旋转导向+地质导向+水平井工具仪器介绍教学文案
自动旋转导向钻井工具结构原理及特点
自动旋转导向钻井工具结构原理及特点[摘要] 自动旋转导向钻井工具弥补了滑动式导向钻井工具在定向井钻井,特别是在大位移井及长距离水平井的使用中暴露的缺点与不足。
浅显分析国内外在定向钻井工具技术差距,从结构原理和特点上出发阐述了自动旋转导向向钻井工具的。
[关键词] 自动旋转导向钻井工具一.前言现有的滑动式导向钻井工具在定向钻井,特别是在大位移井及长距离水平井的使用中暴露出不少缺点与不足。
自动旋转导向钻井工具可以弥补这些缺点,是目前定向钻井工具发展的一个热点及方向。
笔者据此介绍美国三家公司的自动旋转导向钻井工具的结构原理及特点。
针对现有定向钻井工具的缺点和不足,浅析今后旋转导向钻井工具结构设计的发展趋势。
迄今为止,定向钻井技术经历了三个里程碑:①利用造斜器(斜向器)定向钻井;②利用井下马达配合弯接头定向钻井(造斜率是弯接头弯角、井下马达刚度和地层岩石硬度的函数);③利用导向马达(弯壳体井下马达)定向钻井(弯角点离钻头的距离近得多,因此产生的造斜率大)。
目前这三种定向钻井工具在世界各地被广泛使用,并促进了定向钻井技术的快速发展,使得今天人们能够应用斜井、丛式井、水平井技术开发油田。
二.目前国内定向钻井工具现状随着石油工业的发展,为了获得更好的经济效益,需要开发深井、超深井、大位移井和长距离水平井,而且常常要在更复杂的地层,如高陡构造带钻井。
这些都对定向钻井工具提出了更高的要求。
目前以井下马达为主的定向钻井工具已不能满足现代钻井技术的要求,主要存在以下缺点和不足:(1)利用井下马达导向时是滑动钻进,钻柱弯曲比旋转钻进时严重,井壁与钻柱间的轴向摩擦力大,使钻压很难加在钻头上。
在大延伸井和水平井中这一情况更严重,在极端情况下会造成钻柱屈服,因此它限制了水平井和大斜度井的深度。
(2)在地面对井下马达进行扭方位操作时,旋转摩擦、钻头扭矩、钻杆的扭转弹性变形等都妨碍了工具面的控制,从而影响井下马达在大斜度井和水平井中的使用。
旋转导向钻井技术和工具
钻井：促进钻头，泥浆，钻井工艺和测井技术的发展； 材料：高强度柔性钢材； 传感器：耐高温高压电磁传感器，微型抗强振加速度计； 液控元件：微型阀，无刷直流电机和泵； 电子元器件：耐高温存储器芯片，时钟芯片； 微处理器技术：快速高精度CPU和DSP技术； 数据处理及压缩技术；
钻头推向 一 侧
极板推出
控制阀盘
PowerDrive Xtra
4
伸出量
井壁
D1
D2
D3
不旋套转
旋转轴
高边
工具面角
P
P
AutoTrak
1
P1
P2
P3
“Push” & “Point” ？
支点
井 壁 两 侧 受力状态不同
钻头
Push the bit first,Then Point the bit
AutoTrak ——压力矢量调整（7500个可调挡位）； 光滑的井眼轨迹 XTCS —— 偏心矢量调整（无级变角调整）； 光滑的井眼轨迹 Geopilot —— 预置角导向，6挡变角；变造斜率——“导向模式”+“稳斜模式” 折线轨迹； Powerdrive Direct —— 预置力导向，可设置81 个挡位； 无稳斜模式，造成稳斜段扩径
旋转导向钻井技术介绍
高
静态偏置 指向式
Geo-Pilot
工具系统 外筒不旋
转
6.5°/30m
高
低
存在
216～ 311mm
高
存在
152～ 311mm
高
消除
149311mm
7
January 2010
Geo-Pilot® - 指向式旋转导向钻井系统
Geo-Pilot® 的外筒装有两个偏心环，一个位于另一个的内 部，该偏心环总成组成了精细、紧凑经久耐用的计算机控制 的偏心单元，两个偏心环驱动驱动轴偏离钻具中心，致使钻 头产生偏斜力，从而实现全部旋转的导向钻进模式。
3
January 2010
全套的解决方案
INCREASING DIFFICULTY
OF WELL
施工难度 增加
GXT™
Geo-Pilot® system
V-Pilot ™
EZ-Pilot™
Rotary Steerable Systems 旋转导向系统
GeoForce™
SlickBore®
AGM™
AGS™
• 90秒完成指令的发送并计算机确认、正常钻进 • 保养维护简便
13
January 2010
巡航模式
近钻头井斜表明工具 面和受力不需改变
近钻头数据回到允许 范围，GP工具自动 降低受力，阻止井斜 继续增大
90.0 90.0 90.0 90.0 90.0 89.8 89.7 89.6 89.7 89.8 89.9 90.0 90.0 90.0 90.0
7600系列
8-3/8” 8-1/2” 8-3/4” 9-1/2” 9-7/8” 10-5/8”
7.375”- 7.625”
旋转导向钻井技术简介
WE MUST DO BETTER
㈠、AutoTrak旋Trak是旋转 系统组成: 导向钻井系统的代表产品，它 是基于推靠钻头的偏置原理来 导向的，其可变径稳定器的伸 缩块装在不旋转套筒上， AutoTrak旋转闭环钻井系统由 地面与井下的双向通讯系统( 地面监控计算机、解码系统及 钻井液脉冲信号发生装置)、 导向系统(AutoTrak工具)和 LWD(随钻测井)组成（图l）。
2、工作原理:AutoTrak RClS 工作原理:AutoTrak 系统的井下偏置导向工具由不 旋转外套和旋转心轴两大部分 通过上下轴承连接形成一可相 对转动的结构。 对转动的结构。旋转心轴上接 钻柱，下接钻头， 钻柱，下接钻头，起传递钻压 扭矩和输送钻井液的作用。 、扭矩和输送钻井液的作用。 不旋转外套上设置有井下CPU 不旋转外套上设置有井下CPU 控制部分和支撑翼肋（ 、控制部分和支撑翼肋（右图 ）。
图2
AutoTrak RCLS结构示意图
WE MUST DO BETTER
导向工具的执行机构有一不旋转导向套，中轴 从导向套中间穿过与钻头连接，带动钻头随钻 柱一起旋转，导向套与中轴通过轴承连接。当 周向均布的三个支撑冀肋分别以不同液压力支 撑于井壁时，将使不旋转外套不随钻柱旋转， 同时，井壁的反作用力将对井下偏置导向工具 产生一个偏置合力。通过控制三个支撑翼肋的 支出液压力的大小，可控制偏置力的大小和方 向，以控制导向钻井。液压力的大小由井下CPU 控制井下控制系统来调整。井下CPU在下井前， 预置了井眼轨迹数据。井下工作时，可将MWD测 量的井眼轨迹信息或LWD测量的地层信息与设计 数据进行对比，自动控制液压力，也可根据接 收到的地面指令调整设计参数，控制液压力， 以实现导向钻进。导向套内还有各种传感器， 可测量井斜角、方位角及工具的工作状态。(右 图是:井下偏置导向工具的导向原理示意图 )
旋转导向技术在水平井中的应用
旋转导向技术在水平井中的应用随着石油勘探工程的不断发展，如何提高油井的产能一直是石油工业的重要研究方向。
旋转导向技术是一种基于水力动力学原理的新型井下定向技术，旨在提高水平井的产能。
它可使水平井顺应油藏规律在合适的层位上实现钻井定向，提高油井的产能、经济效益和采油率，具有较好的应用前景。
一、研制高效的下钻工具旋转导向技术需要使用高效的下钻工具才能实现。
传统的下钻工具往往难以控制钻井方向，容易造成钻井偏移或者井壁塌陷等问题。
因此，需要研制出一种高效的下钻工具，能够在水平井中精确地控制钻井方向，保证钻井进度和质量。
二、掌握关键技术旋转导向技术是一种基于水力动力学原理的复杂技术体系，需要掌握关键技术才能保证工作正常进行。
需要经过一定的研究和实践，掌握关键技术，包括井壁稳定技术、应力场分析技术、动力学控制技术等。
三、建立完善的操作规范在旋转导向技术应用过程中，操作规范十分重要。
需要建立严格的操作规范，保证钻井过程中各项参数的正常控制和调节，确保井壁稳定和工程质量。
四、加强现场管理钻井作业现场需要严格管理，确保操作规范的执行，防止因操作失误或不当，造成不必要的损失。
因此，加强现场管理十分重要，确保钻井作业质量和顺利进行。
总之，旋转导向技术在水平井中的应用具有广泛的前景。
它能够提高油井的产能，降低生产成本，提高经济效益和采油率，从而支持我国能源安全和经济发展。
在实践过程中，应加强技术研发和人才培养，加强操作规范和现场管理，不断提高技术水平和管理水平，为旋转导向技术在水平井中的应用和推广奠定坚实基础。
旋转导向+地质导向+水平井工具仪器介绍教学文案130页PPT
文案
6、纪律是自由的第一条件。——黑格 尔 7、纪律是集体的面貌，集体的声音， 集体的 动作， 集体的 表情， 集体的 信念。 ——马 卡连柯
8、我们现在必须完全保持党的纪律， 否则一 切都会 陷入污 泥中。 ——马 克思 9、学校没有纪律便如磨坊没有水。— —夸美 纽斯
10、一个人应该：活泼而守纪律，天 真而不 幼稚， 勇敢而 鲁莽， 倔强而 有原则 ，热情 而不冲 动，乐 观而不 盲目。 ——马 克思
谢谢
11、越是没有本领的就越加自命不凡。——邓拓 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。——爱尔兰 1、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利
旋转导向系统介绍
旋转导向系统介绍一、概述随着科学技术的发展，石油钻井的勘探仪器的信息化、自动化有了长远的进步，从20世纪80年代后期，在国际上开始研究旋转导向钻井技术，到90年代初期多家公司形成了商业化技术并最终实现了信息化和自动化钻井，旋转导向钻井技术作为目前发展的前沿钻井技术之一，代表着世界钻井技术发展的最高水平。
旋转导向钻井技术可以自动、灵活地调整井斜和方位，大大提高钻井速度和钻井安全性，精确控制井眼轨迹，完全适合目前开发特殊油藏的超深井、高难定向井、水平井、大位移井、智能井等特殊工艺井导向钻井的需要，极大的降低了石油勘探、钻井的成本。
目前该项技术主要被斯伦贝谢、贝克休斯和哈里伯顿公司所垄断，而国内旋转钻井技术仅处于初级阶段，未实现商业化。
二、系统组成1-固定钻铤 2-悬挂脉冲器 3-电池短节 4-测斜探管 5-无磁钻铤 6-无线接收短节7-无线发射短节 8-转换接头 9-旋转导向工具 10-钻头旋转导向钻井系统实质上是一个井下闭环变径稳定器与测量传输仪器（MWD/LWD）联合组成的工具系统。
同时配有地面—井下双向通讯系统，可根据井下传来的数据，在不起钻的情况下从地面发出指令改变井眼轨迹。
旋转自动导向闭环钻井系统包括由井下导向工具、MWD系统、地面监控系统组成，实现了全井闭环控制的双向通讯。
1. 井下导向工具导向工具采用推靠式，外壳不旋转，三个支腿(支撑力不低于2.5t)可独立控制；导向工具采用涡轮发电机供电(功率400-500W)，发电机的交流电进行整流后，一部分为导向工具主控电路供电，另一部分再逆变为交流电通过无线方式传输到外壳中的执行电路；导向工具需要计算自身井斜及高边，以便控制支腿，停泵再开泵后，各支腿恢复到停泵前的状态；导向工具通过无线发射短节及无线接收短节向MWD系统索取仪器的方位信息后，根据地面指令调整三个支腿的收缩状态以实现导向功能。
2. MWD系统MWD系统通过脉冲器将测斜数据上传的同时，需要根据井下导向工具要求将导向信息同时上传到地面，并为井下导向工具提供仪器的方位参数以便于导向工具调整支腿状态。
旋转导向+地质导向+水平井工具仪器介绍
±2.0°
±2.0°
0～360°
工具面角 外径 耐温 抗压筒抗压 抗压筒外径
系统精度
±2.0°
35mm 125℃ 15000 Psi 44.5mm
±2.0°
25mm 182℃ 15000 Psi 34.5mm
25mm 182℃ 15000 Psi 34.5mm
导向(几何）井下仪器工具
3、导向测量仪器 3.1.3有线随钻测量仪器-MS3
导向(几何）井下仪器工具
2、导向常用井下钻具组合
MWD导向钻具常用组合
SST 导向钻具常用组合
导向(几何）井下仪器工具
3、导向测量仪器
3.1 有线随钻测量仪
有线随钻测量仪采用单芯铠装电缆传输数据，整个系统 主要由 5 部分组成： 地面数据处理系统 井下仪器总成
地面数据显示系统
电缆操作设备 辅助作业工具。
发展成熟 带地质参 数的无线 随钻测斜 仪
无线随钻地质参 数仪器越来越全 面，随钻井底成 像技术日趋成 熟，地质仪器与 井下工具融为一 体
测量仪器发展历程
2)、国内测量仪器的发展
年代
内容
60-70 年代
年
80 代
90 代
年
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贝克休斯 MPR LWD 伽玛/ 电阻率 / 振动 是
Windows NT集成软
±3API @ 100API 0 – 250 API ±1% 0.1-50 欧姆米 0.1 - 3000欧姆米 4个 2个 2MHz , 400KHz 钻铤式 涡轮发电 正脉冲
电阻率探测精度 探测范围 电阻率发射电极 电阻率接收射极 频率类型 传感器类型 井下电源 脉冲方式
哈里伯顿 FEWD-RLL 伽玛 / 电阻率 / 振动 是
Windows NT集成软件/
±3API @ 50API 0 – 380 API ±1% 10 欧姆米 0.05 - 2000欧姆米 4个 2个 2MHz, 1MHz 钻铤式 涡轮发电 正脉冲
1、测量的基本概念
测量的定义：测量是指用仪器确定空间、时间、温度、 速度、功能等的有关数值。
石油钻井过程中的测量属于工程测量的一种类型。从 物理意义上讲, 测量井下钻具的工具面角, 即为井下钻具定 向或测量井眼的轨迹均属于空间姿态的测量。由于石油钻井 工程的特殊性使得这一测量过程必须借助专门的工具和仪器, 采取间接测量的方法来完成。
测量仪器发展历程
6、国内无线随钻测量仪器配备现状
目前国内配备的MWD 包括： 斯派里森公司MWD 通用公司QDT-MWD 科学钻井SDI-MWD 北京海蓝YST-48X 英国吉奥林公司Orienteer 哈里伯顿公司的探路者系统、 斯伦贝谢SLIM-ONE 贝克休斯公司Navi-Gator
测量仪器发展历程
目前, 石油钻井过程中的测量需要借助三种媒介, 即大 地的重力场、大地磁场和天体坐标系, 由此产生了与这三种 测量媒介有关的测量仪器元器件。
测量仪器发展历程
A. 借助于重力场测量井斜角或高边工具面, 采用的 测量元件为测角器、罗盘重锤或重力加速度计等。这类 仪器的测量基准是测点与地心的连线, 即铅垂线。主要 测取井斜角
发展成熟 带地质参 数的无线 随钻测斜 仪
无线随钻地质参 数仪器越来越全 面，随钻井底成 像技术日趋成 熟，地质仪器与 井下工具融为一 体
测量仪器发展历程
2)、国内测量仪器的发展
年代 内容
60-70
80
年代
年代
90 年 代
现在
测量仪 器
氢氟酸测斜 仪，机械式 罗盘
引进有线随钻 测斜系统，电 子单多测量系 统及陀螺测量 系统
B. 借助于地磁场测量方位角或磁性工具面, 采用的 测量元件为罗盘或磁通门等。这类仪器的测量基准是磁 性北极, 所以磁性仪器测量的方位角数据必须根据当地 的磁偏角修正成真北极, 即地理北极的数据。主要测取 方位角
C. 借助于天体坐标系测量方位角或磁性工具面, 采 用的测量元件为陀螺仪。陀螺仪为惯性测量仪器, 不以 地球上任何一点为基准, 这类仪器下井测量之前必须对 陀螺仪的自转轴进行地理北极的方位标定。
60年代后期到70年代，人们认识到了随钻测量技术在钻井工业中的重 要地位，开始重点研制井下遥测系统，先后开发出了有线随钻测量仪器 （SST）和无线随钻测量仪器（MWD）。特别是无线随钻测量技术，为以后 随钻地质测量仪器应用价值的随钻地质测量仪器，为导向钻 井、大斜度井、水平井的发展打下了基础。
发展了无线、有线 随钻测斜系统，开 始引进带地质参数 的MWD系统
有线随钻测量仪 器仍在使用，无 线测量仪器开始 普及，引进部分 地质参数测量仪 器
测量仪器发展历程
3、地质导向仪器发展过程
上个世纪30年代,国外就开始研究随钻地质测量仪器。
到60年代初期，由ARPS公司和LANE WELLS公司联合研制出了自然伽玛 和电阻率随钻测井仪器。由于遥测技术没有发展成熟，井下工具性能受到 限制，钻井工艺落后，该技术没有获得广泛推广，仅在有限的几口井中投 入使用。但为以后随钻地质测量仪器的发展奠定了基础。
旋转导向+地质导向+水平井工 具仪器介绍
水平井仪器工具
内容
一、测量仪器发展历程 二、几何导向井下工具仪器 三、地质导向井下工具仪器 四、案例1：FEWD应用于胜利油田水平井开发 五、案例2：FEWD应用于哈得逊油田薄层水平井开发 六、案例3：FEWD应用于磨152H井施工
一、测量仪器发展历程
测量仪器发展历程
此后,伴随具有商业应用价值的地质导向仪器和工具的出现，随钻地质 测量仪器开始大规模应用于生产。
测量仪器发展历程
4、SPERRY-SUN公司
SPERRY-SUN公司(现在属于HALLIBURTON公司)是一家综合性的钻井 技术服务公司。 该公司率先采用短无磁钻铤测量方法 1968年在世界上首次推出有线随钻测量仪器 1983年首家推出具有商业应用价值的电磁波感应电阻率随钻测井工具 1986年首家推出具有商业应用价值的中子孔隙度随钻测井工具 1988年首家推出具有商业应用价值的地层密度随钻测井工具 1992年首家推出具有商业应用价值的四极多深度随钻电阻率测井工具 1994年首家推出具有商业应用价值的4-3/4“随钻测井工具 1996年首家推出具有商业应用价值的随钻声波测井工具
测量仪器发展历程
5、目前的技术水平
90年代，地质导向钻井技术进入了大规模应用阶段。各种功能全面、性 能优良、能满足各种井眼尺寸随钻施工的新型随钻地质测量仪器相继出现。 目前,已完全可以取代电缆测井。
目前已开发出的随钻地质导向测井工具包括： 自然伽玛 电阻率 岩石密度 孔隙度 井 径 井底压力 声波测井 核磁成像等。
测量仪器发展历程
2、测量仪器发展历程
1）国外测量仪器的发展
年代
内容
50 年 代
60 年 代
70 年 代
80 年 代 90 年 代
现在
测量方式
氢氟酸玻 璃管刻线 法和地面 定向法
有线随钻测 机械式罗 斜仪投入工 盘，精度较 业性使用， 高的单多点 无线随钻测 照相测斜仪 斜仪研制成
功
多种无线随 钻测斜系统 投入工业使 用和发展了 电子测量系 统和陀螺测 量系统
7、国内地质导向无线随钻测量仪器配备现状
目前国内配备的MWD 主要包括： 斯派里森公司FEWD 英国吉奥林公司Orienteer 贝克休斯公司Navi-TRACK
测量仪器发展历程
8、国内在用的几种进口地质参数仪器对比
性能参数 仪器类型 测量参数 具备扩展孔隙度/岩 石密度能力否 地面系统
伽玛探测精度