 0 0 之间时，井斜方向属不稳定状态。 忑 量 忑 彩 图2 - 1 地层可钻性的各向异性导致井斜图 f i g 2 1 f o r m a t i o no fa n i s o t r o p i cd r i l l a b i l i t yr e s u l tw e l ld e v i a t i o n 地层可钻性的纵向变化。地层在沉积过程中，由于沉积环境的不同和变化，形成 了沿垂直于地层层面方向可钻性的变化，俗称“软硬交错”。这里的“纵向变化”是指 沿钻头轴线方向遇到这种“软硬交错”。由于地层倾斜，钻头底面上，遇到“软”地层 6 中阁i l 油 学( 华东) 硕士毕业论立 的一侧容易钻，该侧的钻速高；而另一侧遇到“硬”地层则钻速低。于是井眼轴线偏离 发牛井斜。地层可钻性纵向变化引起井斜如下图所示： 图2 - 2 地层可钻性级向变化引起井斜 f i g2 2 f o r m a t i o no f l o n g i t u d i n a lc h a n g e si nd r i l l i n gh o l ec a u s ed e v i a t i o n i | l 曲霸盘 可钻性高一可钻性低 图2 0 地层可钻性的横向变化引起井斜 f i g 2 - 3 f o r m a t i o no f h o r i z o n t a lc h a n g e s i nd r i l l i n g h o l ec s u s e d e v i a t i o n 地层可钻性的横向变化。地层可钻性不仅沿垂直于地层层而方向有变化，而且在 平行丁地层层面方向也有变化。这里的“横向变化”是指垂直于钻头轴线方向上可钻性 的变化。如图2 3 所示，在钻头的一侧下面钻遇溶洞或较疏松的地层，而另侧则钻遇 较致密的地层。于是钻头前进方向发生偏离。 从以上分析可知，地层可钻性的各种不均匀性和地层倾斜引起井斜的机理，最终体 现在钻头对井底的不对称切削，使钻头轴线相对于井眼轴线发生倾斜。从而使新钻的井 眼偏离原井眼。 ( 2 俺 具原因 钻具导致井斜的主要因素是钻具的倾斜和弯曲。影响最大的是靠近钻头的那部分钻 具，称作“底部钻具组合”( b o t t l e mh o l ea s s e m b l y ，简称b h a ) 。倾斜和弯曲将产生两 个后果：一是引起钻头倾斜，在井底形成彳；对称切削，如图2 4 所示，新钻的井眼将不 7 第二章井斜控制技术及高压水射流在钻井中的应用 断地偏离原井眼方向；二是使钻头受到侧向力的作用，迫使钻头进行侧向切削，如图2 5 所示，这样也将使新钻的井眼将不断地偏离原井眼方向。 辩啜 l l 心 缝 锸受 中心 娩 图2 - 4 钻头不对称切削导致井斜 f i g 2 4 b i ta s y m m e t r i cc u t t i n gc a u s ed e v i a t i o n 钻失 横向 力 图2 - 5 钻头侧向切削导致井斜 f i g 2 5 b i tl a t e r a la g g r e s s i v i t yc a s ed e v i a t i o n 那么是什么原因导致钻具的倾斜和弯曲呢? 首先，由于钻具直径小于井眼直径，钻具和井眼之间有一定的间隙，所以钻具在井 眼内活动余地很大，这就给钻具的倾斜和弯曲创造了空间条件。 其次，由于钻压的作用，下部钻具受压后必将靠向井壁一侧而倾斜。当压力超过一 定值后，钻柱将发生弯曲。弯曲钻柱将使靠近钻头的钻具倾斜更大。 还有一些原因也会导致钻具倾斜和弯曲，如下入井内的钻具本来就是弯曲的；在安 装设备时，天车、游车和转盘三点不在一条铅垂线上；转盘安装不平而引起钻具一开始 就倾斜等。 ( 3 ) 井眼扩大 r 中国石油大学( 华东) 硕士毕业论文 除上述地质和钻具原因外，井眼扩大也是井斜的重要原因。井眼扩大后，钻头可在 井眼内左右移动，靠向一侧，也可使受压弯曲的钻柱挠度加大，于是钻头轴线与井眼轴 线不重合，导致井斜。 上述三方面的原因中，地质原因是客观存在的，是无法改变的。钻具原因则可以人 为控制。在这方面人们进行了大量研究，设计了许多种防斜钻具组合。 2 2 井斜的危害 ( 1 ) 井斜过大，会使井眼偏离设计井位，打乱油田开发布井方案。 ( 2 ) 对勘探来说，井斜会使井深发生误差，使所取的地质资料不真实，使井底远离设 计井位，会错过油气层，造成勘探工作的失误。 ( 3 ) 对钻井工程来说，钻柱在斜井内易靠在井壁的下侧，旋转时产生严重摩擦，在井 斜突变井段钻柱发生弯曲，易使钻柱磨损和折断，也可能造成井壁坍塌及键槽卡钻等事 故。 ( 4 ) 井斜大了，会造成下套管困难和下入的套管不居中，造成固井窜槽、管外冒油气， 直接影响固井质量。 ( 5 ) 对采油来说，井斜过大，会直接影响井下的分层开采和注水工作。如下封隔器困 难，封隔器密封不好等，对采油井会引起油管和抽油杆的磨损和折断，甚至造成严重的 井下事故。 2 3 传统井斜控制技术 ( 1 ) 钟摆法井斜控制技术 该技术是一种纠斜专用技术，一般与刚性满眼钻具组合配合使用进行井斜控制。其 原理是利用钟摆力，使钻头产生与井斜方向相反的侧向切削作用，从而纠斜。该技术为 提高侧向切削相对垂直切削的速度的比值，只能采用牺牲钻压以减小垂直切削速度的方 法，以提高纠斜能力，但大大影响钻井效率。该技术的实现主要依靠钟摆钻具、偏重钻 铤、塔式钻具三种钻具1 3 】o ( 2 ) 刚性满眼法井斜控制技术 满眼钻具一般是由几个外径与钻头直径相近的稳定器及一些外径较大的钻铤构成。 其防斜原理有二：一是由于满眼钻具比光钻铤的刚度大，并能填满井眼，在大钻压下不 易弯曲，保持钻具在井内居中，减小钻头的偏斜角，从而减小和限制因钻柱弯曲产生的 o 第二章井斜控制技术及高压水射流在钻井中的应用 增斜力；二是在地层横向力的作用下，稳定器能支撑在井壁上，限制钻头的横向移动， 同时能在钻头处产生一个抵抗地层力的纠斜力。为了发挥满眼钻具的防斜作用，钻具上 至少要有三个稳定器，除靠近钻头有一个稳定器外，其上面还应再安放两个稳定器，保 持有三点接触井壁，通过三点直线性来保持井眼的直线性和限制钻头的横向移动。 满眼钻具由于具有刚度大和填满井眼两个特点，在直井中当地层横向力不大时，能 保持直眼钻进，在钻遇增斜或减斜地层时，也能有力地控制井斜变化率，使井斜不致过 快地增大或减小，不会形成狗腿、键槽等影响井身质量的隐患。 该方法能较有效地减小底部钻具弯曲引起的井斜，但没有纠斜能力，因此，只适用 于地层造斜趋势不很强的地层。其工具主要有满眼钻具、方钻铤、椭圆钻铤等。 ( 3 ) 离心力防斜、纠斜技术 将专用井下偏心、偏轴工具按一定位置接到底部钻具组合中，使底部钻具在井内旋 转过程中，产生一个旋转离心力，使钻柱除了自转外，还有一个周向公转，其结果使钻 头倾角和侧向力的作用方向随钻具公转而同步变化，从而可从根本上消除钻具弯曲造成 的井斜。该技术进行防斜钻进时，可以较高钻压钻进，因此有利于提高钻井效率，其防 斜、纠斜效果也较好，但无法控制地层增斜因素，因此，仍不能从根本上解决高陡构造、 大倾角地层的井斜控制问题。 ( 4 ) 利用钻具弯曲防斜、纠斜技术 该技术改变了传统的控制钻具弯曲引起的钻头倾角和侧向力的防斜的概念，而是将 钻头倾角和侧向力转化为降斜因素加以利用，共同对抗地层造斜力。其方法是：采用柔 性钻具结构改变底部钻具弯曲状态，使钻头侧向力及钻头倾角的方向由指向井眼上侧， 转变为指向井眼下侧。目前常用的几种现场应用效果较好的钻具组合有：柔性钟摆钻具 组合、双柔性钻具组合及柔性接头等。 ( 5 ) 导向钻井防斜、纠斜技术 该技术是利用动力钻具导向钻进进行井斜控制。其防斜机理是靠弯外壳井下马达的 偏轴作用，使底部钻具在井内旋转过程中产生一个旋转离心力，用于防斜。另外，井下 马达配合p d c 钻头进行导向钻进时，转速高、钻压低，也有利于防斜；其纠斜是靠弯外 壳井下马达滑动钻进实现的，因此，纠斜能力强，可广泛应用于各级别地层造斜趋势情 况下的防斜、纠斜。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士毕业论文 2 4 自动垂直钻井技术 除上述防斜技术以外，国内外还开发了一些防斜、纠斜井下专用工具，如：前苏联 的h c y 装置，b a k e r h u g h e s 公司v d s 、s d d 直井钻井系统。国内的水力防斜工具和压不 弯钻铤装置等4 1 。虽然现有自动垂直钻井工具的构成形式各不相同，但其工作原理均可 表示为图2 6 所示的框图结构。 图2 - 6自动垂直钻井方框图 f i g 2 6 b l o c kd i a g r a mo fa u t o m a t i cv e r t i c a ld r i l l i n g 对于垂直钻井工况，希望的井眼轨道为垂直轨道，即希望的井斜角为0 。信息处 理与控制单元由一组单片机及相应电路组成，其将传感器传来的信号进行采样、滤波、 整形，计算出当时的井斜角和工具面角并做出控制决策【5 】。控制执行元件接受控制信号 并进行能量形式的转换和功率的放大，通常这类元件为电磁阀。导向推力装置负责纠斜 动作的实施，它可以是机械装置，但大多是液压装置。目前投入使用的自动垂直钻井系 统动力源主要来自泥浆，如v t k 是利用泥浆驱动涡轮发电机，再驱动液压泵给导向油缸 提供压力油；而p o w e r v 贝1 直接利用钻柱内外泥浆的压差驱动。井下闭环的反馈通道主要 由各类传感器构成。井斜控制必须对井斜角和工具面角进行判断，因此提供倾角信号的 重力加速度计是井下闭环反馈通道上的核心元件；而钻具的振动、转动以及泥浆的温度、 压力等物理量都会对加速度计输出的倾角信号产生影响，因此振动加速度计、转速、温 度、压力传感器等均为井斜综合测量单元中的重要组成。其控制过程为：当井斜综合测 量单元检测到井眼发生偏斜时，井下信息处理与控制单元经过分析判断，控制执行元件 接受控制信号并进行能量形式的转换和功率的放大，然后向导向推力装置发出指令，使 近钻头的导向推力装置在井眼高边给井壁一个集中作用力，相当于使井下钻具靠近钻头 处受到一个横向集中力的作用，该横向作用力使钻头产生一定的降斜力，从而使井眼回 到垂直的轨道上来。当井眼回到垂直轨道上后，井下导向推力装置不再对井壁作用，使 1 1 第= 章井斜控制技术及高压木射流在帖) f 中的应用 横向作用力为零，让钻头继续垂直钻进，且井斜综合测量单元继续检测，直到井眼再次 出现偏斜。这样就在井下形成了一个自动闭环控制系统。不仅提高了井眼轨道控制的精 度，还节约了调整钻具所需要的时间。 2 4iv d s 自动垂直钻井系统 v d s 自动垂直钻井系统用于1 9 8 8 年联邦德国的大陆超深井科学钻探计划( k t b 计划 中，由德国国家能源部委托美! 亘b a k e r h i j g l e s i n 嘲公司研制。以第三代产品v d s - 5 为例 子介绍其主要结构组成，其主要结构如图2 7 所示。钻井液脉冲阀把井下的信息传递到 地面；传感器及控制器测量与决定工具的导向方向：液压导向系统产生降斜力，纠正井 斜i 。 v d s 一5 属于外导向垂直钻井系统，它的外导向结构如图2 - 8 所示。它的导向套上带有 四个靠液压驱动的棱块，该导向系统采用了“负液压导向”。就是当工具在完全垂直的 井眼中工作时。四个棱块都受到钻井液压力的作用而像弹簧一样支撑于井壁，这样使得 工具与井h 星对中。如果发生井斜，需要导向作用时。井眼低边处的液压缸钻井液供给被 切断，相应的棱块缩回到最小直径位置，这样就使得对面的棱块把钻头推向井限低边， 以达到纠斜目的。 井下甸坪纛托 图2 7v d s 的主要结构组成 f i g 2 7 t h e m a i n $ | r l l c l u g eo f t h e v d s 中国石油大学( 华东) 硕i 毕业论文 口皿 图2 - 8v d s 5 导向示意图 f i g2 8 v d s - 5g u i ds k e t c hm a p 2 42p o w e r v 垂直钻井系统 p o w e r v 主要由上端的c o n t r o l u n i t ( 电子控制部分，简称c u ) 和下端的b i a su n i t ( 机械 部分，简称b u ) 组成。在两者中间还有1 个辅助部分e x t e n s i o ns u b ( 加长短节，简称e s ) t ”。 如图2 9 所示： e 轴承下轴蕞 疆动支掉崖 鳢 圈2 - 9p o w e r v 组合图 f i g 2 9 t h es t r u c t u r e m a po f p o w e r v c u 是p o w e r v 的指挥中枢，内部有钻井液驱动的发电机、陀螺、钻柱转速传感器、 流量变化传感器、振动传感器、温度传感器以及电池控制的时钟等，可以独立于外面的 钻铤而旋转或者静止不转。 开泵后，井下发电机发电，陀螺测量出井底的井斜角和方位角( 即高边) ，然后按照 地面工程师的要求把其内部的电子控制部分固定在某一个方位上( t i p 高边工具面角) ，从 而实现无论钻柱如何旋转，c u 内部的控制轴始终对准在需要的方位上，而这个方位加 上一个校对值后就是地面工程师所要求的高边工具面角的反方向。如果需要调整控制轴 的方位角，可以e h 地面工程师给p o w e r v 发送指令，方法是；按照一定的时间编排方式， 第二章井斜控制技术及高压水射流在钻井中的应用 在不同的时间给定不同的工作排量，c u 内部的传感器探测到排量的变化后峭j 。由其内部 的程序对其进行核对，如果与预先设定的某个指令吻合，那么就开始执行这个新的工作 指令。 b u 是一个纯机械执行装置，下接钻头，上接c u ，主要由1 个钻井液导流阀和3 个伸 缩块组成，伸缩块的伸缩动力由钻井液提供，并由控制阀分配。伸缩块的伸出由钻井液 导流阀控制。钻井液导流阀为一盘阀，由上、下2 部分组成。上盘阀由控制轴带动，阀 上有高压阀孔，与高压钻井液相通。高压阀孔做成弧形长孔形状，目的是使高压钻井液 作用在翼肋上的力具有一定的作用时间，以保证侧向控制力的作用效果。p o w e r v 系统的 高压阀孔的圆心角为2 0 0 0 。下盘阀与导向机构轴体相固联，上面有3 个直径相同的圆孔， 圆孔下的通道通向伸缩块的活塞室，3 个圆孔间的相位相差1 2 0 0 。 钻进时p o w e r v 系统自动感应井斜，自动设定并调整仪器的侧向力，使井眼快速返回 垂直状态。它解决了由滑动钻进和钻压限制造成的低钻速问题，侧向力能有效地克服自 然造斜力；解决了由连续滑动钻进造成的狗腿度大的问题，允许施加更高的钻压，从而 大幅度提高钻速；1 0 0 的旋转钻进使井眼更平滑，进一步提高了钻速，大幅度降低了 每米钻井成本。 2 4 3a u t o t t r a k 闭环导向系统 a u t o t t r a k 是一种旋转闭环钻井系统，是从三项以被证实的技术上发展起来的，这 三项技术分别是：直井钻井系统；带有多重电阻率和伽马射线的m w d 测量技术； d r i l l b y t e 地面系统。开发它的目的是不断增加的挑战性的井眼轨道设计，应用于大位移 井；特殊的并身剖面；油藏探索。优点是：在旋转钻进时连续导向改善井眼清洁；增加 总钻时；减少不同类型的卡钻；按工作情况而不用按造斜能力选择p d c 钻头。改善了 水平井垂深难控制的状况；减少了井眼的不正常扭曲现象。 a u t o t t r a k 的特色：在旋转钻进的同时可进行井眼轨迹三维任意调整。钻头上的侧 向力是由被液压能量控制的可扩张的三个扶正器肋板提供并控制的。凭借连在立管上的 负脉冲传达系统，底部钻具在钻进过程中可接受到最新的指令信息。完整的m w d 系统 有完成全部定向作业、多重电阻率、伽马射线、震动、近钻头井斜等测量任务的能力并 可提供两种信息通讯方式。如果需要给钻头提供额外扭距可用纳维马达驱动该系统。基 本工具构造如图2 1 0 所示： 1 4 中国油大学( 华东) 砸毕论i 图2 - 1 0a u t o t r a k 基奉丁具构造 f i g 2 - 1 0t h eb a s i ci n s t r u m e n ts t r h c t u r eo f a u t o t 瑚k 水力控制一 近帖姘斟位 扶正嚣妻子 图2 一“a u t o t r a k 非旋转导向扶正器 f i g 2 - 1 1 n o n r o t a r ys t e e r a b l e s t a b i l i z e r o f a u t o t r a k 在非旋转扶正器上由导向肋板旋加的力是受活塞控制的，而活塞由内部储存的高压 流体米操控。有一种非常慢的旋转趋势的套子的相对位置是受连续监控的，a u t o t r a k 使 用这种信息柬调整在每个导向肋板施加的力的量，这样就能在希望的方向上向钻头施加 稳定的侧向力。在油罔的现场测试结果发现套子以大约每半小时一圈的速度旋转，具体 情况与地层和钻时相关联。a u t o t r a k 的内部微处理系统计算出必须向每个活塞施加的压 力大小，为把导向肋板移到正确的位置并借此来获得满意的工具面。向肋板旌加的力的 大小也要考虑为被钻井的井眼轨迹制定的狗腿严重度的限制p l 。 2 44 自动垂直钻井系统的特点 ( ”导向集中力沿井眼低边的分力与钻头的造斜力和钻头倾角都呈线性关系，井斜平 面上的分力越太相应产生的降斜力及钻头倾角越太。 ( 2 ) a 动垂直钻井工具的钻头造斜力有两部分组成。第一部分来源于钻具自重的钟 1 5 第二章井斜控制技术及高压水射流在钻井中的应用 摆效应对钻头降斜力的贡献。第二部分来源于导向集中力效应对钻头降斜力的贡献。 其中来源于第一部分的钻头降斜力随着井斜角的增加而增加，来源于第二部分的钻头降 斜力与井斜角的变化无关。 ( 3 ) 在井斜角较小时，由钻具钟摆效应产生的钻头降斜力很小。井斜平面内导向集中 力效应的贡献占绝大部分，因此工具在井斜角很小的情况下可以发挥降斜作用，从而保 证钻出直井眼。 ( 4 ) 在井斜角较大时，由于钟摆效应产生的降斜力增加较快，而集中力效应产生的降 斜力却不变，因此总降斜力仍会有增加，降斜效果增加( 但集中力效应的降斜贡献相对 减小) 。 ( 5 ) i 具的降斜能力几乎不受钻压变化的影响，因此可以利用较大的钻压钻井，而不 影响工具的降斜能力( 钟摆钻具在大钻压下降斜效果则明显减小) 。 由以上的传统防斜装置和自动垂直钻井技术可以知道：塔式钻具、钟摆钻具、满眼 钻具、偏轴钻具等基本属于被动防斜技术，可以作为浅井和中深井的常规性防斜纠斜技 术，但是不能满足高陡构造、大倾角底层和逆掩推覆体等易斜底层钻垂直井的要求，也 不大适用于深井、超深井和复杂结构井直井段的钻探要求。国内外的实践证明，p o w e r v 系统是当前解决垂直井这一世界性难题最有效的技术设备。但是租用p o w e r v 系统的日租 费和技术费高达1 5 n 3 0 万美元【1 0 】。因此开发自主知识产权的旋转导向及自动垂直钻井 的高新技术产品很有必要性和迫切性。 2 5 高压水射流在钻井中的应用 在水射流钻小孔技术用于煤层钻探和岩石开采挖掘的同时，许多石油公司开始试图 用高压水射流辅助钻机在油层中钻大孔的研究。四十年代末，喷射钻井技术在美国取得 突破性进展，提出了提高射流喷射速度的办法来提高钻速并取得成功。随着喷射速度的 提高，钻进速度也不断提高，七十年代初，国外便开始了超高压钻井技术的研究。超高 压射流用于辅助机械钻井主要经历了三个发展阶段：地面全增压、地面部分增压和井下 泵增压【1 1 1 。 七十年代初，美国m a u r e r 等人便开始了超高压射流钻井的试验研究，他们在佛里 达州和德克萨斯州进行了试验，利用地面增压器把整个循环泥浆压力提高6 8 1 0 5 m p a ， 设备功率高达2 8 0 0 - 11 2 0 0 k w ，试验结果表明可提高机械钻速2 3 倍，证明了超高压 射流钻井方法能够大幅度提高机械钻速。 16 中国石油大学( 华东) 硕士毕业论文 七十年代中期，高压冲蚀钻井法取得了重大突破。美国埃克森( e x x o n ) 开发研究公司 与其它八家公司协作，设计出了一