基于顶部驱动的滑动钻井导向控制技术.pdf

2 0 1 3年第 4 1 卷第 3期 石 油机械 CHI NA P ET ROL EUM MAC HI NE RY ●钻井技术与装备 基 于顶部驱动 的滑动钻 井导 向控制技术 徐 文 刘新 立 马 雒建胜 宋绍军 王 1 ．北京石油机械厂 瑞 邹连 阳 霞 杨 波 2 ．川庆钻探 工程公 司 赵 静 唐有胜 摘要 将北京石油机械厂顶驱 的主轴旋 转定位技术与 MWP随钻测量仪相结合，设计并实现 了基于顶部驱动钻井和井下动力钻具组合 的顶驱滑动钻 井导 向控制 系统。该系统由顶部驱动钻井 装置、人机交互界面、井下动力钻具 以及 M WD随钻测量工具等 4部分组成 ，将顶驱和 井下动力 钻具相结合 ，实现对旋转钻柱包括转速 、转 向、角度在 内的完全控制，并可根据井下实时反馈 的 井眼轨迹信息，实现滑动钻井之前工具面的设置 以及滑动钻进过程 中工具面的实时监控和动态调 整。 内蒙 S N O1 1 61 9 H定 向井项 目的实际应用结果表 明，该技术能够显著提升定 向井钻进作业的 整体时效和井眼质量 ，同时也为导 向钻井的闭环控制和 自动化控制奠定 了基础。 关键词 顶部驱动；滑动钻井；MWD；导向；闭环钻井 中图分类号 T E 9 2 1 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 3 ． 0 3 ． 0 0 6 To p Dr i v e - b a s e d S t e e r i n g Co n t r o l Te c h n o l o g y f o r S l i d e Dr i l l i n g X u We n L i u Xi n l i Ma R u i Z o u L i a n y a n g Z h a o J i n g L u o J i a n s h e n g S o n g S h a u n Wa n g X i a Y a n g B o T a n g Y o u s h e n g 1 ． B e ij i n g P e t r o l e u m Ma c h i n e r y P l a n t 2 ． C h u a n q i n g D r i l l i n g a n d E x p l o r a t i o n E n g i n e e r i n g C o m p a n y Ab s t r a c t Co mb i ni ng t he s p i n d l e r o t a t i o n a nd p o s i t i o ni n g t e c h n o l o g y o f Be i s h i t o p d riv e d ril l i n g s y s t e m wi t h m e a s u r e me n t w h i l e d ri l l i n g MWDi n s t r u m e n t ， t h i s p a p e r p r e s e n t s t h e d e s i g n o f t h e t o p d r i v e s t e e ri n g c o n t r o l s y s t e rn f o r s l i de d ril l i n g b a s e d o n t o p d r i v e d r i l l i n g a n d d o wn h o l e p o we r d r i l l t o o l a s s e mb l y ． T he s y s t e m c o ns i s t s o f t o p d r i v e d ril l i n g de v i c e，ma n- ma c h i n e i n t e r f a c e，d o wn h o l e p o we r d ril l t o o l a n d MW D t o o 1 ． To p driv e a n d d o wn h o l e p o we r d r i l l t o o l a r e c o mb i n e d i n o r d e r t o a c h i e v e t h e c o mp l e t e c o n t r o l o f r o t a t i n g d ril l s t rin g i n c l ud i n g r o t a t i o n s p e e d ， s t e e ri n g a n d a n g l e ． T h e s e t t i n g o f t o o l f a c e a n d t h e r e a l t i me mo n i t o r i n g a n d d y n a m i c a d j u s t me n t o f t o o l f a c e i n t h e p r o c e s s o f s l i d e d r i l l i n g c a n b e a c h i e v e d a c c o r d i n g t o t h e d o w n h o l e f e e d b a c k i n f o r m a t i o n o f h o l e t r a j e c t o r y ． T h e p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n i n t h e S N O 1 1 61 9 H d i r e c t i o n a l w e l l p r o j e c t i n I n n e r Mo n g o l i a s h o w s t h a t t h e t e c h n o l o gy c a n r e ma r ka b l y i mpr o v e t h e t i me e ffi c i e n c y a nd ho l e q ua l i t y o f d i r e c t i o na l d ril l i ng o pe r a t i o n ．Me a n wh i l e，i t ha s l a i d t h e f o u n d a t i o n for t h e c l o s e d l o o p c o n t r o l a n d a u t o ma t i c c o n t r o l o f s t e e r i n g d r i l l i n g ． Ke y wo r d s t o p d r i v e ；s l i d e d r i l l i n g ；MWD；s t e e r i n g ；c l o s e d - l o o p d ri l l i n g 0 引 言 2 0世纪 8 0年代 以来 ，随着油气藏开发难度的 增加以及测量技术 的发展 ，尤其是高可靠性 MWD 随钻测量工具的成功应用 ，各种新型螺杆钻具相继 出现 ，大大加快了高难度定 向井和水平井的钻井速 度 ，逐步形成 了连续控制井眼轨迹的滑动导向钻井 技术 J 。目前 ，广泛应用于石油天然气勘探开发 钻井作业 中的井下连续控制导向技术 ，是使用带有 一 定弯 角 度 的万 向轴 弯壳 体 和不 同形式 扶 正器 亦称稳定器 的井下动力钻具进行定 向井 、水平 基金项 目中国石油装备制造 分公 司科技项 目 “ 顶驱装置性能优化研究 ” 。 3 0一 石 油机械 2 O 1 3年第4 l 卷第3期 井作业中的误操作。 3 应用实例 T D D S连续导向控制系统研 制成功后在 内蒙古 鄂尔多斯的多口定向井钻进作业中进行了现场应用。 以内蒙 S N O 1 1 6～1 9 H井为例 ，该井 由长城钻 探 5 0 5 6 0队负责施 工，设计井深 4 7 5 0 m，垂直段 2 9 0 0 I 13 ，造斜段 8 5 0 m，水平段 1 0 0 0 m。垂直段 使用 1 3 9 ． 7 m m 5 i n 钻 杆，水 平 段 使 用 1 1 4 ． 3 m m 4 i n 钻杆。在垂直段进行的造斜 作业 中成功应用了 T D D S连续导向控制系统 ，现场 反映良好。垂直段结束后更换 1 ． 2 5 。 单弯螺杆钻具 进行水平段钻井作业 。定向造斜钻进进尺 3 2 6 6 1 1 1 ， 井斜 2 8 ． 8 3 。 ，现场 司钻和定 向工程师在定 向创建 工具面时继续使用 T D D S连续导向控制系统成功完 成了水平段的钻进 ，对该系统的实用性及适用性给 予 了较高评价 。S N O 1 1 61 9 H井 钻井周期 4 8 ． 6 2 d ，为苏南 区域再创佳绩。 T D D S控制系统在 S N O 1 1 61 9 H井 的成功应 用 ，表明该系统在定向井施工作业 中可对钻柱工具 面进行实时精确控制和动态调整 ，大大节约了传统 定向井工艺中造斜作业停钻调整所需的工时，显著 提高了钻井效率，使钻井工程向着全面 自动化这一 最终 目标又迈进 了一步。 4 结论 与展望 基于顶部驱动钻井装置和井下动力钻具的 T D D S 滑动钻井导向控制技术在定 向井水平井钻井施工 中 可以实现快速精准的定向控制 ，显示 出巨大的优越 性及广阔的应用前景。主要体现在以下几个方面。 1 交互控制界面友好 ，操作安全 、方便 快 捷 ，定位精度高。 2 定向作业 效率高。常规定 向井作业 搬动 转盘角度时需停钻后操作 ，有时 1 次操作不能顺利 完成，需要反复多次操作和试钻 ，降低了钻井作业 时效。应用 T D D S滑动钻井导向技术 ，通过顶驱主 轴旋转的精确定位控制 ，不仅实现了在滑动钻井方 式下对工具面的动态调整 ，而且在高可靠性 MWD 随钻测量工具 的配合下 ，通过双向通讯方式获取井 下测量信息的实时反馈 ，能够更及时地对工具面进 行调整，实现定 向施工中井眼轨迹的连续控制 ，节 省传统钻井技术下不必要的操作时间，显著提升钻 进作业 的整体时效和井眼质量 ，也为实现导向钻井 的闭环控制和 自动化控制奠定了基础 。 3 顶驱滑动钻井导 向控制系统 T D D S 对 工具面的动态调整策略还处于定性阶段，需要在定 向井工程师和录井工程师的指导下 ，人为输入旋转 角度等修正信息 ，因此仍属于半 自动化控制。对于 钻井来说 ，在导向控制系统中增加反馈环节 ，形成 信息闭环 ，进而实现钻进过程的 自动控制和实时优 化 ，是钻井导向控制技术的一个重要研究方向。为 了实现真正意义上 的闭环导向钻井 ，在后续研究中 引入井下控制工程 、人工智能等交叉学科的技术理 论 ，与现有成果相结合 ，研发具有模糊控制逻辑的 滑动钻井导向系统 I n t e l l i g e n t ． T D D S ，I T D D S ，南 半 自动控制转为全 自动导向，将推动导向钻井作业 向着闭环控制 、智能化 、信息化 的方 向不断前进。 可 以预见 ，未来 的 I T D D S系统将 可以控制 钻 头沿着设计的井眼轨迹或者根据设定的地层地质 目 标 ，以闭环和全 自动控制 的方式完成钻进 。 参考文献 [ 1 ] 王卫彬 ，秦利民 ，刘俊 ，等 ．导 向钻 井井下 控制 理论与技术的发展 [ J ]．石油钻探技术 ，2 0 0 4 ，3 2 6 6 46 7 ． [ 2 ] 肖仕红，梁政 ．旋转导向钻井技术发展现状及展 望 [ J ]． 石油机械 ， 2 0 0 6，3 4 4 6 6 7 0 ． [ 3 ] 熊继有，温杰文，荣继光，等 ．旋转导向钻井技术 研究新进展 [ J ]．天然气工业 ，2 0 1 0 ，3 0 4 8 7 90． 1 4 7． 第一作者简介徐文，女，工程师，生于 1 9 8 4年， 2 0 0 7年毕业于北京化工大学信息学院控制科学与工程专 业 ，获硕士学位 ，现从 事顶驱装 置控 制系统研 究工作 。地 址 1 0 0 0 8 3 北 京 市海 淀 区。电话 0 1 0 8 3 5 9 2 1 2 8 。E ma i l x u we n bp mc ．t o m．c n。 收稿 日期 2 0 1 21 0 2 9 本文编辑赵连禄