旋轉導向鉆井系統(tǒng)

原理簡介石油大學（華東）韓志勇2003.07.10

作者鄭重聲明：本文件屬于講課的講稿，并非公開發(fā)行材料。僅供學習人員學習時參考，不得在撰寫論文、報告或編寫教材、書籍中引用。

旋轉導向鉆井系統(tǒng)

原理簡介石油大學（華東）作者鄭1導向鉆井系統(tǒng)的發(fā)展史1933年第一口定向井導向鉆井螺桿鉆具和彎接頭有線導向工具無線隨鉆測量導向馬達旋轉導向鉆井系統(tǒng)導向鉆井系統(tǒng)的發(fā)展史1933年第一口定向井導向鉆井螺桿鉆具和2滑動導向鉆井：滑動鉆進：改變井眼方向；旋轉鉆進：保持井眼方向；滑動導向鉆井的存在問題滑動鉆進旋轉鉆進滑動鉆進時的存在問題：滑動困難；需保持定向；井眼不清潔；鉆速很低；井眼扭曲；環(huán)空壓力波動；鉆柱粘卡；屈曲和自鎖；造斜率對地層敏感；旋轉鉆進時的存在問題：震動造成馬達和MWD的破壞；鉆頭磨損加快；井眼質量差，不利于測井；不能用于空氣鉆井導向鉆井滑動導向鉆井：滑動導向鉆井的存在問題滑動鉆進旋轉鉆進滑動鉆進3早期的旋轉導向鉆井思想這是1955年申請專利的旋轉導向系統(tǒng)。一個非旋轉套筒，指向鉆頭的一個特定方位。該專利描述其目的是：使鉆鋌相對井眼軸線有一個很小的偏離，從而使鉆頭具有橫向前進。導向鉆井早期的旋轉導向鉆井思想這是1955年申請專利的旋轉導向系統(tǒng)。4早期的旋轉導向鉆井思想這是1959年申請專利的旋轉導向系統(tǒng)。液壓驅動一個靠近鉆頭的導引鞋，同樣控制井眼軌跡。導引鞋處在非旋轉筒內，液壓控制其伸出或縮回，而無需起下鉆。可連續(xù)定向造斜。導向鉆井早期的旋轉導向鉆井思想這是1959年申請專利的旋轉導向系統(tǒng)。5還有其他許多早期的旋轉導向鉆井工具：機械作用導向鞋；mechanicallyactivatedguideshoes,eccentric液壓作用導向鞋；hydraulicallyactivatedguideshoes,偏心非旋轉套筒；nonrotatingsleeves,嵌套的偏心劍套筒；nestedeccentriccamsleeves間歇作用的槳葉；intermittentlyactivatedpaddles上述這些工具的原理，都與現代旋轉導向系統(tǒng)類似，但沒有一個成功地商業(yè)化。顯然，缺乏有效的井下傳感器和控制系統(tǒng)，阻礙了這些技術的發(fā)展，因而也沒能實現軌跡控制的理想。早期的旋轉導向鉆井思想導向鉆井還有其他許多早期的旋轉導向鉆井工具：早期的旋轉導向鉆井思想導6導向鉆井

導向馬達采用的軌跡控制原理就是“三點定圓”；工具1-3旋轉導向工具也是采用三點定圓法控制軌跡，這與導向馬達相同。理想情況下，鉆頭按照三點定圓鉆出圓弧軌跡。但要注意，除了幾何因素外，還有力學因素。但工具4的原理不是三點定圓。導向鉆井導向馬達采用的軌跡控制原理就是“三點定圓”；7導向鉆井第一類旋轉導向系統(tǒng)的原理工具1所示的鉆頭總是指向曲線的外側。工具1是依靠靠近鉆頭處的一個或幾個翼塊控制幾何約束力，翼塊獨立伸出給井壁一個支撐力。翼塊可以從一個非旋轉筒內半靜態(tài)地伸出，例如BakerHughesInteqAutoTrak系統(tǒng)?；蛘呤菑男D筒內動態(tài)地伸出，例如Camco公司的SteerableRotaryDrilling(SRD)系統(tǒng)。曲率大小取決于工具結構，和來自組合上部的彎矩，還有翼塊伸出的彎矩。翼塊的伸出，直接或間接地受到受限于設計的可調節(jié)的力的控制。軌跡控制取決于翼塊的有效伸出，井眼直徑，鉆頭側切能力等。一般來說，這類工具的造斜率小于導向馬達。扶正器翼塊鉆頭導向鉆井第一類旋轉導向系統(tǒng)的原理工具1所示的鉆頭總是8導向鉆井第二類旋轉導向系統(tǒng)的原理工具2所示，鉆頭也總是指向曲線的外側。但比情況1的度數要小。工具2，例如Halliburton公司的Geo-Pilot系統(tǒng)，Cambridge的AGS系統(tǒng)，是一個變形的連續(xù)旋轉的驅動軸處在一個非旋轉套筒內。在套筒的中部，有一對偏心環(huán)，迫使驅動軸偏心變形，導致鉆頭軸線傾斜，形成三點定圓趨勢。鉆頭的軌跡由三點幾何確定，而鉆頭軸線趨向于和井眼軸線相一致。扶正器非旋轉套筒鉆頭旋轉軸導向鉆井第二類旋轉導向系統(tǒng)的原理工具2所示，鉆頭也總9導向鉆井第三類旋轉導向系統(tǒng)的原理工具3是另一種工具，由于鉆頭軸的上端反時針轉動，同時鉆柱順時針轉動，(DirectionalDrillingDynamicsCo.)使得鉆頭軸線相對于井眼方向有一個“翹起”的位置。這種系統(tǒng)可提供較高度數的鉆頭傾角，而不需要非旋轉套筒接觸井壁，而且可以使鉆頭軸線與井眼軸線一致。這種工具由于商業(yè)原因而出在上述兩種之后。扶正器非旋轉套筒鉆頭鉆頭軸導向鉆井第三類旋轉導向系統(tǒng)的原理工具3是另一種工具，10導向鉆井旋轉導向系統(tǒng)的“三巨頭”Halliburton’srotarysteerabledrillingsystem,dubbedGeo-Pilot。由SperrySun和JapanNationalOilCorporation

聯(lián)合設計。指引鉆頭原理(Pointthebit)。在北海進行裸眼側鉆，從兩個主井眼中側鉆出6個分支水平井。在第二口的四分支水平井中，垂深誤差在±1英尺之內。BakerHughes’AutoTrackRotaryClosedLoop。由BakerHughes和ENI-AGIPS.p.A.聯(lián)合開發(fā)的。側推鉆頭原理(Pushthebit)。在北海的一個井眼鉆進中，鉆進了4383英尺，垂深誤差在±8英寸之內。Schlumberger的rotarysteerablesystemcalledthePowerDrive*475。測推鉆頭原理(Pushthebit)。突出特點是鉆速快，大大節(jié)約鉆井成本。目前幾口最大水平位移的大位移井，都是用他鉆成的。目前市場上比較成熟的旋轉導向鉆井系統(tǒng)有三種：導向鉆井旋轉導向系統(tǒng)的“三巨頭”Halliburton’s11PowerDrive完全的旋轉導向系統(tǒng)：整個鉆柱，從上到下，全部都在旋轉，沒有靜止的部分；但在下部控制總成內部，有不旋轉的部分；PowerDrive完全的旋轉導向系統(tǒng)：12PowerDrive完全的旋轉導向系統(tǒng)：整個鉆柱，從上到下，全部都在旋轉，沒有靜止的部分；但在下部控制總成內部，有不旋轉的部分；PowerDrive完全的旋轉導向系統(tǒng)：13PowerDrive結構：下部偏置部分：在旋轉過程中始終給鉆頭一個側向力；中部控制部分：始終控制側向力的方向；上部MWD部分：測量信息及傳輸；關鍵是控制總成內的不轉動的部分，具有一個稱作“慣性平臺”的部分，實際上是由井下計算機控制的“電子液壓伺服系統(tǒng)”，可以保證控制軸不受整個鉆柱轉動的影響?？刂戚S可以給定偏置部分一個軌跡控制所需要的導向方位角。PowerDrive結構：14PowerDrive鉆頭側向力的產生原理控制軸和上盤，是由慣性平臺控制的獨立部分。上盤的水眼方位，就是給鉆頭側向力的方位。該方位確定后，不管鉆柱如何轉動，上盤都不轉動。下盤與偏置機構以及鉆頭相連接，隨鉆柱轉動而轉動。只有上下盤水眼相通時，才能有泥漿流過，并推動支撐塊伸出，給井壁一作用力，同時給鉆頭一反方向的作用力。PowerDrive鉆頭側向力的產生原理15PowerDrivePowerDrive16二.大位移井的軌跡控制技術總運行情況：井數：47口；下井次數：138次；工作時間：11610小時；總進尺：47780米；最大井深：11278米；最大井眼曲率：11°/30米；最長一次進尺：1389米；最長一次下井時間：163小時基本數據：長度：4.9米；排量：500～1000gpm轉速：40～220rpm壓降：〈100psi最小鉆頭壓降：500psi最高溫度：120°C泥漿密度：7.5～20ppg數據傳輸：通過MWD二.大位移井的軌跡控制技術總運行情況：基本數據：17二.大位移井的軌跡控制技術PowerDrive的優(yōu)越性工具簡單，不增加地面設備；工具的壓降低，小于100psi（約0.7MPa）；與實時的SchlumbergerMWD,LWD,APWD配合；傳輸高速，適合快速鉆井；接受和發(fā)送數據同時進行；與井眼沒有靜止的接觸部分井眼清潔好；卡鉆的風險?。粯藴实你@井作業(yè)；二.大位移井的軌跡控制技術PowerDrive的優(yōu)越性18AUTO-TRACK非旋轉套依靠反向電機驅動，使之相對于井眼不旋轉，保持側推鉆頭的力的方向不變。非旋轉套并非絕對不旋轉，但工具自己可以測得非旋轉套筒的旋轉，并隨時調整三個“翼塊”給出的側推力的方向。AUTO-TRACK非旋轉套依靠反向電機驅動，使之相對于井眼19AUTO-TRACK關鍵部分：非旋轉套整個鉆柱在旋轉，如何保證非旋轉套不旋轉？非旋轉套的內部，裝有井下計算機、井斜傳感器、液壓控制、支撐塊機構等部分；AUTO-TRACK關鍵部分：非旋轉套20AUTO-TRACK兩個環(huán)：井下控制閉環(huán)：按照給定的軌道鉆進，或按照地質導向鉆進；井下與地面的雙向傳輸；低邊改變井下鉆井模式。AUTO-TRACK兩個環(huán)：21“指引鉆頭”式旋轉導向鉆井系統(tǒng)外殼順時針方向轉動馬達反時針方向轉動,轉速與外殼轉速相等Offset

當外殼帶動鉆頭旋轉時，馬達帶動偏離節(jié)反向旋轉，從而保持鉆頭的偏離方向不變，鉆出預定的曲線形井眼。“指引鉆頭”式旋轉導向鉆井系統(tǒng)外殼順時針方向轉動馬達反時針方22“指引鉆頭”式旋轉導向鉆井系統(tǒng)“側推鉆頭”式旋轉導向鉆井系統(tǒng)Biasthebit“指引鉆頭”式旋轉導向鉆井系統(tǒng)“側推鉆頭”式旋轉導向鉆井系統(tǒng)23導向鉆井第四類旋轉導向系統(tǒng)的原理工具4的軌跡控制并不是三點定圓幾何理論，而是由鉆頭方向獨立確定的。鉆頭設計成側切能力很小，并有一個柔性聯(lián)結，該柔性聯(lián)結把鉆頭與鉆柱的彎矩隔開。這種軌跡控制機理可以在小井眼內提供比其他機理更高的造斜率。鉆柱柔性鉸接鉆頭鉆頭軸導向鉆井第四類旋轉導向系統(tǒng)的原理工具4的軌跡控制并不24第四類旋轉導向系統(tǒng)的原理令：二式聯(lián)立，可得：則：指引鉆頭式系統(tǒng)的井眼曲率計算：第四類旋轉導向系統(tǒng)的原理令：二式聯(lián)立，可得：則：指引鉆頭式系25一種新的短半徑旋轉鉆井系統(tǒng)全機械式，無井下馬達，無電子系統(tǒng)，可精確地鉆出9～18米曲率半徑的短半徑水平井。彎曲段鉆進需要8～24小時，垂深誤差在±60cm以內。鉆彎曲段組合結構如圖所示，包括：Amoco專利的抗渦動的偏心PDC鉆頭，鉆頭短節(jié)，信息環(huán)，非旋轉的偏心柔性套筒，下扭矩殼，球銷，上扭矩殼。造斜原理是：鉆頭總是指向井眼曲率的切線方向，即“指引鉆頭”（pointingthebit）原理。兩個接觸點，一個在鉆頭上，一個在柔性套筒的“耐磨板(WearPad)”上，兩點控制著鉆頭的傾角。鉆頭短節(jié)可以調節(jié)兩點之間的距離，從而控制井眼曲率。一種新的短半徑旋轉鉆井系統(tǒng)全機械式，無井下馬達，無電26柔性套筒刀翼柔性套筒信息口旋轉主軸插銷插銷洞柔性套筒刀翼柔性套筒信息口旋轉主軸插銷插銷洞27一種新的短半徑旋轉鉆井系統(tǒng)當心軸反時針轉動時，心軸和柔性套筒在某個位置就可以“鎖住”。心軸和柔性套筒上各有一個“泥漿口”，當心軸與套筒鎖住之后，兩個泥漿口將互相連通，泥漿循環(huán)壓力將會下降一個值，泥漿循環(huán)時將沒有脈沖信號。此時心軸可以帶動柔性套筒反時針旋轉，從而調節(jié)工具面。柔性套筒起到導向的作用。工具面調節(jié)好之后，只要順時針旋轉，插銷就會從插銷洞中脫出來，使心軸和套筒“解鎖”，同時刀翼又會吃住井壁，柔性套筒將不旋轉，保持工具面不變。在解鎖狀態(tài)下，心軸每旋轉一周，兩個泥漿口將會相通一次，從而發(fā)出一個泥漿脈沖，地面上可以接收到這個脈沖，從而可以監(jiān)視工具面是否發(fā)生變化。一種新的短半徑旋轉鉆井系統(tǒng)當心軸反時針轉動時，心軸和柔性套筒28一種新的短半徑旋轉鉆井系統(tǒng)1.保持工具面不變，可精確鉆出斜面圓弧井眼。2.沒有井下動力鉆具，不存在反扭角的問題。3.不需要MWD監(jiān)測，定向后地面上就有“標記”。4.具有旋轉鉆進的優(yōu)越性，克服滑動鉆進的缺點。5.水平段采用旋轉鉆進的“滿眼組合”。側鉆前，需要磨洗套管8米左右，然后打水泥塞，再鉆導眼，然后準確地從造斜點開始側鉆。在柔性套筒上部安置定向接頭，內置定向鍵；正常下鉆。采用常規(guī)的“muleshoe”定向。定向儀器的下入，必要時也要采用泵沖法。第一次擺正工具面角之后，在井口以上的鉆柱母線上做標記。當鉆柱順時針旋轉時，套筒卡在井壁上不旋轉，給出的工具面角也不會變化。當需要向下移動套筒時，只要反時針轉動鉆柱，就可帶動套筒，并按照井口鉆柱上的標記線再次擺正工具面。一種新的短半徑旋轉鉆井系統(tǒng)1.保持工具面不變，可精確鉆出斜面29閉環(huán)鉆井旋轉導向閉環(huán)鉆井系統(tǒng)德國用于超深井防斜的垂直鉆井系統(tǒng)VDS(VerticalDrillingSystem)

美國能源部提出的自動鉆井系統(tǒng)ADD(AutomaticDirectionalDrilling)CambridgeRadiationTechnologyLtd.公司的自動導向系統(tǒng)AGS(AutomatedGuidanceSystem)

英國CAMCO公司推出的旋轉導向鉆井系統(tǒng)SRD(SteerableRotaryDrilling)

BakeHughes公司的旋轉導向鉆井系統(tǒng)RCLS(RotaryClosedLoopSystem)，商品名稱AutoTrack。閉環(huán)鉆井旋轉導向閉環(huán)鉆井系統(tǒng)德國用于超深井防斜的垂直鉆井系統(tǒng)30旋轉導向鉆井系統(tǒng)

的應用及前景韓志勇石油大學石油工程學院2003/10/10旋轉導向鉆井系統(tǒng)

的應用及前景韓志勇31旋轉導向系統(tǒng)的優(yōu)點大大增強軌跡控制能力：地面與井下雙向傳輸，改變井下鉆進模式；幾何導向和地質導向，都可連續(xù)旋轉鉆進；不存在反扭角問題，可精確中靶；提高鉆速，縮短周期，降低成本：不存在滑動鉆進加不上鉆壓問題；旋轉鉆進速度快；井眼光滑無波動：井眼光滑，則摩阻摩扭很小；井眼光滑則起下鉆通暢；下套管，固井，完井都很順利；講旋轉導向系統(tǒng)的優(yōu)點大大增強軌跡控制能力：講32旋轉導向系統(tǒng)的優(yōu)點旋轉鉆進與滑動鉆進的鉆速比較。講旋轉導向系統(tǒng)的優(yōu)點旋轉鉆進與滑動鉆進的鉆速比較。講33旋轉導向系統(tǒng)的優(yōu)點

PowerDrive應用情況WytchFarm

油田M11井：下井6次，配合地質導向儀器，鉆水平段原計劃64天，實際40天，節(jié)約24天，節(jié)省資金120萬美元；平均日進尺原計劃34米，實際53米。講旋轉導向系統(tǒng)的優(yōu)點

PowerDrive應用情況Wytch34旋轉導向系統(tǒng)的優(yōu)點

PowerDrive應用情況WytchFarm油田M-15井：這是一口階梯式水平井，兩次轉向。以7°/30米和5°/30米的造斜率，分別在19000ft和22000ft處轉向。設計日進尺320ft，實際日進尺530ft。全井節(jié)省6天時間。講旋轉導向系統(tǒng)的優(yōu)點

PowerDrive應用情況Wytch35旋轉導向系統(tǒng)的優(yōu)點

PowerDrive應用情況英國，Brent油田一口在已鉆井區(qū)繞障的水平井。井眼在水平段以4.33°/30米的曲率，扭方位51.8°，成功繞過障礙，并鉆進油層。一趟鉆，鉆進3195英尺，純鉆120小時，泥漿循環(huán)工作50小時。講旋轉導向系統(tǒng)的優(yōu)點

PowerDrive應用情況英國，Bre36旋轉導向系統(tǒng)的優(yōu)點

PowerDrive應用情況這是挪威一口在井斜角60°情況下扭方位的井。由于地層原因，滑動鉆進特別困難。用PowerDrive一趟鉆，95小時，鉆進3596ft，機械鉆速37.8米/時。井眼曲率4.07°/30米。旋轉導向系統(tǒng)的優(yōu)點

PowerDrive應用情況這是挪威一口37旋轉導向系統(tǒng)的優(yōu)點

PowerDrive應用情況馬來西亞。BekokA7st井。這是一口從老井中反向三維側鉆的井。鉆進1389米，51m/時，日進尺513米。井眼曲率2.0～3.7°/30M米。井斜由40°增至70°。講旋轉導向系統(tǒng)的優(yōu)點

PowerDrive應用情況馬來西亞。B38旋轉導向系統(tǒng)的優(yōu)點

PowerDrive應用情況情況這是挪威一口井在井斜角77°下用扶正器組合鉆進，結果井眼向左偏離（虛線）的井。用PowerDrive糾方位。在井斜77°情況下，方位從188°扭到198°。機械鉆速70ft/時，以前為33～4970ft/時。旋轉導向系統(tǒng)的優(yōu)點

PowerDrive應用情況情況這是挪威39旋轉導向系統(tǒng)的優(yōu)點井眼光直無波動的重要性：摩阻摩扭??；井眼清潔；使用水基泥漿的潛力：費用低；環(huán)保有利；除砂易，少跑泥漿；減少粘卡完井和下套管容易；固井質量高；講旋轉導向系統(tǒng)的優(yōu)點井眼光直無波動的重要性：講40旋轉導向系統(tǒng)的優(yōu)點

AUTO-TRACK應用情況這是一口在海上平臺上鉆的三維多目標水平井：常規(guī)方法鉆12-1/4“，80%進尺要滑動鉆進。旋轉轉速最高60rpm。循環(huán)攜巖時間加長，鉆速下降50%。用AUTOTRACK帶PDC鉆頭，下井兩次，工作61.5小時，鉆速95‘/時。比常規(guī)節(jié)省4天時間，節(jié)省經費40萬＄。講旋轉導向系統(tǒng)的優(yōu)點

AUTO-TRACK應用情況這是一口在41旋轉導向系統(tǒng)的優(yōu)點

AUTO-TRACK應用情況這是一口大位移水平井。計劃鉆的12-1/4“井眼3400米，有3000米井斜為70°。由于要探測上部的氣頂，要求鉆進時帶FEMWD。實際用8-1/4“AUTOTRACK,一趟鉆鉆完3621米，用93.5小時，平均鉆速為38.6米/時，最后的250米由于地質家的要求而控制鉆速。比常規(guī)節(jié)省6天；節(jié)約100萬＄；穩(wěn)斜段井斜誤差為±0.15°。旋轉導向系統(tǒng)的優(yōu)點

AUTO-TRACK應用情況這是一口大42旋轉導向系統(tǒng)的優(yōu)點

AUTO-TRACK應用情況這是一口打水平段的實例。原井在水平段斷鉆具，要求從85°開始向下側鉆，井斜角增至95°，同時扭方位，然后鉆進水平段。實際：井斜85°—90°，方位172°—160°。在1336米的水平段垂深誤差為±0.2米。7“尾管下入和固井順利，且可旋轉。節(jié)約60萬＄旋轉導向系統(tǒng)的優(yōu)點

AUTO-TRACK應用情況這是一口打43旋轉導向系統(tǒng)的優(yōu)點

AUTO-TRACK應用情況又一口井：預計后段油層下傾，實際碰到斷層，且油層上傾。采用地質導向，準確找到油層。油層油層斷層旋轉導向系統(tǒng)的優(yōu)點

AUTO-TRACK應用情況又一口井：44旋轉導向系統(tǒng)的應用前景油田開發(fā)上的應用：斷層油藏；邊際衛(wèi)星油田降低成本