石油钻井设备与工具-王镇全第六节闭环钻井技术简介

4、全闭环钻井阶段
这是钻井技术发展的最高阶段。井下 采用智能化钻井系统, 地面监控和操作采 用规范的自动化系统。地面中心控制计算 机控制整个钻井作业系统, 井下智能钻井 系统则带有独立的井下微电脑。此时, 作 业人员就可全部或大部分从作业环节中解 放出来, 从而实现钻井的整体优化。目前 离实现全闭环钻井还有一段距离。
油气井钻井将发展为像航天、航海领 域的自主导弹那样高水平的“自主钻井导 弹”和双闭环(井下与地面之间的大闭环及 井下导向工具与井下测量系统之间的井下 小闭环) 系统。实现这一目标的核心技术 主要有：
1、先进的导向钻井工具
(1) 滑动式导向工具 滑动式导向工具是导向作业时钻柱不
旋转(随钻头向前推进, 钻柱沿井壁轴向滑 动)。目前这类导向工具占主导地位, 主要 有弯壳体马达(含单弯、同向双弯、异向双 弯导向马达)、可调弯接头、可变径稳定器 等。
3、 井下闭环阶段
指井身轨迹控制完全可以离开人的干预(特 殊需要时例外) , 井下信息测量、传输、处理以 及控制指令的产生和执行完全自动进行。有先进 的随钻测量工具(MWD 等) 和功能较强的井下可调 控工具。同时, 必须有性能很好的微电脑(能承受 井下的恶劣环境)。
井下闭环钻井作业可分为两类:
• Has 3
pads
driven by
hydraulic
Pad in
actuators
• Actuators apply lateral force to the bit while always rotating at
2、导向方式
不论是滑动式还是旋转式井下闭环钻井系统, 都必须选择合适的导向方式。导向方式主要有两 种:
(4) 数据的整体综合解释, 主要包括把测量 数据解释成有用的参数以指导作业, 同时 用“人工智能”把全世界范围内的专家经 验应用于井场;
(5) 地面操作控制自动化, 把人从钻井作业 过程中解放出来;
(6) 井下操作自动控制, 主要是利用“智能” 型井下工具和自动的井底钻具组合进行控 制。
三、实现闭环钻井的核心技术
导向钻井系统
（AKO导向马达）
向控制
Q
(2) 旋转式导向工具
旋转式导向工具是导向作业时钻柱旋 转。现有的旋转式导向工具分为两类：
①静止式旋转导向工具(即导向工具的 导向翼肋相对井壁不转动) ；
②可调节式的旋转导向工具(即在旋转 过程中实现导向)。
PowerDrive Principle of Operation
钻机 双向通讯
卫星通讯 计算机
地面发射器/接收器
公司办公室
• 执行机构 • 测量系统 • 控制系统 • 双向通讯
井下发射器/接收器 微处理器 传感器组(随钻测量)
可调接头
井下马达 钻头
闭 环 钻 井 技 术 的 流 程 框 图
二、闭环钻井技术的必要条件
要实现闭环钻井作业的全过程, 必须 具备以下六个条件: (1)地面测量,主要包括泥浆录井, 钻井参数 地面测量; (2)井下随钻测量, 目前主要采用MWD、LWD 等井下测量工具; (3)数据采集, 同时包括地面计算;
(1) 几何导向 主要是以预置的井眼轨迹或井下实时设计的
井眼轨迹为参考量。导向作业时, 将实测的轨迹 参数与控制参考量作比较, 由控制机构给出合适 的控制指令, 从而使钻头沿最优的井眼轨迹钻进。
(2) 地质导向
在拥有几何导向能力的同时, 又能根据随钻 测井(LWD) 得出的地层岩性、地层层面、油层特 点等地质特征参量, 随时控制井下轨迹,使钻头沿 地层最优位置钻进。在预先并不掌握地层性质特 点、层面特征的情况下, 实现精确控制。
2000 2005 2010
常规转盘钻井 喷射钻井 最优化钻井
定向井 丛式井
水平井 多分枝水平井 地质导向钻井 小井眼井 大位移井 自动化钻井
一、钻井作业自动化的发展过程
钻井作业自动化的发展过程可划分为井下开环、井 下半闭环、井下闭环和全闭环四个技术发展阶段： 1、 井下开环钻井阶段
指井下操作全部由人来完成, 只有一般的井下测量 工具。井眼轨迹的控制只能利用预测技术和更换井底钻具 组合来进行。井眼轨迹质量差, 钻井效率低, 安全性差。
如果井下开环钻井用自动化钻机, 就成为地面闭环、 井下开环钻井; 否则为地面开环、井下开环钻井。
2、井下半闭环钻井阶段
有较先进的井下测量工具(如MWD)，有地面可控的井 下工具。测量数据向地面传输, 经过计算机处理及地面模 拟, 通过传输通道向井下传送操作指令, 随后对井下操作 进行控制。
与井下开环系统相比, 测量精度高、实时性强、信 息量大。操作指令更大程度上依靠计算机处理得到, 人为 经验减少。井下可控工具(包括可变径稳定器、可调弯接 头、可变弯角井下动力钻具、可伸缩偏心块等) 使得起下 钻操作大幅度减少, 钻井效率显著提高。目前许多水平井、 定向井都是利用井下半闭环钻井技术完成的。
(1) 中心电脑放在地面。通常是测量信息通过传输通道传到 地面, 经中心处理机处理后, 控制指令传给顶部驱动钻机, 由顶部驱动钻机来改变井下工具的工具面。也可以是中心 电脑发出的控制指令传给井下可控工具, 从而改变井下工 具的结构参数。
(2) 中心电脑放在井下。随钻测量信息传给井下电脑, 由井 下电脑发出控制指令来控制井下可控工具的工作状态。测 量信息同时传给地面计算机进行模拟研究, 用来监测井下 作业效果。
• Side force or push the bit tool • Pads extend dynamically from a rotating housing • Curvature defined by 3 points of contact
PowerDrive Bias Unit
Pad out
第六节 闭环钻井技术简介
前言
环指钻井作业过程。闭环钻井是指钻 井过程的整体优化。
闭环钻井的目标是实现钻井过程的全 面自动化、智能化, 解放钻井人员、提高 整体经济效益。
钻井自动化发展趋势
传统转盘钻具
导向马达
螺杆钻具
MWD
计算机
自动化钻井
PDC钻头 井下遥 控工具
1950
1960
1970
1980
1990