1、第五部分 导向钻井技术,周广陈,导向钻井技术,现代钻井技术系列讲座 之五,主要内容,概述 导向工具 导向方式 地质导向 自动垂直钻井系统 自动导向钻井的关键技术,钻井技术发展的最高阶段是自动化钻井。所谓自动化钻井就是钻井的全部过程依靠传感器测量各种参数，并用计算机采集，进行综合解释与处理，然后再发出指令，最后由各相关设备自动执行，使整个钻井过程变成一个无人操作的自动控制过程。,一、概述,* 地面实时测量 主要用综合录井仪。* 井下随钻测量 目前主要用MWD/LWD/FEWD等。* 数据实时采集 由相关计算机（井下或地面）完成。* 数据综合解释并发出指令 应用人工智能优化钻井措施。* 地面操作自
2、动化 地面操作自动化（铁钻工/自动排管机）* 井下操作自动控制 钻头自动导向（轨迹自动控制）。,自动化钻井的全过程分六个环节：,以上六个环节中，井下随钻测量和井下自动控制是关键环节，同时也是关键技术，二者结合起来实际上是井眼轨迹自动控制技术（即自动导向钻井技术）（Auto Trak 自动跟踪 / Closed Loop Steering Drilling 闭环钻井）。,自动导向钻井技术是钻井工程领域的高新技术，代表着世界最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。,导
3、向钻井的实现主要靠导向工具，导向工具分两大类：滑动式导向工具旋转式导向工具1、 滑动式导向工具(常规）滑动式导向工具的特征是导向作业时钻柱不旋转，钻柱随钻头向前推进，沿井壁滑动。这就带来以下问题：（1）钻柱的扭矩、摩阻问题。（2）井眼清洗问题。（3）机械钻速慢。（4）钻头选型受限。滑动式导向工具虽存在诸多缺点，但目前仍占主导地位，因导向钻井大多使用井下动力钻具。主要的滑动式导向工具有弯外壳马达、可调完接头、可变径稳定器等。工具组合方式钻柱 + MWD/LWD + 动力钻具 +导向工具+ 钻头,二、导向工具,旋转式导向工具直接引导钻头沿着期望的轨迹钻进，从而避免了钻柱躺在井壁上滑动，使井眼得到很
4、好的清洗，同时允许根据地层选择合适的钻头。这样可显著地减轻或消除了滑动式导向工具的不足。,2、旋转式导向工具,旋转导向钻井,完全抛开了滑动导向钻井，而是以旋转方式连续自动控制轨迹，从而解决了常规导向钻井的缺点,采用旋转导向钻井技术，可根据地质要求，钻出空间三维井眼（DESIGNER WELL），以达到绕障、穿过多油藏和精确钻穿薄油层的目的，从而大大提高了采收率和效率。,世界上已有多个国家的石油公司对旋转导向钻井系统开展了深入的研究与应用，其中较成熟的有以下几种：,90年代初德国KTB项目组与EASTMAN TELECO公司联合开发了VDS系统AGIP公司与BAKER HUGHES公司合作研制了
5、SDD和AutoTrack RCLS系统美国能源部资助研制了ADD系统HALLIBURTON SPERRY-SUN公司研制了AGS系统和GEO-PILOT系统英国CAMCO公司和SCHLUMBERGER 公司研制了PowerDrive SRD系统,国外已开展的研究工作,具有代表性的有三种,SCHLUMBERGER，ANADRIL公司的PowerDrive SRD系统（调制式旋转导向钻井系统） BAKER HUGHES INTEQ公司的AutoTrack RCLS系统（不旋转外筒式旋转导向钻井系统） SPERRY SUN公司与JNOC联合研制的GEO-PILOT系统,PowerDrive SRD
6、系统,导向方式：偏置钻头（BIAS THE BITS） 调制式：整体旋转 动力：钻井液压差,1994年现场试验成功 截止到1999年底：共下井138次累计工作时间11,610小时总进尺47,780米 目前，世界上3口位移超过10,000米的大位移井中，有2口应用了该系统。,PowerDrive SRD系统,导向方式：偏置钻头（BIAS THE BITS） 不旋转外筒式 动力：独立液压系统,AutoTrack RCLS系统,1996年现场试验成功，1997年投入商业应用， 截止到2001年6月:共在15个国家575口井应用 累计工作时间超过7万小时,总进尺100万米,单次下井工作时间：6 3/4
7、系统创下了单次下井工作时间286.2h(纯钻进时间241.7h)的世界纪录单次下井进尺：8 1/4系统创下 了单次下井进尺4037m的世界纪录目前可靠性水平：75%的单次下井工作时间超过75h,AutoTrack RCLS系统,导向方式： POINTING THE BITS 偏置钻柱 不旋转外筒式,GEO-PILOT系统,工作原理,测量信息,偏置导向 执行机构,CPU,MWD,地面控制指令,地面监控系统,井下旋转导向钻井系统,井眼信息,导向指令,双向通讯,旋转导向钻井原理示意图,可调节式旋转导向钻井系统井下系统组成,稳定平台（控制机构）,三大部分：,偏置机构（执行机构）,盘阀机构（压力分配机构
8、）,工作原理,偏置机构（执行机构）,导向力方向,可伸缩的翼肋结构,液压活塞机构,导向力方向与翼肋伸出方向相反,工作原理,偏置机构（执行机构）,导向力大小方向与接触象限有关,接触力,导向力,工作原理,盘阀机构（压力分配机构）,上盘阀,下盘阀,控制轴,与控制机构相联,高压孔,低压孔,与翼肋伸缩的液压缸相通,工作原理,盘阀机构（压力分配机构）,高压孔与翼肋相通位置关系,导向力大小方向控制,稳定平台输出特 性,工作原理,稳定平台 可调节式旋转导向钻井系统井下系统的核心,工作原理,稳定平台的作用,为井下控制系统提供栖身之所 发电,实现井下姿态参数测量工具面角 井斜角 方位角,实现井下控制力调节大小 方向
9、（工具面）,工作原理,稳定平台的控制原理,工作原理,影响稳定平台随动稳定的因素,井眼形状系统内部的摩擦力钻柱粘滑运动钻柱角运动及纵向、横向振动泥浆流体的摩擦力矩 温度、压力,导向方式主要有两种：几何导向和地质导向。1、 几何导向由井下随钻测量工具（MWD/LWD）测量的几何参数，井斜、方位和工具面的数值传给控制系统，由控制系统及时纠正和控制井眼轨迹。2、 地质导向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。,三、导向方式,地质导向
10、 利用近钻头处实时采集的地质地层参数，超前预测和识别油气层，并根据需要调整井眼轨迹，引导钻头准确钻达油气富集区域。地质导向的技术关键是近钻头处地层参数、井眼轨迹参数和钻头工作参数的实时测量。国外对地质导向的研究始于八十年代末，主要有美国、英国、德国、法国和挪威等国家。1993年由Anadrill公司研制成功了钻井、测井综合评价系统，实现了地质导向。,四、地质导向钻井,1、连续井眼轨迹控制，减少起下钻次数；2、近钻头处的井斜传感器减少了大斜度井、水平井的井斜误差，增强了井眼位移延伸的能力，减少了钻柱的摩阻；3、近钻头钻速传感器可帮助司钻最佳使用导向马达，提高机械钻速， 延长马达的使用寿命，减少起
11、下钻换钻具的时间；4、近钻头传感器使钻头处参数测量的滞后时间接近于零，能使井眼最大限度地保持在油气层内；5、方位伽马射线测量能在钻头处进行地层对比，这对探测标志层、确定套管下深和取心层位是非常有用的，同时还可使司钻确知是否钻穿地层的顶部或者底部；6、定性的电阻率测量能够实时显示油气和岩性，这对地层对比和确定油气水界面是非常有用的；7、方位电阻率可使司钻得知油水、油气和其它液相界面流体边界的方向。,（一）地质导向的优越性,钻井之前首先了解地质结构.把地震资料、邻井的相关测井资料和其他石油物理数据结合在一起进行分析。地震质料能揭示大量的地质地层特性，如地层倾角、断层、横向延伸以及不连续性。根据掌握
12、的资料可绘出详细的油藏图，确定流体的接触情况、压力分布情况，以及油藏参数的空间变化，进行敏感性研究，以确定井眼位置对产能的影响。把以上资料、限制条件以及轨道设计中的不确定因素结合起来设计井眼轨道，同时对不同的方案进行成本或效益分析，可得到一个优化的目标和井眼轨道设计。设计步骤：1、对大斜度井的预期目标建立依据；2、评估可用的地震资料；3、计算和评估邻井的测井数据；4、评估邻井/油田的生产数据；5、选择目标段；,（二）地质导向设计的步骤,6、设计和优化井眼轨道剖面；7、确定目的层内井眼合适位置的允许误差及风险；8、完成钻井评估/完井计划；9、开钻，将垂直井段钻至造斜点并进行初始定向钻井；10、进
13、行地质对比和目标控制； 11、需要时在最后的造斜段调整井眼轨迹剖面；12、使钻头准确定位于水平井入口点处；13、监测大斜度井段的轨迹及导向能力；14、确定钻头的前探距离及预测异常情况的位置；15、对地质上的意外情况采取补救方法，必要时采取绕障法或做出侧钻决策；16、用关于井眼稳定性风险评价的最新资料来有效地确定总井深；17、根据达到的设计目标或已钻井段中所遇到的不可接受的风险值来确定总井深。,（三）地质导向系统地质导向系统是把井眼轨迹测量和地层特性参数测量的传感器以短节的形式装在近钻头位置，测量的数据通过电磁波或电缆传给MWD，再通过泥浆脉冲把信息传到地面，供控制人员识别地下情况，调整井眼轨迹
14、。1、地质导向系统的组成,地质导向系统：马达近钻头电阻率测井仪伽马射线测井仪几何参数测井仪,典型的地质导向BHA图,Anadrill公司研制的IDEAL系统,2、地质导向工具在导向马达的壳体内安装多种传感器组件，使导向马达仪器化。工具直接与钻头相连，测量近钻头处的电阻率、自然伽玛、井斜及钻头转速等。,（1）近钻头电阻率工具（RAB）RAB是一种仪器化的近钻头稳定器，直接与钻头相连，测量近钻头处的电阻率、自然伽玛、井斜和振动等参数。其最大特点是利用测得的数据进行地层评价、裂缝、薄产层或渗透性产层的检测。,RAB的测量原理图,利用环状电极测电阻率,（2）钻井参数测量工具测量井下的钻压、扭矩、钻头压
15、降及环空压降等。（3）动力脉冲MWD可测量井斜、方位和钻柱振动等参数，并用连续载波编码技术将数据 传至地面。（4）补偿双电阻率（CDR）及中子密度仪测井眼补偿感应电阻率、自然伽玛、中子密度等。,随钻地层评价系统,概念 自动垂直钻井系统实际上是垂直导向钻井系统，该系统利用自动变径工具，对钻头施加径向力，克服钻头的侧向力，自动纠斜，保证钻头垂直钻进。自动垂直钻井系统的研究始于80年代末，以德国、美国为代表。当时德国正实施KTB（超深井钻井）计划，自动垂直钻井系统是德国 专为KTB计划而设计的，1988年到1992年，先后开发了5种型号的VDS系统。在钻进过程中可自动使井眼保持垂直。在KTB项目中，
16、VDS系统共下井80多次，每次工作42小时，最大使用井深达到7200米，大部分的井井斜都小于10，最大的2.50, 对井斜的控制取得了显著的效果。,五、自动垂直钻井系统（VDS）,1988-1992年，德国和美国 联合研制了5种VDS垂直钻井系统VDS-1VDS-2VDS-3VDS-4VDS-5,1、VDS系统的基本原理VDS系统是在传动轴外壳上装有自动伸缩的扶正器的井下马达系统。系统由井下工具、压力传感器、地面控制装置和司钻显示器组成。,工作原理在钻井过程中，当井眼偏离垂直方向而向某一方向造斜时，其内部的电子控制电路检测到井斜传感器测出的井斜信号，并通过控制电磁阀的电流，改变四个液缸内的压力
17、，推动其上面的四个可伸展的翼肋，使其压靠并支撑井壁，同时利用井壁的反作用力推动钻头沿井斜相反的方向钻进。由于电子控制电路实时采集井斜数据，并对液缸加以控制，就保证了钻头始终以垂直状态钻进。,2、导向装置工作方式为最大限度地增大导想作用力，导向工具应尽可能靠近钻头。导向 装置有两种工作方式：近钻头外部导向近钻头内部导向,SDD自动直井钻井系统SDD自动直井钻井系统是由Agip公司和Baker Hughes公司在VDS系统 基础上联合研制的新一代自动直井钻井系统。该系统具有商业性推广价值 。该系统提供了一种能够自动连续钻直井，而无须地面人员参于过程控制 的垂直导向装置。,SDD系统的技术特点（1）连续测量井斜；（2）连续校正任何微小的井斜；（3）井下自动导向；（4）地面可实时监控井眼轨迹和井下工具的工作状态；（5）寿命可超过钻头寿命。,六、自动导向的关键技术,导向 工具,导向 工具,1、旋转导向工具 2、参数（地质参数、钻头工作参数、井眼轨 迹参 数）的实时 测量、评价与控制 3、信号传输技术（双向通讯）,导向钻井技术必将给石油工业带来显著的经济效益和社会效益,谢谢各位,
