旋转导向钻井系统原理简介

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1、旋转导向钻井系统原理简介石油大学（华东）韩志勇2003.07.10导向钻井系统的发展史1933年第一口定向井导向钻井螺杆钻具和弯接头有线导向工具无线随钻测量导向马达旋转导向钻井系统滑动导向钻井：滑动钻进：改变井眼方向；旋转钻进：保持井眼方向；滑动导向钻井的存在问题滑动钻进旋转钻进滑动钻进时的存在问题：滑动困难；需保持定向；井眼不清洁；钻速很低；井眼扭曲；环空压力波动；钻柱粘卡；屈曲和自锁；造斜率对地层敏感；旋转钻进时的存在问题：震动造成马达和MWD的破坏；钻头磨损加快；井眼质量差，不利于测井；不能用于空气钻井导向钻井早期的旋转导向

2、钻井思想这是1955年申请专利的旋转导向系统。一个非旋转套筒，指向钻头的一个特定方位。该专利描述其目的是：使钻铤相对井眼轴线有一个很小的偏离，从而使钻头具有横向前进。导向钻井早期的旋转导向钻井思想这是1959年申请专利的旋转导向系统。液压驱动一个靠近钻头的导引鞋，同样控制井眼轨迹。导引鞋处在非旋转筒内，液压控制其伸出或缩回，而无需起下钻。可连续定向造斜。导向钻井还有其他许多早期的旋转导向钻井工具：机械作用导向鞋；mechanicallyactivatedguideshoes,eccentric液压作用导向鞋；hydraulicall

3、yactivatedguideshoes,偏心非旋转套筒；nonrotatingsleeves,嵌套的偏心剑套筒；nestedeccentriccamsleeves间歇作用的桨叶；intermittentlyactivatedpaddles上述这些工具的原理，都与现代旋转导向系统类似，但没有一个成功地商业化。显然，缺乏有效的井下传感器和控制系统，阻碍了这些技术的发展，因而也没能实现轨迹控制的理想。早期的旋转导向钻井思想导向钻井导向钻井导向马达采用的轨迹控制原理就是“三点定圆”；工具1-3旋转导向工具也是采用三点定圆法控制轨迹，这与导

4、向马达相同。理想情况下，钻头按照三点定圆钻出圆弧轨迹。但要注意，除了几何因素外，还有力学因素。但工具4的原理不是三点定圆。导向钻井第一类旋转导向系统的原理工具1所示的钻头总是指向曲线的外侧。工具1是依靠靠近钻头处的一个或几个翼块控制几何约束力，翼块独立伸出给井壁一个支撑力。翼块可以从一个非旋转筒内半静态地伸出，例如BakerHughesInteqAutoTrak系统。或者是从旋转筒内动态地伸出，例如Camco公司的SteerableRotaryDrilling(SRD)系统。曲率大小取决于工具结构，和来自组合上部的弯矩，还有翼块伸出

5、的弯矩。翼块的伸出，直接或间接地受到受限于设计的可调节的力的控制。轨迹控制取决于翼块的有效伸出，井眼直径，钻头侧切能力等。一般来说，这类工具的造斜率小于导向马达。扶正器翼块钻头导向钻井第二类旋转导向系统的原理工具2所示，钻头也总是指向曲线的外侧。但比情况1的度数要小。工具2，例如Halliburton公司的Geo-Pilot系统，Cambridge的AGS系统，是一个变形的连续旋转的驱动轴处在一个非旋转套筒内。在套筒的中部，有一对偏心环，迫使驱动轴偏心变形，导致钻头轴线倾斜，形成三点定圆趋势。钻头的轨迹由三点几何确定，而钻头轴线趋向

6、于和井眼轴线相一致。扶正器非旋转套筒钻头旋转轴导向钻井第三类旋转导向系统的原理工具3是另一种工具，由于钻头轴的上端反时针转动，同时钻柱顺时针转动，(DirectionalDrillingDynamicsCo.)使得钻头轴线相对于井眼方向有一个“翘起”的位置。这种系统可提供较高度数的钻头倾角，而不需要非旋转套筒接触井壁，而且可以使钻头轴线与井眼轴线一致。这种工具由于商业原因而出在上述两种之后。扶正器非旋转套筒钻头钻头轴导向钻井旋转导向系统的“三巨头”Halliburton’srotarysteerabledrillingsystem,

7、dubbedGeo-Pilot。由SperrySun和JapanNationalOilCorporation联合设计。指引钻头原理(Pointthebit)。在北海进行裸眼侧钻，从两个主井眼中侧钻出6个分支水平井。在第二口的四分支水平井中，垂深误差在±1英尺之内。BakerHughes’AutoTrackRotaryClosedLoop。由BakerHughes和ENI-AGIPS.p.A.联合开发的。侧推钻头原理(Pushthebit)。在北海的一个井眼钻进中，钻进了4383英尺，垂深误差在±8英寸之内。Schlumberger的

8、rotarysteerablesystemcalledthePowerDrive*475。测推钻头原理(Pushthebit)。突出特点是钻速快，大大节约钻井成本。目前几口最大水平位移的大位移井，都是用他钻成的。目前市场上比较成熟的旋