旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)研究新進(jìn)展

摘 要

摘要：井下旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的核心部件，從應(yīng)用情況來看，指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具是發(fā)展的趨勢。為解決在鉆大位移井、水平分支井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井時(shí)出現(xiàn)的種種難題
摘要：井下旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的核心部件，從應(yīng)用情況來看，指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具是發(fā)展的趨勢。為解決在鉆大位移井、水平分支井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井時(shí)出現(xiàn)的種種難題以及國內(nèi)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的“瓶頸”問題，將理論與實(shí)踐相結(jié)合，對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀做了分析；介紹了目前國內(nèi)外運(yùn)用比較廣泛且典型的推靠式MRST和指向式Geo-Pilot井下閉環(huán)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具。在大量調(diào)研和文獻(xiàn)分析的基礎(chǔ)上，提出了研制與Geo-Pilot有所不同的新型指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的思路，并著重論述了其結(jié)構(gòu)與導(dǎo)向原理，總結(jié)出該指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的特性與優(yōu)點(diǎn)，提出了下一步的研究重點(diǎn)、難點(diǎn)與方向。
關(guān)鍵詞：水平井；大位移井；推靠式；指向式；旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井；偏置機(jī)構(gòu)；穩(wěn)定器；電子馬達(dá)
O 引言
近十幾年來，水平井、大位移井、多分支井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井和“海油陸采”的迅速發(fā)展，以及鉆井工藝對(duì)提高效率、降低成本、提高在惡劣環(huán)境和復(fù)雜地質(zhì)條件下鉆井能力等的要求，國內(nèi)外紛紛開展了對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的研究。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)是一項(xiàng)尖端的自動(dòng)化鉆井新技術(shù)，國外鉆井實(shí)踐證明，在水平井、大位移井、大斜度井、三維多目標(biāo)井中推廣應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)，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(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的核心，決定了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的工作特色和工作能力。
1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
目前國外三大石油公司Baker Hughes、Schlumberger和Halliburton通過各種方式分別形成了其各自商業(yè)化應(yīng)用的PowerDrive SRD、AutoTrak RCLS和Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，這3個(gè)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(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)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(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)；而后一種屬于指向式(point-the-bit)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)[1]。
    國內(nèi)開展這方面的研究工作較晚。20世紀(jì)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(shù)團(tuán)隊(duì)研制成功了CGDS-1近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向旋轉(zhuǎn)鉆井系統(tǒng)，在冀東、遼河等油田應(yīng)用15口井。另外，以張紹槐教授為首的研究團(tuán)隊(duì)，近年來與中國石化勝利油田合作，在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)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(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井居多，指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井的研究在國內(nèi)還處于“瓶頸”狀態(tài)。
2 典型井下閉環(huán)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具
2.1 MRST的組成及工作原理
調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具(MRST)屬于推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具(圖1)。由于其鉆柱與井壁之間不存在靜止點(diǎn)，因此，在鉆井過程中更可體現(xiàn)旋轉(zhuǎn)鉆井的優(yōu)越性[1]。調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)導(dǎo)向力的大小和方向主要是由穩(wěn)定平臺(tái)控制的。當(dāng)需要最大導(dǎo)向力時(shí)，穩(wěn)定平臺(tái)控制軸就帶動(dòng)上盤閥旋轉(zhuǎn)，使上盤閥穩(wěn)定在預(yù)定方向，控制上盤閥高壓孔方向恒定。在鉆柱旋轉(zhuǎn)過程中，每個(gè)“巴掌”依次在該方向附近伸出拍打井壁，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)對(duì)井壁的作用力就是這些拍打力的合力。這個(gè)合力的反力就是鉆柱受到的導(dǎo)向力，方向沿著上盤閥預(yù)定方向的反方向。當(dāng)不需要導(dǎo)向時(shí)，穩(wěn)定平臺(tái)帶動(dòng)上盤閥以和鉆柱具有不同的某一轉(zhuǎn)速勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)“巴掌”均勻拍打井壁四周，導(dǎo)向工具可控制的液壓導(dǎo)向力的合力就等于零，此時(shí)導(dǎo)向工具呈中性工作狀態(tài)，達(dá)到穩(wěn)斜效果。MRST液壓控制閥采用上、下盤閥結(jié)構(gòu)，上盤閥與穩(wěn)定平臺(tái)控制軸相連接，它只有一個(gè)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(zhuǎn)，它有3個(gè)互成120°圓心角的等直徑低壓孔(泄流孔)，見圖2。
 

2.2 Geo-Pilot的組成及工作原理
    Geo-Pilot[2～3]是一種不旋轉(zhuǎn)套式導(dǎo)向工具(圖3)，屬于指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)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(jìn)行導(dǎo)向，而是靠不旋轉(zhuǎn)套與萬向短節(jié)之間的一套偏心機(jī)構(gòu)使萬向軸偏置，從而為鉆頭提供了一個(gè)與井眼軸線不一致的傾角，產(chǎn)生導(dǎo)向作用。該機(jī)構(gòu)由幾個(gè)可控制的偏心環(huán)組合而成，當(dāng)井下自動(dòng)控制完成偏心環(huán)組合之后，該機(jī)構(gòu)將相對(duì)于不旋轉(zhuǎn)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(gè)方向固定的傾角。
 

3 新型指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具結(jié)構(gòu)與導(dǎo)向原理
    從應(yīng)用情況來看，指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具能夠更好地對(duì)井斜和方位進(jìn)行控制，具有更長的壽命，指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)是發(fā)展趨勢[2]。筆者經(jīng)過大量調(diào)研和相關(guān)文獻(xiàn)的分析，提出新型指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具與Geo Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具有些不同，并且還結(jié)合了少許推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的特性。
3.1 底部鉆具組合(BHA)
    新型指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具BHA結(jié)構(gòu)(圖4)由4個(gè)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(chǔ)器、螺線型電導(dǎo)管、隨鉆測量儀(MWD)及控制電路和傳感器。該指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具(圖5)包含兩個(gè)尤為重要的組成部分：一個(gè)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(gè)螺旋形刀鋒翼肋且相互“環(huán)布”連接，并為旋轉(zhuǎn)中心軸提供固定支點(diǎn)；另一個(gè)是水力偏置機(jī)構(gòu)，也可看著是一個(gè)特殊的“穩(wěn)定器”，因?yàn)樗怯刹恍D(zhuǎn)外套筒、電子馬達(dá)和放射狀偏心環(huán)組成，并且在不旋轉(zhuǎn)外套筒上安裝有3個(gè)水力驅(qū)動(dòng)“巴掌”，旋轉(zhuǎn)中心軸位于不旋轉(zhuǎn)外套筒內(nèi)依次穿過偏置系統(tǒng)和近鉆頭穩(wěn)定器。動(dòng)力模塊電子馬達(dá)位于中心軸和不旋轉(zhuǎn)套筒之間與控制電路相連[4～7]。

3.2 導(dǎo)向原理
    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(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具中的控制電路CPU接收到MWD總成中相關(guān)高端傳感器傳輸?shù)男盘?hào)(比如：井斜、方位)，然后經(jīng)由螺線形電導(dǎo)管傳輸給動(dòng)力模塊電子馬達(dá)，電子馬達(dá)給放射狀水力偏置系統(tǒng)提供動(dòng)力[5～6，8]，安裝在不旋轉(zhuǎn)套筒外部的“巴掌”伸出與井壁接觸，同時(shí)安裝在其內(nèi)部的偏心環(huán)旋轉(zhuǎn)。在“巴掌”和近鉆頭穩(wěn)定器支點(diǎn)共同作用下，鉆頭形成一偏角，即中心軸與不旋轉(zhuǎn)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(gè)方向的固定的傾角，從而使鉆頭的鉆井方向發(fā)生改變，對(duì)井斜和方位進(jìn)行糾正(見圖6-Ⅲ)。其中，鉆頭偏移角度不僅可調(diào)，而且在鉆井過程中將鉆桿傳遞的扭矩和鉆壓實(shí)時(shí)傳遞給鉆頭。同時(shí)，控制電路把信號(hào)轉(zhuǎn)化成泥漿脈沖信號(hào)，上傳給地面控制系統(tǒng)進(jìn)行分析。其導(dǎo)向原理如圖7所示。
 

4 新型指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的特性與優(yōu)點(diǎn)
    1) 穩(wěn)斜作業(yè)時(shí)，360°全方位計(jì)量、監(jiān)測，能實(shí)時(shí)地得到近鉆頭井徑大小，使得樞軸穩(wěn)定器能保證旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)不偏心，降低近鉆頭振動(dòng)，達(dá)到穩(wěn)斜目的。
    2) 連續(xù)、平滑鉆進(jìn)保證了井眼質(zhì)量和井身軌跡的規(guī)范。
    3) 導(dǎo)向作業(yè)時(shí)，樞軸穩(wěn)定器給鉆頭提供一個(gè)固定的支點(diǎn)以便指向鉆頭順利完成導(dǎo)向，并且支點(diǎn)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(shí)，電子控制模塊內(nèi)的幾何算法會(huì)使鉆頭的側(cè)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(shí)，該工具施予鉆頭一個(gè)最大的指向力以獲得預(yù)設(shè)的偏角(地質(zhì)導(dǎo)向直接中靶)[5]。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(qiáng)，壽命較長。
5 新型指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具今后研究的重點(diǎn)、難點(diǎn)及思路
    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(dòng)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(shè)計(jì)帶來相當(dāng)?shù)碾y度。針對(duì)目前指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)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(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具中心軸三維結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析，建立三維力學(xué)模型；②指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具控制軸強(qiáng)度和剛度有限元分析及計(jì)算，振動(dòng)模態(tài)分析；③指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具偏置機(jī)構(gòu)力學(xué)模型建立及仿真分析；④指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的下部鉆具組合力學(xué)分析；⑤指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)；⑥與指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具配伍的鉆頭優(yōu)選。
6 結(jié)論
    1) 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)是一個(gè)集機(jī)、電、液于一體的閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，并以旋轉(zhuǎn)鉆井為其技術(shù)特征，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具是整個(gè)導(dǎo)向系統(tǒng)的核心，而指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)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(dú)特的優(yōu)勢。
    2) 認(rèn)識(shí)、了解和掌握旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的特性和工作原理，并介紹了目前在國際上應(yīng)用比較廣泛的推靠式MRST和指向式Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具。
    3) 提出了研制與Geo-Pilot有所不同的新型指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具，并著重分析了其結(jié)構(gòu)與導(dǎo)向原理，總結(jié)了其特性和優(yōu)點(diǎn)，提出了今后研究的重點(diǎn)、難點(diǎn)及思路。
    4) 指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的優(yōu)越性顯而易見，但目前還有許多技術(shù)難題有待解決，發(fā)展?jié)摿艽?，需進(jìn)一步研究。
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(本文作者：熊繼有 溫杰文 榮繼光 李宸曉 “油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué))