Φ311垂直钻井系统原理及应用-.pdf

201 1正 第5 卷 第6 期 天 然 气 技 术 与 经 济 Na t u r a l Ga s Te c h n o l o g y a n d Ec o n o my Vo 1 ． 5． N o ． 6 De o． 2 0l 1 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／j ． i s s n ． 2 0 9 51 1 3 2 ． 2 0 1 1 ． 0 6 ． 0 0 6 3 1 1垂 直 钻 井 系 统 原 理 及 应 用 艾才云 许树谦 穆总结 邢鹏云 1 ． 中国石油西部钻探钻井工程技术研究院， 新疆克拉玛依8 3 4 0 0 0 ； 2 ． 中国石油新疆油田分公司勘探公司，新疆克拉玛依8 3 4 0 0 0 摘要 传统的高陡地层钻井防斜纠斜方法无法经济、高效地解决在大倾角、陡构造、断层、地应力异常等 地层的防斜打快问题。通过对垂直钻井系统的结构、工作原理及现场应用等情况分析，认为03 1 1 垂直钻井系统 是一种集机电液一体化的井下智能 自动垂直钻井系统。应用结果表明，该系统各项指标均达到设计要求，满足了 高陡易斜难钻地层防斜打快的技术要求。 关键词 自动垂直钻井系统井下闭环控制机电液一体化防斜打快 中图分类号T E 2 4 2 文献标识码B 文章编号2 0 9 5 1 1 3 2 2 0 1 1 0 6 0 0 2 3 0 3 O 引言 在油气田勘探开发过程中，保持井眼轨迹垂直 一 直是困扰钻井工作者的一个技术难题。由于下部 钻具组合特性和地层力的影响，钻头总有偏离井眼 轨迹的趋 势。理论分析及现场应用结果表 明，无论 是在一维井眼还是在二维井眼 ，保持上部井 眼垂 直，可为后续各项工作提供技术保证。为此，国内 外业 内人士进行了大量 的理论分析及现场实践 ，相 继提 出了以力学分析为基础 的优化钻具组合的方 法，如钟摆钻具组合 、满眼钻具组合等，以及偏轴 钻具、偏心刚柔性钻具 、弯螺杆配合无线随钻控制 井斜等技术手段 ，虽取得了一定效果但都无法经 济、高效地解决在大倾角 、陡构造 、断层、地应力 异常等地层的防斜打快问题。 垂直钻井系统是一种集井下机、电、液一体化 的井下智能钻井系统 u ，系统在保证解放钻压，提 高机械钻速的同时，可保证 良好的井身质量，减少 后续钻井作业中的钻具磨损及套管磨损，降低作业 风险成本并易于电测作业 ，以及保证后续下套管作 业的顺利进行，同时也为投产提供了技术保证。 1 垂直钻井系统技术现状 垂直钻井系统按作用原理主要分为静止推靠式 和旋转推靠式两大类。静止推靠式的典型代表主要 有 B a k e r H u g h e s的 Ve r t i T r a k和 S m a r t d r i l l i n g的 Z B E 2 ／ 3 ／ 4 ／ 5 0 0 0 系列等。其作用原理是在井下工 作过程中，转盘带动芯轴 ，外筒不转动 ，通过井下 机电液一体化，驱动柱塞沿井眼高边伸出，从而给 井下工具一个降斜力 ，保证井眼的自动垂直。旋转 推靠式的典型代表主要有 S c h l u mb e r g e r 的P o w e r - V垂 直钻井系统 [2 - 31 。 、 该系统在井下工作过程中，通过钻 井液分别作用于3 个柱塞块 “ P A D ” ，使3 个P A D 依 次作用于井眼高边方向，从而使得井眼轨迹沿纠斜 方 向钻进。 2 3 l 1 垂直钻井系统结构及工作原理 垂 直 钻井 系统 的研 发涉 及钻 井工 程 、机械 工 程 、电子工程及控制工程学等多种学科 ，是集机械 设计与精密加工、信息技术和控制论等现代科技的 综合应用。 2 j 3 1 1 垂直钻井系统的研发具有多学科交 叉渗透的特点。2 j 3 1 1 垂直钻井系统共分为8 个子系 统 ，即测试 、机械 、电源 、井斜 随钻测量 、井下闭 环控制、液压 、井斜检测、数据存储及分析系统。 通过理论分析、室内试验及现场试验证明，8 个子系 统的有效配合可实现井下防斜纠斜闭环控制 ，实现 了真正意义上的防斜抒陕技术。 收稿 日期 2 0 1 1 一O 5 1 3 修订 日期 2 0 1 1 1 l 一2 8 作者简介艾才云 1 9 5 8 一 ，教授级高级工程师，从事钻井T程技术研究工作。E ma i l w u z j c n p c ． c o rn． C l l 天然气技术与经济 ／ 2 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第5 卷 艾才云，等03 1 1 垂直钻井系统原理及应用 第6 期 2 ． 1 03 1 1 直钻 井系统的结构及性能参数 1 结构 3 1 1 垂直钻井系统如图1 所示。 2 性能参数 工 具 外 径 为 2 j 3 0 4 m m；工 具 内径 为 为 6 8 m m；工具长度 含井斜 监测系统 为 6 8 0 0 mm；上 、 下接头扣型为6 3 0 ；最大工作外径为 3 2 5 m m；侧 向力 为 1 9 2 0 ． 1 k N ；抗 拉 为 1 7 2 0 k N；抗扭 为 1 2 0 0 0 N m；井底抗震级别为2 0 G ；控制精度为0 ．5 。 。 2 3 4 8 1 ． 柔性短节2 ． 发电机3 ．本体4 ．测控模块5 ． 电磁阀6 ． 柱塞7 ． 油泵8 ． 中心管 图1 3 1 1 垂直钻井系统结构图 2 ． 2 3 1 1 垂直钻井系统的工作原理 3 1 1 垂直钻井系统属于静止推靠式旋转导向钻 井系统。该系统的工作原理是 在外筒上均匀分布 有 3 个 1 2 0 。 的液压柱塞 如 图2 所示 ，在钻 进过程 中，系统的测斜模块便将实时监测到的井斜参数传 递给控制模块，控制模块根据设计要求将纠斜指令 发至液压执行机构 ，从而驱动柱塞 向井眼高边方 向 伸出，使工具沿纠斜方向钻进，从而达到纠斜防斜 的目的。具体实施过程本体不转动，钻杆带动中 心管转动 ，产生相对运动 。中心管转动并驱动发 电 机和液压泵工作 ，电流经整流后向测斜系统和控制 系统供电，控制系统根据测斜系统提供的井斜和方 位使高边工具面的电磁阀打开。由液压泵提供的高 压油经电磁阀驱动柱塞伸出，从而产生一个指向井 斜低边的侧向力，在该侧向力的作用下达到降斜的 目的 。 图2 03 1 1 垂直钻井系统工作原理图 24 ／ N a t u r a l G a s T e c h n o l o g y a n d E c o n o m y 3 3 l 1 垂直钻井系统在火北 2 井的应用 火北2 井位于新疆富蕴县境内，设计井深2 9 0 0 m，钻探 目的为查明火 1 4 井北断块圈闭二叠系平地 泉 组 的含油 气性 。表层 O一1 8 1 0 m为石 炭 系火 成 岩 ，地层坚硬 ，可钻性差。该井于2 0 1 1 年 3 月 1 7日 进行第二次开钻 。为 了控制井斜 ，采用轻压 吊打方 式 4 O 一 8 0 k N 进行钻进作业，平均机械钻速只有 1 m／ h ，且井眼轨迹控制难度大，井斜角增长趋势 明显 。2 0 1 1 年 4 月4日钻进至井深 7 4 1 m时 ，井斜达 到 2 ． 2 。 。使用 3 1 1 垂直钻井 系统后 ，在解放钻压 、 提高机械钻速的同时，有效地控制了井斜。 3 ． 1 第 1 趟钻井 3 1 1 垂直钻井系统于2 0 1 1 年4 月6日 在该井第 1 次人井 。采用的钻具组合为 2 j 3 1 1 ． 2 m m钻头 垂 直 钻井 工 具 3 ． 2 4 4 m 3 0 8 mm短 扶 正 器 0 ． 7 1 m 2 0 3 ． 2 m m转换 短节 2 ． 1 2 m 2 0 3 ． 2 mm无 磁短钻铤 1 ． 9 2 m 坐井斜监测 系统 2 j 2 2 8 ． 6 减振 器 3 0 8 mm稳定器 2 j 2 0 3 ． 2 ra m钻铤 8 根 f z j 1 7 7 ． 8 mm钻铤 1 0 根 2 j 1 7 7 ． 8 mm随钻震击器 1 7 7 ． 8 mm钻铤 2 根 1 2 7 m m钻杆 。 所钻井 段为 7 4 1 9 0 6 m，所钻地层 为石炭 系 。 采用钻压提高到8 0 ～1 5 0 k N ，累计进尺1 6 5 m，累计 纯钻时间9 6 ． 1 1 h ，平均机械钻速提高到 1 ．7 2 m／ h 。 现场应用表明 ，该垂直钻井 系统具有 良好 的防斜打 快、解放钻压 、提高机械钻速等工作性能。具体应 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 3 O 期 天然气技术与经济 钻井工程 用数据如表 1 所示。 表 1 火北2 井测斜数据及机械钻速表 3 ． 2 第2 趟钻 井 3 1 1 垂直钻井 系统于 2 0 1 1 年 4月 1 2日在该 井 第 2 次人井 。采用 的钻具组合为 2 j 3 1 1 ．2 m m钻 头 垂直 钻 井工具 3 ． 2 4 4 m 2 j 2 0 3 ． 2 mm短接 头 0 ． 3 8 m【 2 j 2 0 3 ． 2 mm转 换短 节 2 ． 1 m 2 j 2 0 3 ． 2 m m无磁 短钻 铤 1 ． 9 m 坐井斜 监测 系统 2 j 3 0 8 mm稳 定器 2 0 3 mm减振器 2 0 3 ． 2 mm钻铤 8 根 2 j 1 7 7 ． 8 mm钻铤 1 0根 2 j 1 7 7 ． 8 mm随钻震 击器 【 2 j 1 7 7 ． 8 m m钻铤 2 根 2 j 1 2 7 mm钻杆 。 第 2 趟钻井所钻井段9 0 6 9 6 9 1T I ，所钻地层为 石炭系。采用钻压提高到 8 0 ～1 5 0 k N，累计进尺6 3 m，累计纯钻时间4 3 ． 2 3 h ，平均机械钻速为 1 ． 4 6 m／ h 。 当钻进 至 2 0 1 1 年 4 月 1 4日时 ，由于地层 突变 ，出现 泥质砂岩夹层 ，钻速加快 ，出现井壁垮塌，遂进行 提钻作业。具体应用数据如表2 所示。 以上现场数据均表 明 中间数据波动是 由于 MWD仪器测量误差引起 ， 2 j 3 l 1 垂直钻井系统结构 设计合理，电源控制模块 、执行机构 、液压伺服机 表2 火北2 井测斜数据及机械钻速表 构、整体密封性能等均达到了设计要求，实现了机 电液一体化的井下闭环效果，达到了自动防斜纠斜 的井下智能闭环控制，实现了预期目标。目前， 3 1 1 垂直钻井系统正在进行第3 趟钻进作业 ，效果良 好。 4 结束语 垂直钻井工具是一种集机电液一体化的井下闭 环系统的钻井工具 ，是防斜方法的革命性突破 ，是 钻井领域的前沿技术。研制的 3 1 l 垂直钻井系统经 现场应用表明，可实现井下闭环防斜纠斜控制。该 系统的研制成功不仅可以实现真正意义上的防斜打 快 ，而且还显著提高了大倾角、地应力异常等易斜 地层的钻井工艺水平 ，同时为国内研究与开发旋转 导向钻井技术奠定了良好的基础，大大加快了国内 石油钻井技术向世界领先水平进军的步伐。 参考文献 [ 1 ]艾才云，穆总结 ，宋朝晖，等． 3 1 1 垂直钻井系统的 工作原理及现场应用[ J ] ． 钻采工艺，2 0 1 0 3 5 2 5 4 ． [ 2 ]陈若铭 ，穆总结 ，艾才云，等． 3 1 1 垂直钻井系统的 研制[ J ] ． 石油钻采工艺，2 0 1 0 1 3 8 4 O ． [ 3 ]刘伟 ，穆 总结 ，张宝龙 ，等． 3 1 1 垂直钻井系统在 T 8 2 0 6 6 井的应用[ J ] _ 新疆石油科技，2 0 1 0 1 l 9 2 1 ． 编辑 王富平 天然气技术与经济 ／ 2 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m