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旋转导向钻井技术和工具


中国石油天然气集团公司钻井工程重点实验室

西安石油大学井下测控重点研究室

旋转导向钻井 技术 & 工具
2005.6.5

测控研究室的研究方向
研究方向:井眼轨迹遥控技术 目 标:
井下闭环旋转导向

智能钻井系统(XTCS)

XI’

AN TRAJECTORY CONTROL SYSTEM

一、

XTCS系统
94.西安石油学院

正常钻井轨迹控制过程 正常钻井 定时发送监控信息 ?必要时, ?采取干预措施 设计井身 轨 迹 执行单元

探测器

井下闭环控制 钻井系统

井下

泥浆脉冲 上传数据 资料处理 综合解释
地面信息 记录显示

微机自适 应控制器 下行指令

地面
地面控制器
下行信息 传输通道

干 预 指 令

1、由井下固定式稳定器构成的 钻井系统总体(简化)框图
固定式: 多次起下钻;
泥浆脉冲
固定稳定器

上传数据
资料处理 综合解释 地面信息

B H A (1)
起钻、 通过井口 操作:改变稳定器 直径/弯度

记录显示
Y 起 钻

N



2、由地面控制井下可变径稳定器 构成的钻井系统总体(简化)框图
变径式:地面控制泵压/排量,井下变径

泥浆脉冲 变径稳定器 上传数据 资料处理 综合解释 N 改变泵压 /排量 ?

BHA
地面操作:

地面信息
记录显示

改变稳定器 直径/弯度

Y

3、由井下闭环可变径稳定器构成 的钻井系统总体(简化)框图
变径式:地面下达变径的命令,井下变径;
泥浆脉冲
井下闭环 变径稳定器

上传数据 资料处理 综合解释 N Y 下传变径 信息指令?

BHA
井下操作:

地面信息
记录显示

改变稳定器 直径/弯度

4、由井下闭环可变径稳定器构成 的钻井系统总体(简化)框图
变径式:地面下达变轨迹的命令,井下自动变径;
井下闭环 变径稳定器

实现设计 造斜率 变径 单元

泥浆脉冲 上传数据

BHA

控制

资料处理 综合解释 N Y 下传轨迹 参数指令?

地面信息
记录显示

井下操作: 改变设计轨迹

井下闭环旋转导向过程示意
28

27
19 17

15

20
监测

12

29 23

21

MWD
地质参数测量

负 脉 冲 通 道

扶正器

MWD

测控单元 可伸缩翼肋 靶心

振 动 通 道

下行通道

钻头 设计轨迹

无磁钻铤

可控偏心器

井下闭环钻井系统硬件配置

二、井眼轨迹控制技术发展现状
90年代起,特别是,海上钻井进入了以

导向技术为标志的超大水平位移钻井的新 时期,并以前所未有的速度向更新技术方 向迈进!XTCS —— 集中体现了二十世纪 末钻井科技最新成果! – 旋转导向技术 – 井眼轨迹井下闭环控制技术 – 近钻头测井技术

三、井下闭环和旋转导向钻井





井下闭环带来高质量的井眼轨迹; 旋旋转导向避免滑动钻进,降低磨阻,

净化井眼;
特殊钻井的需要如高难度大位移井。

四、旋转(闭环)导向工具

国外:

广泛进行现场应用的有: Baker Hughes AutoTrak Schlumberger New Powerdrive* SRD Halliburton Geopilot

国内:
西安石油学院付鑫生课题组自1993年起 研究闭 环旋转钻井系统-XTCS,并研制成样机:

井下闭环变径稳定器 可 控 偏 心 器 流 场 变 向 器

国内外导向工具比较
XTCS Autotrak Powerdr. GeoPilot

导向原理
不旋转套 数量 翼 肋 伸出方式 导向过程 控制动力 造斜能力 下 传

偏心
有 3 绕横轴 连续 泥浆 4°~ 8°

贴井壁力
有 3 绕横轴 连续 电-液 4°~ 8°

贴井壁力
无 3 绕纵轴 不连续 泥浆 6.5°

弯角
有 不连续 电-液 -

负脉冲 振 动

有 有

有 无

有 无

-

五、石油工业面临的任务

与对钻井的需求
增产、增储 提高采收率 降低吨原油成本

六、研究工作进展情况

1、国家十五_八六三高科技发展计划

渤海大油田勘探开发关键技术

闭环(可控)三维轨迹
钻井技术研究
注 :CCTV 称为“三维轨迹闭环钻井技术”

CCTV报道

2002年6月19日科技部与中国海洋总公司和石化
集团公司签订专项合同,宣布项目启动!

依靠科技进步 实现2100万吨!

提高采收率1-5%!

“三维轨迹闭环钻井技术”

是重大专项的关键技术!

2、中国石油天然气集团公司 钻井领域前沿(应用基础)项目

旋转导向钻井关键技术研究

九三年来承担的科研课题
No. 1 研究项目名称 井下闭环钻井控制新技术 资金来源 国际合作 时 93.1-93.8 间 成果情况 发明名称:定向 钻井装置 流场变向器图纸 按时通过验收 98 . 11 通 过 中 评 估(等级:A)

2
3 4 5 6 7 8

井下闭环控制钻井工具总体设计 课题组自筹
井身轨迹制导的智能钻井系统的 国家自然科学基金 理论与实验研究 编号5947-4003 可控偏心器研制 (课题编号:970507-3) 井下闭环可变径稳定器研制 (课题编号:820-09-01-02B)

94
1995-1996

中国石油天然气总 1996.11公“九五”项目 国家863项目

1998.8- 2000.10 2000.11 通 过 科 技 部820主题办验收 2001.3 通 过 集 团 公司验收 进行中 进行中

钻井时由地面到井下的通讯通道 集团公司中青年创 1999.8-2001.8 新基金 井下闭环旋转导向智能钻井系统 国家自然科学基金 2001.3-2002.12 控制理论研究 井下闭环旋转导向智能钻井系统 国家教育部优秀青 2002.3-2003.12 控制理论研究 年教师基金项目

其中:国家自然科学基金 2项; “九五”863 1项;教育部1项;集团公司 2项;

七、初 步 研 究 成 果

— 研制成井下闭环可变径稳定器样机

稳定器测控及通道部分

井下闭环可变径稳定 器样机在实验台上

— 研制成流场变向器样机

井下闭环变径稳定器 在油田钻井试验
2000.7.25

变 径 稳 定 器 在 井 台 上

CNPC钻井工程重点实验室

2 0 0 5年1月5日

泥浆动力控制偏心导向工具
2004.6 加工并装配出泥浆动力可控偏心器下井试验样机
三翼肋导向,结构类似 于AutoTrak但原 理不同。
( “push”, “point” ) 泥浆动力,类似Schlumb. 但用法不同。 Powerdrive用于导向; XTCS —— 控制; GeoPilot —— 可变弯接头 XTCS —— 可控偏心器

XTCS
研究调试中……

导向装置
——

形成导向需要的偏心

定位总成
—— 翼肋伸出量的控制机构

电子舱
—— 信息采集、处理、

存储、控制和通讯

快速连接头
—— 快速机电连接装置

第1段
钻 头 内 压/ MPa

第2段

第3段

第4段

第5段

第6段

第7段

25 23 21 0 220 225 230 235 240 245 250 255 260 265 270

轴 向 振 动/g

下行信息通道
——下发指令的传输通道

40 20 0 220

225

230

235

240

245

250

255

260

265

270

横 向 振 动/ g

100 50 0 220

225

230

235

240

245 时间/ Min

250

255

260

265

270

地面信息读出 & 下发指令系统
—— 地面接口及软件系统
井口读出

实验室——

研发基地

2002.12
恢复、安装实验设备

2002.5
完成基建、开始建设

谢谢,欢迎指导!

巨大社会价值和经济效益!!

旋转导向钻 井工具作业量近 年来呈直线上升 趋势!

600,000ft

8,000,000ft

巨大社会价值和经济效益!! 由于旋转导向技 术的出现,钻井不只是 在地球上打个洞。它已 成为增产,增储提高采 收率的有效手段。

扩大面积 波及系数

增产,增储

充分开发薄层 和低渗油层

三 维 多 目 标 井 ( 蛇 形 井 )

Gullfaks Well A - 42

井斜变化率、 方位变化率
调整

0

可 变 径 稳 定 器

弯外壳动力钻具

可控偏心器
130 o Turn 2250

高 难 度 大 位 移 井 de 需 要

当超过一万米……. 常规大位移井的效果 扩大勘探与开发面积 , 节约多余平台的投资 使大位移井
3.2km

水平位移突破万米

10 km

3.2km

在海上,其效益尤其明显

井下闭环和近钻头测井 效 果
常规定向钻井

地质导向钻井

高质量的井眼轨迹
避免螺旋状井眼 和 井眼弯曲
Hole Spiraling & Wellbore Tortuosity

依 井眼光滑 避免弯曲de原理 靠 小依 的靠 空小 间的 尺时 度 间 传统井眼轨迹控制 调尺 整度 调 整
XTCS 轨迹控制

运 用 近 钻 头 的 测 量 技 术

连续旋转导向的结果
防止 岩屑堆积 与 轴向冲击
Axial Shock & Cutting Buildup

连续旋转导向的结果

避免扩径 与 台阶

Gullfaks Well A - 42

三 维 多 目 标 ) 井 ( 蛇 形 井

井斜变化率、 方位变化率 调整

0

可 变 径 稳 定 器

弯外壳动力钻具

可控偏心器
130 o Turn 2250

高 难 度 大 位 移 井 de 需 要

旋转导向工具是上世纪末发展起来的有效钻井工具, 代表了当今定向钻井发展水平。因此,选择该项目研 究是有充足理由的,并具科学性; 在国外旋转导向钻井工具已投入商业应用.明年,具有 我国自主产权的样机下井试用; 我国三大油公司先后立项研究旋转导向工具,都希望

从外国进口,或与外国公司合作开发,充分说明其迫
切性?!

其商业化前景则取决于油公司(定向井公司)为核心
的运作体制的建立!

泥浆动力偏心导向方案
1
不旋套转

P2

高边 工具面角

P P1
AutoTrak

导 向 方 式

不旋套转
井壁

D2

XTCS-njd
偏心距

5

P3
旋转轴

P D3
钻头推向 一 侧

2

井壁 极板推出 控制阀盘

伸出量 导 向 动 力

D1

旋转轴

PowerDrive Xtra

4

井壁

井底流场方向 不对称 井底流场

3 传动轴

偏心方向 水眼

定位轴承

万向轴承

钻进方向

钻头运动方向

流场变向器

GeoPilot

“Push” & “Point” ?
AutoTrak
红色为侧向 切屑部分 钻头

Powerdrive

“Push”
形成弯曲 井眼剖面

支点

Geopilot &
“Push”
万向轴

推力

“Point”

井壁两侧 受力状态不同

“Point”
Push the bit first,Then Point the bit

连续旋转导向钻井 & 闭环控制
All Rotating, No Sliding
(全旋转,无滑动导向)

Closed Loop Control (闭环控制)
AutoTrak ——压力矢量调整(7500个可调挡位); 光滑的井眼轨迹 —— HOLD Mode STEER Vector XTCS —— 偏心矢量调整(无级变角调整); 光滑的井眼轨迹 Some other systems only have a steering function with fixed force Geopilot —— 预置角导向,6挡变角;变造斜率——“导向模式”+“稳斜模 or 式” tilt parameter pre-set in tool (e g. Geopilot and Powerdrive Direct). These tools alternate between steer and neutral mode to give desired 折线轨迹; average curve. In doing so they drill a fragmented curve similar to a motor. Powerdrive Direct —— 预置力导向,可设置81 个挡位; mode. Powerdrive Direct drills over gauge hole when in neutral

&

无稳斜模式,造成稳斜段扩径

巨大社会价值和经济效益!!

带动经济领域其它学科和技术的发展
钻井:促进钻头,泥浆,钻井工艺和测井技术的发展;

材料:高强度柔性钢材;

传感器:耐高温高压电磁传感器,微型抗强振加速度计;

液控元件:微型阀,无刷直流电机和泵;
电子元器件:耐高温存储器芯片,时钟芯片;

微处理器技术:快速高精度CPU和DSP技术;
数据处理及压缩技术;


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