导向钻井技术的发展与应用课件.ppt
2023/1/20,1,欢迎各位领导专家光临指导,2023/1/20,2,导向钻井技术的发展与应用,胜利钻井定向井公司LIMIN QIN,2023/1/20,3,一、引言,随着科学技术的高速发展，特别是计算机技术的应用和发展，使自动化控制技术变得简单和实用，钻井技术也已经逐步向着自动化方向发展。垂直钻井技术已经达到了井下闭环控制阶段，基本实现了自动化钻井。三维控制的定向井、水平井还没有完全实现闭环控制钻井。,2023/1/20,4,自动化钻井主要可分为两种方式，即大闭环控制方式和井下闭环控制方式。,2023/1/20,5,2023/1/20,6,浅释,就两种控制方式对比，井下闭环控制应该更简单和更准确，人们也是正向着这方向发展；但是井下闭环控制的井下工具研制技术也是比较困难的。特别是加入地质参数测量和卫星数据实时传输，基地建立油井地球物理模型，就可实现自动化地质导向钻井。,2023/1/20,7,组织机构,2023/1/20,8,二、导向钻井技术的发展,导向钻井是从80年代开始逐步发展起来的具有革命性的钻井技术，特别是旋转导向钻井技术是大位移延伸井轨迹控制的关键技术，它可以克服大位移带来的高的摩阻和扭矩，是实现自动化钻井的最关键的组成部分；又是解决垂直钻井、超薄油藏水平钻井（近钻头井斜测量）的有效方法。目前，国外已有许多公司研究和使用旋转导向系统，我国目前仅处于理论研究与开发阶段，随着大位移井的研究和推广应用，研究开发旋转导向系统是非常必要的。,2023/1/20,9,1、井眼轨迹控制理论的发展,井眼轨迹控制技术所要研究的对象是一个多目标的、具有多种干扰因素的复杂系统。在钻井工程发展初期，该系统堪称是黑色系统。随着多方面理论的研究（包括BHA分析、岩石力学研究、地层作用分析、钻头分析等），在一定程度上提示了该系统内某些参数之间的相互联系与作用机理，增加了系统透明度。就目前的认识水平来看，该系统尚属灰色系统。,2023/1/20,10,如果一个控制系统不受外界的随机干扰而只受输入的控制，则称此系统为确定性控制系统。如果最优控制u*(t)是系统X(t)的反馈控制，则称此控制为闭环控制。若系统的输出量对系统的控制作用没有影响，不管当时系统处于什么状态，控制规律都按控制函数u(t)执行，这种控制方式称为开环控制。,控制的概念,2023/1/20,11,2、影响井眼轨迹控制的主要因素,1、底部钻具组合。BHA的类型（滑动导向或旋转导向的工具）、结构（钻头类型，稳定器个数、直径，各跨长度、刚度等等）。2、底部已钻井眼的几何形状（井眼的方向、空间位置以及井眼直径等）。3、钻井工艺参数（钻压、转速、排量、泵压以及井下工具的状态等）。4、地层因素。地层产状（倾角、走向）；岩石各向异性；岩石类型、强度、地层压力等。5、以上各种因素综合影响下的钻具动力学因素。包括钻具、钻头的渦动、震动（跳钻、周向扭振）等等。,2023/1/20,12,3、井眼轨迹控制技术的发展,对于钻井来说，增加BHA的可调特性和改变井下工具的工作状态，在井眼轨迹控制系统中增设反馈环节，将会对提高控制精度、降低钻井成本起到关键作用，这可能成为今后井眼轨迹控制技术的重要研究方向。A改变井下工具的工作状态，实现导向控制 目前广泛应用的滑动导向钻井技术，就是应用单弯螺杆马达或异向双弯马达（DTU），与泥浆脉冲MWD和PDC（也可以是牙轮）钻头配合，应用滑动或旋转两种方式钻进，实现实时测量、实时控制的导向钻井技术。,2023/1/20,13,B增加井下控制机构，实现开环遥控 这方面的研究已经有很多的成果，如遥控弯接头是比较早的实例。它可以改善钻具组合的起下通过性能，减少阻卡；更重要的是通过遥控改变弯接头的弯角值，以调整造斜率。,2023/1/20,14,C增设井下控制装置，实现闭环控制 在BHA上连接特殊设计的装置，增加BHA系统反馈环节，实现对某一钻井过程中既定目标的自动闭环定量控制。在国外，用于井斜控制的VDS-3系统（KTB计划），斯仑贝谢公司的Power-V,贝壳休斯公司的VertiTrak垂直导向系统。由于它们仅仅控制井斜，不需要轨迹计算，所以可以实现闭环自动控制。,2023/1/20,15,4、主要导向系统及分类,2023/1/20,16,滑动导向钻井技术的发展,二十世纪八十年代以来，世界各油田进入了开发后期，油藏开发难度世界上由钻直井发展到了钻定向井，在较长的一段时间内采用井下马达（涡轮和螺杆钻具），在很大程度上提高了定向井的钻井效率，并且技术水平得到了很大的发展，包括钻成了大批的水平井、套管开窗水平井（中曲率半径水平井、小曲率半径水平井），以及分支井等，螺杆钻具起到了决定性的作用。,2023/1/20,17,随着测量技术的发展，特别是可靠的MWD无线测量系统的产生，各种形式的螺杆钻具（单弯、双弯、异向双弯等）也相继出现，所以，连续控制轨迹的导向钻井技术就产生了。当然，这一阶段的导向技术就是滑动导向钻井技术，就是：PDC钻头螺杆钻具MWD计算机系统。其关键问题是螺杆钻具的寿命，但是，国外在很短的时间内使螺杆钻具的性能就达到了较高的水平，使用寿命可达到1000小时左右。,Sperry Sun井眼平滑系统SlickBore 滑动导向的典范,2023/1/20,18,遥控变径稳定器的应用进一步完善了滑动导向钻井技术,1、解决了井队职工干部长期以来，害怕使用稳定器起下钻遇阻遇卡问题，从根本上消除了因拔活塞抽吸，造成的井眼垮塌、井喷等重大事故，解除了职工干部的思想压力，保证了安全，能够避免重大经济损失。2、完善了滑动导向钻井技术，优化了定向井轨迹控制过程，在井下钻具结构中增加了可控环节，使钻具组合能够进行地面控制，从而有效地进行轨迹控制，减少钻进过程中的摩阻和扭矩，这是当今钻井技术发展的趋势。,2023/1/20,19,3、可以有效地提高起下钻速度，可以在高速起下钻过程中不发生遇阻遇卡问题，减少压力激动。井眼平滑、规则，为电测、下套管准备了良好地井眼条件，节约了大量的时间，在安全生产的前提下提高生产效率。4、在钻进过程中，该稳定器可以达到真正“满眼”状态，具有很好地稳斜效果。配合马达使用，消除了钻具动力分叉和涡动现象，加之马达和转盘的速度差作用，可以在正常的钻压下钻进就具有很好地防斜和纠斜效果，其作用机理完全不同于常规的钟摆纠斜原理。,2023/1/20,20,旋转导向钻井技术在我国早期就有些理论上的研究和发展。白家祉教授研制的套筒型方位控制器。但只能在某一条件下控制井斜方位。这些工具都不能形成旋转导向钻井系统，也可以算是我国旋转导向钻井技术发展的雏形。,旋转导向钻井技术的发展,方位器,2023/1/20,21,由于特殊工艺井的大量出现，特别是大位移延伸井（ERD）的应用，摩阻、扭矩问题制约了水平位移的进一步延伸，滑动导向技术显得无能为力了。所以旋转导向钻井系统诞生了。人们进行了长期的研究，开始推出了遥控可变径稳定器（AGS、Tracks等），近年又推出了井下闭环钻井系统和旋转导向钻井工具及其系统（如Auto track和Power Drive和Geo-pilot等）及地质导向钻井系统。定向井钻井技术正在向自动化、智能化钻井阶段发展。,旋转导向钻井,2023/1/20,22,2023/1/20,23,随着水平井、大位移井和海洋钻井技术的发展，对井眼轨迹的控制提出了更高的要求。进入九十年代以来，国外几家大的石油服务公司为了解决水平井、大位移井的钻井问题，纷纷研究旋转导向系统，代表性的主要是Auto Trak、Power Drive和Geo-pilot井下闭环旋转导向钻井系统,2023/1/20,24,2023/1/20,25,Sperry Sun Geo-pilot,2023/1/20,26,PowerDrive675,Pad out,Pad in,2023/1/20,27,PowerDrive演示,2023/1/20,28,国内西安石油大学等对旋转导向钻井系统进行了大量的研究，研制了近似Track系统的井下闭环变径稳定器旋转导向系统（XTCS），和仿Auto Trak井下闭环旋转导向钻井系统（正在研制样机），以及对Power Drive井下闭环旋转导向钻井系统理论的研究。但是真正要投入生产还需要一段较长的时间。,2023/1/20,29,为有效地控制井眼轨迹沿油气层的最佳部位钻进，为了更好的发现油气层而需要随钻提供及时的和无泥浆污染的地层资料，为了提高钻井速度和减少测井时间，研究和发展了带地质参数的无线随钻测量系统，并在此基础上发展和完善了地质导向技术。目前世界上主要有三大定向井服务公司研究和生产这种系统，就是Halliburton Sperry-Sun、Baker Hughes、斯仑贝谢的Ana drill，其中，SPERRY-SUN公司于1983年在世界上首家推出具有实用价值的电阻率无线随钻测量仪，是国际上地质参数无线随钻测量应用最早的一家，也是目前该项技术最为成熟一家公司。其产品技术先进、性能可靠，在国际定向井服务领域享有盛誉。另外，随着井底闭环自动控制系统的研究和发展，结合FEWD系统形成了井底闭环控制、地质导航系统即全自动井底导航系统。这是当今石油钻井史上的重大突破，代表了世界石油钻井的尖端技术，达到了钻井技术的最高峰。,2023/1/20,30,三、对三套导向系统的认识,三套系统都必须有一个稳定平台作为参考坐标系，Auto track 的稳定平台是不旋转的短壳体，Power Drive 是不旋转的心轴，Geo-pilot是长的不旋转外壳。Power Drive和Auto track都是通过调节每个导向滑块伸缩量和侧向力的大小实现对井斜和方位的调整，而Geo-pilot是通过心轴的弯曲，使钻头产生偏斜和形成倾角，达到能够造斜的目的。,2023/1/20,31,Geo-pilot长的稳定平台刚性高、直径大，具有较大地井下不安全性，对泥浆性能和井壁稳定性的要求较高。Auto track和Geo-pilot稳定平台存在微小的漂移；Power Drive稳定平台只是相对稳定，两边摆动的幅度可达到90，一定程度上影响了工作效率。,2023/1/20,32,Power Drive和Auto track都需要测向切削能力较强的钻头,而Geo-pilot沿用SlickBore钻头,2023/1/20,33,旋转导向钻井的优 点,与/或,与/或,与/或,2023/1/20,34,优化钻头切削齿结构优化钻井参数钻具连续旋转不因滑 动钻进而降低机械钻速更好的 井眼清洁更少的划眼机械钻速的全面提高,旋转导向钻井改善了机械钻速,2023/1/20,35,三、RNDS原理简介,我公司利用人才和设备资源优势，研究开发了一套地面控制旋转导向钻具系统，本系统与Baker Hughes IN-TEQ公司研制的井下闭环钻井系统RCLS（Auto Track）的原理基本相同，都属于静止式旋转导向钻井系统；整个系统包括井下旋转导向工具、地面计算机信息终端、井下MWD测量系统。由钻井液脉冲信号控制，具有井下-地面双向通讯功能。本系统设计原理和结构简单，性能可靠，使用成本低，适应性强，与国外同类型产品相比，具有其独特的优越性。,2023/1/20,36,力学原理图,合力方向,旋转轴,非旋转套筒,2023/1/20,37,工作原理示意图,旋转导向工具,MWD,上稳定器,2023/1/20,38,结构原理示意图,弹簧,锁销,活塞爪,非旋转套筒,凸轮凸轮销,信号孔板,平衡活塞,筒式斜面体,2023/1/20,39,2023/1/20,40,旋转钻井系统控制回路示意图,地面电脑监控,顶驱或 转盘,钻柱,信息传输,MWD探管,旋转导向工具,钻头,数据工具面测量,控制回路,2023/1/20,41,RNDS结构特点,静止式旋转导向钻井系统（静态可控偏心器）比调节式旋转导向钻具更容易实现井下控制，并且对钻具不存在间歇冲击力，静态合矢量方向可以精确控制；RNDS系统与Bake Hughes公司的旋转导向钻井系统RCLS相比，虽然都是静止式，但静态可控偏心器结构原理有很大的区别，RCLS偏心器，具有复杂的油压系统、稳定控制平台、电子伺服机构和井下微电脑以及专门的测量系统等，结构复杂，导致可靠性差、故障检查和维修困难，使用费用高等问题；而RNDS偏心器（CPD），只运用巧妙的机械设计，没有复杂的旋转稳定平台，地面泵脉冲控制，且具有简单的双向通讯功能，现成的MWD测量系统，结构简单、性能可靠，检查、维修方便，使用成本相对低的多，可以大面积推广应用。使用底部钻具组合性能分析软件BHA计算，该系统可以产生515/100m的造斜率。,2023/1/20,42,用途和意义,1、这是我国首家研制开发的旋转导向系统，进一步提高我们钻井的技术水平，试验成功之后，必将带来钻井技术的一次新的革命，技术经济效益和社会效益是巨大的。2、进一步增强我们的的技术实力，为大位移延伸井、特殊工艺井钻井提供了可靠的工具。3、可以用于易斜地层的垂直钻井，在这种意义上，又相当于德国研制的VDS自动垂直钻井系统。4、由于MWD测量的位置距离钻头较近，因此，用于超薄油层的水平段钻进，将是非常理想的。5、容易形成近钻头井斜测量。,2023/1/20,43,优点旋转导向钻井技术是当今世界钻井技术发展的最高峰，是钻井科技人员梦寐以求的愿望。它的优点在于：不使用动力钻具，避免了动力钻具的不可靠性问题，钻井的安全性提高；容易形成闭环钻井控制，不存在动力钻具反扭角造成的工具面失控问题，井底方向矢量可以精确控制，轨迹平滑、控制效率高。有效地解决了大位移延伸井钻井的摩阻、扭矩问题，不易造成粘卡，有助于排除岩屑；容易解决近钻头测量问题。,2023/1/20,44,旋转导向钻井钻压、排量等钻井参数不受动力钻具的影响，使用范围扩大，可以做到优化钻井参数钻井，大大提高钻井速度和钻井效率。井眼轨迹控制精度高，井眼平滑，摩阻扭矩小，容易实现三维多目标井等特殊工艺井的钻井，可以使大位移井的位移继续延伸，钻井能力进一步提高。由于MWD必须在开泵循环状态下测量，所以，滑动导向钻井MWD测量都不是“静态测量”，测量精度受到井下马达的震动的影响；所以旋转导向钻井的测量精度比滑动导向钻井高。,2023/1/20,45,双击黑处播放动画演示,2023/1/20,46,请各位专家提出好的建议！谢谢！,Qin Li Min,
