旋转导向钻井技术发展现状及展望

31井下旋转自动导向钻井系统 井下旋转自动导向钻井系统是旋转自动导向系 统的核心 , 它主要由 3部分构成 , 即测量系统 、导 向机构 、CPU 和控制系统 。 (1) 测量系统 \ [ 2 - 5 \ ] 测量系统主要用于监 测井眼轨迹的井斜 、方位及地层情况等基本参数 , 使钻井过程中井下地质参数 、钻井参数和井眼参数 能够实时测量 、传输 、分析和控制 。它经历了随钻 测量 (MWD ) 、随 钻 测 井 ( LWD ) 、随 钻 地 震 ( SWD ) 、随钻地层评价测试技术 ( FEMWD ) 和地 质导向技术 ( GST) 几个阶段 。 20世纪 80 年代 , MWD 第一次应用于定向钻 井中 , 并与近钻头测斜器配合使用 。这样 , 可以随 钻测得井斜角和方位角并求出井眼实时偏差矢量 , 以实现几何导向 。 80年 代 末 , LWD 出 现 。三 参 数 (地 层 电 阻 率 、体积密度和中子空隙度 ) 组合随钻测井仪和 四参数 (增加了自然伽马参数 ) 组合随钻测井仪 逐渐形成标准的 LWD , 完成了由传统电缆测井采 集向实时测井采集转变 。目前 , 美国 Shlumberger、 Baker Hughes和 Halliburton公司在随钻测井技术方 面处于世界领先地位 , 他们都开发出了基本成套的 地层评价随钻测井仪器 ———电测井 、核测井和声波 测井仪器 。其中 , Shlumberger公司还研发了 Eco2 Scope多功能随钻测井服务 , 该服务将全套地层评 价 、确定井身轨迹和钻井优化测量组合在 1根钻铤
很高 很高 很高
好 好 一般
不必 不必 不必
较高 很高 很高
(1) 钻井液脉冲传输方式 该传输方式是目 前主体技术 。其优点是对钻井工艺没有特殊的要求 和限制 , 仅用钻井液流作为动力 。其缺点 : 钻井液 脉冲的数据传输速度较慢 ; 为了获取数据资料还会 放慢钻井作业的速度 ; 在气体和气液双相流体中不 能够采用钻井液脉冲传输方式 。目前 MWD 的传输 速率国外为 10～12 bit/ s, 而国内如目前研制成功 的新型正脉冲随钻测量系统还只能达到 5 bit/ s。
(2) 电磁波传输方式 其信号传输的方法有 2 种 : 以地层为传输介质和以钻柱为传输导体 。其优 点是电磁波传输数据的速度较快 (可达 100 bit/ s 以上 ) , 传输数据量较大 , 而且 不需 要特 殊的 钻 杆 。可是 , 电磁波信号传输的致命弱点就是电磁波 沿程衰减严重 , 只能传播低频信号 , 并且 , 易受井 场电气设备和地层电阻率的影响 。俄罗斯在该技术
(2) 导向机构 导向机构代表了目前导向技 术的先进水平 。按原理不同 , 导向机构原理可分 为 : ①导向力原理 \ [ 6 \ ] 。推力式 (或称 偏置 式 ) 旋转导向工具和指向式旋转导向工具 。推力式旋转 导向工具是通过侧向力推靠钻头来改变钻头的井斜 和方位 。而指向式旋转导向工具是预先定向给钻头 一个角位移 , 通过为钻头提供一个与井眼轴线不一 致的倾角来使 钻头 定向 造斜 。 ②控制 原理 \ [ 7 \ ] 。 可变径稳定器式旋转导向工具和调制式旋转导向工 具 。前者是先通过电磁阀调节在伸缩块上的液压 ,
为了适应国内旋转导向钻井技术发展的需要 , 笔者对旋转导向钻井技术进行系统归纳并提出了该 技术的技术难点和攻关方向 。
滑动导向钻井技术
滑动导向钻井技术的特点是在钻井过程中钻柱 不旋转 , 而是沿井壁轴向滑动 , 并通过滑动导向工 具改变井眼的井斜角和方位角 , 从而控制井眼轨 迹 。但在目前的复杂钻井中 , 滑动导向钻井的缺陷 越来越突出 , 已经不能满足实际需要 。这是因为在 滑动钻井中钻柱不旋转 , 部分钻柱贴靠在井壁 , 造 成大的摩阻 , 而且使岩屑易堆积在井眼底边 , 导致 井眼净化不良 , 甚至产生卡钻 、粘滑和涡动等井下 故障 。并且 , 由于摩阻大 , 使钻压很难加在钻头 上 , 从而减小了钻头上的有效钻压和有效功率 , 这 不仅使钻速低 , 而且当井深超过临界 4 000 m 时 , 就不能滑动或很难均匀连续滑动 。研究表明 , 即使
(3) 声波传输方式 该传输方式是利用声波 或地震波经过钻杆或地层来传输信号 。其优点是实 现方法简单 、投资少 。而其缺点是衰减很快 , 受环 境干扰大 , 携带信息量小 。美国桑迪亚国家实验室 开发了声波遥测技术 , 通过钻杆的应力波快速传递 信息 , 取代钻井液压力脉冲 。但目前该传输方式尚 未应用到生产实践中 第 34卷 第 4期
内 , 提高了工作效率 , 降低了风险 , 增加了数据解 释 、产量和储量计算的可靠性 。
SWD 是在传统地面地震勘探方法和垂直地震 剖面基础上结合钻井工程而发展起来的一项新技 术 。通过实时获得的各种地层 参数 (如层 速度 、 钻头前方反射界面的深度等 ) , 经加工处理后估算 出钻头前方待钻地层的岩石类型 、岩石孔隙度 、孔 隙压力和其它声学的岩石参数 , 再结合声波测井资 料 , 可更准确地研究井眼附近的地层性质 。目前 , 由美国 Shlumberger公司研制的新型可视化随钻地 震系统 ( SED ) , 已成功投入现场使用 。
旋转导向钻井技术的核心是旋转自动导向钻井 系统 , 如图 1所示 。它主要由地面监控系统 、地面 与井下双向传输通讯系统和井下旋转自动导向钻井 系统 3部分组成 。
图 1 旋转导向钻井系统功能框图
11地面监控系统 旋转导向钻井系统的地面监控系统包括信号接 收和传输子系统及地面计算存储分析模拟系统 , 有 的还具有智能决策支持系统 。旋转导向钻井系统的 主要功能是通过闭环信息流监视并随钻调控井身轨 迹 , 其关键技术是从地面发送到井下的下行控制指
FEMWD 是 MWD 和 LWD 两种技术的融合 , 如 Shlumberger公司的集成钻井评价系统 ( IDEAL ) 。 该系统不仅具有实时测量下部钻具的方位角 、井斜 角 、钻压 、扭矩波动 、应力状况 、流动压力 、钻井 液密 度 , 还 可 以 测 试 并 传 递 所 钻 地 层 的 电 钻 率 (射线 ) 、孔隙度 、岩石密度等地层特性参数 。
关键词 旋转导向钻井 滑动导向钻井 发展现状 技术难点
引 言
为了节约开发成本和提高石油产量 , 对那些受 地理位置限制或开发后期的油田 , 通常通过开发深 井 、超深井 、大位移井和长距离水平井来实现 , 进 而造成复杂结构的井不断增多 。目前通行的滑动钻 井技术已经不能满足现代钻井的需要 。于是 , 自 20世纪 80年代后期 , 国际上开始加强对旋转导向 钻井技术的研究 ; 到 90 年代初期 , 旋转导向钻井 技术已呈现商业化 。
(4) 绝缘导线传输方式 该传输方式属于有 线传输方式 , 是目前研究的热点 , 也是传输技术的 发展方向 。其优点是能实现地表和井下的双向通 讯 , 实时性好 , 数据传输率高 ( 104 ～106 bit/ s) , 并且可以直接向井内设备供电 。该传输方式研究的 关键是钻杆接头设计 。钻杆接头设计方法主要有感 应法 , 湿接头法 、霍尔效应传感器法和导线对接法 等 。由美国 Grant Predico公司和 IntelliServ公司研 制的遥测钻杆系统 , 初步解决了钻杆上 、卸扣时无 须接上或卸开钻杆上导线接头问题 , 其智能钻杆采 用铜导线来输送电能 , 可以根据井下硬件用电量大 小来确定输电功率的大小 。俄罗斯采用在钻杆每个 单根内吊电缆 , 在钻杆接头处加电插头方式进行信 号传输 , 利用该技术在 1997年之前就已钻井 3 200 口 , 进尺达 641224亿 m 以上 。而法国 IFP公司采 用了唇密封的电钻杆 , 成功试用于 1 000 m 浅井 。 而我国这方面技术尚属空白 。此外 , 地面与井下的 信号传输方式还有钻杆振动法 、示踪法 、扭矩测试 法和井下记录法等 。
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肖仕红等 : 旋转导向钻井技术发展现状及展望
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令系统 。
21地面与井下双向传输通讯系统 目前已提出的信号传输方式有 4 种 \ [ 1 \ ] , 即 钻井液脉冲 、绝缘导线 、电磁波和声波 。通过比较 分析 , 笔者发现这 4种传输方式各有优缺点和应用 局限 , 如表 1所示 。
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石 油 机 械
CH INA PETROLEUM MACH INERY
2006年 第 34卷 第 4期
旋转导向钻井技术发展现状及展望
肖仕红 梁 政
(西南石油大学机电工程学院 )
摘要 旋转导向钻井技术是现代导向钻井技术的发展方向 。为了适应国内旋转导向钻井技术 发展的需要 , 在简要叙述了滑动导向钻井的缺点和不足的基础上 , 对旋转导向钻井技术进行了系 统归纳 。特别是详细地对信号传输方式 、信号测量系统和导向机构的技术发展现状进行了系统分 析 , 最后提出了旋转导向钻井技术的技术难点和攻关方向 。
GST是在 MWD、LWD 和 SWD 基础上发展起 来的一种前沿技术 , 也是目前研究的热点 。该技术 使用随钻定向测量数据和随钻地质评价测井数据以 及人机 对 话 方 式 来 控 制 井 眼 轨 迹 。目 前 , 仅 有 Shlumberger、Baker Hughes和 Halliburton三大公司 拥有此技术 , 其相应的产品为 Power D rive , RCLS 和 Geo - Pilot系统 。并且 , 三大公司只进行高价技 术服务 (日租金高达 5 万美元以上 ) , 不出售商品 工具 。
我国虽然掌握了 SWD 信息采集技术 , 但 SWD 资料的处理和解释技术还不太成熟 ; 就 GSP技术 而言 , 国内 才刚 刚起 步 , 与 国 外 存 在 很 大 差 距 。 CNPC科技发展部和中油技服总公司于 1999 年 , 才着手研究地质导向钻井系统 。可喜的是 , 2003 年地质导向钻井系统研制取得重大进展 , 其中 2个 子系 统 “CGMWD 新 型 正 脉 冲 随 钻 测 斜 仪 ”和 “NBLog - 1 型近钻头地质参数测量短节 ”研究成 功 , 其下井试验也取得了良好结果 。