更新的旋转闭环钻井系统.pdf

i『 ， 闻 啤 ， } 百 国外钻井技术 当今 的钻 井 环 境 可 用“ 三 个 约 束 条 件 ” 来概括 ，即任 何 钻 井 项 目都 必 须 准 时 完 成 ， 且经 费不 能超 过 预算 ，以及要求 按 照所 给定 的说 明或要求执行 。 目前 的导 向马达 系统在 过 去十年 里 一直 在为定 向钻 井提供 现 代化 的技术 。直 到 最近 该 行业 的人们 才认 识到这 一技术 在钻 进大位 移井和复 杂 井剖 面 时存 在 着某 些 限制 。在意 大利 的一个 石油 公司和 一个颇 具定 向钻井竞 争力 的油 田服务公 司之 闯制 订的研究 计划中 ， 使想 象的带 有某种 自动控 制功 能的旋 转导 向 钻井系统才进 人 了快速 发展 阶段 。 对这一技术 的潜在 的大 量需 求导 致该 项 目正 以加速 的方式 发展。开始进 行旋 转 闭环 钻 井系统研制 到 在一 口实 验井 中首次 下人该 系统进行成 功作业 仅用 了一 年半 的 时间。这 种快速方法要求在原型样机下井试验的同时 继续进行 开 发。因此 ，样机 试验 可分 成两 个 独立 的 阶段 。在 第 一 阶段 1 9 9 6年初 ，使 用特殊 的试验 井去 证 实一些 基本 的概 念 ，并 识别 出一 些有 待 改进 的项 目。第二 阶段 ，在 1 9 9 6年 剩 余 的 时 间 内 把样 机 在 商 业 井 中应 用 。这一工 作 在意大 利 广泛进行 ，所试 验 的 大 部分 井都 位于亚得里亚海上 油田。 对旋转 闭环钻井 系 统评 估 阶段 的 目的是 在每次下放 该 工具 之后 ，针 对在 实际 应用 中 发现的 问题 立 即对 系统 进行改进 。某些 情 况 下 ，改进 就 在现场进 行 ，即在其 它 系统 在井 5 ， 9 下作业的 同 时，对 备用 的工具进 行 改进 。管 理工作一 直维 持在一 个高水 平上 ，因此 项 目 组能够对 出现 的任何 问题作 出快 速 、有 效 的 反应 。 旋 转 阔环钻井系统 RC L S 对于常规井 ，系 统所具 有 的旋 转导 向功 能是很大 的 。某 些情况 下 ，一些 具 有复 杂井 身剖面的井也只有采用该系统才能完成。 滑动钻进时 的机 械钻速 大约 只有 旋转 钻 井时的一 半 ，因 此采用导 向系统 时 比常规 导 向系统 在过程校 正时 的滑动钻进 时机械 钻速 要高 的多 。由于 减 少 了定 向和滑 动 时的导 向 需要 ，钻柱上 的阻 力大为 减少。 这样 就可 以 施加均匀 的钻 压 ，降低轴 向 冲击 和 震动 ，改 善钻井 动力学 。 研究表 明 ，钻柱旋 转有 助于保 持钻屑 悬 浮 ，有利于井 眼净 化 ，并减 少钻 柱 与井 眼 间 的摩擦力。这样 就导 致用于 扩 眼起 下 钻和循 环作业 的时间减少 ，并降低卡 钻 、井眼 冲蚀 的机率 ，也使 泥浆 当量循 环密 度 降低 ，且保 持恒定 。 在常规的定 向钻井 过 程 中 ，钻头 选型通 常 由滑动钻进所制 约 ，这样 就导致 选择 P D C 钻头的机会减少 ，降低了机械钻逮 ，甚至在 更坏的情况 下 ，只能选择牙 轮 钻头 增 加 了 起下钻作业次数 。 旋转导 向系统具有两个主要的特在 1 能够 在 钻柱旋 转时 控崩井 眼轨 迹 的 导 向单元 ；， 韭阁 统 系 井 钻 环 闭 稽 旋 向 能 新 更 7 h ， [ 一 ／ ， 下 维普资讯 1 0 国外钻井技术 第 l 4卷1 9 9 9年第 2期 2 能够在下 述 两种 情况下 改变 井 眼轨 迹的能力 要 么通 过 内部 的井下 闭环 系统 遵 循地表编程 的轨迹 ，要么遵 循 由地表 下传 至 井底的改变 轨迹 的命令 在地表 下传 至井 底 的闭环系统 中 。 基于上述两 个特 征 ，所 开发 的旋 转 导 向 工具就称为旋转闭环钻井系统 R CL S 。 工具还包括 了方 向和地 层 评估 能力 。导 向作 用 由三 点几何 所形成 ，这 三 点是 钻头 、位 于非旋 转套 筒 上 的 导 向翼 ， 以及上 稳 定器 。 这三点也决定 了该组 合所 能钻进的井眼轨迹 。 系统造斜率 由扩 展翼 的偏 心度决 定 并 正 比 于导 向力大 小 。在 非为旋 转套 筒卞 面 是综 合 的近钻头测量仪，之后是一个短节 ，该短节 贝 克 休 斯 公 司 的I N r E A u t 。 T r a l R c L S 一 ’，内 放 乒事 一 有 坤泵的涡轮驱 动发电 机， 包括一旋转不连接的导向单元，和带有综合和为上传信号的正洗浆脉冲阀。油泵的作用 扩展翼的非旋 转套 筒 。扩 展翼对 地 层施 加导 向力 ，迫 使钻 头 按要求 的方 向前进 。如 图 l 所示 ，每个导 向翼 都被独 立激 活 。这 样 就产 生 了一个力矢量 ，方 向和 幅度均 调至 高边 。 。 图 1 旋转 导 向工具 ①MWD短节；导向传嬉器短节；③上部稳定器； ④变瘴 发 电机 ／ 脉 仪 短 节 ； 非 旋 转 套 筒 ， 导向 加 强 棱 ；⑥ 驱动短 节／ 钻 头 旋转 闭环系 统 的第二个 主要 特 征是可 以 独立于钻井 过程 而控制 井身 轨迹 。不 具备 深 度 跟踪 的基本旋 转闭环系统 将按 照地表 已编 程好的轨迹 钻进 ，如果需 要校 正井 眼轨迹 时 就 必须 起 钻。 考虑 到 来 自地表 的 高度影 响 ， 要求从地表到井底进行信息传输 ，也 即所谓 的信号下传 。Au t o T r a k R C L S在地 表流量变 化过程 中起 作用 ，嵌 人 在高排量 和低 排量 中 的二进制代 码 由井下工 具进行 解码 。对于 基 本的 导 向要 求 ，需 要 导 向 的方 向和 造 斜 率 导 向力幅度将 由地表下 传至井 底 。更进一 步 ，井身轨迹段也将 由地表下传至井底 。 图 2表 明旋 转 闭环钻井 系统这 两 个基 本 特征办何 贯彻在 这 一独立作 业韵 工具 中，该 是为施加 导 向力 所必 须产 生的油 压 。带有 液 压 阀 的油 压和 电压控 制单元 位于 非旋 转套 筒 内。 垒 图 2 侧 向加 压装置 旋转套筒；高逸I 轴 ；方向；钻头俺向力； ③套筒方向；钻头驱动 ⑦ 太小 上稳定器 以上部 分是一 个 多传 播 电阻 率 短节 ，它 进行 地 层 电阻 率 和伽 玛 射 线 测 量 。 另外 ，旋转 闭环系统 还有 一个 综合 韵方 向传 感器 ，它位于钻头 以上 1 0米处 ，和一个振动 模块 ，用于发 射钻 拄振 动数 据 ，以便进 一 步 优化 钻井作 业。旋转 闭环钻 井 系统 只有 在关 泵之后才 能进行 测量 ，并在 重新 循 环之 后传 递所测量的数据 。 工程 战略 贝克休斯 I NTE Q 公 司于 1 9 8 5年开 始开 发 自动钻井 系统 。九 十年代 早期 垂 直钻 井 系 统 第一个 能够 沿编程 轨迹 钻进 的 工具 广 泛用于联邦德 国的大 陆深井钻井 1 B计 划 中。垂直 钻井 系统能够 把井 身 轨迹 控制 在垂 直范 围内。由于 该系统 能够 把井 身 轨迹 维普资讯 国外钻井技术 控制在垂直偏差很小 的范围 内，所 以 KT B项 目能够在高 晶岩 中钻达 9 0 0 0米 的 目标 。1 9 9 3 年 ，位于意大利米 兰 的 AGI P S- P A 公 司和 位于美国 休斯 敦 的贝 克休 斯 12 N TE Q 公 司开 始联合开 发一个 项 目。该 项 目的主要 目的就 是开发一套在 极 深水 平井 中 能够 导 向的 、耐 高温 达 2 0 0 ℃ 的 工 具 。项 目开 始 不 久 ， 就 已经非 常清楚 了开 发旋转 闭环钻 井系 统将 有利于取得 这样 的导 向钻井能力 。 制订 了一个 三 阶段 开 发战 略。这 三 阶段 为 a 在室 内对元件 的广泛 测试 ，尤其是 位 于非旋转套筒 内的油压 系统。 b 在实验井 中对整个 系统进行评估 ，以 识别系统 的导 向能力和 井下元件 的可靠性 。 c 在商业井 中进行一 系列 现场实 验 ，以 证实 旋转 闭环系 统在 油 田使 用时 的可靠性 和 持久性 ，并改善钻井过 程。 在第一个开 发阶段 ，设计 了 工具 的总 体 概念。在实 验室 实验 中 ，证 明 了变 油 压调 节 的 油压 系统 作业原 理和 滑轮驱 动油泵 作业 原 理 。由于非旋转 套筒 所使 用 的轴承 组要 求 工 作 在 油润 滑 环境 中 ，大量 的工作都 集 中在 泥 浆油密封 系统设计 中 在德 国和意 大 利室 内实验 取得 有利 结果 之后 ，开始 了对旋 转闭 环钻 井系 统进行 广泛 的实验阶段 。现场实验 开始在苏格兰 的 Mo n ． t r o s e的钻井实验装 置 上进行 。早 期实验 主要 集 中于新 设计 的导 向单元 和从地 表到井 底 的 信息传递 ，以证实实验室内的实验结果是 否 正确。这些开始 实验 的结 果 表 明旋 转 闭环 系 统能够控制井眼的方向，也能够达到设计的 造斜 率。证实 了系统 能够通 过下 传 指令来 控 制井 眼轨 迹 。如果 由地表给 出了设计 的倾 角 目标 ，则该 系统 就 能改变 井 眼轨 迹 ，并 完成 所要求的新的 目标 。 还有 ，通过 实验 ，识别 出 了系 统 的关 键 部分 ，并决 定了进一步开 发工作 的努力 方向。 泥浆油 密封系统 是 最关键 的部 件 。在 商业并 中进行现场 实验 阶段 ，取得 了多项 改进 尤 其是密封部件部分 。 现场 实验 在 Mo n t r o s e 钻 井实验装 置上 得 出一 些结 论之后 ，计 划 在 AGI P S． P． A 的亚得 里亚 海 上油 田进行 一系列 现场 实验 。现 场实 验 的主 要 目的是证明该系统在现场使用 的耐用程度 ， 并对原 理样机 不 断作 出改进 ，最 终形 成 商业 化 的产品 。 1 ． 在 R e g i n a 2Di rA 的现场 实验 R e g in a 2是位于意大利 Ad r i a t i l S e a l 海 洋 的一 口井。9 套 管 下 至垂 深 9 9 2米处 ，该 处井斜为 2 0． 3度 ，方 位 7 9 ． 2度 。计 划 使 用 Au t oTr a k闭 环 钻 井 系统 钻 进 靶 区至 垂 深 为 1 2 0 1 米 处 ，之 后 稳斜 ，并在 垂深 1 5 6 7米 处 达到 4 6 ． 7度 的井斜和 8 8． 4 3度 的方位 。之后 在方位 保持不变的情况 下 ，稳斜 至垂深 2 9 加 米处 。 两个旋转闭环钻 井系统 共钻 进 了 8 5 9米 进尺 ，井 斜 由 加 度增 至 4 8度 ，平均 机械钻 速为 3 5米 剧、 时 。Au t o Tr a k RC L S系统所具 有的实时校正井眼轨迹的能力使该井实钻轨 迹与设计 轨迹最 大偏 差不到 5米。但 是 ， 由 于泥 浆脉冲阀堵 塞 ，两个 RC L S都 出现 了故 障。两种情 况下脉 冲发 生器都 是 由于 工具 的 橡皮稳定 器而堵 塞 。工 具失 效之 后 ，只好采 用常规 的导 向钻 具钻 进 ，在维 持井 眼沿 预定 轨 迹钻进 时出现了很 大困难。 在第 一 次 商 业 实验 中，Au t O T r a k旋 转 闭环 系统 已证 明了它能 够维持井 眼沿 预定轨 迹钻进 的能力 。发 现了工具有待改进 的地方 ， 即下传信号的解码问题。在进行下一次现场 实验之前 ，修正 了引导程序检测 的过滤算法 ， 以便 改 进 井 下 工具 的 解 码 能 力。 从 井 内把 RC L s系统 起 出之 后 ，泥浆 油 密封 系统 仍 在 作业。但是，密封部分表 明磨损很严重，因 此不能保障系统具有较长的作业时间。考虑 到所观察 的磨损模 式 ，重新 对 密封系 统进 行 了设计 。 2 ．在 C l o t h l l d e1井的现场 实验 维普资讯 1 2 国外钻井技术 第 1 4卷1 9 9 9年第 2 - 期 C l o t h i l d e l是 意 大 利亚 得 里 亚海 上 属 于 AGI P公 司的一 口井 。该井 1 2 井 眼钻至井 深 6 1 2米 处 ，之 后 下 人 了 9 的套 管 。在 5 9 6米处进行 的测 量表 明井斜 为 2 3 ． 2度 ，方 位 3 1 9度 ，垂 直井 深 5 8 9． 0 】米 ，偏 北 3 8． 7 米 ，偏东 3 6． 0 6米 。 工程设计 要求 在井 深 9 3 1米之 前 ，采用 该井 8 钻 头 笔直稳 斜 ，之后 造斜 至 5 0 ． 9 5 度 。 目标 位于 垂深 为 1 2 5 6米 的切 线段 部分 ， 偏北 5 5 3米 ，偏东 5 0 6米 。 仅用 了一个 A u t O T r a k R CL s就完成 了该 井 8 井段 的钻进 。共钻进 了 1 2 3 0米 ，花 费 了 2 5小时 ，遣斜角 由 2 5度 增至 5 0度 ，造斜 率为每 3 0米 3 ． 5度 ，之 后 以 5 0度 的井斜 角 稳斜 9 O 0米。最后 的平均 机 械钻速 达 4 7米 ／ 小时 ，表明该 旋转 闭环 系统不仅 具有很 好 的 导 向能力 ，而且还可以提高机械 钻速 。 基于 Re g i n a 2井 的经验 所做 的改进 导 向 下 传 信 号 的 解 码 能 力 大 幅 度 提 高 ，在 C l o t h i l d e 1井中 8 0 ％的下传信 号都能 被识别 ， 并被 工具 进行解 码 处理 。重新设 计 的密 封系 统表 明该 系统 能够台 适地起 作 用 ，且 没有 严 重的磨损。 现场 实验 表 明 ，旋转 闭环 钻井 系统 能够 维持井 眼沿预定 轨迹 钻进 ，但 这一次 实 钻井 眼与设计井眼最大偏差 却达到 1 3米 。项 目工 程师决 定在系统 准确度 上 的主要 改进 可通过 改变 系统 的井下 控制 算法而 取得 。尤 其 对于 稳斜 井段 ，先 前 的稳 斜模 式并 不能 足 以维 持 井眼沿设 计 的轨 道钻 进 。使 用对 方 向和 大小 编程的导向力矢量去校正轨道 ，只能使系统 返回到设 计轨道 ，但 却会 造成 一个相 当陡 的 急转 弯 ，使井 眼轨迹弯扭而 不光 滑。 3 ． A mt me l l a现场实验 使用 An t eT r a kRa 系统 在 AGI P A n t o n e l l a油 田 位于 Ad r i a t l l 海 8 饼 段 所做 的实 验 ，由于 该 井很 深 达 垂 深 4 2 0 0米 ， 以及 作业条 件的 恶劣 ，成 为一次 非常重 要 的 实验 。这些复杂条件包括 高扭矩，导致马达滞动；采用常规导向 系统校正方位时存在很大的 困难 。 由于 穿越 衰 竭 带 ，具有 压 差 卡钻 的风 险 。 在 An ton e l l a 1 1井 ，项 目工 程 师 打 算 从 井深为 3 2 4 7米处 以 3 4． 0度 的井斜角 、2 4 1 ． 5 度的方位角稳斜至垂深 5 0 5 8米 处。现在 的井 眼倾角需要从井斜 3 5 ． 9度 降下 来。 对 Au tOTr a kRC L S系统编 程 ．使之稳斜 3 4 ． 9 。 无 方 位 漂 移 。 鞋 设 备 的 上 部 在 井 深 3 2 1 l米处。钻进 浮箍、水泥 塞和套 管鞋 处降 低排量 ，以避 免对 钻头形 成侧 向力 。穿过 井 眼底 部 小 直 径 井 眼 之 后 ，在 新 井 眼 中放 置 R CL S稳定器 ，之后井 眼以 1 5 0转／ 分钟 的转 速 、1 9 0 0升／ 分钟 的排量和 4 --7吨的钻压钻 进。 由于井斜 为 3 5 ． 9度 ，因此 系统 马上按预 期结果进 行 降斜。 在 钻完 第 一 根立 根之 后 ， 狗腿度为 1 ． 6 7度 ／ 3 0米 ，之后 保 持井斜 角为 3 4 ． 2度 ，并稍微 左漂 ，漂移率为每 3 0米 0 ． 3 ～ 0 ． 6度 。这种 非有意 设 计 的漂移 也是 可 以 接受 的．由于它减轻 了与设计轨道相 比的东／ 西偏差。在井 深 3 4 8 2米 到 3 8 8 1米处 ，井 眼 以 8吨钻压 、1 5 0转 ／ 分钟 的转 速和 l 9 0 0升／ 分钟的排量钻进。这样使平 均机 械钻速 达 2 8 一 米 ／ ， J 、 时 ，最 大值 高 达 1 3 0米 川 、 时。 在井冁 3 7 3 5米 处 ，测 量 的工 具倾 角 开 始 降 至每 3 o 米 0． 7度 。做 出了多 种 努力把 工具 重 新带 回 到设计 轨道上 来 。怀 疑工具 失 效之 后 ，把 工 具起至测量井深 3 8 8 1米处 。在拆卸 钻具 组合 时 ，发现工具失效 的原 因在 于 油压系 统 中加 油 口堵 塞 。 下人第二个 Au t oTr a kRC L S系统 ．井对 它进行 编程 ，使之 造斜 并返 回至设 计井 身 轨 道上来 。工具按预 期 的方 向造 斜 ，并 通过下 传调整方 位 的指令使 系统返 回至原来 的轨迹 上去 。 目标是测 量井 深 4 1 8 8米处 ，但 工具却 不能对 下传 的任何 指令解 码 。最终 ，由于 不 能在地 表对系统 重新 编程 ，该 系 统不 得不起 出。 在两次下人 Ra 中，共钻 进了 9 6 2米 ， 花费 了 4 1 ． 7小时 。在工具 的使用过程 中 ，验 维普资讯 1 3 证 了工 具 的导 向能力 。就第 一次 下人 系 统 时 校正 井 眼倾 角 的能力 而 言 ，预先 对 工具 编制 好 “ 稳斜 ”的命令 ，命 令 中也给 出了 目标倾 角 ，为避免 和校 正工 具 的漂移 趋 势 ，也 给 出 了 “ 导 向”命 令 。 由于在 C l o t h i l d e 1井 中 已 经识别 出下传 结构需 要 改变 ，因 此为提 高工 具 的解 码 能 力 ，对 井 下解 码 软 件需 要 改 变 。 这 一新 的下传 软件 在 An t o n e l l a 1 2井 中进行 了测 试 。 计 划使 用 Au t o Tr a k RC L S系统钻进 An t o n e l t a 1 2井 中 8 井 眼部分 的 3 3 3 7米 至垂 深 4 2 4 7米井 段 ，以测试工具 的可靠性 ，尤其 是 改进 的下传 软件 的有效性 。 已经 钻 完上 部 的 1 2 井 段 ，并 正 好 达 到设计 的井眼轨迹处 。在井深 3 3 0 0米处 进行 的测斜表 明井 眼倾 角为 8 ． 3度 ，方 位 为 8 4_ 8 度 。为钻达测量井深为 4 1 5 8米处 的靶 区 ，有 必要 使倾角保持在 8 ． 4度 ，并应 稍微左漂 。 下人 了 RC L S系 统 ，程序 指令 为 “ 脉 冲 速率 3 X” ， “ 造斜 力 0 KN ’ ，以及“ 稳斜 8 ． 8 度 ，0 KN” 。之所 以使 用 0． 4度的井斜角偏 差 值 ，是 因为在 低倾 角 井 眼 中近钻 头处 的倾 角 与测量点处的 倾角典 型 的相 差 0． 4度。之 所 以把导 向力设为“ 0 KN” ，是 因为避免对钻 头 产生侧 向力 ，以防止其对编 程倾 角 的影响 。 鞋设备 的上部位于井深 3 2 7 8米处 。钻 完 水泥塞 、浮 鞋 ，并 对 1 2 井 眼 清 洗 之 后 ， 就以如下 的参数 进行 钻 进 排量 1 9 0 0升 份 钟 ，钻压 5吨 ，转速 1 4 0转 ／ 分钟 。为稳定和 诱 导左 漂 ，下 达 了 两 个 指 令 ，即 “ 造 斜 力 6 KN”和“ 漂移力 1 KN” 。在 井 深 3 4 4 3米处 当井底倾角 与测 量值 吻台 之后 ，通过编 程和 下达指令使倾 角度 为 8 ． 2度 。该 井 其余 井段 钻进时仍采用这一倾 角和造斜力大小 ，为校 正漂移趋势 ，采用 了较低 的漂移力 。 在测 量井深 4 2 7 4米达到总井深 ，从井 内 超 出 R C L S系统 ，工具未 曾失效 。 通过 A n f o n e l l a 1 2井 的实 践 ，证 明 新 改 进的下传 结构 在 中靶 方面非 常有效 。采 用 下 传 的倾 角和 变漂 移力 进行稳 斜 ，可 以很 容 易 地校 正井 眼倾角 。在测 量井深 4 1 5 8米处 ，与 设计 井眼 中心仅羞 0 ． 2 8米。新改进的下传脉 冲长 度 变 化 使 作业 者克 服 了 在 A n t o n e l l a 1 1 井 中所遇到 的问题 。在 An t o n e U a 1 1井和 A n - t o n d l a1 2井这 两 口井 中 ，为 中靶 ，R CL S系 统都需要 对井 眼轨 迹 进行校 正。在 以前 钻进 的井 中采用 常规 导 向系统 校正轨迹 时所 遇到 的困难 ，都被采用 RC L S系统所 克服 。 在 An t o n e l l a油 田总共 三次下人 R C L S的 实验 中，Au t o T r a k RC L S共钻进 了 1 鹋7米 ， 花费 了 1 2 1 ． 5小时 ，平均机械钻速 为 1 5 ． 5米 删 、 时。这样 的效 益同其它方 式相 比，显然非 常有利。采用 常规导 向马达 钻进 5 4 6米 ，花 费 8 3 ． 6小 时 ，平 均机械钻速为 6 ． 5米／ ， J 、 时 ； 采用涡轮钻具组合钻进 1 1 9 6米 ，花费 l 1 4小 时 ，平 均钻 速为 1 5 ． 5米／ d 时；而采用 一 般 的刚 性 井 底 钻 具 组 台 钻 进 3 7 4 4米 ，花 费 3 0 3 ． 5小 时 ，平均 钻速 为 1 2 ． 3米／ d 时。 在 An t o n e l l a 1 0 d i r和 1 0 d l r A井 中 ，校 正 井 眼轨迹要求 三次下人不 同 的常 规井 底钻 具组 合。在 An t o n e l l a 1 1井 中，之所 以起 出 Au t o Tr a k R C L S，并 非 因 为 轨 迹 需 要 校 正 ， 而是 因为 工具失 效 的问题 。事 实上 ，在 An ． t o n d l a1 2 d i r井 中，Au t o Tr a k R C L S系 统基 于下传的 信号 而校正 井 眼轨迹 的能力 ，避免 了起下 钻 作业 ，大大 节 约 了钻 机 时间 。表 1 总结了A n t o n e ll a 油田邻井使用的所有井底钻 具组合。在所有情况下A u f o T r a kR C L S系统 都比标准的井底钻具组合钻速高。 维普资讯