29、中海石油研究中心]旋转导向钻井技术研究进展.doc

第六届全国石油钻井院所长会议论文集旋转导向钻井技术研究进展蒋世全 姜 伟 付鑫生 盛利民（中海石油研究中心，西安石油大学，中石油钻井所，中海油田服务公司）1 国内外研制应用状况旋转导向钻井系统的概念和原理机的研究起源于80年代。90年代前期进入了实质性的工业性试验阶段。表1是旋转导向钻井系统初期应用研究情况。表1 旋转导向钻井系统初期应用研究情况项目名称开发单位立项时间样机下井时间自动垂直钻井系统VDS德国KTB工程1988年自动定向钻井系统ADD美国能源部1991年9月旋转导向钻井系统SRD英国Camco/法国Schlumberger1992年1994年6月旋转闭环钻井系统RCLS意大利Agip/美国Baker Hughes1993年1995年自动导向钻井系统AGS英国Cambridge1993年6月报道泥浆动力可控旋转导向钻井系统中海石油研究中心、西安石油大学、中石油钻井所等2001年2005年12月旋转导向钻井系统工具的核心部件，就是液压驱动可径向伸出的叶片（翼肋）。这种叶片在井壁上产生一种由井下电子仪器系统控制其大小和方向的径向接触力。而由三个翼肋接触力的综合作用来实现按需要的井眼方向钻进。这种旋转导向钻井系统目前主要有三个特征：（1）在钻柱旋转时，能够控制井斜和方位；（2）能够通过上传信号让地面跟踪实钻井眼轨道；（3）能够直接下传指令调整井眼轨道（地面干预）。进入商业应用的旋转导向工具首先是Camco/Schlumberger 的SRD系统。SRD系统从1997年第一次用6.25in井下工具商业应用以来，Agip/Baker Hughes的RCLS系统也开始商业中应用，RCLS系统1995年11月第一次样机下井实验，首先挪威北海，意大利Adriatric海上应用。到目前在国外有20多家公司投资研究旋转导向钻井工具，三家大公司已大规模投入商业应用，在几千口井中得到应用，产值超过几十亿美圆，在我国海上油田应用也近150多口井，总产值近亿美圆。综合考虑旋转导向工具导向方式和偏置方式，目前形成的旋转导向钻井系统按工作模式可分为三种：静态偏置推靠式、调制式（动态偏置推靠式）、静态偏置指向式，从应用情况来看，指向式是旋转导向钻井系统的发展趋势。我国在旋转导向工具研究方面，1993年开始研究，近期取得了一些实质性进展。2 国内研制回顾19891991年，石油勘探开发研究院钻井所，苏义脑等进行了“井眼轨道制导”技术的可行性研究，完成了自动井斜角控制器设计，并申报了专利。1993年西安石油学院傅鑫生的科研组开始研究“井下闭环旋转导向智能钻井”技术，1994年春拟订了总体方案，并进行了系统总体设计；19951997年与张绍槐获国家自然科学基金资助，进行“井眼轨迹制导智能钻井的实验与理论研究”；1996年起承担了中国石油天然气集团公司“九五”攻关项目：“可控偏心器”原理样机的研制工作。1997年，中海石油研究中心牵头国家863项目“海底大位移井钻井技术”，与渤海石油公司、西安石油学院三家合作，共同研究开发了用于二维井眼轨迹控制的“井下闭环可变径稳定器”样机，取得初步成果，于2000年11月通过国家科技部组织的验收，获得中国海洋石油总公司科技进步一等奖。该课题成果为可控三维井眼轨迹钻井技术研究奠定了良好的基础。2000年，新星石油公司钻井研究所也已立项，对国外旋转自动导向钻井技术及工具、仪器进行调查研究，并专门派团赴国外考察。2001年中石化胜利油田钻井院与西安石油大学合作承担了国家863前沿课题：“旋转导向钻井系统整体方案设计及关键技术研究”。2001年，中海石油研究中心牵头的国家863课题：“可控（闭环）三维轨迹钻井技术”研究中，西安石油学院承担了“旋转导向工具技术研究”，该项目在2005年11月18日完成了海上下井试验，2006年1月5日通过国家863计划项目验收，这是国内在旋转导向系统研究方面取得的第一个标志性成果，评价为达到90年代国际先进水平，傅鑫生领导的课题小组在项目中起到了核心作用。3 项目成果简介3.1 成果概述2005年完成开发了一套旋转导向钻井系统，它包括：旋转导向执行装置，包括：工具姿态测量、嵌入式数据采集、井下机电控制器:井下翼肋位移控制方法与装置、随钻测控工具的井口快速连接技术与装置、井下滑环连接器、负脉冲与振动复合下行通道解码方法与井下解码装置、井下实时多任务软件操作系统及硬件测控和多机通讯系统等创新技术，与装置的集成井下随钻电阻率、自然伽玛地质参数测量装置；井下环空压力、钻压、扭矩、侧向力工程参数测量装置；信息上传和下传装置及地面信息处理装置等部分关键技术组成。该项技术具有独立的自主知识产权，获得多项专利，在导向工具执行机构的偏心控制和震动下传信息通道等技术方面，具有独立创新，见图1。钻井信息处理控制中心井下闭环地面监控装置下 行通 道井下闭环旋转导向工具接 口上传通道（MWD）接 口井下数据地面接收与处理装置地面部分井 下 部 分钻头图 1 系统连接和信息流框电 阻 率g 探 测 器接口接 口钻压、扭矩探测器接口接 口在本项研究中可控偏心器下井样机由导向单元、承载轴和不旋转轴套、定位总成、电子舱和电子模块、滑环和快速连接头等部分构成。偏心执行机构，即导向单元是可控偏心器的井下部分主体，它有三个独立调控的翼肋，翼肋伸出贴井壁形成偏心矢量。翼肋贴井壁力（伸出量）的大小是根据翼肋空间姿态及目标调控方向，由CPU和状态测试元件、控制执行环节构成的闭环系统控制的。工程和地质探测器是为探测钻头状态和周围介质参数设置的，根据轨道预测结果和实际钻进环境调整偏心矢量大小。偏心器工作在几千米深井底，偏心矢量状态及轨迹控制效果受地面监控，为此，稳定器井下部分还包括与地面交换信息所必须的双向信息通道。地面监控装置包括井下、地面数据采集、处理、解释、判断与决策系统和信息的接收、发送设备。3.2 泥浆动力可控偏心器研制泥浆动力可控偏心器由西安石油大学研制完成，见图2。泥浆动力方案指钻井工具依靠环空内外压差造成钻头偏离井轴线而起导向作用的一种旋转导向工具方案。在钻头上部有一个不旋转外套用作导向控制基准。图2 泥浆动力可控偏心器部分结构图3.3 电阻率短节和伽玛测量仪研制 电阻率短节和伽玛测量仪由中石油钻井所完成，见图3。电阻率短节通过激励线圈沿钻铤方向激发轴向电流，在测量点处设置测量线圈或电极环接收测量电流，通过模型转换将测量电流转换为对应地层电阻，通过标准化输出将其转换为标准测井曲线。 图3 电阻率短节和伽玛测量仪实验样机伽玛测量仪是利用伽玛射线与地层的作用的光电效应、康普顿效应、电子对效应等原理来测量探头附近地层中的自然伽玛射线，它是一种无源装置，能够较好的区分地层岩性：估算地层的泥质含量；划分渗透层。从理论上解决了电阻率传感器的物理模型问题，通过对电阻率传感器理论模型的分析、计算和优化结构参数，对地层模型模拟仿真，从室内模拟实验、修改、制作；完成了7次的下井实验和改进。自主研究的MWD编码技术与通讯协议为国内MWD技术提供了一个技术标准。从单纯仿制提升到自主研发，井下主控系统控制技术打造了自有井下控制平台。3.4 泥浆正脉冲发生器研制泥浆正脉冲发生器由中天启明公司与中海油田服务公司完成，见图4。研制出一套泥浆正脉冲发生器，及相配套的专用拆装维修工具和专用的现场作业工具和泥浆脉冲器性能测试台架和高温振动试验台，集泥浆脉冲的产生和涡轮发电为一体，脉冲器驱动和探管提供电力，具有较好的工作稳定性和使用寿命。进行了多轮下井试验证明其性能达到了设计指标，基本具备产业化的条件。在海上油田进行了初步的生产应用，效果良好。与国内其它单位研究的泥浆脉冲器相比具有创新性，脉冲器的转子内装有驱动磁铁，主轴内装有从动磁铁，泥浆驱动脉冲器的转子转动时，带动主轴旋转，主轴的一端是斜盘，另一端是发电机的转子。斜盘的转动使柱塞泵的六个柱塞交替往复工作，同时主轴末端的发电机转子旋转，发电机磁铁与发电机线圈切割磁力线，使线圈产生感应电动势，形成三相高频交流电。通过插座输出至探管，以供探管使用。 图4 泥浆正脉冲发生器研制示意图脉冲器的关键部件脉冲器本体置于一个保护外筒中，里面充满液压油，使运动件具有一个良好的工作环境，大大提高了关键运动件的使用寿命。3.5 井下工程参数测量仪研制井下工程参数测量仪由中海石油研究中心提出方案，西南石油大学研制完成，见图5。该工具为现场技术人员提供实时掌握和分析井下钻具的工作情况和环空状况。在近钻头的测试中，能够同时测量钻压、扭矩、井下环空压力和钻头侧向力的工程参数测量仪，将采用新的传感元件以适应和满足旋转导向钻井技术及常规钻井技术的要求。井下工程参数测试仪的研制与开发，包括新型传感器研究、模拟软件开发、有限元分析、方案设计、实验室标定试验、现场应用试验研究。图5 测量钻压方案结构示意图本项目研究的井下工程参数测量仪共使用了九个应变电桥来测量钻压、扭矩、和两个正交方向上的弯曲应力以及井下环空压力，其中六个应变电桥是用来测量两个正交方向上三个截面的弯曲应力的，通过数据处理获得钻头和扶正器上的侧向力；测量钻压、扭矩和井下环空压力的应变元件各自组成一个电桥。3.6 系统集成可控三维轨迹旋转导向钻井系统各部分界面划分原则采用模块化结构。系统各部分由承担各方独立开发，将各部分形成系统后需进行系统集成工作。旋转导向钻井工具、地质参数测量、工程参数测量和MWD等四个部分的软硬件均采用模块化结构，它们相对独立，自成体系，分别完成测量、控制和传输功能。各模块有独立的传感器、供电系统、数据采集处理存储系统。且每个部件的功能可以不依赖其它模块独立完成。旋转导向工具同样是按模块化原则，将各部分按功能：传输-测量-控制-导向执行等组合，通过硬软件集合而成的。在实施方案中，“设计轨迹”并未参与轨迹控制，轨迹控制是通过下行指令来完成的。地面系统与录井信息系统的通信。地面系统与录井信息系统间的通讯采用TCP/IP协议，其数据格式采用wits0格式。地面系统向录井信息系统提供数据时使用了wits0的rec7和rec8记录。录井信息系统向地面系统提供数据时使用了wits0的rec1记录。提供数据一方开启服务端口，一旦有客户机请求，便建立连接，不断向客户机提供数据。系统对接专门设计了相应的RS232通讯电路：MWD子系统采用的是单一总线结构的半双工通讯方式（即BUS总线），而各测量子系统采用的三总线结构的全双工通讯方式（即RS232总线），为此专门设计了专用的BUS总线与RS232总线接口转换接头，从通讯方式上解决了半双工与全双工的通讯问题，从电路上解决了信号电平的匹配问题，从而有效地解决了MWD子系统与各测量子系统间的总线通讯问题，见图6。地面系统主要由前端机、计算机和系统软件，以及各路地面传感器组成。通过立管传感器将井下脉冲发生器传到地面的压力脉冲信号进行检测和解码；通过泵冲传感器实时将泥浆泵的噪声信号采集到计算机中，以便去除信号中所含的泵的噪声信号，有利于信号的检测；通过钩载和绞车传感器输入到计算机中的信号，经相关程序判断钻井的起下钻状态，最终给出实际的实钻深度。地面接收到数据的处理与显示。图6 系统中导向工具的信息流向示意图4 下井应用情况2005.12.911日在渤海油田LD5-2-A1井进行了可控旋转导向工具及其系统的第1次海上油田钻井试验，见图7，试验情况如下：命令1命令3命令1发命令时段钻进钻柱内压力钻柱外压力图7 泥浆动力可控偏心器试验样机试验软件界面2005.12.10 17：20开始下井；2005.12.11 5:00下到井底，并开始旋转导向轨迹控制作业，每隔30m发控制指令，共发四个指令；2005.12.11 13:00钻至井底，起钻并开始进行LWD测试。操作指令及试验结果如下表所示：操作指令测点位置m井斜方位造斜率/30m扭方位/30m强增斜/弱降方位3018.0058.7014.40-0.16-0.49强增斜/弱增方位3048.0059.5014.901.00.4弱增斜/强增方位3078.0059.8014.700.60.4稳 斜3108.0059.8014.900.00.43136.4359.8014.700.0-0.21作业者应用的意见及建议：（1）从试验结果看，在118.43m的进尺中，实现了增斜、稳斜、稳方位操作，旋转导向工具在井下工作正常；（2）建议在目前泵压条件下，进一步提高工具的导向能力，加强增斜、降斜和扭方位效果；（3）为了获得更大的造斜率，建议参考AutoTrak和Geo-polit等国外同类型产品在导向工具之上增加柔性短节。致谢本课题得到了国家863计划近两个五年计划的资助，感谢国家科技部和孙洪、孙清、何生厚、琏连、刘立名等领导的支持和帮助；感谢孙振纯、苏义脑、张武辇、张钧等专家多年的关怀和指导；