旋转导向钻井技术最新进展及发展趋势.pdf

2 0 1 3年第 4 1卷第 7期 石 油机械 CHI NA PE TR0L EUM MACHI NERY ． ． 钻井技术与装备 旋 转导 向钻 井技术最新进展及发展趋势 薛启龙 丁青 山 黄蕾蕾。 1 ．中国石油大学 华东石油工程学院2 ．中原油田井下特种作业处3 ．中国石化集团国际石油工程有限公司 摘要 在对旋转导 向技术优势和需求进行分析的基础上，详细 阐述 了旋转导 向系统近年来 的 主要技术进步要点和 国内外最新发展现状 ，对于近期可 能形成的技术发展趋势进行 了预测 ，认为 旋转导 向系统近期在耐高温高压性能、无线信息传输方式、与马达结合 以及 与套管／ 尾管钻井相结 合方面将得到进一步发展 ，而旋转地质导 向钻井技术将成为 中长期发展方向。对于 国内的发展现 状也进行 了相应分析并提 出了进一步的研究方 向。 关键词旋转导向钻井；推靠钻头式；指向钻头式；偏置机构；现状；发展趋势 中图分类号 T E 2 4 3 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 3 ． 0 7 ． 0 0 1 Th e La t e s t Pr o g r e s s a nd De v e l o p m e n t Tr e nd o f Ro t a r y St e e r i n g Dr i l l i ng Te c h no l o g y X u e Q i l o n g D i n g Q i n g s h a n Hu a n g L e i l e i 1 ． S c h o o l o f P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g，C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m，D o n g y i n g 2 ． D e p a r t m e n t of S p e c i a l D o w n h o l e O p e r a t i o n ， Z h o n g y u a n O i lfie l d 3 ． S I N O P E C I n t e r n a t i o n a l P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g C o ． ，L t d ． Ab s t r a c t On t he b a s i s o f a n a l y z i n g t h e a d v a nt a g e o f a n d d e ma n d f o r r o t a r y s t e e rin g d r i l l i n g t e c h n o l o g y， t h e k e y po i n t s o f t e c h n o l o g i c a l p r o g r e s s i n t h e r o t a r y s t e e r i n g dril l i n g s y s t e m a n d t he d o me s t i c a n d f o r e i g n l a t e s t d e v e l o p me n t s i t u a t i o n i n r e c e n t y e a r s we r e e x p o u n d e d ． Th e p r e di c t i o n o f t h e p o t e n t i a l t e c h n o l o g i c a l d e v e l o p me n t t r e nd i n n e a r f u t u r e wa s c o n d uc t e d ． I t i s t h o ug h t t h a t f u r t h e r de v e l o p me n t wi l l b e f o u n d i n p e r f o r ma nc e o f r e s i s t a nc e t o hi g h t e mp e r a t u r e a n d h i g h pr e s s u r e，mo d e o f wi r e l e s s i n f o r ma t i o n t r a ns mi s s i o n a n d c o mb i n a t i o n wi t h mo t o r ， c a s i n g a n d l i n e r dril l i n g， wi t h r e g a r d t o t he r o t a ry s t e e rin g d ril l i ng s y s t e m． Ro t a r y g e o l o g i c a l s t e e rin g d r i l l i ng t e c hn o l o g y wi l l b e t he mi d t e rm a n d l o ng - t e rm d e v e l o pme n t o r i e n t a t i o n ． Th e c u r r e n t de v e l o p me n t s i t ua t i o n a t h o me ha s b e e n a n a l y z e d a n d f u rth e r r e s e a r c h d i r e c t i o n h a s b e e n d i s c u s s e d． Ke y wo r ds r o t a ry s t e e r i n g d r i l l i n g； p us h t h e b i t ； po i n t t h e b i t ； b i a s u ni t s； c ur r e n t s i t u a t i o n； d e v e l o p me n t t r e nd 0 引 言 旋转导向钻井技术近年来发展迅速 ，受到各大 商业公 司的极大关注。由于其摩 阻与扭矩小 、井眼 净化效果好 、位移延伸能力强 、井眼轨迹平滑易调 控 ，以及适用于高难度井 和特殊油藏等诸多优点 ， 所 以被誉为定 向钻井技术 的一场革命 。2 0世纪 9 0 年代初期 ，世界上多家公司分别形成了各 自的旋转 导 向系统，并进行 了现场试验 和应用 。 目前 来说 ，具有商业化应用能力 的公司主要还是 B a k e r Hu g h e s 、S c h l u mb e r g e r 和 H a l l i b u r t o n 。 旋转 导向钻井 系统 的核心是井下旋转导 向工 具 。该技术发展至今 ，目前开发 的系统中，根据导 向方式可划分为 2种 推靠钻头式 P u s h t h e B i t 和指向钻头式 P o i n t t h e B i t 。其工作机理都是靠 基金项 目中石化 “ 十条龙 ”科技攻 关项 目 “ 捷联式旋转导 向钻井 系统研 制” J P 1 1 0 0 6 ；中央高校基本科研业务费专项资金资助 项 目 1 1 C X 0 6 0 2 4 A 。 石 油机械 2 0 1 3年第 4 1卷第 7期 偏置机构 B i a s U n i t s 分别偏 置钻 头或钻 柱 ，产 生导向。按照偏置机 构 的工作 方式也可 以分为 2 种 静 态偏 置 S t a t i c B i a s 和动 态 或 调制 式 M o d u l a t e d 偏置 D y n a mi c B i a s 。静态偏 置式是 指导向机构在钻进过程中不与钻柱一起旋转 ，稳定 在某一固定 的方 向上提供侧 向力 ；动态偏置是指偏 置导向机构在钻进过程中与钻柱一起旋转 ，控制系 统使其在某一位置定时支出提供导向力。 综合来看 ，目前 国际上所有的旋转导向钻井系 统可以分为 3种类型静态偏置推靠钻头式 、动态 偏置推靠钻头式和静态偏置指 向钻头式 ，其代表性 系统分 别是 B a k e r H u g h e s 公 司的 A u t o T r a k R C L S 、 S c h l u m b e r g e r 公 司的 P o w e r D r i v e S R D和 Ha l l i b u r t o n 公司的 G e o P i l o t 系统。 1 主要技术进步要点 1 ． 1 系统 的可靠性 、耐高温耐高压性能不断增强 目前 的旋转导 向产品基本可耐 1 5 0 高温和 1 7 5 MP a高压 ，尤 以哈里伯顿 S p e n y钻 井公 司 的 G e o P i l o t 系统的耐温耐压性能表现最为出众。由于 井下高温高压环境通常会造成电子元器件寿命的缩 短和性能的下降 ，而电子元器件又是旋转导向系统 的主要组成部分 ，所以开发或获取适用于旋转导向 工具的高耐温耐压性能的电子元器件是旋转导向系 统发展的重要一环。哈里伯顿公司的指向式旋转导 向系统可在 1 7 5℃高温和 2 0 6 MP a 高压下工作 ，非 工作状态下耐温高达 2 0 0℃。该系统 已在英国北海 高温油 田成功应用 ，作业温度达到 1 5 2℃ ，配以改 进型马达 ，使机械钻速比普通旋转导 向系统提高了 3 3 ％。2 0 0 8年道达尔公 司与哈里伯顿公司协议联 合研发系列超高温高压传感器 ，目前 已开发出耐温 1 7 5℃、耐压 1 7 5 MP a的随钻测井传感器 ，与旋转 导 向系统组合后可增强导向钻井的效果。在钻井难 度不断增大 的情况下 ，随着电子技术的发展 ，旋转 导 向系统的耐温耐压能力将进一步增强。 1 ． 2 旋转导 向钻井效率不断提高 为了增加长水平段钻进 的动力 ，提高长直井段 和长水平段 的钻进速度 ，钻井工程师开始考虑将旋 转导 向系统和井下马达相结合 。将井下马达和旋转 导 向系统集成在一起具有许多优点 ，如机械钻速较 高 、能使用破岩能力更强的钻头以及在环境敏感度 高 的地 区消除钻机噪声等。然而将马达与旋转导向 系统相结合不仅是将二者简单地组装在一起 ，还须 考虑许多其他因素。首先 ，井下马达的轴承和传送 系统必须有足够的强度才能承受住下部旋转导向系 统的重力。另外 ，井下马达的动力部分必须能控制 转速 ，使其不超过旋转导向系统的转速上限，如果 超过这个转速上限，不仅方 向控制会更加困难 ，而 且井眼轨迹也会受到影响。为此 ，斯伦贝谢公司开 发出 P o w e r D r i v e v o e x动力旋转导向系统 ，将旋转 导向与马达集成，使机械钻速得到大幅提高。使用 较高的输 出扭矩 ，优化 了 P D C钻 头的性 能 ，进一 步提高了机械钻速。贝克休斯 的 A u t o T r a k系统 同 样在与马达相结合方 面进行 了改进 ，最新型号 的 A u t o T r a k加装 了井下 马达，将普通 转盘式 R S S的 最高转速 由2 5 0 r ／ rai n提高到 4 0 0 r ／ mi n 。 1 ． 3 近钻头数据的无线传输 2 0 0 9年 3月 1 7日，斯伦贝谢宣布其新型 P o w e r D r i v e v o e x R T无线传输动力驱动旋转导向系统 投放市场 。新系统采用 间隔安 置的电磁感应线 圈 “ 跳过”马达或任何机械 B HA部件来传输 实时伽 马、电阻率及 中子密度信息 ，感应线圈之问的距离 可达 2 0 m，而最近的近钻头伽马传感器和井斜角 传感器与钻头的距离仅为 2 m左右。由于缩短了传 感器与钻头之 间的距离，可以实现薄层 中的导向， 并使高速钻井过程 中微调井眼轨迹成为可能 ，所以 直接降低 了钻井成本。 1 ． 4 技术间的复合式应用 旋转导向技术与其他钻井技术的复合式应用主 要有旋转导 向套管／ 尾管钻井 、小井眼旋转导 向钻 井技术以及过油管旋转导向钻井技术等。 1 ． 5 复合式结构旋转导向系统 B a k e r H u g h e s 的复合式旋转导 向系统 R C L S 可将钻头推靠和钻头指向 2种方式结合起来 ，兼具 2种方式的优点 。采用复合式旋转导 向系统能够完 成在各种钻井环境和条件下的连续导向，最终钻成 高质量的光滑井眼。该复合式旋转导向系统可根据 钻进中的实时要求选择 2种方式。工具的侧面装置 有衬片，在需要时可以立即对地层侧向施压 以开始 弯曲井眼的钻进。初始弯曲井眼钻进完成后 ，系统 又通过钻头指向方式完成钻进。 2 国外各公司最新研究现状 有关旋转导向钻井系统 R o t a r y S t e e r a b l e S y s - t e m的专利最早见于 1 9 5 5年。从 2 O世纪 8 0年代 末开始进行理论研究 ，9 0年代 以后世界上 多家公 司开始研究该项技术 ，其中包括 B a k e r Hu g h e s 公司 与 A G I P公 司 的联 合研究 项 目、英 国的 C a m c o公 2 0 1 3年 第4 l 卷 第7期 薛启龙等旋转导向钻井技术最新进展及发展趋势 等⋯ 卜 。 1 9 9 1年 ，张绍槐教授开展 了井 眼轨迹制 导技 术的 “ 九五”调研 ，并于 1 9 9 4年组织开展 了旋转 自动导 向钻井 系统 R C L D R o t a r y C l o s e - L o o p D r i l l - i n g S y s t e m 的研究 ，以国家 自然科学基金项 目为 依托研究了井身轨迹控制技术、钻井智能信息与模 拟技术 以及随钻地震技术 S WD等。1 9 9 4年， 狄勤丰教授开展 了以几何导 向为基础 的井下闭环钻 井系统 R C L D 近似 S c h l u mb e r g e r 公 司的 A n a d r i l l 公司的 S R D系统 的基础理论研究 ，并形成了一套 包括模型理论分析、控制理论与方法和初步的概念 设计方案在内的理论。但 由于还有一些关键技术没 有解 决 ，所 以距 离系 统加 工试 验 还有 很 大距 离。 1 9 9 6年 ，西安石油大学付鑫生教授开展 了属于第二 导向阶段的变径稳定器的研制工作 ，2 0 0 0年上半年 进行了现场试验。该课题组在进行变径稳定器研究 的同时 ，还进行了井下 闭环可变径稳定器 X T C S 系统 的研究和设计 。2 0 0 0年 ，西安 石油大学与 中 国海洋石油公司 、中国石油大学联合开展了国家项 目 “ 可控三维轨迹钻井 技术研究 ” ，开始对 X T C S 旋转导向钻井系统进行更深入细致 的研究 ，目前 已 基本形成系统理论 ，完成了图纸设计 、加工 ，并组 装 了样机 ，正在进行室内功能性试验。 胜利石油管理局钻井工艺研究 院 自 1 9 9 8年开 始对旋 转 导 向钻 井 系 统进 行 调 研分 析 ，2 0 0 0年 “ 旋转导向钻井技术可行性研究及方案设计 ”被列 为局级项 目，2 0 0 1年 “ 旋 转导 向钻井 技术 研究 ” 被列为中石化重 点攻关项 目。2 0 0 2年 “ 旋转导 向 钻井系统整体方案设 计及关键 技术研究 ”被列 为 国家 8 6 3前瞻性课题 ，经过 1 a的研究攻关 ，项 目 组全面完成 了合 同规定 的任务 。2 0 0 3年 6月 “ 旋 转导向钻井系统关 键技术研究 ”课 题被列 为 国家 8 6 3正式科研攻关项 目，2 0 0 8年得到重大突破并完 成项 目所规定 内容 ，目前正处于完善阶段 。 2 0 0 8年 7月 2 0 E t ，由胜利石油管理局钻井工 艺研究院承担的国家 8 6 3计划课题 “ 旋转导向钻 井系统工程样机的研制 ”和 “自动垂直钻井技术 ” 通过验收 ，从此打破了国际先进钻井技术在这两方 面的垄断局面 。 随着油气勘探开发进入后期 ，现有的油气藏勘 探开发需要借助长水平段水平井 、大位移井等复杂 结构井 ，旋转导向钻井系统是各种高难度井和特殊 油藏钻井工 艺的技术支撑 。2 0 0 7年 ，胜利钻井 院 研发的旋转导 向钻井系统工程样机进行了 4口井试 验测试 ，测试结果表 明，开发的 R S M 旋转导 向系 统实现了垂直钻井和旋转导 向功能，其最大造斜率 每 1 0 0 m达到了 1 7 ． 2 。 。 目前 ，国外在几何轨迹旋转导 向方面已经趋于 成熟 ，正在逐步发展 以旋转导 向钻井工具为核心的 地质导 向钻井技 术，国内在这方面还须加大投入 ， 借鉴国外先进技术经验 ，充分利用 国内相关行业先 进技术 ，追赶世界先进水平。 4 技术发展趋势 4 ． 1 近期能形成的实用技术与趋势 自2 0世纪 9 0年代起 ，旋转导向钻井技术经过 1 0多年的飞速发展 ，无论在地面控制、信号传输 、 信号测量 、井下控制还是旋转导向工具方面都取得 了显著成就。然而 ，随着深井 、超深井 、特殊工艺 井 、高温高压井的数量和比例逐渐增多 ，旋转导向 系统须在技术上不断突破 ，以适应 日益复杂的钻井 环境 。目前 ，旋转导向系统在耐高温高压性能 、无 线信息传输方式 、与马达结合 以及与套 管／ 尾管钻 井相结合方面取得 了进步。 通过不断的技术改进 ，R S S系统在未来钻井应 用中将大放异彩 ，先进的数据采集和传输技术将使 井下数据传输量更大、速度更快 ；改进 的设计将使 R S S的耐用性和可靠性增强 ；应用的增加 和批量化 生产将使 R S S系统价格更便宜、结构更简单。 为了方便储层重人 ，会有更多细长结构 的 R S S 系统出现 ；为了增强动力 ，R S S将与马达越来越密 切地结合；随着旋转导向技术的推广，R S S系统将 更多地用于上部井眼钻进和垂直井钻进 ；出于结构 的优势 ，指向钻头式旋转导向系统将逐渐增多。 从旋转导向工具发展到现在的情况看 ，指向式 旋转导向工具占有优势。一方面，虽然推靠式系统 商业化应用较早 ，但 目前投入现场应用的 9种旋转 导 向工具中，指 向式系统有 6种 ，而推靠式系统只 有 3种 。另一方面 ，从应用情况对 比来看 ，指向式 系统钻 出的井眼更光滑、规则 ，可更好地保证井身 质量和井下安全。由此可以看出，指向式旋转导向 系统逐渐成为旋转导 向系统的发展趋势。 随着电子技术的发展 ，旋转导 向系统 的耐温耐 压能力也将进一步增强。随着复杂结构井 、高难度 定 向钻井的增多，更多的油公司通过联合方式参与 到旋转导 向新技术 的研发 中。2 0 0 8年 ，道达 尔公 司与哈里伯顿公司合作研发耐高温高压的旋转导向 系统用传感器 ，已在数 口高温井中应用 ，并取得 良 好效果 。2 0 0 9年 ，挪威 国家石油公 司与贝克休斯 6 石 油机械 2 0 1 3年第4 1 巷第 7期 公司共同开发的世界上第 1 套可导 向尾管钻井系统 在北海的 B r a g e 油 田试验成功。通过联合研发 ，服 务公司提升了自身旋转导向系统的技术水平 ，油公 司也获得了更加完善的服务与尖端的技术 。 4 ． 2中长期发展方向 目前 ，由于投人应用的旋转导向工具都不具有 地质评价功能 ，旋转地质导向钻井技术因此并未完 全成熟 ，只能和地质评价仪器配合使用 ，利用地质 评价仪器测量 的地质参数进行地质导向。现在 ，世 界上有多家钻井服务公司正致力于带地质导 向功能 的旋转导 向工具 的研究 ，并且取得 了很大的进展 。 相信在不久 的将来 ，旋转地质导 向钻井技术一定会 成为现代钻井工业 的主流技术 ，并将进一步推动 自 动闭环钻井技术的发展。 5 结束语 从旋转导向技术 的发展现状来看 ，国外技术已 经相当成熟 ，并且定 向服务逐渐 向旋转导向转移 ， 其经济效益与社会效益显而易见。国内实用中的导 向钻井技术基本上仍处于滑动导向钻井和地面控制 导向钻井阶段 ，而旋转导向井下闭环钻井技术仍处 于初步研究阶段 ，虽然对其已做了系统性的理论研 究 ，有一些研究亦 比较深入 ，但其关键技术 目前还 没有完全掌握 ，仍未达到现场应用的水平。由于 国 外公司实行技术封锁 ，国内缺少 国外先进的旋转导 向系统实物样机作为参考 ，加之研发费用高，在关 键技术方面还是存在着重重困难，样机现场试验效 果与国外技术相 比还存在较大的差距。在后期的研 究 中，要密切跟踪国外的专利技术 ，对于测控 、接 口方面的核心技术进行重点攻关 ，以提高国内旋转 导 向系统的整体性能和可靠性。 参考文献 韩来聚，孙铭新，狄勤丰 ．调制式旋转导向钻井系统 工作原理 [ J ]．石油机械，2 0 0 2 ，3 0 3 7 9 ． Ra s mu s s e n B ． W o r l d r e c o r d i n e x t e n d e d r e a c h d ri l l i n g [ R]． S P E 2 1 9 8 4，1 9 9 1 ． Po l i S， Do na eo F ．Ad v a n c e d t o o l s f o r a d v a n c e d we l l s Ro t a r y c l o s e d -- l o o p d ri l l i n g s y s t e m- r e s u l t s o f p r o t o t y p e fi e l d t e s t i n g[ J ]． S P E D r i l l i ng C o m p l e t i o n ，1 9 9 8 6 ． 张家希 ． 连续旋转定向钻井系统A u t 0 T mc k R C L S[ J ]．石油钻采工艺，2 0 0 1 ，2 3 2 4 9 ． J o h n A． Us i n g r o t a r y c l o s e d l o o p d ri l l i n g t o i n c r e a s e o p e r a t i o n e ffic i e n c y a n d r e d u c e o p e r a t i o n r i s k[ R]． S P E 71 8 40。20 01 ． S c h a a f S ． Ap p l i c a t i o n o f a p o i n t t h e b i t r o t a r y s t e e r a b l e s ys t e m i n d i r e c t i o nal d r i l l i n g p r o t o t y p e we l l b o r e p r o fil e s [ R]． S P E 6 2 5 1 9 ，2 0 0 0 ． B a r r J D ． S t e e r a b l e r o t a r y d r i l l i n g wi t h a n e x p e rime n t a l s y s t e m [ R ]． S P E 2 9 3 8 2 ，1 9 9 4 ． W a r r e n T． Ro t a ry s t e e r a bl e t e c h no l o g y c o n c l us i o nI mpl e me n t a t i o n i s s u e s c o n c e r n o p e r a t o r s[ J ]． O i l G a s J o u rna l ，1 9 9 8 1 2 ． Mc Mi l l i n K． Ro t a ry s t e e r a b l e t e c h n o l o g y e x t e n d s w e l l i n d i f f i c u l t g e o l o g y[ J ]． O f f s h o r e J o u r n a l ，1 9 9 9 1 2 ． D o wn t o n G， K l a u s e n T S ． Ne w d i r e c t i o n s i n r o t a r y s t e e r a b l e d r i l l i n g[ J ]． O i l f i e l d R e v i e w，2 0 0 0 1 2 l 82 9． Gr u e n ha ge n H．App l i c a t i o n o f ne w g e n e r a t i o n r o t a ry s t e e r a b l e s y s t e m for r e s e r v o i r d ri l l i n g i n r e mo t e a r e a s [ R]． S P E 7 4 4 5 7 ，2 0 0 2 ． Y o n e z a wa Ro b o t i c c o n t r o l l e d d r i l l i n g a n e w r o t a ry s t e e r a b l e d r i l l i n g s y s t e m f o r t h e o i l a n d g a s i n d u s t ry 『 R]． S P E 7 4 4 5 8 ，2 0 0 2 ． He i s i g G． Do w n h o l e d i a g n o s i s o f d ri l l i n g d y n a mi c s d a t a p r o v i d e s n e w l e v e l d ri l l i n g p r o c e s s c o n t r o l t o d ril l e r [ R]． S P E 4 9 2 0 7 ，1 9 9 9 ． B a r r J D．C l e g g J M． S t e e r a b l e r o t a ry d r i l l i n g w i t h a n e x p e r i m e n t a l s y s t e m [ R ]． I A D C ／ S P E 2 9 3 8 2 ，1 9 9 5 ． C o l e b r o o k M A ． Ap p l i c a t i o n o f s t e e r a b l e r o t a ry d ri l l i n g t e c h n o l o gy t o d ri l l e x t e n d e d r e a c h w e l l s[ R]． I A D C ／ S PE 3 93 2 7， 1 9 97 ． 张武辇 ．自动导向旋转钻具钻进南海 8 6 0 0米大位 移井 [ J ]．石油钻采工艺，2 0 0 1 ，2 3 1 7 1 0 ． 狄勤丰 ．旋转导向井下闭环钻井技术 [ M]．西 安陕西科学技术出版社，1 9 9 9 ． 胡金艳，周静，付鑫生．用可控偏心器实现井眼 轨迹 的闭环控制 [ J ]．天然气 工业，2 0 0 2 ，2 2 6 5 8 6 0 ． 胡金艳，周静，尚海燕，等．智能旋转导向工具 核心控制器 的仿真研 究 [ J ]．石油钻探 技术， 2 0 0 2 ，3 0 6 3 9 4 1 ． 孙铭新 ．旋转导向钻井技术 [ M]．东营中国石 油大学出版社 ，2 0 0 9 ． 闫文辉，彭勇 ． 旋转导向钻井工具导向执行机构 设计 [ J ]． 天然气工业 ， 2 0 0 6 ，2 6 1 1 7 0 7 2 ． 第一作者简介薛启龙，生于 1 9 8 3年，中国石油大学 华东油气井工程专业在读博士研究生。地址 2 5 7 0 6 1 山东省东营市 。E ma i l x q l o n g 2 0 0 8 1 6 3 ． c o rn。 收稿 日期 2 0 1 21 1 2 0 本文编辑刘峰 ] ] ] ] O 1 2 3 4 5 6 7 8 9 l Ⅲ rI rL rL