旋转导向钻井技术介绍

引言

近十几年来，水平井、大位移井、多分支井等复杂结构井和“海油陆采”的迅速发展。为了节约开发成本和提高石油产量，对那些受地理位置限制或开发后期的油田，通常通过开发深井、超深井、大位移井和长距离水平井来实现，进而造成复杂结构的井不断增多。目前通行的滑动钻井技术已经不能满足现代钻井的需要。于是，自20世纪80年代后期，国际上开始加强对旋转导向钻井技术的研究；到90年代初期，旋转导向钻井技术已呈现商业化。国外钻井实践证明，在水平井、大位移井、大斜度井、三维多目标井中推广应用旋转导向钻井技术，既提高了钻井速度，也减少了钻井事故，从而降低了钻井成本。旋转导向钻井技术是现代导向钻井技术的发展方向。

旋转导向钻井技术

旋转导向钻井法是在用转盘旋转钻柱钻井时随钻实时完成导向功能。钻进时的摩阻与扭阻小、钻速高、钻头进尺多、钻井时效高、建井周期短、井身轨迹平滑易调控。此外，其极限井深可达15 km，钻井成本低。旋转导向钻井技术的核心是旋转自动导向钻井统，如图1所示。它主要由地面监控系统、地面与井下双向传输通讯系统和井下旋转自动导向钻井系统3部分组成。

1、 地面监控系统

旋转导向钻井系统的地面监控系统包括信号接收和传输子系统及地面计算存储分析模拟系统，有的还具有智能决策支持系统。旋转导向钻井系统的主要功能通过闭环信息流监视并随钻调控井身轨迹，其关键技术是从地面发送到井下的下行控制指令系统。

2、 地面与井下双向传输通讯系统

目前已提出的信号传输方式有4种，即钻井液脉冲、绝缘导线、电磁波和声波。通过比较分析，笔者发现这4种传输方式各有优缺点和应用局限，如表1所示。

3、 井下旋转自动导向钻井系统

井下旋转自动导向钻井系统是旋转自动导向系统的核心，它主要由3部分构成，即测量系统、导向机构、CPU和控制系统。

（1）测量系统 测量系统主要用于监测井眼轨迹的井斜、方位及地层情况等基本参数，使钻井过程中井下地质参数、钻井参数和井眼参数能够实时测量、传输、分析和控制。它经历了随钻测量(MWD)、随钻测井(LWD)、随钻地震(SWD)、随钻地层评价测试技术(FEMWD)和地质导向技术(GST)几个阶段。

（2）导向机构 导向机构代表了目前导向技术的先进水平。按原理不同，导向机构原理可分为:

①导向力原理。推力式（或称偏置式）旋转导向工具和指向式旋转导向工具。推力式旋转导向工具是通过侧向力推靠钻头来改变钻头的井斜和方位。而指向式旋转导向工具是预先定向给钻头一个角位移，通过为钻头提供一个与井眼轴线不一致的倾角来使钻头定向造斜。

②控制原理。可变径稳定器式旋转导向工具和调制式旋转导向工具。前者是先通过电磁阀调节在伸缩块上的液压，以使导向力矢量满足所需导向目标；再通过定向控制系统进行方位与井斜的控制（图2）。而后者是通过调节涡轮发电机负载电流改变涡轮发电机绕组回路阻抗，以使携带高强度永磁铁的涡轮叶片与稳定平台内的扭矩线圈耦合产生不同的电磁转矩和加速度，进而使旋转换向阀保持一个相对于井壁的固定角度，即工具面角，最终实现控制轴在受控状态下的运动状态改变（图3）。

③套筒旋转与否原理。全旋转导向工具和不旋转套筒旋转导向工具。全旋转导向工具与井壁动态接触，其旋转控制阀在垂直井段随钻柱一起旋转。不旋转套筒旋转导向工具与井壁静态接触，其外套不随钻柱旋转。

（3）CPU和控制系统 CPU和控制系统是整个系统的信息处理和管理中心，它接受来自各个传感器的信号，并依据特定的数据处理方法和控制规律，来控制可调稳定块的伸缩，从而改变钻头的运动轨迹,以达到预设的要求。CPU运行的控制算法（包括控制器设计、模型辨识以及状态估计等）是智能钻井的关键部分。可见，CPU运行的控制算法、传感器技术和变径机构的开发是构成可变径稳定器的三大组成部分。

旋转导向钻井工具

旋转导向钻井工具是旋转导向钻井系统的核心，决定了旋转导向钻井系统的工作特色和工作能力。

1、 典型井下闭环旋转导向钻井工具 1.1 MRST的组成及工作原理

调制式旋转导向钻井工具（MRST）属于推靠式旋转导向钻井工具（图4）。由于其钻柱与井壁之间不存在静止点，因此，在钻井过程中更可体现旋转钻井的优越性。调制式旋转导向钻井系统导向力的大小和方向主要是由稳定平台控制的。当需要最大导向力时，稳定平台控制轴就带动上盘阀旋转，使上盘阀稳定在预定方向，控制上盘阀高压孔方向恒定。在钻柱旋转过程中,每个“巴掌”依次在该方向附近伸出拍打井壁，导向机构对井壁的作用力就是这些拍打力的合力。这个合力的反力就是钻柱受到的导向力，方向沿着上盘阀预定方向的反方向。当不需要导向时，稳定平台带动上盘阀以和钻柱具有不同的某一转速匀速转动，这时“巴掌”均匀拍打井壁四周，导向工具可控制的液压导向力的合力就等于零，此时导向工具呈中性工作状态，达到稳斜效果。MRST液压控制阀采用上、下盘阀结构，上盘阀与稳定平台控制轴相连接，它只有一个弧形长孔形状的高压阀孔。下盘阀与钻柱本体连接，随MRST外壳及钻柱一起旋转，它有3个互成120°圆心角的等直径低压孔（泄流孔），见图5。

图4 调制式旋转导向钻井工具图

图5 液压控制上、下盘阀图

1.2 Geo-Pilot的组成及工作原理

Geo-Pilot是一种不旋转套式导向工具（图6）属于指向式旋转导向钻井工具。它不是靠偏心稳定器的翼肋推靠井壁偏置钻头进行导向，而是靠不旋转套与万向短节之间的一套偏心机构使万向轴偏置，从而为钻头提供了一个与井眼轴线不一致的倾角，产生导向作用。该机构由几个可控制的偏心环组合而成，当井下自动控制完成偏心环组合之后，该机构将相对于不旋转套固定，从而始终将万向轴向固定方向偏置，为钻头提供一个方向固定的倾角。

图6 Geo-Pilot旋转导向钻井工具图

2、 新型指向式旋转导向钻井工具结构与导向原理 2.1 底部钻具组合（BHA）及导向原理