现代井下钻井工具及旋转导向闭环钻井系统

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基金项目：中国石油天然气集团总公司“九五”重点科技攻关项目

作者简介：张进双（$&’()）

，男（汉族），河北唐山人，在读博士研究生，从事油气井信息工程研究。文章编号：$"""#%*’"（!""$）"+#"",’#"%

现代井下钻井工具及旋转导向闭环钻井系统

张进双$，胡金艳!

（$-石油大学石油天然气工程学院，北京$"!!""；!-西安交通大学，陕西西安’$"",&

）摘要：大位移井和复杂井眼轨迹的控制须实现连续旋转井下闭环导向钻井，这一需求推动了井眼轨迹控制手段的提高，为此，探讨了适用于旋转导向闭环钻井的井下工具的发展概况，提出了比较可行的井下钻井工具发展和研究方向。研究结果表明，应重视旋转导向闭环钻井技术的发展，静态式可调偏量机构是井下闭环控制的主要方式，应采用直接侧向力法控制钻头轨迹。

关键词：钻井工程；井眼轨迹；旋转导向；闭环控制；钻井工具中图分类号：./&!$-!

文献标识码：0

引言

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［$］等重新提出闭环钻井理论以来，实现连续旋转井下闭环导向钻井已成为石油工作者的重要研究课题。利用现有的动力导向技术不利于89:钻头的选择，“滑动”方式下大摩阻的存在使井底工具面的控制难度加大，尤其是难以实现井底钻压，不能实现井眼大位移延伸。为了减小摩阻，使钻柱具有更强的延伸能力，实现对井眼轨迹的精确控制，近年来国内外纷纷致力于研究井下可控工具和旋转导向闭环钻井系统。笔者对井下钻井工具的发展概况及适用于旋转导向闭环钻井的井下工具进行探讨。

!钻井业的需求变化

钻井理论的发展和实际需求推动着井眼轨迹控制手段的提高。顿钻钻井及!"世纪("年代以前的

旋转钻井，主要是垂直钻井［!］，这一时期研究的中

心问题是纠斜及保证在一定的井斜范围内施加更大的钻压，以提高机械钻速，降低钻井成本。!"世纪+"年代后定向井、

丛式井、水平井有了较大的发展，在!"世纪&"年代已成为钻井技术人员优先考虑的方式。目前，对水平井眼轨迹的控制能力达到了相当高的水平，利用地质导向技术可将整个水平段控

制在"-(;的范围内［(］

。近几年来，

大位移井技术/19开始为人们所重视，

主要用于井场设置困难的地区尤其是近海油田的开发区。大位移井可以节省建钻井平台和人工岛的费用，使总体开发成本降低。为使开采多层系油藏和打探井更为灵活有效，同时也为了在钻井过程中消除地层因素的不确定性干扰，国内外又纷纷开始闭环导向钻井的研究。

钻井方式需求的变化促使钻井工具也在不断地改进。早期直井钻井，所用的井下工具主要是为了

“防斜打直”

［,］。传统的防斜纠斜组合工具有塔式钻具组合、钟摆钻具组合、满眼钻具组合、偏心钻铤防斜钻具组合、<:=防斜装置。比较新型的防斜纠

斜钻具组合主要有基于力学理论分析的柔性钻具组合、大钻压下钻柱螺旋屈曲和涡动动力防斜模型、高效防斜技术接头。

随着定向井、水平井钻井技术的生产应用日益增多，各种相应的井下导向工具相继出现。早期使用的是转盘钻进造斜工具，如槽式变向器（>?7@

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）［%］

、套筒性方位控制器及各种特殊结构钻头等，目前应用最为广泛的是井下动力钻具［+］。对于

大斜度井和大位移井，常规动力钻具已很难甚至不可能满足需要，因而出现了连续旋转导向的井下工具。要完成复杂井眼轨迹，尤其是真正实现井下闭环控制，传统钻井工具已不能满足要求，必须研制更加灵活的全方位可调的旋转导向井下工具，其核心是能在旋转状态下按控制指令动作改变作用在钻头的合力或改变钻具偏心程度的偏置导向机构。将井下可控工具和随钻测量工具或随钻测井仪相结合，

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石油大学学报（自然科学版）

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