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旋转导向钻井技术发展现状及展望

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旋转 导向 钻井 技术发展 现状 展望
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! 专 题 综 述 #旋 转 导 向 钻 井 技 术 发 展 现 状 及 展 望肖 仕 红   梁   政(西 南 石 油 大 学 机 电 工 程 学 院 )摘 要   旋 转 导 向 钻 井 技 术 是 现 代 导 向 钻 井 技 术 的 发 展 方 向 。 为 了 适 应 国 内 旋 转 导 向 钻 井 技 术发 展 的 需 要 , 在 简 要 叙 述 了 滑 动 导 向 钻 井 的 缺 点 和 不 足 的 基 础 上 , 对 旋 转 导 向 钻 井 技 术 进 行 了 系统 归 纳 。 特 别 是 详 细 地 对 信 号 传 输 方 式 、 信 号 测 量 系 统 和 导 向 机 构 的 技 术 发 展 现 状 进 行 了 系 统 分析 , 最 后 提 出 了 旋 转 导 向 钻 井 技 术 的 技 术 难 点 和 攻 关 方 向 。关 键 词   旋 转 导 向 钻 井   滑 动 导 向 钻 井   发 展 现 状   技 术 难 点引       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 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 。为 了 适 应 国 内 旋 转 导 向 钻 井 技 术 发 展 的 需 要 ,笔 者 对 旋 转 导 向 钻 井 技 术 进 行 系 统 归 纳 并 提 出 了 该技 术 的 技 术 难 点 和 攻 关 方 向 。滑 动 导 向 钻 井 技 术滑 动 导 向 钻 井 技 术 的 特 点 是 在 钻 井 过 程 中 钻 柱不 旋 转 , 而 是 沿 井 壁 轴 向 滑 动 , 并 通 过 滑 动 导 向 工具 改 变 井 眼 的 井 斜 角 和 方 位 角 , 从 而 控 制 井 眼 轨迹 。 但 在 目 前 的 复 杂 钻 井 中 , 滑 动 导 向 钻 井 的 缺 陷越 来 越 突 出 , 已 经 不 能 满 足 实 际 需 要 。 这 是 因 为 在滑 动 钻 井 中 钻 柱 不 旋 转 , 部 分 钻 柱 贴 靠 在 井 壁 , 造成 大 的 摩 阻 , 而 且 使 岩 屑 易 堆 积 在 井 眼 底 边 , 导 致井 眼 净 化 不 良 , 甚 至 产 生 卡 钻 、 粘 滑 和 涡 动 等 井 下故 障 。 并 且 , 由 于 摩 阻 大 , 使 钻 压 很 难 加 在 钻 头上 , 从 而 减 小 了 钻 头 上 的 有 效 钻 压 和 有 效 功 率 , 这不 仅 使 钻 速 低 , 而 且 当 井 深 超 过 临 界 4 000 就 不 能 滑 动 或 很 难 均 匀 连 续 滑 动 。 研 究 表 明 , 即 使采 用 水 力 推 进 器 等 措 施 来 提 高 滑 动 能 力 , 其 滑 动 钻井 的 极 限 也 只 有 8 000 m \ [ 1 \ ]。 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 。旋 转 导 向 钻 井 技 术20世 纪 80年 代 末 , 研 究 人 员 便 开 始 加 强 对 旋转 导 向 钻 井 的 研 究 。 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 。 其 优 点是 : 钻 进 时 的 摩 阻 与 扭 阻 小 、 钻 速 高 (是 滑 动 钻井 的 2~ 3倍 )、 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 钻 井 成 本 低 。 因 此 , 旋 转 导 向 钻 井 技术 是 现 代 导 向 钻 井 技 术 发 展 的 必 然 方 向 。旋 转 导 向 钻 井 技 术 的 核 心 是 旋 转 自 动 导 向 钻 井系 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 。图 1  旋 转 导 向 钻 井 系 统 功 能 框 图11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 是 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—66—            石   油   机   械 第 34卷   第 4期令 系 统 。21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 \ [ 1 \ ] , 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 。表 1  信 息 传 输 方 式 的 比 较传 输 方 式 传 输 深度 /m 传   输速   率 可 靠 性 必 须 钻 井液 介 质 开   发成   本钻 井 液 脉 冲 > 6 000 一 般 好 必 须 中 等电 磁 波 600~ 6 000 高 一 般 不 必 较 高声 波 约 1 000 高 一 般 不 必 较 低绝 缘导 线电 缆 > 6 000 很 高 好 不 必 较 高光 缆 > 6 000 很 高 好 不 必 很 高特 种 钻 杆 > 6 000 很 高 一 般 不 必 很 高(1) 钻 井 液 脉 冲 传 输 方 式   该 传 输 方 式 是 目前 主 体 技 术 。 其 优 点 是 对 钻 井 工 艺 没 有 特 殊 的 要 求和 限 制 , 仅 用 钻 井 液 流 作 为 动 力 。 其 缺 点 : 钻 井 液脉 冲 的 数 据 传 输 速 度 较 慢 ; 为 了 获 取 数 据 资 料 还 会放 慢 钻 井 作 业 的 速 度 ; 在 气 体 和 气 液 双 相 流 体 中 不能 够 采 用 钻 井 液 脉 冲 传 输 方 式 。 目 前 输速 率 国 外 为 10~ 12 s, 而 国 内 如 目 前 研 制 成 功的 新 型 正 脉 冲 随 钻 测 量 系 统 还 只 能 达 到 5 s。(2) 电 磁 波 传 输 方 式   其 信 号 传 输 的 方 法 有 2种 : 以 地 层 为 传 输 介 质 和 以 钻 柱 为 传 输 导 体 。 其 优点 是 电 磁 波 传 输 数 据 的 速 度 较 快 (可 达 100 ) , 传 输 数 据 量 较 大 , 而 且 不 需 要 特 殊 的 钻杆 。 可 是 , 电 磁 波 信 号 传 输 的 致 命 弱 点 就 是 电 磁 波沿 程 衰 减 严 重 , 只 能 传 播 低 频 信 号 , 并 且 , 易 受 井场 电 气 设 备 和 地 层 电 阻 率 的 影 响 。 俄 罗 斯 在 该 技 术领 域 走 在 了 最 前 面 , 技 术 较 成 熟 , 其 生 产 的 波 随 钻 测 量 系 统 代 表 了 电 磁 波 传 输 的 先 进 水平 , 完 全 能 够 满 足 工 业 要 求 。 国 内 如 哈 尔 滨 工 业 大学 赵 永 平 也 对 电 磁 波 信 号 传 输 作 过 深 入 的 研 究 , 建立 了 油 井 大 地 电 磁 信 道 的 模 型 , 确 立 了 一 个 可 以 测试 实 际 信 号 传 输 能 力 的 试 验 系 统 方 案 。 但 国 内 这 方面 技 术 仍 很 缺 乏 , 还 处 在 信 号 编 码 、 信 号 传 输 特 性分 析 以 及 开 发 单 个 系 统 样 机 阶 段 。(3) 声 波 传 输 方 式   该 传 输 方 式 是 利 用 声 波或 地 震 波 经 过 钻 杆 或 地 层 来 传 输 信 号 。 其 优 点 是 实现 方 法 简 单 、 投 资 少 。 而 其 缺 点 是 衰 减 很 快 , 受 环境 干 扰 大 , 携 带 信 息 量 小 。 美 国 桑 迪 亚 国 家 实 验 室开 发 了 声 波 遥 测 技 术 , 通 过 钻 杆 的 应 力 波 快 速 传 递信 息 , 取 代 钻 井 液 压 力 脉 冲 。 但 目 前 该 传 输 方 式 尚未 应 用 到 生 产 实 践 中 。(4) 绝 缘 导 线 传 输 方 式   该 传 输 方 式 属 于 有线 传 输 方 式 , 是 目 前 研 究 的 热 点 , 也 是 传 输 技 术 的发 展 方 向 。 其 优 点 是 能 实 现 地 表 和 井 下 的 双 向 通讯 , 实 时 性 好 , 数 据 传 输 率 高 ( 104 ~ 106 s) ,并 且 可 以 直 接 向 井 内 设 备 供 电 。 该 传 输 方 式 研 究 的关 键 是 钻 杆 接 头 设 计 。 钻 杆 接 头 设 计 方 法 主 要 有 感应 法 , 湿 接 头 法 、 霍 尔 效 应 传 感 器 法 和 导 线 对 接 法等 。 由 美 国 和 研制 的 遥 测 钻 杆 系 统 , 初 步 解 决 了 钻 杆 上 、 卸 扣 时 无须 接 上 或 卸 开 钻 杆 上 导 线 接 头 问 题 , 其 智 能 钻 杆 采用 铜 导 线 来 输 送 电 能 , 可 以 根 据 井 下 硬 件 用 电 量 大小 来 确 定 输 电 功 率 的 大 小 。 俄 罗 斯 采 用 在 钻 杆 每 个单 根 内 吊 电 缆 , 在 钻 杆 接 头 处 加 电 插 头 方 式 进 行 信号 传 输 , 利 用 该 技 术 在 1997年 之 前 就 已 钻 井 3 200口 , 进 尺 达 641224亿 。 而 法 国 采用 了 唇 密 封 的 电 钻 杆 , 成 功 试 用 于 1 000 。而 我 国 这 方 面 技 术 尚 属 空 白 。 此 外 , 地 面 与 井 下 的信 号 传 输 方 式 还 有 钻 杆 振 动 法 、 示 踪 法 、 扭 矩 测 试法 和 井 下 记 录 法 等 。31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 、 制 系 统 。(1) 测 量 系 统 \ [ 2 - 5 \ ]   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 (、 随 钻 测 井 ( 、 随 钻 地 震( 随 钻 地 层 评 价 测 试 技 术 ( 和 地质 导 向 技 术 ( 几 个 阶 段 。20世 纪 80年 代 , 次 应 用 于 定 向 钻井 中 , 并 与 近 钻 头 测 斜 器 配 合 使 用 。 这 样 , 可 以 随钻 测 得 井 斜 角 和 方 位 角 并 求 出 井 眼 实 时 偏 差 矢 量 ,以 实 现 几 何 导 向 。80年 代 末 , 现 。 三 参 数 (地 层 电 阻率 、 体 积 密 度 和 中 子 空 隙 度 ) 组 合 随 钻 测 井 仪 和四 参 数 (增 加 了 自 然 伽 马 参 数 ) 组 合 随 钻 测 井 仪逐 渐 形 成 标 准 的 完 成 了 由 传 统 电 缆 测 井 采集 向 实 时 测 井 采 集 转 变 。 目 前 , 美 国 在 随 钻 测 井 技 术 方面 处 于 世 界 领 先 地 位 , 他 们 都 开 发 出 了 基 本 成 套 的地 层 评 价 随 钻 测 井 仪 器 — — — 电 测 井 、 核 测 井 和 声 波测 井 仪 器 。 其 中 , 还 研 发 了 能 随 钻 测 井 服 务 , 该 服 务 将 全 套 地 层 评价 、 确 定 井 身 轨 迹 和 钻 井 优 化 测 量 组 合 在 1根 钻 铤—76—2006年   第 34卷   第 4期 肖 仕 红 等 : 旋 转 导 向 钻 井 技 术 发 展 现 状 及 展 望            内 , 提 高 了 工 作 效 率 , 降 低 了 风 险 , 增 加 了 数 据 解释 、 产 量 和 储 量 计 算 的 可 靠 性 。 传 统 地 面 地 震 勘 探 方 法 和 垂 直 地 震剖 面 基 础 上 结 合 钻 井 工 程 而 发 展 起 来 的 一 项 新 技术 。 通 过 实 时 获 得 的 各 种 地 层 参 数 (如 层 速 度 、钻 头 前 方 反 射 界 面 的 深 度 等 ) , 经 加 工 处 理 后 估 算出 钻 头 前 方 待 钻 地 层 的 岩 石 类 型 、 岩 石 孔 隙 度 、 孔隙 压 力 和 其 它 声 学 的 岩 石 参 数 , 再 结 合 声 波 测 井 资料 , 可 更 准 确 地 研 究 井 眼 附 近 的 地 层 性 质 。 目 前 ,由 美 国 研 制 的 新 型 可 视 化 随 钻 地震 系 统 ( , 已 成 功 投 入 现 场 使 用 。 技 术 的 融 合 , 如 的 集 成 钻 井 评 价 系 统 ( 。该 系 统 不 仅 具 有 实 时 测 量 下 部 钻 具 的 方 位 角 、 井 斜角 、 钻 压 、 扭 矩 波 动 、 应 力 状 况 、 流 动 压 力 、 钻 井液 密 度 , 还 可 以 测 试 并 传 递 所 钻 地 层 的 电 钻 率(射 线 )、 孔 隙 度 、 岩 石 密 度 等 地 层 特 性 参 数 。 上 发 展 起来 的 一 种 前 沿 技 术 , 也 是 目 前 研 究 的 热 点 。 该 技 术使 用 随 钻 定 向 测 量 数 据 和 随 钻 地 质 评 价 测 井 数 据 以及 人 机 对 话 方 式 来 控 制 井 眼 轨 迹 。 目 前 , 仅 有 公 司拥 有 此 技 术 , 其 相 应 的 产 品 为 。 并 且 , 三 大 公 司 只 进 行 高 价 技术 服 务 (日 租 金 高 达 5万 美 元 以 上 ) , 不 出 售 商 品工 具 。我 国 虽 然 掌 握 了 采 集 技 术 , 但 的 处 理 和 解 释 技 术 还 不 太 成 熟 ; 就 而 言 , 国 内 才 刚 刚 起 步 , 与 国 外 存 在 很 大 差 距 。 发 展 部 和 中 油 技 服 总 公 司 于 1999年 ,才 着 手 研 究 地 质 导 向 钻 井 系 统 。 可 喜 的 是 , 2003年 地 质 导 向 钻 井 系 统 研 制 取 得 重 大 进 展 , 其 中 2个子 系 统 “ 型 正 脉 冲 随 钻 测 斜 仪 ” 和“ 1型 近 钻 头 地 质 参 数 测 量 短 节 ” 研 究 成功 , 其 下 井 试 验 也 取 得 了 良 好 结 果 。(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 \ [ 6 \ ]。 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 \ [ 7 \ ]。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 。图 2  可 变 径 稳 定 器 式 旋 转 导 向 工 具 定 向 控 制 管 理图 3  调 制 式 全 旋 转 导 向 工 具 定 向 控 制 原 理目 前 , 典 型 的 旋 转 导 向 工 具 有 : 第 一 代 , 为 调 制 式 推 力 全 旋 转 导 向 工 具 ; , 为 可 变 径 稳 定 器 式 推 力 旋 转 导 向 工 具 ; , 为 可 变 径 稳 定 器 式 指 向 旋 转 导 向 工具 ; 第 二 代 , 为 调 制 式 指 向 式 全旋 转 导 向 工 具 \ [ 6 \ ]。导 向 机 构 主 体 — — — 可 变 径 稳 定 器 的 结 构 \ [8~ 11 \ ]。可 变 径 稳 定 器 是 旋 转 导 向 系 统 的 具 体 执 行 机 构 , 它 主要 包 括 变 径 机 构 和 控 制 机 构 两 大 部 分 。① 变 径 机 构 是 可 变 径 稳 定 器 的 外 径 变 化 装 置 ,它 主 要 由 可 调 稳 定 块 和 驱 动 机 构 两 大 部 分 组 成 。可 调 稳 定 块 的 作 用 是 通 过 其 与 井 壁 接 触 , 为 钻头 提 供 造 斜 力 。 它 在 变 径 稳 定 器 上 的 分 布 形 式 有 2种 , 即 3 块 型 和 4 块 型 。 3 块 型 的 典 型 结 构 是4块 型 的 典 型 结 构 是 德 国 安 石 油大 学 的 井 下 闭 环 旋 转 导 向 钻 井 系 统 动 机 构 的 作 用 是 驱 动 可 调 稳 定 器 块 使 其 产 生运 动 。 目 前 比 较 成 熟 的 驱 动 机 构 有 机 械 式 、 机 液 式和 机 电 液 式 3种 形 式 :机 械 式 结 构 是 提 压 钻 柱 式 和 投 球 式 可 变 径 稳 定—86—             石   油   机   械 2006年   第 34卷   第 4期器 。 提 压 钻 柱 式 是 通 过 钻 头 与 井 底 的 接 触 , 使 驱 动轴 产 生 轴 向 运 动 , 驱 动 轴 上 的 锥 面 推 动 可 调 稳 定 块伸 出 或 收 缩 。 投 球 式 是 通 过 在 地 面 向 井 下 投 掷 钢球 , 开 泵 后 在 钢 球 处 形 成 节 流 使 驱 动 轴 产 生 运 动 ,驱 动 轴 上 的 凹 凸 轮 将 可 调 稳 定 块 顶 出 或 收 回 。 石 油勘 探 开 发 研 究 院 于 1991年 开 发 出 上 述 3种 结 构 的稳 定 器 。 由 于 大 位 移 井 、 水 平 井 受 摩 阻 和 钻 压 的 影响 , 其 驱 动 轴 的 受 力 大 小 不 易 确 定 , 无 法 准 确 地 实现 变 径 , 因 此 该 提 压 钻 柱 式 稳 定 器 不 适 用 于 大 位 移井 和 水 平 井 , 但 在 直 井 中 可 起 防 斜 钻 直 的 作 用 。 不过 , 大 位 移 井 和 水 平 井 可 采 用 投 球 式 变 径 稳 定 器 ,但 投 球 式 稳 定 器 不 能 多 个 同 时 使 用 。机 液 式 结 构 是 液 控 伸 缩 式 可 变 径 稳 定 器 。 该 机构 不 采 用 任 何 电 子 元 件 , 其 液 压 系 统 油 路 与 钻 井 液完 全 隔 离 , 主 要 通 过 液 压 系 统 中 阀 的 开 闭 来 使 液 压系 统 中 的 活 塞 杆 产 生 轴 向 运 动 , 从 而 带 动 驱 动 活 塞产 生 同 步 轴 向 运 动 , 然 后 , 驱 动 活 塞 再 推 动 本 体 上可 调 稳 定 块 (柱 塞 ) 伸 出 或 收 缩 , 以 达 到 变 径 调斜 的 目 的 。 如 苏 义 脑 和 张 润 香 设 计 的 “ 排 量 控 制式 变 径 稳 定 器 ” 和 许 国 林 等 研 制 的 “ 投 塞 压 钻 柱式 变 径 稳 定 器 ” 就 是 此 类 结 构 。机 电 液 式 结 构 兼 有 液 压 系 统 和 计 算 机 控 制 系 统之 功 能 。 其 通 过 计 算 机 电 磁 阀 的 开 闭 来使 液 压 系 统 中 的 活 塞 产 生 运 动 , 然 后 , 活 塞 推 动 可调 稳 定 块 伸 出 或 收 缩 。 其 典 型 结 构 有 控 制 机 构 是 对 可 变 径 稳 定 器 发 出 操 作 信 号 的装 置 。 不 同 类 型 的 可 变 径 稳 定 器 的 控 制 信 号 是 不 同的 。 机 械 式 和 机 液 式 变 径 稳 定 器 的 控 制 信 号 有 6种 : 钻 压 信 号 、 排 量 信 号 、 重 力 信 号 、 弹 性 波 信号 、 反 压 差 信 号 和 钻 井 泵 开 停 信 号 。 机 电 液 式 变 径稳 定 器 的 控 制 信 号 来 自 其 本 体 的 当 钻 头 传感 器 测 到 的 井 斜 角 、 方 位 角 与 设 定 值 间 的 偏 差 超 过规 定 范 围 时 , 出 调 整 控 制 信 号 。目 前 , 国 内 对 导 向 机 构 的 研 究 是 一 个 热 点 , 已取 得 了 一 定 的 成 果 , 开 发 出 各 种 结 构 的 产 品 。 但 总的 来 说 , 所 开 发 的 产 品 与 国 外 典 型 工 具 相 比 , 结 构相 对 简 单 , 功 能 较 单 一 , 寿 命 较 短 , 自 动 化 程 度低 , 主 要 应 用 于 简 单 结 构 井 , 对 于 复 杂 井 仍 然 是 采用 国 外 产 品 。(3) 制 系 统 \ [ 12 \ ]   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 。 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 , 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 。技 术 难 点 与 攻 关 方 向旋 转 导 向 钻 井 技 术 经 过 10多 年 的 飞 速 发 展 ,无 论 在 地 面 控 制 、 信 号 传 输 、 信 号 测 量 、 井 下 控 制还 是 旋 转 导 向 工 具 方 面 都 取 得 了 显 著 成 就 。 然 而 ,随 着 深 井 、 超 深 井 , 特 殊 工 艺 井 、 高 温 高 压 井 的 数量 和 比 例 逐 渐 增 多 , 以 及 成 本 效 益 的 驱 动 , 使 得 人们 不 断 面 临 更 多 新 的 技 术 难 点 , 也 为 人 们 指 明 了 攻关 方 向 。11信 号 传 输 技 术 难 点 及 攻 关 方 向目 前 通 用 的 钻 井 液 脉 冲 传 输 速 度 和 深 度 (特别 是 国 内 ) 已 经 成 为 制 约 新 技 术 (特 殊 工 艺 井 和钻 井 测 控 信 息 “ 高 速 公 路 ” ) 的 瓶 颈 。 因 此 , 一 方面 还 需 继 续 加 强 对 钻 井 液 脉 冲 信 号 的 处 理 和 识 别 能力 , 从 而 提 高 钻 井 液 脉 冲 的 传 输 速 度 和 深 度 ; 另 一方 面 , 还 需 寻 找 新 的 传 输 技 术 。 无 线 传 输 都 面 临 信号 衰 减 严 重 的 问 题 , 其 传 输 深 度 受 到 限 制 , 因 而 研发 有 线 传 输 技 术 是 新 的 方 向 。 但 有 线 传 输 的 一 个 技术 难 题 就 是 钻 杆 间 接 头 信 号 传 递 问 题 。 目 前 美 国 、俄 罗 斯 以 及 法 国 对 此 都 在 进 行 深 入 研 究 , 但 国 内 研究 尚 属 空 白 , 希 望 国 内 开 展 这 一 领 域 的 研 究 , 从 而解 决 信 号 传 输 的 难 题 。21信 号 检 测 技 术 难 点 及 攻 关 方 向随 着 钻 井 工 程 的 不 断 自 动 化 、 智 能 化 , 需 要 实时 测 量 、 处 理 更 多 更 详 细 的 井 底 参 数 。 信 号 的 检测 、 激 发 、 接 收 、 处 理 和 解 释 等 一 系 列 技 术 都 需 要不 断 掌 握 和 完 善 。 特 别 是 在 高 温 高 压 井 中 , 测 量 仪器 要 经 受 高 温 高 压 的 考 验 , 这 对 检 测 仪 器 也 提 出 了更 高 的 要 求 。31旋 转 导 向 工 具 技 术 难 点国 内 外 都 在 不 断 研 究 旋 转 导 向 工 具 , 国 外 产 品已 经 商 业 化 , 而 国 内 也 进 入 了 试 验 阶 段 , 但 是 目 前旋 转 导 向 工 具 仍 有 许 多 技 术 难 题 有 待 解 决 :(1) 目 前 可 变 径 稳 定 器 仅 能 对 井 斜 进 行 微 调 ,适 合 于 大 曲 率 钻 井 , 而 在 中 曲 率 和 小 曲 率 的 条 件 下则 不 适 用 。 并 且 稳 定 块 只 能 径 向 移 动 , 是 否 可 以 通过 径 向 移 动 和 轴 向 移 动 的 结 合 来 改 变 稳 定 器 的 调 斜功 能 , 以 增 大 其 调 斜 范 围 。 因 此 , 应 该 加 大 稳 定 器变 径 幅 度 的 研 究 , 使 其 应 用 范 围 更 广 。—96—2006年   第 34卷   第 4期 肖 仕 红 等 : 旋 转 导 向 钻 井 技 术 发 展 现 状 及 展 望            (2) 国 内 的 稳 定 器 大 多 是 有 级 变 径 , 并 且 变化 次 序 固 定 。 今 后 可 考 虑 利 用 模 糊 控 制 技 术 进 行 无级 变 径 。(3) 稳 定 器 的 密 封 是 一 项 关 键 技 术 , 国 内 的导 向 工 具 寿 命 短 的 主 要 原 因 就 是 密 封 快 速 失 效 , 因此 , 今 后 有 必 要 对 稳 定 器 在 高 温 、 高 压 、 高 腐 蚀 条件 下 的 密 封 结 构 和 材 料 进 行 研 究 。(4) 进 一 步 优 选 材 料 , 提 高 稳 定 器 工 作 温 度 ,以 适 应 超 深 井 中 井 底 温 度 的 需 要 。(5) 尽 可 能 提 高 控 制 精 度 和 鲁 棒 性 。参   考   文   献1  苏 义 脑 1井 下 控 制 工 程 学 研 究 进 展 1北 京 : 石 油 工 业 出版 社 , 20012  沈 忠 厚 , 王 瑞 和 1现 代 石 油 钻 井 技 术 50年 进 展 和 发 展趋 势 1石 油 钻 采 工 艺 , 2003, 25 (5) : 1~ 53  赵 永 平 , 侯 珍 秀 1油 井 下 数 据 无 线 传 输 试 验 系 统 的 方 案设 计 1哈 尔 滨 商 业 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) , 2003, 19(1) : 244  尚 海 燕 , 周   静 等 1闭 环 钻 井 由 地 面 向 井 下 通 讯 的 一 种实 现 方 法 1西 安 石 油 学 院 学 报 , 2002, 17 (2) : 70~ 735   1 001: 1~ 76  et a il 4458,2002: 1~ 157  杨 剑 锋 , 张 绍 槐 1旋 转 导 向 闭 环 钻 井 系 统 1石 油 钻 采 工艺 , 2003, 25 (1) : 1~ 78  狄 勤 丰 , 张 小 柯 , 韩 来 聚 等 1调 制 式 旋 转 导 向 系 统 对 井壁 作 用 力 的 描 述 方 法 和 变 化 规 律 1石 油 学 报 , 2003, 24(3) : 82~ 899  孟 庆 昆 , 马 家 骥 , 谢 正 凯 等 1遥 控 变 径 稳 定 器 的 研 制 与应 用 1石 油 机 械 , 2001, 29 (增 刊 ) : 39~ 4210  张 光 伟 1可 变 径 稳 定 器 发 展 综 述 1石 油 机 械 , 2004,32 (增 刊 ) : 119~ 12111  许 国 林 , 李   琛 , 迟 庆 辉 1投 塞 压 钻 柱 式 变 径 稳 定 器的 研 制 与 应 用 1石 油 机 械 , 2005, 33 (4) : 55~ 5712  导 电 钻 柱 的 智 能 钻 井 1国 外 钻 井 技 术 ,2004, 19 (2) : 29~ 36作 者 简 介 : 肖 仕 红 , 女 , 生 于 1976年 , 现 西 南 石 油 大学 在 读 博 士 , 主 要 从 事 旋 转 导 向 钻 井 研 究 工 作 。 地 址 :(610500) 四 川 省 成 都 市 新 都 区 。 电 话 : (028) 67304864。收 稿 日 期 : 2005 - 11 - 16(本 文 编 辑   赵 连 禄 )(上 接 第 33页 )井 都 不 同 成 度 地 降 低 了 含 水 和 提 高 了 产 量 。 通 过 后期 效 果 分 析 , 各 层 封 隔 器 分 层 封 隔 效 果 明 显 , 智 能开 关 按 时 开 启 和 关 闭 , 各 油 层 的 物 理 参 数 和 化 学 成分 不 同 , 摸 清 了 各 层 的 压 力 、 产 量 、 含 水 、 流 体 性质 等 资 料 , 施 工 取 得 成 功 , 为 海 上 埕 岛 油 田 的 综 合开 发 提 供 了 依 据 。结       论(1) 分 层 测 试 分 层 防 砂 管 柱 既 能 分 层 测 试 又具 有 防 砂 功 能 , 是 准 确 获 取 地 层 资 料 的 有 效 手 段 。(2) 实 际 分 层 可 达 3层 以 上 , 数 个 封 隔 器 一趟 管 柱 同 时 坐 封 , 技 术 含 量 高 , 可 降 低 作 业 成 本 。(3) 通 过 实 施 分 层 测 试 分 层 防 砂 工 艺 , 可 以准 确 地 摸 清 某 个 区 块 的 各 个 小 层 的 地 层 资 料 , 对 注水 、 注 聚 、 调 剖 和 生 产 制 度 的 调 整 具 有 极 其 重 要 的意 义 。参   考   文   献1  智 勤 功 , 谢 金 川 , 韩 德 民 等 1150型 防 中 途 坐 封安 全 处 理 封 隔 器 1石 油 机 械 , 2001, 29 (12) : 31~ 332  罗 英 俊 , 万 仁 溥 1采 油 技 术 手 册 1北 京 : 石 油 工 业 出 版社 , 2005作 者 简 介 : 谢 金 川 , 工 程 师 , 生 于 1963年 , 1992年 毕业 于 胜 利 油 田 职 工 大 学 , 现 从 事 采 油 工 程 技 术 的 研 究 工 作 。地 址 : (257000) 山 东 省 东 营 市 。 电 话 : (0546) 8552225。E - 稿 日 期 : 200
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本文标题:旋转导向钻井技术发展现状及展望
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