偏心位移控制旋转导向钻井工具研制及关键技术.pdf

第 3 4卷 增刊 2 0 1 2年 9月 石 油 钻 采 工 艺 OI L DRI L L I NG P RODUC T I ON T E C HNOL OG Y Vo 1 ． 3 4 S up ． S e p t ．2 01 2 文章编号 1 0 0 0 7 3 9 32 0 1 2 S O 一0 0 0 1 0 4 偏 心位移控 制旋转 导 向钻 井工具研 制及关键 技术 蒋 世全 李 汉兴 傅 鑫 生 陈 红 新 程 载 斌 吴光 武 1 ． 中海油研 究总院 ， 北京1 0 0 0 2 7 ；2 ． 西安石 油大学， 陕西西安7 1 0 0 6 5 引用格式 蒋世全， 李汉兴， 傅鑫生， 等． 偏心位移控制旋转导向钻井工具研制及关键技术[ J ] ． 石油钻采工艺， 2 0 1 2 ， 3 4 S 0 1 ． 4． 摘要在概括旋转导向钻井技术应用现状的基础上， 介绍了偏心位移控制旋转导向钻井工具的工作原理， 重点讨论其关键 技 术点 ， 论述工具 面稳定及控制 方法 ， 阐述 了双 向信 息传输 系统的的 实现过程 ， 通过 系统试验证 明研 制的旋转导向钻井 系统初 步实现了稳斜、 造斜、 扭方位功能， 现场试验最大造斜率达到 3 ． 4 1 o ／ 3 0 m。 关键词钻井；旋转导向；偏心位移；工具面；双向信息传输 中图分类号T E 2 4 文献标识码A De ve l o pme n t o f e c c e n t r i c - - s hi f t i ng - - c o nt r o l r o t a r y - - s t e e r i ng dr i l l i ng t o o l a nd ke y t e c h no l o g y J I A N G S h i q u a n ， L I H a n x i n g ‘ ，F U X i n s h e n g 2，C H E N H o n g x i n ， C H E N G Z a i b i n ， WU G u a n g w u 1 C NO ON CR e s e a r c hI n s t i t u t e ， B e ij i n g1 0 0 0 2 7 ， C h i n a ； 2 Xi ’ a nP e t r o l e u m U n i v e r s i ty ， X i ’ a n 7 1 0 0 6 5 ， C h i n a Ab s t r a c t Th i s pa pe r s u mm a r i z e s t h e wo r ki n g p r i n c i pl e o f e c c e n i c - s h i f t i ng -- c o n o l l e d r o t a r y s t e e r i n g d r i l l i ng t o o l s b a s e d o n t h e s t a t u s o f r o t a ry s t e e r i n g d r i l l i n g t e c h n o l o g y , f o c u s i n g o n d i s c u s s i o n o f k e y t e c h n i c a l p o i n t s o f t h e e c c e n i c s h i R i n g c o n t r o l l e d r o t a r y s t e e r i n g d r i l l i n g t o o l ， d e s c r i b i n g t h e t o o l f a c e s t a b i l i z a t i o n a n d c o n t r o l me t h o d a nd s e i n g f o nh t he r e a l i z a t i o n pr o c e s s o f d u a l d i r e c t i o n i n f o r ma t i o n t r a n s mi s s i o n s ys t e m ． The s y s t e m t e s t s ha ve p r o v e d t h a t t h e r o t a r y - s t e e r i n g d r i l l i n g s y s t e m h a s p r e l i mi n a r i l y a c h i e v e d t h e f u n c t i o n s o f a n g l e h o l d i n g ， a n g l e b u i l d i n g a n d a z i mu t h a d j u s t i n g ， t h e ma x i mu m b u i l d ． u p r a t e o f t e s t we l l i s 3 ． 4 1 。 ／ 3 0 m． Ke y wo r d s d r i l l i n g ； r o t a r y - -s t e e r i n g ； e c c e n t r i c s h i f t i n g ； t o o l f a c e ； d u a l - -i n f o r m a t i o n t r a n s mi s s i o n 1 旋转导向钻井系统特点及国内外应用现状 旋转导向钻井系统是在钻柱旋转状态下进行井 眼轨迹控制的一种自动化钻井系统， 代表了当前钻 井技术的前沿和发展方 向 J 。该技术 2 0 世纪 8 0年 代出现， 9 0 年代末开始商业应用， 与传统的滑动导向 钻井相 比， 具有井 眼轨迹控制精度高 、 钻出的井眼光 滑、 狗腿度小 、 摩阻和扭矩小 、 钻井极限位移大、 井下 事故少 、 钻速快 、 综合成本较低等优点 ， 因此可 以满 足水平井、 大位移井、 三维多目标井等高难度特殊工 艺井导 向钻井需求 。 。 国外已有多家油 田服务公司成功应用旋转导向 钻井系统， 其中以 B a k e r H u g h e s 公司、 S c h l u m b e r g e r 公 司、 和 Hu l l i b o r t o n公司的旋转导向钻井 系统最具 代表性 ， 占据了全世界大部分市场 ， 在使用 中发现问 题后不断改进和升级 ， 性 能不断改善。油 田使用情 况表 明， 由于井下所 钻地层 的复杂性大长细 比钻柱 及其下部钻柱性 能的复杂性、 以及导向工具本身能 力 的局 限性 ， 真正意义的 自动化钻井技术还需要长 时间的不懈努力和发展 。国内已有多家单位研究该 项技术， 但 目前没有形成应用产品。已有的文献讨 论了其机械设计原理和相关的理论分析及试验研究 基金项 目国家 8 6 3计划 “ 旋转导向钻井 系统工程 化技 术研 究” 编号 2 0 0 7 A A0 9 0 8 0 1 部分研究成果。 作者简介蒋世全， 1 9 5 8 年生。1 9 8 2年毕业于西南石油学院油气田开发 系钻井专业， 1 9 9 4 年获博士学位， 现任 中海油研究总院研发中 心钻完井首席工程师， 从事深水钻完井及旋转导向钻井技术研究工作， 教授级高级工程师。电话0 1 0 8 4 5 2 2 5 9 1 。E ma i l j i a n g s h q c n o o c ． c o m．c n 。注参加该项 目 研究的主要人员还有姜伟、 周静、 牛海峰、 李峰飞等。 2 石油钻采工艺2 0 1 2年 9月 第 3 4卷 增刊 工作 ， 但对旋转导 向工具 的测控 系统等关键技术讨 论较少 1 - 1 2 3 0 笔者研制 的原理样机在 2 0 0 5年进行了 1 次海 上下井试验 ⋯。目前已完成十多次钻井下井试验， 研究完善工作仍在进行。本论文主要讨论系统的工 作原理及关键技术 ， 如工具 面控制算法调整及补偿 和稳定方法 、 负脉冲下传方法 、 旋转导 向下部钻具组 合的多体动力学仿真试验研究等。 2 偏心位移控制旋转导 向钻井工具的工作 原理 旋转导向钻井系统是一个集机、 电、 液于一体的 井下工具系统， 主要由井下导向工具、 柔性短节、 井 下工程参数测量工具、 MWD或 L WD等随钻测量系 统以及地面计算机监控 系统组成 J 。 该旋转导 向工具通过偏心执行机构来实现井眼 轨迹控制。导向机构 由 3 个互成 1 2 0 。 角的翼肋及其 驱动液缸组成。3 个翼肋的伸缩彼此独立。在钻进 过程中， 钻井液通过驱动轴上 的小孔进入翼肋驱动 液缸 。在钻柱内外钻井液压差作用下 ， 3个翼肋被驱 动而伸出， 并与井壁相接触 。 3 个翼肋不同伸出量在钻具的相应位置形成 一 个偏心位移矢量， 使旋转导向工具轴线偏离井 眼中心线。这样在钻进过程中， 旋转导向工具可等 效为一个弯角可调的弯接头 ， 可以通过调整 3 个翼 肋的偏心位移矢量， 形成不同的工具面角和弯接 头弯角 _ 。 3 偏心位移控制旋转导向钻井系统关键技术 3 ． 1 旋转导向工具面稳定及控制 如前所述， 在导向钻井中， 不旋转套上的 3 个翼 肋紧贴井壁， 其伸出位移矢量和形成了井眼轨迹需 要 的偏心矢量 ， 通过控制偏心矢量大小及方 向达到 控制轨迹的目的。因此需要保持外套相对主轴不旋 转或旋转较慢 ， 才能保证工具面稳定在要求范围之 内。本项 目在原有研究基础上 ， 设计 了一种新型滚 轮稳定器 ， 此滚轮稳定器安装于外套上 ， 对外套 的旋 转起到了一定的抑制作用， 其结构如图 1 所示。 图 1 新型螺旋滚轮稳 定器 然而 ， 由于存在旋转轴与外套 的摩擦力矩 ， 外套 与井壁 之间摩擦力矩以及井壁不规则等因素 ， 外套 有可能随主轴缓慢转动， 而这将使偏心位移矢量方 向改变， 由此需通过特定的控制算法进一步对其进 行调整和补偿。 3 ． 1 ． 1 控 制 目标当工具面角 由于外套 工具面稳 定平 台 转动及其它各种原因变化且超过设定 目标 工具面角度值时， 工具开始测量 3 个翼肋的位置 以 工具面角表示 ， 据此选择新 的 3 个翼肋位 移 ， 形成 新的偏心位移矢量。 3 ． 1 ． 2 控制过程随钻实时监测不旋转套工具面角 的变化 ， 井下每 2 0 ms 巡检一次 。 1 地面操作者根据命令表下达目 标工具面角。 2 井下每 2 0 ms 巡检一次下行通道命令 ， 接到 命令后， 刷新目标工具面角。 3 井 下每 2 0 ms 巡检一次 目标工具 面与 当前 工具面的角度差 。 4 角度差超过角度值设定值时 ， 根据偏差角度 取出新的三翼肋位移， 形成新的偏心位移矢量。 5 调用 自子程序完成三翼肋伸缩 ， 达到控制位移。 整个调整过程如 图 2所示 。旋转导向工具的机 构是个液压系统， 在控制系统发出指令后 ， 需要一定 的时间翼肋才能伸缩到位， 因此为了保证控制精度， 调整时设置了补偿角度， 这种补偿算法可进一步提 高控制精度。 图 2工具 面调 整 控 制 示 意 图 3 ． 1 ． 3 控制手段借助控制电磁阀的开关 以改变液 压缸伸出和收回方向， 在钻头压差 的作用下 ， 控制翼 肋伸缩。钻头压差的大小和开阀时间长短以及开阀 次数 ， 决定了翼肋伸缩的快慢。 3 ． 2 双向信息传输 双向信息传输系统是旋转导向钻井系统中重要 的环节 ， 是实现井下和地面进行信息交换 的纽带 ， 分 为上行通道和下行通道。井下测控系统在线监测井 底工况及导 向工具的姿态信息等参数 ， 通过上行通 道传递给地面， 地面通过监测的参数信息及设计的 4 石油钻采工艺 2 0 1 2年 9月 第 3 4卷 增刊 讯功能 ， 试验表明了三翼肋 的偏心对工具导向的主导 作用。 2 0 1 1 年 ， 在上述钻采基 地 ， 又进行 了包 括旋转 导 向钻井井 下工具 系统 、 钻井工程参数测量 系统 、 MWD随钻测量 系统 、 控制指令下传系统和地面监 控系统在内的整个旋转导向钻井系统的联合现场试 验 ， 从 6 0 1 1 0 6 2 1 T I 累计钻进进尺 4 5 1 n l ， 试验 了控 制指令 的发送与井下解码 、 测控信息上传、 钻井工程 参数实时测量、 地面监控、 旋转导向钻井工具的导向 特I生 稳斜、 增斜、 扭方位 等关键技术内容。试验结 果表明， 研制的旋转导 向钻井系统初步实现 了稳斜 、 造斜和扭方位功能， 最大造斜率达到 3 ． 4 1 。 ／ 3 0 1 T I 。 5 结论与建议 1 旋转导 向钻井 系统工程试验样机 ， 成功实现 翼肋双向位移控制技术 、 井下工具面测量 、 井底与地 面双向通讯及工具 内部 的通讯等核心关键技术。 2 十多井次 的钻井现场下井试验结果表明 ， 旋 转导向钻井工具可较好地稳定工具面 ， 加入井下控 制及补偿算法后有望进一步提高工具面稳定性。 3 目前的旋转导向钻井工具形成偏心的驱动力 直接来 自钻柱 内外压差 ， 由于近钻头的钻柱 内外压 差受钻井工程参数的限制 ， 可能 出现驱动力不足 的 现象 。后续工作可考虑采用井下泥浆发电机驱动 电 机一泵液压系统作为系统驱动动力， 提高旋转导向 系统适应现场作业的能力 。 参考文献 [ 2] [ 3] [ 4] 蒋世全， 姜伟， 付鑫生， 等 ． 旋转导向钻井技术研究进展 [ A] ／ ／ 第六届全国石油钻井院所长会议论文集 [ c]． 北京 石油工业 出版社 ， 2 0 0 6 1 7 6 1 8 2 ． 姜伟， 蒋世全， 傅鑫生， 等 ． 可控三位轨迹钻井技术[ M ] ． 北京 石油工业 出版社 ， 2 0 1 0 ． 姜伟， 蒋世全， 傅鑫生， 等 ． 我国旋转导向钻井系统的研 究应用与展望 [ J ] ． 石油钻采工艺， 2 0 0 8 ， 3 0 5 2 1 2 4 ． 姜伟 ． 旋转导向钻井偏心稳定器横向振动研究 [ J ]． 中国海上油气 ， 2 0 0 6 ， 1 8 5 3 3 0 3 3 3 ． [ 5 ] 李汉兴， 姜伟， 高德利 ． 可控偏心器旋转导向钻具组合 的性能分析 [ A] ／ ／ 第六届全国石油钻井院所长会议论 文集 [ c]． 北京石油工业出版社， 2 0 0 6 3 7 3 ． 3 7 8 ． [ 6 ] 苏义脑．井下控制工程学研究进展 [ M ] ．北京石油 工 业 出版社 。 2 0 0 1 2 0 ． 21 ． [ 7] 闫文辉， 彭勇， 张绍槐 ． 旋转导向钻井工具的研制原理 [ J ]． 石油学报， 2 0 0 5 ， 2 6 5 9 4 ． 9 7 ． [ 8] 李汉兴， 姜伟， 蒋世全 ． 可控偏心器旋转导向钻井工具 偏心位移控制研 究 [ J ]． 中国海上油气， 2 0 0 8 ， 2 0 3 l 8 4 ． 1 8 8 ． [ 9] 李汉兴， 姜伟， 蒋世全， 等 ． 可控偏心器旋转导向钻井工 具研制与现场试验 [ J ]． 石油机械， 2 0 0 8 ， 3 5 9 7 1 ． 7 4 ． [ 1 0 ] 张绍槐 ， 狄勤丰 ． 用旋转导向钻井系统钻大位移井[ J ] ． 石油学报 ， 2 0 0 0 ， 2 1 1 7 6 ． 8 0 ． [ 1 1 ] 胡金艳， 周静， 傅鑫生 ． 用可控偏心器实现井眼轨迹的 闭环控制 [ J ]． 天然气工业， 2 0 0 2 ， 2 2 6 5 9 ． 6 1 ． 1 1 2 J Z HOU J i n g ， F U Xi n g s h e n g ． A me t h o d t o r e a l i z e t h e s u r f a c e t o d o w n h o l e c o mmu n i c a t i o n w h i l e d r i l l i n g[ R] ． S P E 5 9 2 6 8 ． 1 1 3] BA RR U D， C L E GG J M， R US S E L L M K． S t e e r a b l e r o t a r y d r i l l i n g wi t h a n e x p e r i me n t a l s y s t e m [ R]． S P E ／ I ADC 2 9 3 8 2 ． [ 1 4] B AR R J D， C L E GG J M， R US S E L L M K． S t e e r a b l e r o t a ry d r i l l i n g wi t h a n e x p e r i me n t a l s y s t e m l R J． S P E 2 93 82 ． [ 1 5] D OWNT O N G， H E NDR I C K S A， KL AUS E NT S ， e t a 1 ． Ne w d i r e c t i o n s i n r o t a ry s t e e r i n g d r i l l i n g l J j． Oi l fi e l d R e v i e w , 2 0 0 0 ， 1 2 1 1 8 - 2 9 ． 1 1 6] S A ND R O P o l i ， F R ANC O D o n a t ， J O AC H I M O p p e l t ， e t a 1 ． Ad v a n c e d t o o l s f o r a d v a n c e d we l l r o t a ry c l o s e d l o o p d r i l l i n g s y s t e m l R J． S P E 3 6 8 8 4 ． 1 l 7] F R A NC O Do n a t ， J O AC H I M O p p e l t ， D E T L E F R o g n i t z ， e t a 1 ． I n n o v a t i v e r o t a r y c l o s e d l o o p d r i l l i n g s y s t e m [ R J ． S P E 3 9 3 2 8 ． 修 改稿收到 日期 2 0 1 2 0 7 ． 2 7 [ 编辑付丽霞 ]