斯伦贝谢Power Drive
PowerDriveVorteX钻具系统配套PDC钻头优化设计_刘鹏飞
油田主力开发油层位于沙二段 、 沙三段 ， 钻井深度大 ， 分布井段长 ， 地层岩性差 ， 地层岩性不 均 、 互层多 ， 可钻性一般 ， 钻头选型范围小 ， 很大程度上制约了机械钻速的提高 。 通过对该地区已钻井井 身结构 、 地层压力系统的研究和钻井复杂情况分析 ， 决定采用如图 ２ 所示的井身结构 ： ４ ． ５ ｍｍ 井眼 × ４ ４ ３ ３ ９ ． ７ ｍｍ 套 管 ＋ ３ １ １ ． ２ ｍｍ 井 眼 × ２ ４ ４ ． ５ ｍｍ 套 管 ＋ ２ １ ５ ． ９ ｍｍ 井 眼 × １ ５ ２ ． ４ ｍｍ 尾 管 ， 其 中 １ ． ２ ｍｍ井眼以进东营组 ５ ｍ 为中完原则 ， 后续采用 ５ ． ９ ｍｍ 钻头 ， 配套 Ｖ ｒ ｔ ｅ Ｘ 钻具系统钻进至沙 ３ １ ０ ２ １ ｏ 三段完钻 。 １ Ｐ Ｄ Ｃ 钻头初步选型 ２ ． 部分老井钻头使用情况表 如 表 １ 所 示 。 所 有 井 全 部 使 用 ５ 刀 翼 １ ｍｍ 或 １ ９ ｍｍ 切 削 齿 的 Ｐ Ｃ钻 ６ Ｄ ， ／ ； ， 头 以 ＭＳ １ ９ ５ １ 型和 Ｃ Ｋ ６ ０ ５ Ｋ型Ｐ Ｄ Ｃ 钻头为主 平均机械钻速 １ ｍ ｈ 左右 无论是钢体还是胎体 ５ 刀 ５ ， ； 钻 头 在 翼１ 机 械 钻 速 方 面 表 现 相 当 井 使 用 了 一 只 ５ 刀 翼 、１ ｍｍ Ｐ Ｄ Ｃ ｍｍ 切 削 齿 的 胎 体 ９ Ｘ ８ ６ ６ ５ ３ Ｓ Ｓ 钻头完钻 ， 第一次入井发生了泥包 ， 故初期以 ５ 刀翼 １ ｍｍ 齿 Ｐ Ｄ Ｃ 钻头为主要选择对象 。 Ｍ １ ９
表 １ 部分老井钻头使用情况表
井号 Ｘ ５井 Ｘ ８井 Ｘ ７井 刀翼数 ５ ５ ５ 主切削齿外径／ ｍｍ １ ９ １ ６ １ ９ 纯进尺／ ｍ １ ０ ５ １ ． ０ ０ １ ２ ７ ９ ． ０ ０ ７ ８ ６ ． ０ ０ 钻进地层 东营组 、 沙河街组 东营组 、 沙河街组 东营组 、 沙河街组 机械钻速／ ｍ·ｈ－１ ． ６ １ ４ ． ０ １ ６ ． ９ １ ６
旋转导向钻井智能钻井介绍 Auto Trak,Power Drive, Geo Pilot
目录
旋转导向钻井技术概况
背景：为克服滑动导向技术的不足，从20世纪80 年代后期，国际上开始研究旋转导向钻井技术。 发展：20世纪90年代初期,多家公司形成了商业化 的旋转导向技术，目前有三种比较成熟导向系统。 组成：旋转导向钻井系统实质上是一个旋转导向 工具与测量传输仪器（MWD/LWD）联合组成的井下 闭环工具系统。 应用：非常适合目前开发特殊油藏的超深井、高 难度定向井、水平井、大位移井和水平分支井等。
3、动态指向式旋转导向钻井工具
4、基于旋转导向钻进方式的可控弯接头系统 5、指向式旋转导向钻井工具
动态推进式旋转导向钻井工具
• 胜利油田承担国家“863”计划“旋转导向钻井系统关键
技术研究”后,与西安石油大学联合开发 • 原理：斯伦贝谢的PowerDrive基本一样。
• 现状：进行了20 多次的地面试验,2006 年8 月在营122斜
动态指向式旋转导向钻井工具
由海洋石油工程股份有限公司及西南石油大学，结合了哈 里伯顿的Geo–Pilot的指向式结构和斯伦贝谢的Power Drive的随钻的下盘阀结构，提出了动态指向式旋转导向
钻井工具的设计思想,目前还停留在理论阶段。
基于旋转导向钻进方式的可控弯接头系统
由西安石油大学机械工程学院中原油田第三采油厂在CNPC
典型旋转导向钻井工具介绍
• Baker Hughes推出的Auto Trak不旋转外筒式 闭环自动导向钻井系统。
• Schlumberger Anadrill公司的Power Drive
全旋转导向钻井系统。 • Sperry-Sun 产品服务公司推出的Geo-Pilot 旋转导向自动钻井系统。
1.Auto Trak 旋转导向钻井系统
完成-混合旋转导向系统可产生更高造斜率与更平滑的井眼
混合旋转导向系统可产生更高造斜率与更平滑的井眼每个钻井工程师都梦想在更短的时间内——理想的一趟钻内——排除起钻的必要，实现更复杂的井身剖面与更平滑、更连续的井眼。
但是，传统的PDMs （容积式井下马达）和RSS （旋转导向系统）在钻井过程存在局限性。
行业的挑战与需求例如井下马达，能产生可靠的、狗腿度很高的井身剖面。
但是，由于在旋转钻进和滑动钻进中能更换钻杆，导致机械钻速低，井眼扭曲，并增加了卡钻的危险。
另外，相比PDMs ，在高机械钻速下，完全旋转的RSS 能产生更平滑的井眼，减少50%的钻进时间。
但是，传统的RSS 造斜率范围为6-8deg/100ft ，并且钻遇软地层或者有夹层的薄岩层时。
造斜率更低，井径扩大。
为了得到高造斜率下的井身剖面，RSS 用于直井和分支井，但是在造斜点和着陆点之间必须使用马达。
该过程要求至少使用3套井底钻具组合以及多次起钻操作。
为了减少风险，节省钻进时间，降低费用，钻工更倾向于使用质量高并且带有PDM 造斜与旋转功能的RSS 。
为了满足钻进非常规页岩和高难度地层的要求，斯伦贝谢公司开发了驱动射手（PowerDrive Archer ）的高造斜率旋转导向系统（RSS ）。
在单趟下入中，该系图1通过提高井眼质量和减少扭曲，该系统减少了卡钻的风险，良好的部署了套管、滑套以及完井设备统仅靠马达就能预先形成井身剖面。
通过提高井眼质量和减少扭曲，该系统减少了卡钻的风险，良好的部署了套管、滑套以及完井设备（如图1）。
相比其它RSS 系统，在造斜前，该系统能够实现裸眼侧钻，并且钻进更深，最大限度的扩大油层的暴露面积，提高油气生产潜能。
描述发展与部署高造斜率RSS在导向控制上有突破。
RSS系统自1990年起开始使用,但是RSS系统不能在非常规页岩中产生造斜率范围为8-12deg/100ft的井身剖面。
由于页岩钻井的快速发展，自2007年，斯伦贝谢公司开始开发新型RSS系统解决造斜率的问题。
全球四大油服公司深水防砂的“独门秘诀”
全球四大油服公司深水防砂的“独门秘诀”作者： R．ussell McCulley来源：《石油知识》 2016年第2期文l Russell McCulley编译l辜富洋海上作业成本、作业水深以及油藏复杂程度不断升高，为此，作业人员开始将控制措施逐步考虑进钻完井设计中。
一些油气服务公司也积极提出了一些应对措施，并提出这样的观点：长远来看防砂措施的前期投入将会节约更多的成本，尤其在深水井与海底完井作业中，这一点表现得更加突出。
世界四大油服公司——斯伦贝榭( Schlumberger PowerDrive)、威德福( Weatherford)、哈里伯顿（Halliburton GeoPilot）、贝克休斯( Baker Hughes)，在这些方面又有哪些“独门秘诀”呢？斯伦贝谢：可选择多通道砾石充填技术从实施角度来看，从储层钻井液的选用到通过多种方式开始投产的整个工作流程是必需进行的。
尤其是储层段的钻进与保护、砾石充填之前裸眼井段的顶替作业、砾石充填作业以及滤饼清除作业等都是完井的关键。
为了避免修井成本提高及上述情况的发生，斯伦贝谢研发出OptiPac可选择多通道砾石充填技术。
它包括滤砂器、分流管、特种流体与抽汲系统等，对各防砂层段的完井作业都进行了技术改进，以辅助全井段的完井作业。
例如：在裸眼完井当中，滤饼清除技术不仅仅在于砾石充填流体的配伍性和均匀清除滤饼的能力，而且还应与完井工具相配伍，控制腐蚀从而防止防砂措施的过早失效。
目前，在硬件方面，公司已经掌握了裸眼砾石充填完井作业中封隔多个层系的技术，现在正致力于解决在井下因长井段砾石充填导致泵压过高而引发的问题，如通过失重测量系统控制支撑剂浓度的砾石充填混合器等。
威德福：智能工具威德福公司认为造成出砂的最大元凶之一是出水，因此将防砂攻关工作主要集中于单趟多层防砂技术方面，并研发出一种流量控制装置：当水量达到临界值时，装置会自动发生反应并封隔特定的层段。
旋转导向钻井技术(简版)
指向式 23口井 占74.2%
推靠式 7口井 占 22.6%
即用推 靠式又 用指向 式1口井， 占3.2%
从市场统计来看，指向式比推靠式旋转导向工具更能适应
现在市场需求。
垂直钻井工具
Schlumberger 公司的Power V*系统
Power V * 是一个闭环工作的旋转导向系统，该系统 可以自动保持井眼垂直状态而几乎不需要任何地面的干 预措施，与PowerDrive Xtra 类似，主要由偏置单元和 控制单元两部分组成。
12 ¼ in.
0-8 deg/30m 50-250 rpm 5,678 gal/min 47.5 ton 30,000 psi 175 deg C * 350 ton 无限制No limitations 垂直Vertical
钻头压降Bit Pressure Drop
最Hale Waihona Puke 造斜角度Minimum KO angle
二、国外主要旋转导向钻井系统
大尺寸系统
随着世界范围内深水勘探开发的迅速发展，提高 上部井段的钻井效率的需求越来越强烈，从而促进 了用于大尺寸井眼（ Ø444.5mm 和 Ø463.6mm）的旋 导工具的开发。 斯伦贝谢公司与BP公司合作，历时9个月，于2002 年初推出了大尺寸Power Drive旋导系统。
和大位移井， 2000 年至今，已在中国南海、渤海湾和陆 上成功完成30多口大位移井作业，最大测深超8000m，其 中南海某区块大位移井位垂比4.58居国内之首。
二、国外主要旋转导向钻井系统
国内应用：
塔河油田TK238H井
TK238H 井 设 计 井 深 5111.76m , 实 钻 井 深
5177m , 造斜点 4163m , 水平段 300m , 成功穿 越油层276m，机械钻速15.68m/h。 斜井段及水平段平均狗腿度 3.88°/30m,而 常规水平井平均狗腿度为 10°/30m 以上 , 很好 的控制了井眼的光滑度,实际钻井周期50d,节约 钻井周期27d, 创造塔河油田水平井钻井周期最 短记录。
斯伦贝谢的PowerV自动垂直导向钻井系统
PowerV是一种旋转导向工具，可实现在旋转钻进中对井斜和方图5-11 PowerV简图位进行控制。
该工具应用泥浆驱动导向块作用于地层来控制井眼轨迹。
在钻井工程作业中，PowerV既可独立使用，也可与MWD/LWD联合使用，与地面实现实时传输功能。
PowerV主要有两个以下部分组成：1）电子控制部分：电子控制部分是一根无磁钻铤及固定在其内部轴承上的电子仪器组件组成，直接连接在机械导向部分上部。
控制部分可在钻铤内自由转动，当钻具组合随整个钻柱转动时，它可保持相对静止状态，将工具面摆在设计图5-12 内部结构图图5-12 内部结构图的方向上。
其控制功能通过以下组件实现：进行测量定位的内部传感器；电子扭矩仪。
2）机械导向部分：机械导向部分与控制部分通过一引鞋相连。
导向部分有三个导向/推力（Pad）组成。
它可以通过伸缩来作用于井壁实现变钻进方向的目的。
控制部分可以控制装在导向部分内的一个旋转阀，该旋转阀在导向部分中的相对位置决定那一个导向/推力块来作用于地层。
通过将控制部分控制在一个特定的角度上，当导向部分旋转时能使不同的导向/推力块来作用于同一个方向的地层上，这样就以图5-13导向/推力块图使钻进朝同一个固定方向进行。
PowerV下入井底钻进后，电子控制部分的内部传感器（磁力仪和重力加速仪等）测量到井斜和方位，与地表设定的设计工具面进行比较，然后通过引鞋（控制部分）及与之相连的控制导向轴（导向部分）控制旋转阀，决定那个导向/推力块在设计的方向伸出作用于井图5-14 旋转阀壁，实现对井眼轨迹的控制。
当PowerV起出井眼后，可以通过编程口下载出存储在控制部分内部存储器内的数据然后对数据进行详细分析，确定工具在井下的工作情况。
PowerV防斜打直机理PowerV在井下工作后，电子控制部分的内部传感器（磁力仪和重力加速仪等）测量到井底的井斜和方位，与设定的工具面（180度，重力低边）进行比较，控制引鞋的方向，使机械导向部分的三个导向/推力块在每个转动周期当转到上井壁（高边）时在泥浆液压作用下伸出，作用于上井壁，改变钻头作用方向，切削下井壁（低边），实现降斜的目的。
旋转导向钻井技术及Power-V
旋转导向钻井技术及Power-V导向系统介绍摘要：旋转导向钻井技术主要指井眼轨迹自动控制的闭环自动钻井技术，是20世纪90年代初期发展起来的一项钻井新技术，代表着当今国际钻井技术的最新发展方向，对超深井、超薄油层水平井、大位移井、分支水平井等轨迹控制具有独特效果。
本文分析了旋转导向钻井系统的技术特点，介绍了国内外旋转导向钻井系统的发展、应用情况。
并详细介绍了斯伦贝谢公司旋转导向系统Power-V的组成和工作原理。
1.概述所谓旋转导向钻井，是指钻柱在旋转钻进过程中实现过去只有传统泥浆马达才能实现的准确增斜、稳斜、降斜或者纠方位功能。
旋转导向钻井技术的核心是旋转导向钻井系统，如图1所示。
它主要由井下旋转自动导向钻井系统、地面监控系统和将上述2部分联系在一起的双向通讯技术3部分组成。
旋转导向钻井系统的核心是井下旋转导向工具，旋转导向钻井系统主要由以下几部分组成：①测量系统:包括近钻头井斜测量、地层评价测量，MWD/LWD随钻测量仪器等，用于监测井眼轨迹的井斜、方位及地层情况等基本参数。
②控制系统:接收测量系统的信息或对地面的控制指令进行处理，并根据预置的控制软件和程序，控制偏置导向机构的动作。
图1 旋转自动导向钻井系统功能框图2.旋转导向钻井技术的特点旋转导向钻井技术与传统的滑动导向方式相比有如下突出特点：①旋转导向代替了传统的滑动钻进：一方面大大提高了钻井速度，另一方面解决了滑动导向方式带来的诸如井身质量差、井眼净化效果差及极限位移限制等缺点，从而大大提高了钻井安全性，解决了大位移井的导向问题；②具有不必起下钻自动调整钻具导向性能的能力，大大提高了钻井效率和井眼轨迹控制的灵活性，可满足高难特殊工艺井的导向钻井需要；③具有井下闭环自动导向的能力，结合地质导向技术使用，使井眼轨迹控制精度大大提高。
旋转导向钻井技术的上述特点，使其可以大大提高油气开发能力和开发效率，降低钻井成本和开发成本，满足了油气勘探开发形势的需要。
斯伦贝谢POWER-V
【机械仪表】斯伦贝谢旋转导向系统 Power-V 简介1 Power-V 简介和应用范围Power-V是斯伦贝谢旋转导向系统PowerDrive家族中的一员。
所谓旋转导向系统，是指让钻柱在旋转钻进过程中实现过去只有传统泥浆马达才能实现的准确增斜、稳斜、降斜或者纠方位功能，但相对于泥浆马达，PowerDrive有非常明显的优点。
旋转导向系统广泛用于使用泥浆马达进行滑动钻进时比较困难的深井、大斜度井、大位移井、水平井、分枝井(包括鱼刺井)，以及易发生粘卡的情况。
2 旋转导向系统PowerDrive的优点⑴反映和降低了所钻井段的真正狗腿度，使井眼更加平滑。
用泥浆马达打30m井段，滑动钻进15m，转动钻进15m，井斜角增加4°，得到平均狗腿度4°/30m。
实际上，转钻15m井斜角几乎没有变化，这15m的实际狗腿度是零；而4°的井斜角变化是由滑钻15m产生的，这15m的实际狗腿度是8°/30m。
而用Power-V在同一设置下打出的每米都是同样均匀和平滑的，减少了井眼轨迹的不均匀度，从而减少了在起下钻和钻进过程中钻具实际所受的拉力和扭矩，减少了以后下套管和起下完井管串的难度。
⑵使用Power-V钻出的井径很规则。
使用传统泥浆马达在滑动井段的井径扩大很多，而转动井段的井径基本不扩大。
这种井径的忽大忽小是井下事故的隐患，也不利于固井时水泥量的计算。
⑶由于Power-V钻具组合中的所有部分都在不停的旋转，大大降低了卡钻的机会。
使用传统泥浆马达在滑动钻进时除钻头外，其它钻具始终贴在下井壁上，容易造成卡钻。
⑷在钻进过程中，由于Power-V组合中的所有钻具都在旋转，这有利于岩屑的搬移，大大减少了形成岩屑床的机会，从而更好的清洁井眼。
这对于大斜度井、大位移井、水平井意义很大。
⑸由于Power-V钻具组合一直在旋转，特别有利于水平井、大斜度井和3000m以下深井中钻压的传递，可以使用更高的钻压和转盘转速，有利于提高机械钻速。
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• 10,728m 水平移位 (35,196 ft)
2000 PowerDrive becomes fastest expanding and most successful rotary steerable service in the world
2001 World Record #2 PowerDrive900 drills 13.789ft of 12.25” hole in 1 run
旋转导向 – PowerDrive Xceed
Point-The-Bit Principle
旋转导向 – PowerDrive Xceed
钻进
内部控制导向系统
导向钻进
旋转导向 - PowerDrive
Schlumberger Rotary Steerable Experience
1,000,000 Footage Drilled per Quarter 900,000 Average MTBF 350 800,000 300 700,000 250 600,000 400
旋转导向 - PowerDrive
Wytch Farm Well M17 Saved $630,000 2037 m, 6686 ft 41 ft/hr,12.5 m/hr
Geosteered to avoid two faults Turned well 52° , 7°/30 m turn TD 15,921 ft , 4,853 m
旋转导向 - PowerDrive
Phillips Xijiang 24-3 A18 ST3 One run 99 hrs TD 6,871 m , 28,249 ft Saved $536,000 1739m , 5705 ft 17.6 m 57.6 ft/hr
Inclination In 74.9 Out 51.1 Turned 10° right °
2000
2001
2002
2003
旋转导向 - PowerDrive
1999 PowerDrive participates in drilling worlds longest ERD well 1 PowerDrive675 drills 17,283ft of 8.5” hole in 1 run Nov 2001 PowerDrive drills more than 1.3m ft in 12 months July 2002 PowerDrive1100 & PowerDrive 475 services commercialized
2002 World’s First 6” RSS Run PowerDrive475 drills 4712ft of 6 1/8” hole in 1 run
1999
2000
2001
2002
旋转导向 - PowerDrive
World Record 12-1/4” Run – 13,799ft
旋转导向 - PowerDrive
•
Improved drilling efficiency – 98 m/day with PDM, 193 m/day with RSS U and W shaped wells, up to 144° inclination
•
旋转导向 - PowerDrive
500,000
200
400,000 150 300,000 100 200,000 50 100,000
Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2
0
1996
1997
1998
1999
旋转导向 - PowerDrive
Pad 开
Pad 关
旋转导向 - PowerDrive
Control Shaft
Disk Valve
旋转导向 - PowerDrive
• PowerDrive 1100 • PowerDrive 900 • PowerDrive 825 • PowerDrive 675 • PowerDrive 475
旋转导向技术
旋转导向 - PowerDrive
• 旋转时进行导向 (100% 旋转) – 进一步提高钻速, 降低卡钻风险 – 井眼更平滑, 优化井眼冲洗, 优化钻井参数 • 可用于定向井,大斜度井,大位移井和水平井 • 全自动化防斜打快 – 封密系统 - PowerV • 可以进行裸眼井段侧钻 – 狗腿度 8 deg/30m • 近钻头井斜方位测量 • 可用于 6“ – 18” 井眼 • 最高压力和温度 – 20000psi 135 C • 可利用马达推动 PowerDrive, 加大扭矩, 加大转速, 更进一步提高钻速