旋转导向钻井系统研制与现场试验

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1、旋转导向钻井系统研制与现场试验1211111蒋世全，姜伟，周建良、李汉兴，陈红新、吴光武、程载斌（1、中海油研究总院,北京，1000272、中国海洋石油总公司钻完井技术管理部，北京，100010）摘要：旋转导向钻井技术是20世纪90年代国际钻井界发展起来的钻井新技术，它是钻井发展史上一次质的飞跃，目前国外已广泛推广应用该技术。“十五”期间在国家“863”项目的支持下，国内也开始对该项技术进行重点攻关研究，并在关键技术方面取得了较大突破。本文在概括介绍旋转导向钻井技术现状的基础上，重点介绍“十一五”国家863重点项目“旋转导向钻井系统工程化技术研究”可控偏心旋转导向钻井工具的工作原理以及取

2、得的相关科研成果。主题词：钻井旋转导向偏心位移工具面双向信息传输1前言1.1旋转导向钻井系统特点旋转导向钻井系统是在钻柱旋转钻进状态下进行井眼轨迹控制的一种自动化钻井系统，代表了[1]当前钻井技术的最高水平。该技术是20世纪80年代出现，90年代发展起来的一项石油钻井新技术，与传统的滑动导向钻井相比，具有井眼轨迹控制精度高，钻出的井眼圆滑，摩阻、扭矩小，钻井极限位移大，井下事故少，钻井速度快，钻井成本低等优点，因此可以满足水平井、大位移井、[2-3]三维多目标井等高难度特殊工艺井导向钻井需求。1.2国外典型旋转导向钻井系统国外目前已有多家油田服务公司成功应用旋转导向钻井系统，其中以Bak

3、erHughes的AutoTrak系统、Schlumberger公司的PowerDrive系统、SperrySun公司和Hulliborton公司的Geopilot系[4]统最具代表性，表1为三种旋转导向钻井系统性能对比表。国外公司对于这项尖端钻井技术只提供技术服务，而不出售或者技术转让。表1三种旋转导向钻井系统性能对比表造斜能力适应井眼尺工作方式代表系统旋转导向程度位移延伸能力螺旋井眼（°/30m）寸（mm）AutoTrak工具系统外套静态偏置推靠式6.5低存在216～311RCLS不旋转PowerDrive调制式全旋转8.5高存在152～311SRD工具系统外套静态偏置指向式Geo-

4、Pilot5.5中消除216～311不旋转1.3国内研制概况2001年，中海石油研究中心牵头国家863课题“可控（闭环）三维轨迹钻井技术”研究，研制的样机在2005年11月18日完成了海上下井试验，2006年1月5日通过国家“863”计划项目验收。2008年1月至今，中海石油研究中心牵头承担“十一五”国家863重点项目“旋转导向钻井系统工程化技术研究”，目标是在“十五”863原有基础上实现由原理样机向工程化定向样机转化，截止目前已完成6次下井试验，研究完善工作仍在进行，本论文主要介绍该项目的部分研究成果。2旋转导向钻井系统组成及工作原理2.1旋转导向钻井系统组成旋转导向钻井系统是一个集机

5、、电、液于一体的闭环自动控制系统，主要由井下旋转导向工具、[5-6]柔性短节、井下工程参数测量仪、MWD或LWM等随钻测量系统以及地面计算机监控系统组成，如图1所示。图1旋转导向闭环钻井系统的基本组成2.2偏心位移控制旋转导向钻井工具的工作原理0旋转导向工具是通过偏心执行机构来实现井眼轨迹控制。导向机构由三个互成120角的翼肋及其驱动液缸组成。三个翼肋的伸缩彼此独立。在钻进过程中，钻井液通过驱动轴上的小孔进入翼肋驱动液缸。在钻柱内外钻井液压差作用下，三个翼肋被驱动而伸出，并与井壁相接触，如图2所示。三个翼肋伸出时在钻具的相应位置形成一个偏心位移矢量，使旋转导向工具轴线偏离井眼中心线。这样

6、在钻进过程中，旋转导向工具可等效为一个弯角可调的弯接头，可以通过调整三个翼肋的[7-8]偏心位移矢量，形成不同的工具面角和弯接头弯角，如图3所示。图2导向机构示意图1－井壁2－1＃翼肋3－不旋转外套4－驱动轴5－2＃翼肋6－3＃翼肋图3旋转导向工具导向控制工作原理图3旋转导向钻井系统关键技术3.1空间姿态测量技术旋转导向钻井工具空间姿态决定了井眼轨迹的导向控制策略。钻井过程中须实时测量工具在地下空间的姿态，包括工具倾斜、方位状态和工具面角。由于旋转导向工具的工具面是以不旋转外套为定位平台的，在钻井过程中不可避免要转动，MWD无法测量出旋转导向工具的工具面，需在旋转[8]导向工具不旋转外套

7、上配置工具面测量装置。工具的倾斜和方位状态可由MWD测出。空间姿态测量方法如图4和图5所示，为井斜角，为工具面角，为方位角。根据重力加速度分量关系图可以得到等式(1)图5重力加速度分量关系图图4测量参数空间描述GgcossinGgsinsinGgcos(1)XYZ有以上等式可知GGYX/tan，故高边工具面角可表示为式(2)arctan(GG/)(2)YX又由于22222GG(gcossin