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第六节闭环钻井技术简介前言环指钻井作业过程。闭环钻井是指钻井过程的整体优化。闭环钻井的目标是实现钻井过程的全面自动化、智能化,解放钻井人员、提高整体经济效益。钻井自动化发展趋势传统转盘钻具螺杆钻具MWD计算机导向马达自动化钻井PDC钻头井下遥控工具19501960197019801990200020052010常规转盘钻井喷射钻井最优化钻井定向井丛式井水平井小井眼井多分枝水平井大位移井地质导向钻井自动化钻井一、钻井作业自动化的发展过程钻井作业自动化的发展过程可划分为井下开环、井下半闭环、井下闭环和全闭环四个技术发展阶段：1、井下开环钻井阶段指井下操作全部由人来完成,只有一般的井下测量工具。井眼轨迹的控制只能利用预测技术和更换井底钻具组合来进行。井眼轨迹质量差,钻井效率低,安全性差。如果井下开环钻井用自动化钻机,就成为地面闭环、井下开环钻井;否则为地面开环、井下开环钻井。2、井下半闭环钻井阶段有较先进的井下测量工具(如MWD)，有地面可控的井下工具。测量数据向地面传输,经过计算机处理及地面模拟,通过传输通道向井下传送操作指令,随后对井下操作进行控制。与井下开环系统相比,测量精度高、实时性强、信息量大。操作指令更大程度上依靠计算机处理得到,人为经验减少。井下可控工具(包括可变径稳定器、可调弯接头、可变弯角井下动力钻具、可伸缩偏心块等)使得起下钻操作大幅度减少,钻井效率显著提高。目前许多水平井、定向井都是利用井下半闭环钻井技术完成的。3、井下闭环阶段指井身轨迹控制完全可以离开人的干预(特殊需要时例外),井下信息测量、传输、处理以及控制指令的产生和执行完全自动进行。有先进的随钻测量工具(MWD等)和功能较强的井下可调控工具。同时,必须有性能很好的微电脑(能承受井下的恶劣环境)。井下闭环钻井作业可分为两类:(1)中心电脑放在地面。通常是测量信息通过传输通道传到地面,经中心处理机处理后,控制指令传给顶部驱动钻机,由顶部驱动钻机来改变井下工具的工具面。也可以是中心电脑发出的控制指令传给井下可控工具,从而改变井下工具的结构参数。(2)中心电脑放在井下。随钻测量信息传给井下电脑,由井下电脑发出控制指令来控制井下可控工具的工作状态。测量信息同时传给地面计算机进行模拟研究,用来监测井下作业效果。4、全闭环钻井阶段这是钻井技术发展的最高阶段。井下采用智能化钻井系统,地面监控和操作采用规范的自动化系统。地面中心控制计算机控制整个钻井作业系统,井下智能钻井系统则带有独立的井下微电脑。此时,作业人员就可全部或大部分从作业环节中解放出来,从而实现钻井的整体优化。目前离实现全闭环钻井还有一段距离。钻机计算机地面发射器/接收器公司办公室卫星通讯双向通讯井下发射器/接收器微处理器传感器组(随钻测量)可调接头井下马达钻头•执行机构•测量系统•控制系统•双向通讯闭环钻井技术的流程框图二、闭环钻井技术的必要条件要实现闭环钻井作业的全过程,必须具备以下六个条件:(1)地面测量,主要包括泥浆录井,钻井参数地面测量;(2)井下随钻测量,目前主要采用MWD、LWD等井下测量工具;(3)数据采集,同时包括地面计算;(4)数据的整体综合解释,主要包括把测量数据解释成有用的参数以指导作业,同时用“人工智能”把全世界范围内的专家经验应用于井场;(5)地面操作控制自动化,把人从钻井作业过程中解放出来;(6)井下操作自动控制,主要是利用“智能”型井下工具和自动的井底钻具组合进行控制。三、实现闭环钻井的核心技术油气井钻井将发展为像航天、航海领域的自主导弹那样高水平的“自主钻井导弹”和双闭环(井下与地面之间的大闭环及井下导向工具与井下测量系统之间的井下小闭环)系统。实现这一目标的核心技术主要有：1、先进的导向钻井工具(1)滑动式导向工具滑动式导向工具是导向作业时钻柱不旋转(随钻头向前推进,钻柱沿井壁轴向滑动)。目前这类导向工具占主导地位,主要有弯壳体马达(含单弯、同向双弯、异向双弯导向马达)、可调弯接头、可变径稳定器等。导向钻井系统滑动导向控制旋转导向控制Q（AKO导向马达）可变径稳定器(2)旋转式导向工具旋转式导向工具是导向作业时钻柱旋转。现有的旋转式导向工具分为两类：①静止式旋转导向工具(即导向工具的导向翼肋相对井壁不转动)；②可调节式的旋转导向工具(即在旋转过程中实现导向)。PowerDrivePrincipleofOperation•Sideforceorpushthebittool•Padsextenddynamicallyfromarotatinghousing•Curvaturedefinedby3pointsofcontactPowerDriveBiasUnit•Has3padsdrivenbyhydraulicactuators•ActuatorsapplylateralforcetothebitwhilealwaysrotatingatbitspeedPadoutPadin2、导向方式不论是滑动式还是旋转式井下闭环钻井系统,都必须选择合适的导向方式。导向方式主要有两种:(1)几何导向主要是以预置的井眼轨迹或井下实时设计的井眼轨迹为参考量。导向作业时,将实测的轨迹参数与控制参考量作比较,由控制机构给出合适的控制指令,从而使钻头沿最优的井眼轨迹钻进。(2)地质导向在拥有几何导向能力的同时,又能根据随钻测井(LWD)得出的地层岩性、地层层面、油层特点等地质特征参量,随时控制井下轨迹,使钻头沿地层最优位置钻进。在预先并不掌握地层性质特点、层面特征的情况下,实现精确控制。当前导向技术大多是以几何导向为特征。对于一些油层变化不大、油层较厚、对地层性质特点了解较清楚的场合,使用几何导向较适宜。而对于一些地层性质特点了解较少、油层厚度很薄的场合,使用地质导向更为合适。几何导向钻进几何参数测量（井斜，方位，装置角）地质导向钻进地质参数测量（伽马，电阻率，密度等）参数优选控制力学参数测量（钻压，扭矩，振动等）井下随钻测量系统（DMWD)3、参数测量与传输系统随钻实时参数测量是实现全闭环钻井的重要环节。测量参数包括实钻井身轨迹随钻井身几何参数与随钻地层评价、随钻测井、随钻地震等评价参数以及随钻工程参数等。各种信息的地面与井下双向实时传输通讯。随钻地震(SWD)原理Utilizingthebitasthesourceisgenerallyineffectiveinsoftsediments,horizontalwellsandwhiledrillingwithPDCbits.4、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和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。主要功能是通过闭环信息流监视并随钻调控井身轨迹,它的关键技术是从地面发送到井下的下行控制指令系统。