Ф311垂直钻井系统的研制.pdf

第 3 2卷 第 1 期 2 0 1 0年 1月 石 油 钻 采 工 艺 0I L DRI LL I NG PRODUCT1 0N TECHN0L0GY V0 1 ． 3 2 No ． 1 J a n ．2 0 1 0 文章编号 1 0 0 07 3 9 3 2 0 1 0 0 1 0 0 3 1 0 3 03 1 1 垂 直钻 井 系统 的研 制 陈 若 铭 穆总 结 艾 才云 徐 秀杰 胡国 强 中国石油西部钻探 克拉玛依钻 井工艺研 究院， 新 疆克拉 玛依8 3 4 0 0 0 摘要在钻井过程中， 实现高陡地层的防斜打快是一个普遍存在的技术性难题。国内已有的钻井防斜方法， 大多以牺牲钻 压、 降低机械钻速为代价。因此， 都不能经济高效地解决在大倾 角、 陡构造等地层的井斜问题。介绍了一种井下智能防斜纠斜 的钻井工具 3 1 1垂直钻井系统， 其具有 自主发电、 井下闭环控制、 数据井下储存井上回放等特点。该系统可极大地解放钻 压、 提高钻速， 目前已在新疆油田进行了现场试验， 并获得成功。 关键词垂直钻井；井下闭环控制；智能防斜纠斜 ； 机电液一体化 中图分类号T E 2 4 2 文献标识码A Re s e a r c h f o r 03 1 1 Aut o ma t i c Ve r t i c a l Dr i l l i n g S y s t e m C H E N R u 0 m in g ， M U Z 0 n g i ie ， A I C a iy u n ， X U X iu j ie ， H U G u 0 q i a n g Dr i l l i n g T e c h n o l o g y R e s e a r c h I n s t i t u t e o f Xi b u Dr i l l i n g E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n ， C NPe Ka r a ma y 8 3 4 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Ov e r t h e l a s t d e c a d e s ，d r i l l i n g s t r a i g h t h o l e t h r o u g h fra c t u r e d a n d h i g h d i p f o r m a t i o n h a s p r o v e n t o b e c h a l l e n g i n g ． T h o u g h t h e r e a r e s o m e me t h o d s t h a t c o u l d a v e r t t h e we l l b o r e d e v i a t i o n a t p r e s e n t i n Ch i n a ， mo s t o f t h e m h a v e t h e i r d e f a u l t s ， s u c h a s d e c r e a s i n g b i t we i g h t a n d p e n e tr a t i o n s p e e d ． T h e p r e s e n t p a p e r a i ms t o p r o v i d e a n e w t y p e d r i l l i n g t o o l ， n a me d t h e 03 1 1 Au t o m a t i c Ve r t i - c a l D r i l l i n g S y s t e m O 3 1 1 A VDS， w h i c h c a n ma k e a w e l l b o r e u p r i g h t n e s s a u t o ma t i c a l l y ． T h e r e ’ r e s o me a d v a n t a g e s i n 03 1 1 A VDS ， s u c h a s p o we r g e n e r a t i o n ， d o wn h o l e c l o s e d l o o p c o n t r o l ， d a t a r e a l t i me t r a n s mi s s i o n a n d i t s a n a l y s i s ， e t c ． Th e 03 1 1 A VDS c a n ma k e t h e b i t we i g h t l i b e r a t e d a n d r a t e o f p e n e t r a t i o n b o o s t e d g r e a t l y ． An d t h e O3 1 1 AVDS h a s b e e n e x p e r i me n t e d e f f e c t i v e l y a n d s u c c e s s f u l l y i n Xi n j i a n g o i l fi e l d ． Ke y wo r d s v e rt i c a l d r l l i n g ； d o wn h o l e c l o s e d l o o p c o n t r o l ； a u t o ma t i c we l l s t r a i g h t e n i n g ； i n t e g r a t i o n o f me c h a n i c a l ， e l e c t r i c a l a n d l i q u i d 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。目前， 国外公司的垂直钻井 系统 已经 处 于成 熟 阶段 ， 如 B a k e r ． H u g h e s的 V e r t i T r a c k ， S c h l u mb e r g e r的 P o we r - V及 S ma r t d r i l l i n g的 Z B E 2 ／ 3 ／ 4 ／ 5 0 0 0系列等。这些工具的应用， 极大地提 高 了大倾角 、 陡构造等地层 的机械钻速 ， 满足了防斜 打快的要求。然而， 国外公司技术服务费用很高， 其 服务费用比一台 7 0 D B钻机的日费还要高， 使得高 陡易斜地层 钻井费用大幅度s D il 。因此 ， 如何有效 实施高陡地层的防斜打快一直是制约国内钻井技术 发展的瓶颈之一。 为了在大倾角、 地应力异常等易斜地层实现真 正意义上 的防斜 打快 ， 国内多家科 研单 位已经开展 垂直钻井系统的科研攻关， 但总体水平还处于试验 阶段 ， 因此 ， 加快 国内垂直钻井系统的研究势在必行。 1 03 1 1 垂直钻井 系统关键技术 Re s e a r c h f o r g o r d i a n t e c h n i q u e o f 03 1 1 AVDS 垂直钻井 系统 的研 发涉及到钻井工程 、 机械工 作者简介陈若铭， 1 9 6 1 年生。现任 克拉玛依钻井工艺研究院院长， 教授级高工。电话 1 3 9 0 9 9 0 0 6 1 7 ， 0 9 9 0 6 8 8 4 1 6 9 ， E m a i l m u z j c n p c ． t o m c a 。 3 2 石油钻采工艺2 0 1 0年 1月 第 3 2卷 第 1 期 程、 电子工程及控制工程学等共分为 8 个子系统， 即 室 内测试系统、 机械支撑系统 、 电源系统、 井斜随钻 测量系统 、 井下闭环控制系统 、 液压系统 、 井斜检测 系统 、 数据存储及分析系统等。通过理论分析 、 室内 试验及现场试验结果分析证明， 通过 8 个子系统的 有效配合 ， 可实现井下防斜纠斜闭环控制。 1 ． 1 O3 1 1垂直钻井系统的结构组成及性能参数 Co mpo s i t i o n s an d p e r f o r ma nc e pa r a me t e r s 1 ． 1 ． 1 结构组成03 l l 垂直钻井系统主要 由中心 管、 本体、 井下发电机、 测斜系统、 柱塞及液压油泵等 组成 ， 如图 1 所示。 1 一 转换接头2 -- 发电机 ；3 一外筒 ；4 一测斜系统 5 一 电磁阀； 柱塞 ；7 一 油泵 ；8 一 中心管 图 1 垂直钻井 系统结构 F i g ． 1 S t r u c t u r e o f 03 1 1 A VDS 1 ． 1 ．2 性能参数工具外径 3 0 4 m m， 内径 6 8 m m； 工具长度 含井斜监测系统 6 8 0 0 mm；上 、 下接头 扣型 6 3 0 ；最大工作外径 3 2 5 mm；侧 向力 1 9 ～ 2 0 ． 1 k N；抗拉 1 7 2 0 k N， 抗 扭 1 2 0 0 0 N m；井底抗震 级 别 1 0 g ；系统工作井斜门限值 0 ． 5 。 。 1 ． 2 O3 1 1垂直钻井系统的工作原理 Op e r a t i o n a l p r i n c i p l e o f 03 1 1 A VDS 0 3 1 1 旋转导向垂直钻井系统属于静态推靠式 旋转导向系统。其工作原理是 在外筒上均匀分布 3个相隔 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， 当井斜角达到一定范围时， 纠斜指 令通过控制模块传递至液压执行机构， 柱塞在液压 力 的作用下沿井眼高边方 向伸 出， 在井壁的反方 向 力作用下 ， 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 外筒不转动 ， 钻杆带动 中 心管转动 ， 产生相对运动。中心管转动将驱动发 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， 在该力作用下达到降斜的作用。 2 室内实验情况 La b o r a t o r y e x pe r i me n t 分别对系统整体密封性、 电源模块、 测斜模块及 图 2 03 1 1 垂 直钻 井系统 工作原理 F i g ． 2 Op e r a t i n g p r i n c i p l e o f O3 1 1 A VDS 电磁阀等进行了室内试验。其中对电磁阀进行了多 次适应性改动， 对储存井底测量数据的传感器也进 行了大量的校准试验工作， 并对测斜模块进行了 l 0 g的抗震动试验。各子系统在满足设计要求的前提 下 ， 进行 了整体组装。 2 ． 1 系统联试 As s e m b l y de bu g g i n g 当电源模块、 测斜模块 、 主控模块、 电磁阀等测 试满足系统性能后， 将其安装在垂钻本体上。分别 将垂钻本体在 0 。 、 6 0 。 、 1 2 0 。 、 1 8 0 。 、 2 4 0 。 、 3 0 0 。 附近 的方位上倾斜 大于 0 ． 5 。， 验证 系统控 制功能 ， 测试 结果表 明整个 过程 中系统控制 功能均满足设计要 求。 2 ． 2 与 MWD测斜 比对试验 Da t a c o mp a r i s o n b e t we e n 03 l 1 V DS a n d [ W D 为检验垂钻本体的加工精度和测斜模块的安 装 精度 ， 将一套 MWD仪器安装在垂钻 系统本体 中 心管内， 同时， 将工具置于不同倾斜度和方位， 读取 MWD与测斜模块的实时测量值 ， 数据如表 1 。 表 1 03 1 1 垂直钻井系统测斜模块与 MWD测量数据对比 T a b l e 1 Da t a c o mp a r i s o n b e twe e n 03 1 1 A VDS i n c l i n o me t r y s y s t e m a n d M W D 序号 差值 序号 差值 测量值测量值 1 8 9 ． 8 8 9 ． 9 6 0 ． 1 6 5 1 ． 5 1 ． 6 4 0 ． 1 4 2 81 81 ． 08 0． 0 8 6 0． 2 0． 3 4 0． 1 4 3 0 ． 5 0 ． 6 3 0 ． 1 3 7 1 ． 1 l - 3 8 0 ． 2 8 4 0 ． 7 0 ． 9 2 0 ． 2 2 8 1 ． 1 1 ． 0 3 0 ． 0 7 由表 1 可知， 两者间最大差值为 0 ．2 8 。 ， 平均差 值为 0 ． 1 5 2 5 。 。除设备各 自性能差别外 ， 两者测量值 不同的原因还有 1 在垂钻本体上的安装精度 位 置同心度偏 差 不同； 2 MWD测量值小数点后仅 保留了一位有效数据； 3 试验过程中垂钻本体有 微小晃动， 两套设备的测量时间点和时间长度不同 MWD测量时间 1 5 s ， 测斜模块 2 ． 5 s 。 陈若铭等 0 3 1 1垂直钻井系统的研制 3 3 3 现场试验情况 Fi e l d e x p e r i me n t 3 ． 1 现场试验概述 Su mm a r i z e 03 1 1 垂直钻井 系统于 2 0 0 9年 9月 1 8日一 2 0日 在新疆油 田 T 8 2 0 6 6井进行 了第 1阶段入井试验并 获得成功。采用钻具组合为 03 1 1 ． 2 mm牙轮钻头 0 6 3 0 6 3 1 保护接头 垂直钻井工具 柔性短 节 0 2 0 3 ． 2 mm无磁短钻铤 03 0 9 mm钻具稳定 器 0 2 0 3 ． 2钻铤 1 根 03 0 9 mm 钻具稳定器 0 2 0 3 ． 2 mm 钻 铤 3柱 O1 7 7 ． 8 mm钻 铤 3柱 O1 7 7 ． 8 mm随钻震击器 01 7 7 ． 8 mm钻铤 2根 01 2 7mm钻杆 。 该试验层位地层倾角较大， 非均质性强， 地层造 斜能力强， 其中白碱滩组 T 3 b地层倾角为 1 2 。 ， 克下 组 T 2 K1 地层倾角达到 l 5 。 。井 队在未使用垂直钻 井系统 时， 为了控制井斜 ， 使用刚性满眼钻具组合 ， 采用吊打 2 0 ～ 3 0 k N 方式进行钻进作业， 平均机械 钻 速只有 1 ． 5 m／ h ， 井斜达 到 3 ． 7 。 ， 井身 质量严重超 标。在使用 O 3 1 1 垂直钻井系统后， 钻压为 8 0 ～ 1 5 0 k N， 平均机械钻速提高到了原来 的2 ．6 l 倍 ， 达到了 3 ．9 1 m ／ h ， 采用 MWD进行随钻监测侧得最小井斜为 2 ． 7 。 ， 表 明了垂直钻井工具 良好 的防斜 打快 、 解放钻 压 、 提高机械钻速等工作性能。 3 ． 2 现场试验结果分析 Re s u Rs i nt e r pr e t a t i o n a b o ut fi e l d e x pe r i m e nt 0 3 l 1 垂直钻井系统具有数据井下存储地面回 放的特点。通过对数据存储及分析系统中的实测数 据进行分析， 证明了该工具在井下 良好的工作性能。 现场试验数据分析如 图 3所示 。 一3 6 0 喧 H 藻 栽 0 4 8 l 2 l 6 20 2 4 井 下工作 时问／ l l 图 3 03 1 1 垂 直钻 井 系统现场数据分析 Fi g ． 3 F i e l d d a t a a n a l y s i s o f 03 l 1 AVDS 工具人井开始工作时， 井斜角有上升的趋势， 这 是因为垂直钻井系统 的测点与钻头的距离 滞后距 为 4 m。工具刚开始工作时， 系统测得的数据为原始 井眼轨迹 。当测点通过滞后距 ， 测得 的井斜数据逐 渐减小 ， 从而验证 了 03 1 1 垂直钻井系统 的自动纠斜 功能。 试验结果表 明， 该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 防斜纠斜效果 ， 极 大地提高 了试验地层 的 机械钻速 ， 达到 了防斜抒 陕的目的。 4 结论和认识 Co n c l u s i o n s a n d u n de r s t a n d i n g 1 0 3 1 1 垂 直钻井系统 ， 可实 现井下闭环防斜 纠斜控制， 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 ， 也为后续进行研究旋转导 向钻 井技术奠定了基础。 2 建议加大对 03 1 1 垂直钻井系统 的现场试验 力度 ， 以便进一步对整体结构、 电源控制模块、 执行 机构、 液压伺服机构、 整体密封性能等进行优化设 计 ， 从而使得垂直钻井系统更加完善和成熟。 3 应根据 国内井身结构要求 ， 进行垂直钻井 系 统系列化攻关 ， 以适应钻井发展的需要 。 参考文献 Re f e r e nc e s [ 1 ] 薄和秋， 赵永强 ． V e r t i T r a k 垂直钻井系统在川科 1 井中 的应用 [ J ]． 石油钻探技术， 2 0 0 8 ， 3 6 2 1 8 2 1 ． BO He q i u ZHAO Yo n g q i a n g ． Ap p l i c a t i o n o f v e r t i t r a k i n c h u a n k e 一 1 we l l l J J． P e t r o l e u m D ri l l i n g T e c h n i q u e s ， 2 0 0 8 ， 3 6 2 1 8 2 1 ． [ 2] 龚勋， 刘白雁， 陈新元， 等 ．自动垂直钻井工具纠斜控制 实验研 究 [ J ]． 石 油钻 采工艺 ， 2 0 0 9 ， 3 1 4 1 6 2 0 ． GONG Xu n ， LI U B a i y a n ， CHE N Xi n y u a n ， e t a 1 ． Ex p e r i me n t a l s t u d y o n a u t o ma t i c v e r t i c a l d r i l l i n g t o o l i n c l i n a t i o n c o n t r o l l J j ． O i l D r i l l i n gP r o d u c t i o n T e c h n o l o g y , 2 0 0 9 ， 3 1 4 1 6 2 0 ． 修 改稿收到 日期2 0 0 9 ． 1 2 - 1 0 [ 编辑付丽霞 ]