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旋转导向钻井系统的特性及典型结构 李清涛
摘要：本文介绍了旋转导向钻井技术相比于滑动导向钻井技术的优越性，并重点介绍了Baker Hughes, Schlumberger, HALLIBURTON三家公司已经商业化的自动旋转导向钻具的结构原理及特点。
关键词：旋转导向、滑动导向、结构
引言
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。
旋转导向系统自20世纪90年代问世以来，已在高难度条件下的钻井作业特别是在海上大位移钻井中获得广泛应用，成为一种必不可少的导向钻进工具。它代表了当今世界钻井技术发展的最高水平，该技术使世界钻井技术发生了一次质的飞跃。
1 滑动导向钻井技术
迄今为止，定向钻井技术经历了三个里程碑：①利用造斜器(斜向器)定向钻井；②利用井下马达配合弯接头定向钻井；③利用导向马达(弯壳体井下马达)定向钻井。目前这三种定向钻井工具在世界各地被广泛使用,并促进了定向钻井技术的快速发展,使得今天人们能够应用斜井、丛式井、水平井技术开发油田。
随着石油工业的发展，为了获得更好的经济效益，需要开发深井、超深井、大位移井和长距离水平井，而且常常要在更复杂的地层，如高陡构造带钻井。这些都对定向钻井工具提出了更高的要求。目前以井下马达为主的定向钻井工具已不能满足现代钻井技术的要求，主要存在以下缺点和不足。
(1)利用井下马达导向时是滑动钻进，钻柱弯曲比旋转钻进时严重，井壁与钻柱间的轴向摩擦力大，使钻压很难加在钻头上。在大延伸井和水平井中这一情况更严重，在极端情况下会造成钻柱屈服，因此它限制了水平井和大斜度井的深度。
(2)在地面对井下马达进行扭方位操作时，旋转摩擦、钻头扭矩、钻杆的扭转弹性变形等都妨碍了工具面的控制，从而影响井下马达在大斜度井和水平井中的使用。
(3)在导向钻进时，钻柱的扭转弹性变形会引起工具面角不稳定，从而导致井眼轨迹扭曲，进一步加大钻柱受到的摩擦力，同样限制了钻井深度。
(4)与旋转钻进相比，滑动钻井时岩屑排出困难，限制了钻速和可钻深度。
(5)与旋转钻进相比，滑动钻进钻速较低。井下马达转速较高，降低了钻头和井下马达的使用寿命，也增加了起下钻的次数。
(6)使用井下马达钻井容易引起卡钻。
因此，在复杂钻井中，必须有新的钻井方法来取代滑动钻井，旋转导向钻井就是其发展方向。
2国际上已经商业化的旋转导向系统
美国Schlumberger Anadrill公司的R·L·Monti在1987年世界石油大会上宣读的“Optimized Drilling-Closing the Loop”论文中，对自动化闭环优化钻井技术第一次做了系统的阐述。目前，世界上已有几家大石油公司形成了商业化应用技术：
(1) VDS自动垂直钻井系统：90年代初德国KTB项目组与Eastman Teleo公司联合开发研制。
(2) SDD自动直井钻井系统：AGIP公司与Baker Hughes Inteq公司合作在VDS系统的基础上开发研制。
(3) ADD自动定向钻井系统：1991年美国能源部资助研制，目前已达到商业应用阶段。
(4) AGS和Geo Pilot旋转导向自动钻井系统：Sperry Sun公司1993年研制了AGS；1999年，又推出新一代的Geo Pilot旋转导向自动钻井系统，该系统的性能已达到90年代末世界先进的RCLS和SRD系统水平。
(5) RCLS旋转闭环自动钻井系统：1993年，Agip公司与Baker Hughes Inteq公司合作，经过3年的研制，于1996年在4口井中试验获得了成功。1997年，RCLS系统注册为Auto Trak，正式推向市场。截至2000年6月30日，该系统已下井320次，井下工作时间累计40000 h，总进尺15×104m。其6 3/4in系统创下了单次下井工作时间92 h，进尺2986 m的世界纪录。8 1/4in系统创下了单次下井工作时间167 h，进尺3620 m的世界纪录。
(6) SRD全旋转导向自动钻井系统：1994年英国Camco公司在英格兰Montrose地区进行了现场井下试验，获得了极大成功。该系统第一次被世界石油界认可，是其1997年在世界上第一口水平位移超过10000 m的Wytch Farm油田M-11井的成功应用。1999年5月，Camco公司与Schlumberger公司的Anadrill公司合并，其SRD系统注册为PowerDrive应用于现场。截至1999年底，该系统已下井138次，累计工作时间11610 h，总进尺47780 m。目前，世界上3口位移超过10000 m的大位移井中，有2口应用了该系统。2000年，Schlumberger的PowerDrive SRD系统引入中国境内应用，在设计井深8800 m，水平位移超过7500 m的南海西江油田XJ24- 3 -A18井在6871~8610 m井段中成功应用，使该井井身质量大大提高，避免了6871 m以上井段用滑动钻井方式多次出现的断马达等井下复杂事故，同时大大提高了钻井效率和效益。尽管该工具的日租金高达数万美元，仍直接节约了500万美元的钻井作业费用；而油田开发和后续完井、采油作业带来的间接经济效益更远远超过了直接经济效益。
3国外主要的旋转导向工具井下偏置导向单元的结构及工作原理
目前，世界上较成熟的闭环自动导向钻井系统有BakerHughes Inteq公司的Auto Trak RCLS系统、Schlumberger Anadrill公司的Power Driver SRD系统、以及Sperry Sun公司的Geo Pilot系统。这三个系统的根本区别是井下偏置导向工具各不相同。
Auto Trak RCLS系统的井下偏置导向工具的结构原理介绍

图1　BakerHughes公司旋转导向工具导向原理示意图
1—不旋转导向套; 2—与钻头连接的旋转钻柱; 3—伸缩棱块

图2　BakerHughes公司旋转导向工具结构示意图
1旋转钻柱；2液压系统； 3控制器及传感器；4轴承；5钻头； 6伸缩棱块；7静止导向套
RCLS系统的井下偏置导向工具由不旋转外套和旋转心轴两大部分通过上下轴承连接形成一可相对转动的结构。旋转心轴上接钻柱,下接钻头，起传递钻压、扭矩和输送钻井液的作用。不旋转外套上设置有井下CPU、控制部分和支撑翼肋。
图1是井下偏置导向工具的导向原理示意图。当周向均布的三个支撑翼肋分别以不同液压力支撑于井壁时，将使不旋转外套不随钻柱旋转，同时，井壁的反作用力将对井下偏置导向工具产生一个偏置合力。通过控制三个支撑翼肋的支出液压力的大小，可控制偏置力的大小和方向，以控制导向钻井。液压力的大小由井下CPU控制井下控制系统来调整。井下CPU在下井前，预置了井眼轨迹数据。井下工作时，可将MWD测量的井眼轨迹信息或LWD测量的地层信息与设计数据进行对比，自动控制液压力，也可根据接收到的地面指令调整设计参数，控制液压力，以实现导向钻进。
实际上,不旋转导向套会因钻压、转速的不同而有所旋转，大约每半小时旋转2-3周。因此，设置了电子检测装置时刻测量导向套的相对位置，然后由井下微处理器调整各个活塞内的压力。这样，液压导向力也会随导向套的旋转作相应调整，保证导向力的大小及方向不会因导向套的转动而改变。
3.2 Power Driver SRD系统井下偏置导向工具的结构原理

图3　Power Driver SRD系统旋转导向工具导向原理示意图
1导向棱块；2旋转钻柱；3导向控制阀

图4　Power Driver SRD系统旋转导向工具结构示意图
1钻头；2活塞缸；3棱快；4旋转钻柱；5控制系统及测量系统
Power Driver SRD系统旋转导向工具的导向原理与BakerHughes公司的导向钻井工具类似,都是利用近钻头导向块的伸缩与井壁相互作用产生导向力，但是结构有所不同。主要区别在于没有静止的导向套，3个导向棱块随钻柱一起旋转。当需要在某个方向导向时，每转1周每个导向棱块都要在该方向上伸出1次，顶向井壁产生导向力，转离该方向后，棱块自动缩回。其导向原理与结构如图3和图4所示。
如图4所示，它的控制器、旋转换向阀及测量机构都置于钻柱中间，可以保持相对静止。旋转换向阀可以旋转到任意方向再保持静止，从而使导向棱块只有在旋转到某一方向时，钻井液才驱动棱块伸出达到控制井眼轨迹方向的目的。它的导向力大小是固定的。可通过控制导向棱块在某个方向上伸出的时间来调整井眼曲率。
3.3 Geo Pilot系统井下偏置导向工具的结构原理

图5　Geo Pilot井下偏置导向工具的结构示意图
如图5所示, Sperry-Sun公司的Geo Pilot旋转导向钻井系统也是一种不旋转外筒式导向工具，但与Baker Hughes Inteq公司的Auto Trak RCLS系统和Schlumberger Anadrill公司的Power Driver SRD系统不同的是， Geo Pilot旋转导向钻井系统不是靠偏置钻头进行导向，而是靠不旋转外筒与旋转心轴之间的一套偏置机构使旋转心轴偏置，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。其偏置机构是一套由几个可控制的偏心圆环组合形成的偏心机构,当井下自动控制完成组合之后，该机构将相对于不旋转外套固定，从而始终将旋转心轴向固定方向偏置，为钻头提供一个方向固定的倾角。
4 结论与认识
(1)旋转导向系统是一个集机、电、液于一体的闭环自动控制系统，包括地面井下双向信息传输系统、地面监控系统及随钻地质参数、工程参数测量系统、偏置单元等组成部分。旋转导向闭环钻井系统的核心是旋转导向工具, 3种典型的旋转导向系统的根本区别是井下偏置导向工具。
(2)旋转导向闭环钻井工具具有在旋转钻进时连续导向的能力,可以提高机械钻速和井眼净化效果,减少压差卡钻,降低钻井成本。还具有三维井眼轨迹自动控制的能力,从而提高井眼轨迹的平滑度,降低扭矩和摩阻,也就能够增加井身的延伸长度。旋转导向钻井技术有极大的实用价值和应用前景。
(3)目前国内正在研制开发旋转导向系统。认识、了解和掌握旋转导向系统的功能、特性和典型结构，是用好及开发这种高新技术工具系统的前提和基础。
参考文献
[1] 赵金海、唐代绪、朱全塔、徐丽霞．国外典型的旋转导向钻井系统．国外油田工程，2002年11月：33~36
[2] 肖仕红、梁政．旋转导向钻井技术发展现状及展望．石油机械，2006年，第四期：66～70
[3] 李松林、苏义脑、董海平．美国自动旋转导向钻井工具结构原理及特点．石油机械，200年，第一期：42～44

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