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自动导向钻井技术简介周广陈中国石油大学石油工程学院 主要内容 概述导向方式导向工具地质导向自动垂直钻井系统自动导向钻井的关键技术 一 概述1 自动化钻井钻井技术发展的最高阶段是自动化钻井 所谓自动化钻井就是钻井的全部过程依靠传感器测量各种参数 并用计算机采集 进行综合解释与处理 然后再发出决策指令 最后由各相关设备自动执行各自的动作 使整个钻井过程变成一个无人操作的自动控制过程 这样一来 不但地面操作自动化 井下钻头钻进的轨迹也可以自动控制 自动化钻井的主要环节 地面数据实时测量主要用地面仪器仪表 井下数据随钻测量目前主要用MWD LWD FEWD DWD等 数据实时采集由相关计算机 井下或地面 完成 数据综合解释及决策指令应用人工智能优化钻井措施 地面操作自动化铁钻工 自动排管机等 井下操作自动控制钻头自动导向 轨迹自动控制 以上六个环节中 井下随钻测量和井下自动控制是关键环节 同时也是关键技术 二者结合起来实际上是井眼轨迹自动控制技术 2 导向钻井导向钻井实际就是井眼轨迹控制问题 无论是常规直井或特殊工艺井 都需要井眼轨迹控制 直井需要防斜打直 定向井需要按设计井眼轨道控制钻头钻进的轨迹 传统的导向钻井 即井眼轨迹控制 是由井下导向工具配以适当的钻井参数来实现的 自动导向钻井是由井下计算机根据随钻采集的参数自动控制导向工具来实现的 自动导向钻井技术是钻井工程领域的高新技术 代表着世界先进的钻井技术发展方向 目前 在世界范围内水平井 大位移井 分支井等高难度的复杂井正蓬勃发展 常规钻井技术难以适应需要 必须依靠先进的导向技术才能保证井眼轨迹的准确无误 二 导向钻井的方式导向钻井按照导向的依据可分为几何导向钻井和地质导向钻井 1 几何导向钻井根据井下测量工具 MWD 测量的井眼几何参数 井斜角 方位角和工具面角 来控制井眼轨迹的导向钻井方式称为几何导向钻井 如果井下参数测量和导向工具的控制由井下计算机完成 则为自动几何导向钻井 2 地质导向钻井地质导向是在拥有几何导向的能力的同时 又能根据随钻测井 LWD 得出的地质参数 地层岩性 地层层面 油层特点等 实时控制井眼轨迹 使钻头沿着地层的最优位置钻进 这样可在预先不掌握地层特性的情况下实现最优控制 地质导向本身就是自动导向钻井 井眼轨迹控制的依据是地质地层参数 这样一来实钻井眼的轨迹很有可能脱离钻井设计的井眼轨道 三 导向工具导向钻井的实现主要靠导向工具 导向工具按其工作方式分为滑动式导向工具旋转式导向工具1 滑动导向工具滑动式导向工具的特征是导向钻井作业时钻柱不旋转 钻柱随钻头向前推进 沿井壁滑动 滑动导向钻井有诸多缺点 例如钻柱摩阻大 对井眼清洗不利和机械钻速慢 钻头选择受限等 尽管如此 由于导向工具的成本问题滑动式导向钻井目前仍占主导地位 滑动式导向工具主要有弯接头 可调弯接头和弯外壳马达等 滑动式导向工具组合方式一般为 钻柱 MWD LWD 动力钻具 导向工具 钻头 2 旋转导向工具旋转式导向工具是在钻柱旋转的情况下实现自动的连续的钻头轨迹控制 从而避免了钻柱躺在井壁上滑动 使井眼得到很好的清洗 同时允许根据地层选择合适的钻头类型 这样可显著地减轻或消除滑动式导向工具的不足 世界上最早的旋转导向工具是上世纪80年代末90年代初德国KTB计划中开发的垂直钻井 VDS 系统 专为直井防斜用的 在此基础上 国外多家公司相继开发了多种型号的旋转导向钻井系统 并成功地投入现场应用 目前世界上有代表性的旋转导向钻井系统有贝克休斯公司的AutoTrackRCLS系统 哈里伯顿的GEO PILOT系统和斯仑贝协公司的PowerDriveSRD系统 旋转导向钻井 完全抛开了滑动导向钻井 而是以旋转方式连续自动控制轨迹 从而解决了常规导向钻井的缺点 采用旋转导向钻井技术 可根据地质要求 钻出空间三维井眼 DESIGNERWELL 以达到绕障 穿过多油藏和精确钻穿薄油层的目的 从而大大提高了采收率和效率 3 旋转导向工具的工作原理旋转导向钻井系统的导向力主要是通过偏置钻头来获得的 下面以贝克休斯的AutoTrackRCLS系统为例简要说明旋转导向钻井系统的工作原理 如上图 旋转导向系统主要由可旋转内筒 接钻头 非旋转外筒和可伸缩翼肋组成 系统工作时钻头所需要的导向力 即侧向力 通过可伸缩翼肋的活动来提供 如图A A 当一号翼肋伸出支撑在井壁上时 钻头就获得与一号翼肋伸出方向相反的侧向力F 这样钻头在这个侧向力的作用下就可以改变自己原来的切削轨迹 实际上旋转导向钻井系统的工作并非如此简单 整个系统的工作是由计算机控制的 系统工作时首先由测量系统根据需要测量井眼的实时几何参数 地质导向还要测地质地层参数 这些参数进入井下计算机 计算机进行评价决策 并向控制系统发出指令 由控制系统控制可伸缩翼肋的动作 从而给钻头施加侧向力 自动控制井眼轨迹 4 国外旋转导向钻井系统简介世界上已有多个国家的石油公司对旋转导向钻井系统开展了深入的研究与应用 其中较成熟的有以下几种 90年代初德国KTB项目组开发的VDS系统AGIP公司与BAKERHUGHES公司合作研制了SDD系统美国能源部资助研制的ADD系统HALLIBURTONSPERRY SUN公司研制了GEO PILOT系统英国CAMCO公司和SCHLUMBERGER公司研制PowerDriveSRD系统 具有代表性的有三种 SCHLUMBERGER ANADRIL公司的PowerDriveSRD系统 调制式旋转导向钻井系统 BAKERHUGHESINTEQ公司的AutoTrackRCLS系统 不旋转外筒式旋转导向钻井系统 SPERRYSUN公司与JNOC联合研制的GEO PILOT系统 PowerDriveSRD系统 导向方式 偏置钻头 BIASTHEBITS 调制式 整体旋转动力 钻井液压差 1994年现场试验成功截止到1999年底 共下井138次累计工作时间11 610小时总进尺47 780米目前 世界上3口位移超过10 000米的大位移井中 有2口应用了该系统 PowerDriveSRD系统 导向方式 偏置钻头 BIASTHEBITS 不旋转外筒式动力 独立液压系统 AutoTrackRCLS系统 1996年现场试验成功 1997年投入商业应用 截止到2001年6月 共在15个国家575口井应用累计工作时间超过7万小时 总进尺100万米 单次下井工作时间 63 4 系统创下了单次下井工作时间286 2h 纯钻进时间241 7h 的世界纪录单次下井进尺 81 4 系统创下了单次下井进尺4037m的世界纪录目前可靠性水平 75 的单次下井工作时间超过75h AutoTrackRCLS系统 导向方式 POINTINGTHEBITS偏置钻柱不旋转外筒式 GEO PILOT系统 旋转导向钻井系统工作原理 测量信息 偏置导向执行机构 CPU MWD 地面控制指令 地面监控系统 井下旋转导向钻井系统 井眼信息 导向指令 双向通讯 可调节式旋转导向钻井系统井下系统组成 稳定平台 控制机构 三大部分 偏置机构 执行机构 盘阀机构 压力分配机构 工作原理 偏置机构 执行机构 导向力方向 可伸缩的翼肋结构 液压活塞机构 导向力方向与翼肋伸出方向相反 工作原理 偏置机构 执行机构 导向力大小方向与接触象限有关 接触力 导向力 工作原理 盘阀机构 压力分配机构 上盘阀 下盘阀 控制轴 与控制机构相联 高压孔 低压孔 与翼肋伸缩的液压缸相通 工作原理 盘阀机构 压力分配机构 高压孔与翼肋相通位置关系 导向力大小方向控制 稳定平台输出特性 工作原理 稳定平台可调节式旋转导向钻井系统井下系统的核心 工作原理 稳定平台的作用 为井下控制系统提供栖身之所发电 实现井下姿态参数测量工具面角井斜角方位角 实现井下控制力调节大小方向 工具面 工作原理 稳定平台的控制原理 工作原理 影响稳定平台随动稳定的因素 井眼形状系统内部的摩擦力钻柱粘滑运动钻柱角运动及纵向 横向振动泥浆流体的摩擦力矩温度 压力 地质导向利用近钻头处实时采集的地质地层参数 超前预测和识别油气层 并根据需要调整井眼轨迹 引导钻头准确钻达油气富集区域 地质导向的技术关键是近钻头处地层参数 井眼轨迹参数和钻头工作参数的实时测量 国外对地质导向的研究始于八十年代末 主要有美国 英国 德国 法国和挪威等国家 1993年由Anadrill公司研制成功了钻井 测井综合评价系统 实现了地质导向 四 地质导向钻井 1 连续井眼轨迹控制 减少起下钻次数 2 近钻头处的井斜传感器减少了大斜度井 水平井的井斜误差 增强了井眼位移延伸的能力 减少了钻柱的摩阻 3 近钻头钻速传感器可帮助司钻最佳使用导向马达 提高机械钻速 延长马达的使用寿命 减少起下钻换钻具的时间 4 近钻头传感器使钻头处参数测量的滞后时间接近于零 能使井眼最大限度地保持在油气层内 5 方位伽马射线测量能在钻头处进行地层对比 这对探测标志层 确定套管下深和取心层位是非常有用的 同时还可使司钻确知是否钻穿地层的顶部或者底部 6 定性的电阻率测量能够实时显示油气和岩性 这对地层对比和确定油气水界面是非常有用的 7 方位电阻率可使司钻得知油水 油气和其它液相界面流体边界的方向 一 地质导向的优越性 钻井之前首先了解地质结构 把地震资料 邻井的相关测井资料和其他石油物理数据结合在一起进行分析 地震质料能揭示大量的地质地层特性 如地层倾角 断层 横向延伸以及不连续性 根据掌握的资料可绘出详细的油藏图 确定流体的接触情况 压力分布情况 以及油藏参数的空间变化 进行敏感性研究 以确定井眼位置对产能的影响 把以上资料 限制条件以及轨道设计中的不确定因素结合起来设计井眼轨道 同时对不同的方案进行成本或效益分析 可得到一个优化的目标和井眼轨道设计 设计与施工步骤 1 对大斜度井的预期目标建立依据 2 评估可用的地震资料 3 计算和评估邻井的测井数据 4 评估邻井 油田的生产数据 5 选择目标段 二 地质导向设计与施工 6 设计和优化井眼轨道剖面 7 确定目的层内井眼合适位置的允许误差及风险 8 完成钻井评估 完井计划 9 开钻 将垂直井段钻至造斜点并进行初始定向钻井 10 进行地质对比和目标控制 11 需要时在最后的造斜段调整井眼轨迹剖面 12 使钻头准确定位于水平井入口点处 13 监测大斜度井段的轨迹及导向能力 14 确定钻头的前探距离及预测异常情况的位置 15 对地质上的意外情况采取补救方法 必要时采取绕障法或做出侧钻决策 16 用关于井眼稳定性风险评价的最新资料来有效地确定总井深 17 根据达到的设计目标或已钻井段中所遇到的不可接受的风险值来确定总井深 三 地质导向系统地质导向系统是把井眼轨迹测量和地层特性参数测量的传感器以短节的形式装在近钻头位置 测量的数据通过MWD传到地面 供控制人员识别地下情况 调整井眼轨迹 1 地质导向系统的组成 地质导向系统 马达近钻头电阻率测井仪伽马射线测井仪几何参数测井仪 典型的地质导向BHA图 Anadrill公司研制的IDEAL系统 2 地质导向测量工具导向马达的壳体内安装多种传感器组件 使导向马达仪器化 工具直接与钻头相连 测量近钻头处的电阻率 自然伽玛 井斜及钻头转速等 1 近钻头电阻率工具 RAB RAB是一种仪器化的近钻头稳定器 直接与钻头相连 测量近钻头处的电阻率 自然伽玛 井斜和振动等参数 其最大特点是利用测得的数据进行地层评价 裂缝 薄产层或渗透性产层的检测 RAB的测量原理图 利用环状电极测电阻率 2 钻井参数测量工具测量井下的钻压 扭矩 钻头压降及环空压降等 3 动力脉冲MWD可测量井斜 方位和钻柱振动等参数 并用连续载波编码技术将数据传至地面 4 补偿双电阻率 CDR 及中子密度仪测井眼补偿感应电阻率 自然伽玛 中子密度等 随钻地层评价系统 概念自动垂直钻井系统实际上是垂直导向钻井系统 该系统利用自动变径工具 对钻头施加径向力 克服钻头的侧向力 自动纠斜 保证钻头垂直钻进 自动垂直钻井系统的研究始于80年代末 以德国 美国为代表 当时德国正实施KTB 超深井钻井 计划 自动垂直钻井系统是德国专为KTB计划而设计的 1988年到1992年 先后开发了5种型号的VDS系统 在钻进过程中可自动使井眼保持垂直 在KTB项目中 VDS系统共下井80多次 每次工作42小时 最大使用井深达到7200米 大部分的井井斜都小于10 最大的2 50 对井斜的控制取得了显著的效果 五 自动垂直钻井系统 VDS 1988 1992年 德国和美国联合研制了5种VDS垂直钻井系统VDS 1VDS 2VDS 3VDS 4VDS 5 1 VDS系统的基本原理VDS系统是在传动轴外壳上装有自动伸缩的扶正器的井下马达系统 系统由井下工具 压力传感器 地面控制装置和司钻显示器组成 工作原理在钻井过程中 当井眼偏离垂直方向而向某一方向造斜时 其内部的电子控制电路检测到井斜传感器测出的井斜信号 并通过控制电磁阀的电流 改变四个液缸内的压力 推动其上面的四个可伸展的翼肋 使其压靠并支撑井壁 同时利用井壁的反作用力推动钻头沿井斜相反的方向钻进 由于电子控制电路实时采集井斜数据 并对液缸加以控制 就保证了钻头始终以垂直状态钻进 2 导向装置工作方式为最大限度地增大导想作用力 导向工具应尽可能靠近钻头 导向装置有两种工作方式 近钻头外部导向近钻头内部导向 SD