定向井导向钻井技术的学习及其应用论文.doc

姓名：鲍云 题目：钻具失效研究的重要性 题 目: 定向井导向钻井技术的学习及其应用 所属系部: 石油工程系 专 业: 钻井工程 年级/班级: 作 者: 学 号: 指导教师: 评 阅 人: 22 姓名：鲍云 题目：钻具失效研究的重要性目 录第1章 绪论11.1 研究定向井导向钻井技术的学习及其应用的意义11.2 定向井导向钻井技术的国内外现状11.3 本文研究思路2第2章 导向钻井技术的定义及类型32.1 导向钻井的定义32.2 导向钻井方式的分类32.3导向钻井导向工具工作方式的分类4第3章 滑动导向钻井技术63.1 滑动导向钻井技术的主要工具63.2 滑动导向钻井技术的主要计算模型63.3 导向能力预测方法73.4 导向钻井技术中的几个问题83.5 解决好滑动导向钻井关键技术是发挥滑动导向的最佳效能的前提113.6滑动导向钻井技术要点和注意事项11第4章 旋转导向钻井技术134.1 旋转导向钻井的历史现状134.2 AutoTrak旋转闭环钻井系统144.3 PowerDrive旋转导向钻井系统154.4 Geo-Pilot系统184.5 旋转导向方式的分类18结 论20致 谢21参考文献22摘 要21世纪以来,为适应现代油气勘探开发需求,复杂结构井已经成为当前国际石油工业的前沿与关键性技术与此同时,现代导向钻井技术应运而生,其中被誉为“钻井导弹与制导技术”的旋转导向钻井工具与技术,是现代导向钻井技术的重要组成部分,对促进现代导向钻井技术发展具有重要战略意义 为了满足国内油气勘探开发形势的需要,缩短国内钻井技术水平与世界先进水平之间的差距,打破国外先进技术的垄断,国内开始进行定向井导向钻井技术的攻关研究本文介绍了几种导向钻井技术的原理及特点与应用来让我们更深的对定向井导向钻井技术的进行学习关键词:定向井;导向钻井;滑动导向钻井技术;旋转导向钻井技术第1章 绪论1.1 研究定向井导向钻井技术的学习及其应用的意义随着油田勘探开发的深入和钻井工艺技术的不断进步,特殊工艺定向整个钻井工作量中的份额越来越大,钻井按难度也越来越大,特殊工艺定向井是指限坝区半径高造斜率和长稳斜段定向井,为保证特殊工艺定向井的井身质量同时提高钻井速度降低钻井成本,必须应用先进的钻井工艺技术,只有这样才能日益开放市场竞争中站稳脚跟,才能创造出较好的经济效益和社会效益为此,开展导向钻井技术在特殊工艺定向井中的应用研究是十分必要的导向钻井技术是八十年代国外钻井工程界研究成功的一项先进的井眼轨迹控制技术,常用钻井组合为:PDC钻头+加长马达+变径稳定器+LWD/MWD根据国内现有的设备仪器条件,确定了具有胜利油田特点的导向钻井组合:PDC钻头+小角度(1°)动力钻具+有线随钻或MWD这种导向钻具组合的特点是采用小角度的单弯螺杆钻具,配合无线(或有线)随钻实现井眼轨迹的连续控制,使转盘(或顶驱)钻井与螺杆钻进相结合,旋转钻井与滑动钻井交替使用,保证井眼轨迹的控制精度,从而达到提高钻井速度,降低钻井成本,保护油气藏的钻井目的,它不但适合大中曲率半径的水平井和大斜率井,而且更适合于直井定向井和丛式井,一套钻具结构技能完成直井井段造斜段稳斜段和降斜段,又能随时调整井斜和方位1.2 定向井导向钻井技术的国内外现状1.2.1 国内现状胜利油田承担国家“863”计划“导向钻井系 统关键技术研究”后,与西安石油大学联合开发了3套导向钻井井下工具系统样机,进行了20多次的地面试验,2006年8月在营12一斜225井上进行了包括旋转导向钻井井下工具MWD随钻测量系统信息上传系统和地面监控系统在内的整个导向钻井系统的联合现场试验,获得了成功这表明我 国自主研发的旋转导向系统经过攻关,完成了关键 技术研究及样机开发阶段,下一步将进入技术完善 阶段,为商业化应用奠定了基础1.2.2 国外现状近年来,导向钻井系统的研究与应用取得了突破性进展目前国外最成熟且应用广泛的导向钻井系统主要有贝克休斯 INTEQ公司的Au toTrak斯伦贝谢公司的 PowerDrive和哈里伯顿公司的GeoPilot导向钻井系统的核心是旋转导向钻井井下工具系统旋转导向钻井井下工具系统按工作方式分为静态偏置推靠钻头式动态偏置靠钻头式和 随着勘探开发领域的不断拓展与深入,高陡构造大倾角地层的勘探开发工作量越来越大,井斜问动态偏置推靠钻头式 静态偏置指向钻头式全旋转外筒不旋转高中高由存在消除题在一定程度上成了制约这些区域勘探开发工作的 质量效益乃至成败的关键为了更好地解决直井防斜问题,国内外一直致力于新型防斜钻具与技术的研究与开发1.3 本文研究思路在介绍钻具失效研究的重要性的基础上,分析了钻具失效的重要性应用范围适用条,也分析了钻具失效专用设备和工具,最后分析了钻具失效研究的应用评价和发展方向,通过对以上问题的具体分析,说明了钻具失效的发展前景第2章 导向钻井技术的定义及类型2.1 导向钻井的定义导向钻井实际就是井眼轨迹控制问题,无论是常规直井或特殊工艺井,都需要井眼轨迹控制直井需要防斜打直,定向井需要按设计井眼轨道控制钻头钻进的轨迹传统的导向钻井(即井眼轨迹控制)是由井下导向工具配以适当的钻井参数来实现的,自动导向钻井是由井下计算机根据随钻采集的参数自动控制导向工具来实现的自动导向钻井技术是钻井工程领域的高新技术,代表着世界先进的钻井技术发展方向目前,在世界范围内水平井大位移井分支井等高难度的复杂井正蓬勃发展,常规钻井技术难以适应需要,必须依靠先进的导向技术才能保证井眼轨迹的准确无误2.2 导向钻井方式的分类 导向钻井按照导向的依据可分为几何导向钻井和地质导向钻井2.2.1 几何导向钻井根据井下测量工具(MWD)测量的井眼几何参数(井斜角方位角和工具面角)来控制井眼轨迹的导向钻井方式称为几何导向钻井如果井下参数测量和导向工具的控制由井下计算机完成,则为自动几何导向钻井几何导向(GS)与地质导向技术(GST)是现代导向钻井技术中非常重要的组成部分,近年发展很快,其基本功能是:几何导向是在开发成熟油田的钻井地质情况完全清楚 几乎不存在地质不确定性问题时,按设计的三维井眼轨迹空间几何位置进行导向与控制,并具有较高的控制精度几何导向技术的进展情况是:（1） 使用配有计算机及专用软件的调制式高精度灵敏度的全旋转导向工具,能使所钻井身平滑轨迹准确（2） 在旋转导向工具内装有加速度计磁力计陀螺仪的随钻测量井身轨迹参数(井斜角方位角)及导向工具面角的井下随钻测量仪表, 目前正在研究近钻头空间姿态测量仪表（3） 不断改进地面与井下闭环信息流双向通讯系统及指挥控制指令系统（4） 建立地面监控实钻井身几何轨迹及动态可视化系统（5） 具有先进的预置井身轨迹智能化设计软件2.2.2 地质导向钻井地质导向是在拥有几何导向的能力的同时,又能根据随钻测井(LWD)得出的地质参数(地层岩性地层层面油层特点等),实时控制井眼轨迹,使钻头沿着地层的最优位置钻进这样可在预先不掌握地层特性的情况下实现最优控制地质导向本身就是自动导向钻井,井眼轨迹控制的依据是地质地层参数,这样一来实钻井眼的轨迹很有可能脱离钻井设计的井眼轨道地质导向是在新区及复杂地质条件下钻井存在若干不确定性因素时,使作业者能随钻判断正钻地层,并准确命中“点移动靶”,它是钻复杂井随钻实时设计与控制待钻井身轨迹的必要手段地质导向技术的进展状况:(1)现代地质导向技术已能将随钻测量的测井地震录井等信息及其遥测遥传技术相结合,将随钻实时测量到的信息经过智能化集成化解释后,实时评价待钻地层,实时确定客观存在的不确定地质因素,为待钻井身轨迹设计提供重要依据以使井眼能够延伸于只有0.5m厚的薄油气层中,并保持复杂条件下的最优井身轨迹和平滑的井身剖面国内对地质导向技术的重要性必要性认识不足,仍处于落后的“地质家导向” 的经验做法(2)随钻测井(LWD)是在旋转导向钻井的下部钻具组合(BHA)中装有按需要供作业者选择的多联组装的随钻测井参数仪,诸如自然伽马(),方位伽马(AGR)电阻率(补偿电阻率CDR近钻头电阻率RHB及方位电阻率AR)密度/中子(补偿中子密度CDN及方位密度/中子ADN)声波等测井参数, 用来随钻识别正钻地层的岩石类型流体性质孔隙度孔隙压力井眼高边(低边)地层倾斜角度,以及识别井眼截面是否出现椭圆状或扩径等新的LWD成熟技术已能代替常规电缆测井,即在完井后不再测井,大大提高测井建井时效,节约建井成本国外正在研究能预测钻头前方地层的LWD技术,而国内才开始研究随钻伽马和电阻率少数参数仪(3) 随钻地震(SWD)技术是利用钻进过程中钻头产生的自然振动作为井下震源而形成钻头波场,在地面用检波器采集信息,经过处理解释可以实时预测正钻与待钻地层成像,并能鉴别修改地质模型,特别是能随钻获得钻头前方的地质模型及目的层深度界面等SWD还可以实时得到地震波传播的时深关系数据,实时确定所钻深度下钻头在SWD剖面上的精确位置,能随钻连续获得实时井身轨迹SWD能实斜力,并远大于钟摆钻具组合的降斜力(4) 现场试验表明,通过优化钻具组合,PBDVD在较大倾角的地层中具有很好的防斜打快效果2.3导向钻井导向工具工作方式的分类导向钻井的实现主要靠导向工具,导向工具按其工作方式分为滑动式导向工具和旋转式导向工具2.3.1 滑动导向工具 滑动式导向工具的特征是导向钻井作业时钻柱不旋转,钻柱随钻头向前推进,沿井壁滑动滑动导向钻井有诸多缺点,例如钻柱摩阻大,对井眼清洗不利和机械钻速慢,钻头选择受限等尽管如此,由于导向工具的成本问题滑动式导向钻井目前仍占主导地位滑动式导向工具主要有弯接头可调弯接头和弯外壳马达等 滑动式导向工具组合方式一般为: 钻柱 + MWD/LWD + 动力钻具 +导向工具+ 钻头2.3.2 旋转导向工具旋转式导向工具是在钻柱旋转的情况下实现自动的连续的钻头轨迹控制,从而避免了钻柱躺在井壁上滑动,使井眼得到很好的清洗,同时允许根据地层选择合适的钻头类型,这样可显著地减轻或消除滑动式导向工具的不足 世界上最早的旋转导向工具是上世纪80年代末90年代初德国KTB计划中开发的垂直钻井(VDS)系统,专为直井防斜用的在此基础上,国外多家公司相继开发了多种型号的旋转导向钻井系统,并成功地投入现场应用目前世界上有代表性的旋转导向钻井系统有贝克休斯公司的AutoTrack RCLS系统,哈里伯顿的GEO-PILOT系统和斯仑贝协公司的PowerDrive SRD系统第3章 滑动导向钻井技术3.1 滑动导向钻井技术的主要工具3.1.1 滑动导向钻具组合的主体工具滑动导向钻具组合的主体工具为螺杆或涡轮钻具目前在油田使用较多的是螺杆钻具,主要有直螺杆和带各种弯角的单弯螺杆此外还有异向双弯螺杆(DTU)同向双弯螺杆(DKO或FAB)和可调弯壳体螺杆(AKO)等3.1.2 滑动导向钻具组合的主要类型滑动导向钻具组合是由主体工具和不同尺寸的钻铤稳定器组合而成,并可以稳定器个数和螺杆类型为特征进行描述目前国内外油田使用较多的滑动导向钻具组合的主要类型有:不带稳定器的滑动导向钻具组合(弯接头+直螺杆钻具组合和单弯螺杆钻具组合);由单弯螺杆组成的带单稳定器的滑动导向钻具组合;由单弯螺杆组成的带双稳定器的滑动导向钻具组合;由双弯螺杆组成的带单稳定器的滑动导向钻具组合;由双弯螺杆组成的带双稳定器的滑动导向钻具组合此外,根据相同方法可以组成其它类型的滑动导向钻具组合 3.1.3 滑动导向钻井技术的测量工具1 )有线随钻系统; 2 )无线随钻系统; 3 )电子单多点测量工具; 4 )照相测斜仪在一些油田(如胜利油田等),有线和无线随钻测斜系统使用较多,而鉴于经济方面的考虑,照相测斜仪也在一些油田广泛使用3.2 滑动导向钻井技术的主要计算模型3.2.1 滑动导向时的导向力计算模型滑动导向钻具组合滑动导向时的导向力主要有纵横弯曲梁法计算模型加权余量型和有限元模型这三种模型的本质一致,在现场应用中也都发挥了较好的作用狄勤丰教授利用加权余量法计算模型研制了一套计算软件SABHA且实际应用效果较好3.2.2 复合钻井时的导向力计算模型 复合钻井时滑动导向钻具组合体现出了更强的动力学行为,因而其计算模型变得 十分复杂“非等力合成模型”认为滑动导向钻具组合复合钻井可以归纳为一个导向工具面不断有规律改变的过程,其总体导向效果可近似用钻柱旋转一周内的钻头上的合导向力矢量来表述 设导向钻具在某一时刻的装置角为w,在这一装置角位置可计算出钻头上的造斜力为F(w)方位力为F(w)钻具组合旋转一周内在钻头上作用的导向合力Fs为: 式中:Fs为合造斜力,Fs为合方位力,导向合力方位角为s=arctan(Fs/Fs)利用以上模型,可以较好的预测不同滑动导向钻具组合复合钻井时的导向力 3.3 导向能力预测方法 3.3.1 三点定圆法该方法主要利用三点共圆的原理来预测带有双稳定器的滑动导向钻具组合滑动导向时的导向能力,它最早由Harisson等人提出,是一种纯几何意义上预测技术事实证明,有些情况下 ,该方法具有较好的预测效果,但其局限性也十分明显此外,该方法只适合钻具组合不旋转的滑动导向状态3.3.2 双半径法这种方法由Hassen等人提出,主要针对不带稳定器的同向双弯钻具组合滑动导向工作方式3.3.3 平衡曲率法该法由Birades MFenoul R等人提出,其原理为:对于某种BHA,在一定条件下总有一个“平衡曲率”,它刚好使钻头侧向力为零,该“平衡曲率”就是给定BHA在特定条件下的造斜能力在此基础上引入了有效地层侧向力概念,其为钻头上的侧向力与岩石的“门限侧向力”的差“门限侧向力”定义为引起钻头侧向切削的最小机械作用力当侧向力的绝对值小于门限侧向力时,只是侧向研磨地层,此时将稳斜钻进门限侧向力与钻头的侧向切削特性及所钻地层的岩石机械性质均有关,可由室内实验测定也可利用实验资料反算根据Millheim的研究结果中软到中硬地层的门限侧向力值大约为19 kN 设门限侧向力为Fm,则有效钻头侧向力可以表示为: 式中F1F1为钻头上的的有效侧向力,FF为钻头上的侧向力3.3.4极限曲率法苏义脑教授在充分研究导向钻具组合工作机理导向力计算分析的基础上,提出了 “极限曲率法”该方法是建立在下部钻具组合受力和变形的基础上综合考虑了工具和下部钻具组合的诸多结构参数艺操作参数井身几何参数的影响,并且用修正系来修正测量方法和地层参数对导向能力的影响 3.3.5 平衡侧向力法在不同的地层中,经过一定时间的井眼轨迹控制实践,工程技术人员都在一定程度上掌握了适合给定地层的稳斜BHA因此可以利用稳斜钻具组合的侧向 力来代替一般意义上的门限侧向力,并定义为“平衡侧向力”它反映了实际稳斜钻具组合在斜直井眼中的钻头侧向力,记为SF它不仅反映钻头的侧向切削特性和所钻地层的岩石机械性质的影响,还反映井眼轨迹参数施工参数和BHA 结构参数等的影响更为重要的是,它还体现在不同参数条件下,稳斜钻具组合为了达到稳斜目的所必须具备的钻头侧向力此外井眼扩大稳定器磨损井眼实际状况钻柱摩阻等也对平衡侧向力有很大影响有了平衡侧向力,就可将钻头上的有效侧向力表示为: 求出不同井眼曲率条件下的有效侧向力F1与井眼曲率K关系式令F1=0就可求得BHA造斜能力K0 研究表明,这是一种十分有效的BHA导向能力测模型,它既可适合滑动导向时的导向能力预测,可用于旋转导向时的导向能力预测将该方法定义为导向能力的“平衡侧向力法” 3.3.6 滑动导向连续导向钻井技术的衡量指标滑动导向连续导向钻井技术目前在国内外的越来越多但在实际使用中如何衡量这种技术的效果呢?国外的做法是要求复合钻进井段在导向比例应大于80这里的导向段是指动力钻具在钻中取得的总进尺用表示滑动导向钻具组合连向钻井技术的效果指标,可表示为: 式中LR为复合钻进井段长度,Ls为导向段长度事实上,该衡量指标具有一定的科学性滑动导向钻具组合连续导向钻井的本质是滑动导向和复合钻井(也可称旋转导向)的交替作业,旋转钻井越多,滑动导向井段就越短,井眼轨迹的曲率变化次数就越少,井眼轨迹就相对越光滑,井速度就越高,定向等辅助作业时间就越短胜利石油管理局定向井公司在中东地区服务时,甲方(外方)就用这个指标对其作业水平进行考核 3.4 导向钻井技术中的几个问题3.4.1 常规定向钻井与滑动导向钻井的正确认识问题常规定向钻井与导向钻井是针对定向井钻井施工中两种截然不同的施工方法而言我们常说的定向井施工主要是指常规定向:钻头+井下动力直马达+弯接头,造斜和井眼轨迹调整井眼轨迹控制主要利用下部钻具组合结构和参数的变化来实现的,使轨迹沿着预先设计的井眼轴线钻达目的层的钻井方法滑动导向则是: 高效钻头+可导向井下动力马达+上部钻具组合,实现井眼轨迹控制的连续性,通过滑动与复合钻进两种钻进方式,完成直井段到斜井段的施工两者在施工中的主要区别是:常规定向是不同井段施工必须下入不同的钻具组合来实现,有明显的井段特征比如造斜段利用井下动力直马达+弯接头螺杆滑动造斜使轨迹产生一定的初始井斜方位导向钻井是一种可连续控制井眼轨迹,而不许要起下换钻具结构没有明显的井段之分其特点是井眼曲率对导向钻具的正常钻进影响较大,滑动钻进时轨迹控制与常规定向井螺杆造斜钻进有较大不同3.4.2 必须注意井眼曲率问题定向井中井眼曲率是一个非常重要的概念,钻井实践表明,在井眼曲率过大的井段,及容易出现一系列问题给钻井施工带来不利影响例如钻进过程中接单根阻卡,钻具疲劳加剧,导向钻具容易出现自锁现象一般常规定向井理想的井眼曲率控制在3度/30米以内,最大不超过5度/30米.1 井眼曲率大小的计算与影响因素 井眼曲率的计算有多种方法,现在定向井的应用程序很多,已不许要大家自己来算了.但有必要通过公式的数学分析,掌握井眼曲率与那些因素有关.常用的理论计算公式如下:K= LSINC此式我们可以看出井眼曲率K受井斜变化率方位变化率井段平均井斜角三个因素影响这三个因素在实际钻进过程中都随时变化,我们必须在施工中使K值不超过理想或容许限度,根据轨迹条件,兼顾井斜方位两个方面,对他们进行合理分配需要注意井段平均井斜角增大对K值影响更大在实际轨迹控制中表现为随着井斜的增大,方位调整难度越大,钻具越加容易自锁2 导向钻井施工中的曲率问题(1)导向钻具容许的井眼曲率(狗腿严重度)理论计算与实践分析 现场使用导向钻具时,事先必须对所下钻具的造斜率(容许井眼曲率)进行计算对于不同的导向钻具结构造斜率的理论计算现场常用“三点几何法” 公式计算带双稳定器的单弯导向马达在井眼中,我们近似的把钻头上稳定器下稳定器与井壁接触看作不在同一直线上的三个点决定的一个圆因此,“三点几何法”的理论认为导向马达所钻出的园弧由钻头和上下稳定器的几何关系决定,圆弧的半径既等于井眼曲率半径K=2*/L1+L2 如果考虑导向钻井轨迹的一部分时,把工具视为一段圆弧长度为S则K=2/S 此井眼曲率的计算方法只是理论公式现场施工中,影响实际井眼曲率的因素很多,如地层软硬井眼尺寸的不均匀性导向钻具的结构不同及钻具的弹性变形等因素因此这个计算结果只能作为参考,施工中应根据不同地区地层钻具结构的施工经验和实践,对理论计算结果进行修正才能用于现场施工(2)导向钻井施工中的井眼曲率问题表现形式和解决方法 导向钻井施工中井眼曲率问题集中表现为,动力钻具自锁,钻时变慢,蹩钻钻压加不到钻头上严重时甚至出现上提下放钻具遇阻遇卡钻具起出后,钻头巴掌磨损严重动力钻具及所带稳定器磨损严重特别是滑动方式钻进时表现明显所以如何解决导向钻具造斜率与导向钻具容许井眼曲率大小之间的矛盾,是应用导向钻井技术的关键所在解决这个矛盾有两种途径:一种是在导向钻具组合结构尺寸;选用合适的导向单弯结构尺寸(弯度弯距外径长度)目前我们试验成熟的导向单弯型号为:5LZ165*1.0-1.25O*7Y-6级;主要结构尺寸: 外径165毫米;长度8.0±0.5米;单弯度数1.0-1.25度;弯距1.5米;马达带螺旋稳定器尺寸:外径210±2毫米;扶正棱长0.25±0.05米;适当调节导向钻具组合的结构的位置及尺寸:目前,原则上要求使用推荐导向钻具组合若因地层等客观因素造成的井眼曲率问题我们可根据现场实际情况适当调整导向钻具组合的结构位置及尺寸:例如:使用222尺寸钻头;适当上移上稳定器;缩短下稳定器的长度;一种是改变钻进方式;导向钻井分为滑动和复合钻进两种方式如何合理应用好这两种钻进方式,达到既要准确控制井眼轨迹,又要尽可能少的采用滑动钻进方式的目的,是快速导向钻井的前提当滑动钻进(定向或轨迹调整)时,易出现因井眼曲率造成的钻具自锁,一旦发生,我们不能因轨迹控制没有达到目的而强行滑动钻进应及时采用复合钻进方式钻进一段而且我们必须注意随着井斜角的增大,越在滑动钻进时出现钻具自锁,滑动钻进的井段也就越短,因此导向钻井的轨迹控制必须在井斜角较小(小于20-25度)的时候完成3.4.3 保证滑动导向钻具结构的严谨性问题导向钻井研究应用以来,我们试验应用了多种导向钻井组合,但合适的取得效果较好的已应用成熟定型的钻具组合有三种结构:1. 216BIT+5LZ165*1.25O+431*460(定向直接头)+165无磁钻铤+214稳定器+165钻铤14-17根2. 222PDC(84FM281)+5LZ165*1.25O+431*460(定向直接头)+165无磁钻铤+165钻铤14-17根3. 222BIT +5LZ165*1-1.25O+431*460(定向直接头)+165无磁钻铤+214稳定器+165钻铤14-17根 当前应用中有的井队对导向钻井技术认识不够,认为有单弯螺杆就可实现导向钻井,就可随心所欲控制井眼在钻具结构上随意性大,施工中又没有掌握好导向钻井施工要点,造成导向钻井应用不成功以上两种钻具结构是从理论到实践应用产生的,希望大家在导向钻井技术应用一定要保证其钻具结构的严谨性导向钻具滑动钻进的施工特性: 常规定向钻井滑动钻进中,通过调整弯接头度数螺杆长度来实现连续滑动钻进的钻进过程中明显受到反扭角和装置角的影响,因此我们在施工始终要确定反扭角工具面的装置角而导向钻具在滑动钻进过程中,由于结构特点决定了它施工特性;工具面很容易到位,相反钻进时工具面也容易受到反扭角的影响极大,反扭角及不易确定 因此真正意义的导向钻井系统必须配有无线随钻测量系统现有条件我们应用导向钻井技术,就要求我们在滑动钻进中通过钻井参数等手段克服这个问题导向钻具滑动钻进进行方位调整受井眼曲率的限制比较困难,尤其是井斜角较大时非常困难常常出现方位没有调整好,井斜角增大,钻具自锁,无法滑动钻进导向钻具的施工特性还有待于我们继续在钻井实践中不断总结认识3.5 解决好滑动导向钻井关键技术是发挥滑动导向的最佳效能的前提3.5.1 钻头及螺杆选型及使用参数 通过几年的应用研究表明,216XHP2C和222BJ22钻头性能稳定适应于滑动导向钻进PDC钻头为大港中成产86FM281钻头适应于滑动导向钻进螺杆选择为5LZ165*1.0-1.25O*7Y-6级要结构尺寸: 外径165毫米;长度8.0±0.5米;单弯度数1.0-1.25度;弯距1.5米;马达带螺旋稳定器尺寸:外径210±2毫米;扶正棱长0.25±0.05米;滑动钻进参数为钻压4070KN;泵压7.09.0MPA;排量2830L/S;复合钻进参数为钻压80150KN;泵压8.010.0MPA;排量3032L/S;3.5.2 使用井段 在靖安油田应用滑动导向钻井井段主要为志丹统较为适宜,其它井段速度提高不明显为此现场使用时最好在二开钻进就使用滑动导向钻井3.5.3 选择合理的施工井眼轨迹 由于滑动导向钻进井段在上部,因此我们要把轨迹控制上移下部主要利用稳斜或微降钻具组合施工整个施工井眼轨迹为直增稳(缓降)剖面3.5.4 必须掌握成熟的常规稳斜钻具组合使用 成熟的常规稳斜钻具组合的使用是保证滑动导向钻井技术应用的基础建议使用双稳定器钻具组合,通过调整两稳定器的位置达到稳斜或微降斜效果3.6滑动导向钻井技术要点和注意事项3.6.1 滑动导向钻井施工技术要点1) 导向钻井轨迹控制要点:定向必须准确到位,方位调整必须及时并控制在10度以内,施工原则定向井段不大于30米,扭方位井段不大于20米,方位井斜调整井段不大于10米2) 钻头压降匹配,应符合螺杆允许范围内:例如:现下入5LZ165(1.250)×7Y-6极数马达,螺杆允许钻头压降7Mpa,即钻头水眼压降应小于7Mpa建议采用三等径喷嘴装好钻头,井口试运转,立管泵压应等于螺杆压降加钻头压降之和同时应留有井深后循环压降增加的量3) 单弯螺杆与直接头定向键的角度换算:实际工具面角=测量工具面角接头定向键与单弯弯曲记号夹角夹角的测量:自下而上,顺时针为“+”,逆时针为“-”定向扭方位施工中,以实际工具面角为计算值进行施工角度计算(注意90度罗盘工具面角的+-号确定)4) 注意井眼曲率控制,避免钻具自锁并及时采取有效措施克服消除井眼曲率过大引起的钻具自锁5) 必须选用应用成熟的滑动导向钻具组合和导向单弯螺杆施工,减少不必要的低效钻井施工深刻理解区分滑动导向钻井技术与常规定向井施工的不同,是应用好该项技术的关键3.6.2 滑动导向钻井施工操作注意事项1) 二开时控制下钻速度探明水泥塞深度,防止螺杆钻具下到水泥混中2) 正常钻进接单根时要晚停泵早开泵钻时快时要进行划眼接单根时必须放入合适的钻杆滤清器3) 测斜时,频繁使用定向杆测斜,定向直接头定向键易损坏卡测斜仪故每次测斜必须准确标记到底记号,测斜时即将坐键时必须缓慢下放至坐键4) 不需要测出工具面时,测斜仪内筒最好采用悬挂方式测斜(悬挂在冲胶棒下端)保护罗盘井斜方位不合适时加密测斜,及时调整轨迹5) 严格执行钻进参数,均匀送钻,严禁溜钻或钻压跟不上同时注意泵压变化,调整钻压大小6) 注意泵压变化,出现泵压升高降低应及时停泵分析,及时向技术人员反映7) 由于导向单弯螺杆弯距短工具面容易跑位,并且反扭角不易确定要求定向扭方位钻进时钻压严格控制在要求参数以内尤其是定向第一根钻进时钻压控制在30KN以内,以确保定向方位一次性到位8) 定向扭方位钻进时,切勿钻进过长井段,造成井眼曲率过大,螺杆自锁,一旦出现钻压加不到钻头上现象时,应及时改用复合钻进方式钻进一定井段,再进行轨迹调整9) 定向施工井段至多钻进三个单根为宜,后续施工再做轨迹调整10) 滑动导向钻井轨迹控制最忌延误轨迹调整的最佳时机而造成后期导向螺杆无法调整,常规直螺杆扭方位工作量增大11) 增斜段轨迹控制严格按设计剖面执行调整好井斜方位进入稳斜段入窗12) 螺杆工作正常,突然压力降减小,钻进无进尺,可能是螺杆钻具万向轴断;螺杆提起循环压力降升高很多或压力直线上升,表明螺杆转动轴承卡死13) 复合钻进在钻遇砾石软硬交接地层时跳钻严重,及时降低钻压,钻过该段同时注意根据泵压是否正常来判断钻头螺杆情况第4章 旋转导向钻井技术4.1 旋转导向钻井的历史现状4.1.1 旋转导向钻井的特点迄今为止,定向钻井技术经历了三个里程碑:利用造斜器(斜向器)定向钻井;利用井下马达配合弯接头定向钻井;利用导向马达(弯壳体井下马达)定向钻井这三种定向钻井工具的广泛使用,促进了定向钻井技术的快速发展,使得今天人们能够应用斜井丛式井水平井水平分支井技术开发油田随着石油工业的发展,为了获得更好的经济效益,需要钻深井超深井大位移井和长距离水平井,而且常常要在更复杂的地层如高陡构造带钻井这些都对定向钻井工具提出了更高的要求 为了克服滑动导向技术的不足,从20世纪80年代后期,国际上开始研究旋转导向钻井技术,到20世纪90年代初期多家公司形成了商业化技术旋转导向钻井系统实质上是一个井下闭环变径稳定器与测量传输仪器(MWD/LWD)联合组成的工具系统它完全抛开了滑动导向方式,而以旋转导向钻进方式,自动灵活地调整井斜和方位,大大提高了钻井速度和钻井安全性,轨迹控制精度也非常高,非常适合目前开发特殊油藏的超深井高难度定向井水平井大位移井水平分支井等特殊工艺井导向钻井的需要旋转导向钻井系统的特点是:在钻柱旋转的情况下,具有导向能力;如果需要,可以与井下马达一起使用;配有全系列标准的地层参数及钻井参数检测仪器;配有地面井下双向通讯系统,可根据井下传来的数据,在不起钻的情况下从地面发出指令改变井眼轨迹;工具设计制造模块化集成化;可以在150º以上的高温井中使用;定向钻井时不需要特殊的钻井参数,就可以保证最优的钻井过程;导向自动控制,以保证准确光滑的井眼轨迹4.1.2 旋转导向钻井的国际应用及现状 美国Schlumberger Anadrill公司的R.L.Monti在1987年世界石油大会上宣读的“Optimized Drilling-Closing the loop”论文中,对自动化闭环优化钻井技术第一次做了系统的阐述目前,世界上已有几家大石油公司形成了商业化应用技术:1VDS自动垂直钻井系统:90年代初德国KTB项目组与East Man Teleo公司联合开发研制2SDD自动直井钻井系统:AGIP公司与Baker Hughes Inteq公司合作在VDS系统的基础上开发研制3ADD自动定向钻井系统:1991年美国能源部资助研制,目前已达到商业应用阶段4AGS和Geo-Pilot旋转导向自动钻井系统:Sperry-sun公司1993年研制了AGS;1999年又推出新一代的Geo-Pilot旋转导向自动钻井系统,该系统的性能已达到90年代末世界先进的RCLS和SRD系统水平5RCLS旋转闭环自动钻井系统:1993年AGIP公司与Baker Hughes Inteq公司合作,经过3年的研制,于1996年在4口井中试验获得了成功1997年,RCLS系统注册为Auto Trak,正式推向市场截至2002年7月累积钻进进尺超过1.609×106m其63/4“系统创下了单次下井工作时间92h,进尺2986m的世界纪录,81/4”系统创下了单次下井工作时间167h,进尺3620m的世界纪录 2SDD自动直井钻井系统:AGIP公司与Baker Hughes Inteq公司合作在VDS系统的基础上开发研制6SRD全旋转导向自动钻井系统:1994年英国Camco公司在英格兰Montrose地区进行了现场井下试验,获得了极大成功该系统第一次被世界石油界认可,是其1997年在世界上第一口水平位移超过10000m的Wytch Farm油田M-11井的成功应用1999年5月,Camco公司与Schlumberger公司的Anadrill公司合并,其SRD系统注册为PowerDrive截至1999年底,该系统已下井138次,累计工作时间11610h,总进尺47780m目前,世界上3口位移超过10000m的大位移井中,有2口应用了该系统 目前,旋转导向钻井系统形成了两大发展方向:一个是以Baker Hughes Inteq公司的Auto Trak RClS系统为代表的不旋转外筒式闭环自动导向钻井系统,它以其精确的轨迹控制精度和完善的地质导向技术为特点,非常适用于开发难度高的特殊油藏的导向钻井作业;HulliboIton公司的GeoPi1ot系统也属于这一类导向钻井系统;另外一个是以Schlumberger Anadri11公司的Power Driver SRD系统为代表的全旋转自动导向钻井系统,它以其同样精确的轨迹控制精度和特有的位移延伸钻井能力为特点,非常适用于超深边缘油藏的开发方案中的深井大位移井的导向钻井作业下面对Auto Trak RClS系统Power Driver SRD系统和Geo-Pilot系统做简要介绍4.2 AutoTrak旋转闭环钻井系统4.2.1 AutoTrak旋转闭环钻的系统组成AutoTrak是旋转导向钻井系统的代表产品,它是基于推靠钻头的偏置原理来导向的,其可变径稳定器的伸缩块装在不旋转套筒上, AutoTrak旋转闭环钻井系统由地面与井下的双向通讯系统(地面监控计算机解码系统及钻井液脉冲信号发生装置)导向系统(AutoTrak工具)和LWD(随钻测井)组成(图l)4.2.2 AutoTrak旋转闭环钻井系统的工作原理AutoTrak RClS系统的井下偏置导向工具由不旋转外套和旋转心轴两大部分通过上下轴承连接形成一可相对转动的结构旋转心轴上接钻柱,下接钻头,起传递钻压扭矩和输送钻井液的作用不旋转外套上设置有井下CPU控制部分和支撑翼肋Ø 图2 AutoTrak RCLS结构示意图导向工具的执行机构有一不旋转导向套,中轴从导向套中间穿过与钻头连接,带动钻头随钻柱一起旋转,导向套与中轴通过轴承连接当周向均布的三个支撑冀肋分别以不同液压力支撑于井壁时,将使不旋转外套不随钻柱旋转,同时,井壁的反作用力将对井下偏置导向工具产生一个偏置合力通过控制三个支撑翼肋的支出液压力的大小,可控制偏置力的大小和方向,以控制导向钻井液压力的大小由井下CPU控制井下控制系统来调整井下CPU在下井前,预置了井眼轨迹数据井下工作时,可将MWD测量的井眼轨迹信息或LWD测量的地层信息与设计数据进行对比,自动控制液压力,也可根据接收到的地面指令调整设计参数,控制液压力,以实现导向钻进导向套内还有各种传感器,可测量井斜角方位角及工具的工作状态