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连续管钻井定向器技术现状与前景

文/李猛 贺会群 张云飞 智勇 蒲晓莉,中国石油勘探开发研究院 中石油钻井工程技术研究院


近年来,随着连续管钻井装备、井下工具和钻井用连续管的不断创新与持续改进,以及连续管钻井技术与欠平衡钻井、控压钻井、旋转导向钻井等技术的结合,使得连续管钻井(CTD)技术得到了极大提高,在老井重入、钻小井眼井、定向井和侧钻水平井等方面CTD的优势更加明显,拓展了CTD技术的应用范围。当用CT钻定向井或水平井时,由于CT钻柱的不可旋转性,必须釆取井下定向的方法来调整工具面;即使在直井中,如果所钻井眼轨迹有较大的井斜角,需下入具有纠斜功能的钻具组合,此时仍需定向器来调整。定向器须具有足够转动BHA的高扭矩,并能够连续调节、定向及时高效。

目前,国外多采用电驱动和电液驱动等方式的高端定向器。连续管定向器作为CTD的核心工具,由于其结构复杂,研制难度比较大,目前其技术基本被国外少数公司所垄断,国内还处于产品空白阶段。因此,为了实施CTD技术,有必要研发连续管钻井定向器。

1.国外发展现状

从20世纪90年代开始,国外多家石油公司都致力于连续管钻井定向器的研究,目前国外连续管钻井定向装置技术已经比较成熟。其中具有代表性并已经进入商业化应用的有Schlumberger、Weatherford、Baker Hughes(BJ)和Sperry-Sun等公司的定向器。

1.1 液压定向器

液压定向器是连续管钻井应用最早的定向工具,至今仍广泛应用于连续管钻井领域。

1.1.1 Sperry-Sun定向器

(1)结构与工作原理。Sperry-Sun定向器由一系列活塞、凸轮、棘轮、弹簧和轴组成,靠内、外压差转动棘轮工具,从而调整钻头的工具面。该定向器组合方便,可以与连续管直接连接,同时方便投球等其他控制操作。其工作原理是:泵每循环1次,液压定向器引导BHA顺时针旋转20度(主要参数见表1)。当泵开启时(见图1),流体从定向器一直流到钻头(流经定向器、MWD、平衡接头、马达和钻头),产生压差;输出扭矩正比于压差,用于转动BHA。当泵关闭时(见图2),压差不再产生,定向器重置。棘轮闭锁装置锁住当前定向方位,直到下次开泵。若要达到要求的方位,此过程可以重复进行多次。

连续管钻井定向器技术现状与前景

( 2) 技术特点:①通过棘轮闭锁装置锁住当前工具面角;②通过钻井液脉冲传输数据,效率低、数据可靠性差,且定向器每次旋转角度都固定,不能实现工具面的精确摆放;③为了调整工具面,钻头必须提离井底,钻井泵停止。因此,调整工具面很耗时,在某些情况下能占整个定向时间的35%。

1.1.2 Weatherford定向器

(1) 结构与工作原理。该定向器的动力装置类似于螺杆 ( 见图3 ) ,由转子、定子、传动轴、减速机构、离合器和输出轴组成,离合器锁住当前定向位置,利用转子和定子把流体的动能转换成机械能。其工作原理是:在液流的作用下,转子的旋转动能通过传动装置、减速器及离合器传递到输出轴,输出轴带动MWD及弯外壳转动,从而调整工具面;当工具面达到要求的角度时,减小钻井液排量 ( 低于门限流量) ,离合器锁住当前工具面位置。

连续管钻井定向器技术现状与前景

(2) 技术特点:①由钻井液提供定向动力,不需要在连续管中放置电缆;②能够连续单向旋转定向,而不需要停泵;③ 纯机械工具,可靠性高;④定向完成时,能够通过离合器锁住当前工具面角;⑤受钻井液类型限制,不能应用于两相钻井液及欠平衡钻井。

1.1.3 Schlumberger定向器

( 1) 结构与工作原理。该定向器由活塞机构、制动离合器、涡轮、减速机构和输出轴组成,制动离合器中装有防转销,用于锁住工具面定向位置。其工作原理是:液流驱动涡轮旋转( 见图 4) ,通过齿轮机构将涡轮的高转速、低扭矩转变为低转速、高扭矩输出,使弯外壳及钻头等井下工具旋转,从而调整工具面;开泵时,在液流压力作用下活塞下行,关泵后,在弹簧作用下活塞重置,通过不断地开、关泵,制动离合器与涡轮端部衔接,在防转销的作用下,涡轮被锁住,从而锁紧工具面。

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( 2) 技术特点:①装有锁紧装置,定向完成时能够锁紧当前工具面,但锁紧工具面的过程需要不断地开泵和关泵来完成,因此调整工具面耗时,非生产时间延长;②纯机械工具,可靠性高;③由于输出轴每循环1周才能确定其相对于外壳所转过的角度,因此其定向精度低; ④连续管易屈曲,若要维持一个恒定的工具面异常困难,有时工具面需要调整数十次才能恢复到预期的工具面角;⑤易受钻井液类型的限制,不能应用于两相或气相钻井液钻井和欠平衡钻井。

1.2 电驱动定向器

电驱动定向器 ( 见图 5) 是随着连续管钻井的应用与发展近几年才出现的定向工具。

连续管钻井定向器技术现状与前景

1.2.1 结构特点

电缆需要穿在连续管里面,给电动马达提供电力,为定向器提供动力。可以通过电缆将定向数据快速传至地面,同时控制信号和电能也可从地面快速传至定向器。电驱动定向器由电马达、减速机构 ( 行星齿轮) 、联轴器、万向节、角度位置感应器和空心驱动轴组成,可以连续旋转、左右定向,而不需要开、关泵。其主要技术参数为:最大扭矩1.36kN·m,转速0.5°~1.0°/s;井斜角0°~125°,井斜角精度±0.1°;方位角0°~400°,方位角精度±0.1°(井斜角大于5°) ;工具面角-200°~200°,工具面角精度±0.1°。

1.2.2 工作原理

钻井过程中,当井下工具面角度达不到设计要求时,可通过地面控制装置向连续管内置的电缆输送电能和操作信号,驱动电马达工作,电马达带动连接机构、减速机构和空心驱动轴运转,空心驱动轴驱动井下工具定向施工。当工具面角度达到要求时,通过地面控制装置发出信号,电马达停止工作,完成定向。

1.2.3 技术特点

( 1) 钻井时可以输出高扭矩 ( 1.36kN·m),足够克服BHA钻井马达产生的扭矩。

( 2) 工具面定向精度高 (±1°) ,不仅能够精确开窗,同时也保证了出窗顺利完成。

( 3) 能够对井眼轨迹做出“点击式”改变,钻出更加复杂的井眼轨迹,也可以钻短半径造斜段和着陆点为软地层的层段。

( 4) 定向时不再需要起下钻,能够消除“鱼尾”现象。因此,钻出的井眼为直切线段,减小了连续管的拖拽力,钻压传递更为顺利,可以增加水平钻进距离,而且直切线段更有助于固完井作业顺利实施; 不受钻井液类型限制。

1.3 电液驱动定向器

 

1.3.1 Bake Hughes定向器

( 1) 结构与工作原理。Bake Hughes公司生产的电液定向器由电力供应单元、液压驱动装置和螺旋驱动单元等组成。其工作原理是:电力供应单元中的交流电马达输送电力至液压驱动装置,驱动液压驱动装置中的液压泵运转,液压泵将压力传递至螺旋驱动单元,通过驱动轴把液压转换为旋转运动,从而进行工具面定向。

( 2) 技术特点:①工具面定向精度为±1°,定向范围为400°,双向连续旋转,旋转速度为1.0°~1.5°/s,速度取决于流过定向器的钻井液流量;②数据更新快 ( 每 5 ~8s数据更新1次) ,能够及时控制井眼轨迹,防止连续管钻出目标层,并且会减小井眼的扭曲度;③通过离合器锁住输出轴,防止井下工具旋转。

1.3.2 Schlumberger定向器

( 1 ) 结构与工作原理。Schlumberger公司生产的电液定向器 ( 见图6) 由涡轮、交流发电机、变速度电马达、减速机构和输出轴组成,由电液系统控制,内置冗余性。其工作原理是:液流通过涡轮让发电机发电,电力通过电缆输送给定向器中的电马达,由电马达给定向器定向提供动力。由于旋转定向弯接头承受高扭矩载荷,定向时需要克服地下岩石、起出井下工具、侧钻井眼、放置斜向器、封隔器或打捞落鱼等操作产生的反扭矩,因此需要通过齿轮机构将低扭矩、高转速转变成低转速、高扭矩输出,旋转定向弯马达。

连续管钻井定向器技术现状与前景

( 2) 技术特点: ①工具面定向精度为1°,定向范围为410°,双向连续旋转;②交流电控制,可以变速旋转,便于更好地控制定向; ③通过减小“鱼尾”的延伸来减小整个井段的扭曲度。

1.3.3 Missouri定向器

( 1) 结构与工作原理。美国密苏里大学的电液定向器是在连续管中放置电缆,通过电缆给电马达输送电力,电马达给液压泵提供动力。该液压泵在定向器的上部,为一个双向泵,驱动空心驱动轴旋转!在双向泵的下面是一个可以轴向移动的活塞。通过活塞的作用,花键机构同时与空心驱动轴和外壳内壁相配合。其工作原理是:电马达驱动双向泵运转,当双向泵对活塞提供足够的液压时,活塞在外壳内部沿轴向运动!在活塞的作用下,花键机构的上端与外壳内壁横向花键配合;同时,花键机构的下端与空心驱动轴轴向花键机构配合,通过空心驱动轴的旋转和花键机构的相互作用,可以驱动弯外壳旋转,实现定向。

( 2) 技术特点:①结构紧固可靠,双向旋转,精度高;②可以减少“鱼尾”现象,减小整个井眼的扭曲度,便于连续管钻井的延伸以及固完井作业。

2 国外最新发展动态

除了上述3类定向器外,最近Bake Hughes公司研制了一种专门用于侧钻水平段的肋板导向马达系统 ( RSM) 。该系统基于旋转钻井的闭环操作系统,通过操作3 个液压活动肋板来达到定向目标。在地面通过下行线路控制 3 个肋板的伸缩。由于该装置没有弯外壳,所以RSM井下工具能够钻直线段或切线段!其工作原理有3 种模式:①井斜角保持模式——导向肋板通过自动接合、自动分离以维持当前的井斜角;②导向模式——计算机基于输入参数控制三棱接合或分离,确保井眼平滑钻达目标;③中心模式——所有的导向肋板导向力减小,保持3个肋板压力相等,使得RSM起到附加稳定器的作用。

自从2008年3 in RSM工具现场试验之后,这种装置已经应用于连续管钻井并形成了一系列的标准。当主要目标是延伸侧钻水平段时,应用 RSM效果会更好。与传统的液压定向器和弯马达组合相比,RSM有以下优点。

( 1 ) 近钻头井斜角感应器离钻头更近,RSM离钻头的距离减小了大约30%,能够更加准确确定钻头位置。

(2) 该装置地质导向灵活。当需要在某个层位中钻稳斜段时,传统的弯马达通过左右摇摆才能维持一个固定的平均井斜角,而RSM采用专门的“井斜角保持”模式,自动保持目标井斜角,使井下工具一直稳定地维持在该层位中。

( 3 ) 改善了井眼质量。减少了“鱼尾”现象的发生,因此井壁与连续管之间的静摩擦减小,井眼扭曲度或拖拽力减小,钻压传递更为顺利,从而延伸了连续管钻井侧钻长度。

3 国内发展现状

国内连续管定向工具的研究才刚起步。截至目前,国内还没有专门针对此工具的文章发表,连续管钻井定向工具的相关产品很少。与国外定向器的成熟技术相比,国内连续管定向工具在种类、规格、井下复杂工况的应用等技术层面还有很大的差距,因此我国要加大投入,进行深入研究。

2011年,国内某单位研究了一种连续管导向工具的机械部分。当井下工具造斜率达不到要求时,其偏心本体中的扶正块伸出,支撑在井壁一侧,可增大造斜率。但是该工具仅能朝一侧导向,而不能定向。2012年,国内某单位研究了一种连续管液控定向工具,但是该工具耗时、定向精度低,定向角度固定 ( 每次旋转24°) ,仅能单向旋转,缺少锁紧装置,不能克服反扭矩的影响,也不能应用于欠平衡钻井,而且受钻井液类型限制。因此,为了适应连续管钻井的需要,应加快研发精度高、可以任意角度双向旋转、带有锁紧装置、不受钻井液类型限制,并能应用于欠平衡钻井的高端定向器。

4 发展建议

国内连续管钻井定向工具与国外连续管钻井定向工具存在巨大的差距,尤其是关于电液和电控等高端连续管钻井定向工具的研究还处于一片空白,因此应加快研制这 2 类定向装置。为此,提出以下发展建议。

(1 ) 加快电液和电控等高端定向工具的研究速度。虽然这类工具结构复杂成本高,工具内需要布置微电机、角度位置感应器等,但是其数据传输速率高、可靠性强、可以双向控制,能够完成水平井、侧钻水平井、欠平衡钻井等复杂连续管定向钻井施工。

(2) 国外连续管钻井主要采用电液和电控定向工具,这类定向工具已成为连续管定向钻井的主力。因此国内应加大对电液和电控定向工具的科研投入。

( 3 ) 加强对定向器锁紧装置的研究。当工具面被调到适当位置时,由于反扭矩的作用,工具面回转一定角度,造成定向精度下降,需要加装锁紧机构把工具面锁死。目前电液控和电控定向工具一般都缺少锁紧装置。因此,在研制定向器的同时,对其锁紧装置的研制同样很有必要。

( 4) 需要形成高端定向器从操作、定向到锁紧的一整套理论,以此对定向器进行精确、合理的设计指导。

 

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