美國自動旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具結(jié)構(gòu)原理及特點(diǎn)
| 現(xiàn)有的滑動式導(dǎo)向鉆井工具在定向鉆井,特別是在大位移井及長距離水平井的使用中暴露出不少缺點(diǎn)與不足。自動旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具可以彌補(bǔ)這些缺點(diǎn),是目前定向鉆井工具發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)及方向。筆者據(jù)此介紹美國三家公司的自動旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的結(jié)構(gòu)原理及特點(diǎn)?，F(xiàn)有定向鉆井工具的缺點(diǎn)和不足 迄今為止，定向鉆井技術(shù)經(jīng)歷了三個(gè)里程碑：①利用造斜器（斜向器）定向鉆井；②利用井下馬達(dá)配合彎接頭定向鉆井（造斜率是彎接頭彎角、井下馬達(dá)剛度和地層巖石硬度的函數(shù)）；③利用導(dǎo)向馬達(dá)（彎殼體井下馬達(dá)）定向鉆井（彎角點(diǎn)離鉆頭的距離近得多，因此產(chǎn)生的造斜率大）。 目前這三種定向鉆井工具在世界各地被廣泛使用，并促進(jìn)了定向鉆井技術(shù)的快速發(fā)展，使得今天人們能夠應(yīng)用斜井、叢式井、水平井技術(shù)開發(fā)油田。 隨著石油工業(yè)的發(fā)展，為了獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益，需要開發(fā)深井、超深井、大位移井和長距離水平井，而且常常要在更復(fù)雜的地層，如高陡構(gòu)造帶鉆井。這些都對定向鉆井工具提出了更高的要求。目前以井下馬達(dá)為主的定向鉆井工具已不能滿足現(xiàn)代鉆井技術(shù)的要求，主要存在以下缺點(diǎn)和不足。 （1）利用井下馬達(dá)導(dǎo)向時(shí)是滑動鉆進(jìn)，鉆柱彎曲比旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)嚴(yán)重，井壁與鉆柱間的軸向摩擦力大，使鉆壓很難加在鉆頭上。在大延伸井和水平井中這一情況更嚴(yán)重，在極端情況下會造成鉆柱屈服，因此它限制了水平井和大斜度井的深度。 ?。?）在地面對井下馬達(dá)進(jìn)行扭方位操作時(shí)，旋轉(zhuǎn)摩擦、鉆頭扭矩、鉆桿的扭轉(zhuǎn)彈性變形等都妨礙了工具面的控制，從而影響井下馬達(dá)在大斜度井和水平井中的使用。 （3）在導(dǎo)向鉆進(jìn)時(shí)，鉆柱的扭轉(zhuǎn)彈性變形會引起工具面角不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致井眼軌跡扭曲，進(jìn)一步加大鉆柱受到的摩擦力，同樣限制了鉆井深度。 （4）與旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)相比，滑動鉆井時(shí)巖屑排出困難，限制了鉆速和可鉆深度。 ?。?）與旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)相比，滑動鉆進(jìn)鉆速較低。井下馬達(dá)轉(zhuǎn)速較高，降低了鉆頭和井下馬達(dá)的使用壽命，也增加了起下鉆的次數(shù)。 ?。?） 使用井下馬達(dá)鉆井容易引起卡鉆。 （7） 滑動鉆進(jìn)與旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)頻繁轉(zhuǎn)換會引起較大的井眼狗腿度，且隨井斜曲率的增加而增加。 缺球形封頭與筒體連接處 新開發(fā)的自動旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具克服了以上缺點(diǎn)與不足，其特點(diǎn)是： (1)具有在鉆柱旋轉(zhuǎn)情況下定向的能力； (2)可以與井下馬達(dá)一起使用； (3)配有全系列標(biāo)準(zhǔn)的地層參數(shù)及鉆井參數(shù)檢測儀器； (4)配有地面-井下雙向通訊系統(tǒng)，可根據(jù)井下傳來的數(shù)據(jù)，在不起鉆的情況下從地面發(fā)出指令改變井眼軌跡； (5)工具設(shè)計(jì)制造模塊化、集成化； (6)可以在150℃以上的高溫井中使用； (7)定向鉆井時(shí)不需要特殊的鉆井參數(shù)，可以保證最優(yōu)的鉆井過程； (8)導(dǎo)向自動控制，以保證準(zhǔn)確光滑的井眼軌跡。 國外多家石油工具公司都在致力于這一先進(jìn)的定向鉆井工具的研究，并取得了初步成果。這里介紹美國三家公司的自動旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)。 1.Baker Hughes公司的自動閉環(huán)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具［1～4］ 1993年，Agip.S.P.A和 Baker Hughes Inteq開始開發(fā)和研制旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具。工具包含地面與井下的雙向通訊系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)和LWD(隨鉆測井)系統(tǒng)三個(gè)部分。 (1)地面與井下的雙向通訊系統(tǒng) 此系統(tǒng)可使操作者能在不停鉆的情況下，用鉆井液脈沖從地面向井下工具發(fā)出指令改變井眼軌跡、造斜率、方位改變率及降斜率等，指示井底發(fā)射器有選擇地發(fā)送需要的信息。為了能使地面指令向下傳輸，開發(fā)了一項(xiàng)通過在井上調(diào)制排量來向下傳遞命令的新技術(shù)：立管上安裝一個(gè)旁通觸發(fā)器，可在地面把部分鉆井液送回鉆井液池，相應(yīng)的流量變化導(dǎo)致井下發(fā)電機(jī)的電壓變化，這樣加載了信息的排量變化順序就送到井下并在井下得到解釋。它可以把地層參數(shù)、井下溫度、井眼軌跡參數(shù)、井底壓力及工具的運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)用鉆井液正脈沖傳輸?shù)降孛妫⒃诘孛娼邮兆g碼。此工具的上傳數(shù)據(jù)采用了已經(jīng)成功應(yīng)用 20多年的MWD中的井下遙控脈沖發(fā)射器。 (2)導(dǎo)向系統(tǒng) 在井下構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，可以在沒有地面技術(shù)人員干預(yù)的情況下自動控制井斜和方位。 導(dǎo)向工具的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有一不旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向套，中軸從導(dǎo)向套中間穿過與鉆頭連接，帶動鉆頭隨鉆柱一起旋轉(zhuǎn),導(dǎo)向套與中軸通過軸承連接。3個(gè)可伸縮棱塊布置在導(dǎo)向套中，棱塊由3個(gè)獨(dú)立的液壓活塞驅(qū)動，由液壓閥控制有選擇地伸出，壓靠在井壁以產(chǎn)生需要的導(dǎo)向力，液壓閥可以調(diào)節(jié)每個(gè)活塞內(nèi)的壓力,根據(jù)力的合成原理, 不僅可調(diào)節(jié)導(dǎo)向力的大小,還可把導(dǎo)向力調(diào)節(jié)到任意方向，所以此工具既可調(diào)節(jié)井眼軌跡方向,又可調(diào)節(jié)造斜率的大小，液壓閥又是受井下微處理器的控制。導(dǎo)向套內(nèi)還有各種傳感器,可測量井斜角、方位角及工具的工作狀態(tài)。實(shí)際上，不旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向套會因鉆壓、轉(zhuǎn)速的不同而有所旋轉(zhuǎn)，大約每半小時(shí)旋轉(zhuǎn)2～3周。因此，設(shè)置了電子檢測裝置時(shí)刻測量導(dǎo)向套的相對位置，然后由井下微處理器調(diào)整各個(gè)活塞內(nèi)的壓力。這樣，液壓導(dǎo)向力也會隨導(dǎo)向套的旋轉(zhuǎn)作相應(yīng)調(diào)整,保證導(dǎo)向力的大小及方向不會因?qū)蛱椎霓D(zhuǎn)動而改變。在鉆井時(shí)該系統(tǒng)可以設(shè)置兩種鉆進(jìn)模式。 ①保持模式。這種模式可使井眼軌跡保持一定的井斜角和方位角。它在井下微處理器中設(shè)有造斜力或降斜力、變方位力、井斜角和方位角3個(gè)參數(shù)。 若井眼軌跡與預(yù)定的井斜角或方位角發(fā)生偏差，井下微處理器將用設(shè)定好的造斜力或變方位力來修正井眼軌跡，直到恢復(fù)預(yù)定的井斜角和方位角。設(shè)定造斜力和變方位力主要是為了控制井眼狗腿度。保持模式可同時(shí)施加造斜力和變方位力。 ?、趯?dǎo)向模式。這種鉆進(jìn)模式如同利用導(dǎo)向馬達(dá)滑動鉆進(jìn)方式，可控制井眼軌跡的變化。須設(shè)置導(dǎo)向棱塊產(chǎn)生合力矢的大小和方向兩個(gè)參數(shù)。合力矢的方向相當(dāng)于彎殼體馬達(dá)的工具面角。合力矢的大小是為了控制井眼軌跡的變化率。與導(dǎo)向馬達(dá)相比，該旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具能更精確地控制井眼軌跡，鉆頭側(cè)向力和井眼狗腿度可由閉環(huán)系統(tǒng)連續(xù)控制。 (3)LWD（隨鉆測井）系統(tǒng) 該系統(tǒng)能夠使鉆頭得到精確的地質(zhì)導(dǎo)向，并取代了有線測井。它還具有GAMMA測井和電阻率測井功能。 2.CAMCO公司的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具 CAMCO公司的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的導(dǎo)向原理與Baker Hughes公司的導(dǎo)向鉆井工具類似，都是利用近鉆頭導(dǎo)向塊的伸縮與井壁相互作用產(chǎn)生導(dǎo)向力，但是結(jié)構(gòu)有所不同。主要區(qū)別在于沒有靜止的導(dǎo)向套，3個(gè)導(dǎo)向棱塊隨鉆柱一起旋轉(zhuǎn)。當(dāng)需要在某個(gè)方向?qū)驎r(shí)，每轉(zhuǎn)1周每個(gè)導(dǎo)向棱塊都要在該方向上伸出1次，頂向井壁產(chǎn)生導(dǎo)向力，轉(zhuǎn)離該方向后，棱塊自動縮回。其導(dǎo)向原理與結(jié)構(gòu)如圖3和圖4所示。 如圖4所示，它的控制器、旋轉(zhuǎn)換向閥及測量機(jī)構(gòu)都置于鉆柱中間,可以保持相對靜止。旋轉(zhuǎn)換向閥可以旋轉(zhuǎn)到任意方向再保持靜止,從而使導(dǎo)向棱塊只有在旋轉(zhuǎn)到某一方向時(shí),鉆井液才驅(qū)動棱塊伸出達(dá)到控制井眼軌跡方向的目的。在鉆直井時(shí),旋轉(zhuǎn)控制閥會隨鉆柱一起旋轉(zhuǎn),故導(dǎo)向棱塊產(chǎn)生的導(dǎo)向力是不斷變化的,但這樣會造成井眼擴(kuò)徑。 從工作原理也可看出,它會造成井下鉆具的橫向沖擊與振動。同時(shí)由于活塞伸縮頻繁和液壓控制系統(tǒng)的工作介質(zhì)(鉆井液)的作用，工具的磨損與密封是較大的問題。它的導(dǎo)向力大小是固定的，由鉆頭上的壓力降決定?？赏ㄟ^控制導(dǎo)向棱塊在某個(gè)方向上伸出的時(shí)間來調(diào)整井眼曲率。在蘇格蘭一口淺井中的試驗(yàn)證明，它的******造斜率可達(dá)8.5°/30m。 3.HALLIBURTON公司的自動閉環(huán)鉆井系統(tǒng) HALLIBURTON公司最近開發(fā)研制成功一種控制井斜的井下閉環(huán)控制系統(tǒng)，其核心就是可遙控且能自動控制的可變徑穩(wěn)定器。它克服了以往可變徑穩(wěn)定器的缺點(diǎn)，具有以下特點(diǎn)。 (1)擴(kuò)大了穩(wěn)定器的徑向調(diào)整范圍。如φ215.90mm穩(wěn)定器可在184.15～215.90mm之間調(diào)節(jié)。Φ311.15mm穩(wěn)定器可在266.70～311.15mm之間調(diào)節(jié)。直徑在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)可任意調(diào)節(jié)，從而加強(qiáng)了井斜的控制能力。 (2)為穩(wěn)定器設(shè)置了多個(gè)控制位置，采用鉆井液脈沖遙控技術(shù)、電子及液壓技術(shù)對穩(wěn)定器的徑向位置進(jìn)行控制。 (3)通過MWD向地面通報(bào)穩(wěn)定器的工作狀態(tài)。 (4)降低了對調(diào)整穩(wěn)定器所需的壓力要求，從而不影響鉆井參數(shù)的優(yōu)選。 結(jié)束語 自動旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具具有在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)連續(xù)導(dǎo)向的能力，可以提高井眼的清潔度和機(jī)械鉆速，減少壓差卡鉆。導(dǎo)向時(shí)也可選用PDC（金剛石）鉆頭。還具有井眼軌跡自動控制的能力，從而提高井眼軌跡的光滑度，降低扭矩和摩阻，也就相應(yīng)地增加了水平井的延伸長度。 如前所述，CAMCO公司旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的棱塊伸縮頻繁，給鉆柱與井壁造成震動與沖擊，同時(shí)加劇活塞的磨損，因此，延長工具使用壽命是一個(gè)突出問題。 HALLIBURTON公司的自動變徑穩(wěn)定器可以自動控制井斜，可以完成大位移井絕大部分的工作量，但是沒有解決控制方向問題。從目前的發(fā)展水平看， Baker Hughes公司的自動旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具完全解決了旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的導(dǎo)向問題，自動化程度高，帶有隨鉆測井短節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)地質(zhì)導(dǎo)向，并已在多口井中實(shí)施了商業(yè)化使用，不失為一種較為理想的定向井鉆井工具。 |
