搜索
垂直钻井技术及现场应用2010年7月西北油田分公司工程技术研究院中国石化西北油田分公司李双贵•18999831531•0991-3161185（办）•Email：lishuanggui2004@126.com•西北油田分公司工程院钻井所中国石化西北油田分公司1、常规防斜技术2、垂钻技术简况3、VTK垂钻技术4、POWERV垂钻技术5、分公司应用简况提纲中国石化西北油田分公司常规防斜技术•直井的防斜打直一直是困扰钻井界的一个非常重要的难题。目前，直井的井斜控制主要采用钟摆组合降斜，但其降斜能力严重地受到钻压的影响，利用这种钻具组合只能采取吊打方式，不能采用较大的钻压，因此它是一种以牺牲钻速换取质量的消极方法。•影响井眼轨迹的主要因素有：底部钻具组合结构、钻井工艺参数、井身几何形状、地层特性等。在漫长的钻井实践过程中，钻井技术人员一直在探索一种有效的防斜打直技术。这些防斜打直技术包括：偏轴钻具组合、偏心“刚柔”钻具组合、导向钻具组合、反钟摆钻具组合、预弯曲动力学钻具组合等防斜打快技术，主要原理介绍如下：当施加较大钻压时，偏轴钻具组合因其中安装有偏轴接头，导致在偏轴接头处产生一弯矩作用，从而使钻具组合产生弯曲变形(如图1所示)。转盘带动钻柱使偏轴钻具组合产生公转(即弓形回旋)，一方面因其陀螺效应具有稳斜作用而不易增加井斜；另一方面，因钻头均匀切削井壁四周，克服了常规钟摆钻具钻头朝向上井壁带来的增斜效果。再者，由于钻柱变形使上切点值高于常规钟摆钻具从而又产生降斜分量，从而在一定程度上可抵消一部分地层造斜力(如2图示)。一、偏轴钻具组合二、偏心“刚柔”钻具组合研究表明，“刚柔”钻具组合可在一定程度上防止井斜和提高钻井效率，但是缺少“动力学效应”，当在高陡构造等易斜地层中进行垂直钻井时，往往达不到理想的防斜打快效果。故在“刚柔”钻具组合的基础上，通过偏心控制设计，安放偏心控制器，形成了偏心“刚柔”钻具组合，其基本形式为：钻头+“刚性”钻铤+偏心控制器+“柔性”钻铤或加重钻杆+全尺寸稳定器+普通钻铤。一般有如下规律：在钻压相同及井斜角不变的情况下，随着钻具组合柔度的增加，下稳定器处的弯矩在减小，降斜力在增加。理论分析和现场实践表明，偏心“刚柔”钻具组合既保持了“刚柔”钻具组合的所有优点又增加了动力学效应，是一种较为理想的防斜打快新技术，但容易导致井下钻具事故。三、反钟摆钻具组合偏轴钻具因其机理所限，主要是一种稳斜工具，降斜特性是第二位的，另外它要达到预期变形要求有足够的变形空间，因此在小井眼中防斜特性大大下降。在这样一种技术需求下，反钟摆钻具组合防斜技术应运而生，它一方面表现出足够强的降斜能力；另一方面在小井眼中应用仍有很好的降斜效果。如图3所示，其基本原理是通过合理设计钻具组合的刚度，使钻具组合第一稳定器与上井壁接触，从而把钻压变为有利于降斜的因素，把钻直和钻快统一起来。它具有以下特点：1）第一稳定器抵上井壁；2）第一跨桡度向上；3）钻压产生降斜力，钻压越大，降斜力越大；4）钻头倾角向下有助于降斜。四、导向钻具防斜打快随着导向钻具在水平井和更多的定向井上的成功应用，将这一技术应用于直井可以做到开转盘钻直井(稳斜)和定向纠斜。导向钻具是带有单弯或双弯壳体及稳定器的井下动力钻具组合。当转盘转速较小时，钻头的实际转速为螺杆钻具输出转速与转盘转速之和，这时可钻出稳斜井段；一旦发生井斜需要纠斜时，可以定向方式进行作业。由于导向钻进时钻头转速高于转盘转速，因而钻进速度较快；同时因螺杆钻具一般加钻压较小，地层力相对较小而不致引起过大井斜。据相关资料介绍，该技术在国外比较普遍，国内有所应用，并取得了一定效果。五、预弯曲动力学防斜技术该技术采用预弯曲结构来引导钻具组合的变形，使其在井眼中的动力学行为产生较大的降斜力，同时消除由于钻头指向不均匀造成的增斜力，从而达到防斜打快的目的。目前初步试验证明了这种技术的有效性。胜利油田济阳坳陷某井采用的预弯曲动力学防斜打快钻具组合结构：215.9mmPDC+稳定器+特种预弯短节+稳定器+177.8mm钻铤×8根+127mm钻杆1、常规防斜技术2、垂钻技术简况3、VTK垂钻技术4、POWERV垂钻技术5、分公司应用简况提纲中国石化西北油田分公司常规防斜钻具通常都是以牺牲钻速为代价，大钻压防斜理论在特定条件下可能成立，但这种情况很难控制。目前，世界上能解决大倾角地层井斜问题的最有效手段是闭环自动垂直钻井系统，国内尚在研发，国外主要导向钻井系统见下表:自动垂直钻井系统HalliburtonBakerhughesSchlumbergerWeatherfordCamcoV-Pilot®AutoTrak®PowerDriveXtraRevolution®SRD/PowerDriveEZ-Pilot®AutoTrak®X-TremePowerDriveX5Geo-Pilot®vertitrakPowerDriveXceedGeo-Pilot®XLPowerVGeo-Pilot®GXTvorteX/vorteXRT自动垂直钻井系统(VDS)源于德国大陆超深井计划(KTB)，于l990年首次提出垂直钻井系统的概念并投入研究。在万米深井应用中，井深6760m井斜大多不超过1°，最大水平位移只有20m。后由美国贝克休斯公司进一步研发。•垂直钻井系统实质就是一个不需地面控制的可变径扶正器；•通常认为，旋转导向系统的精简版就是垂直钻井系统；•各公司垂钻系统在成本和可靠性方面各有优势，国内常用VTK、POWER-V。按导向和偏置工作模式，导向钻井工具可分为：推靠式及指向式。推靠式指向式自动垂直钻井系统推靠式push指向式point分类静态偏置动态偏置偏置外推偏置内推VTKPowerV静态意为外筒不旋转指向式导向系统工作原理：通过偏置机构在两端有轴承支撑的旋转心轴上施加一定的作用力，使心轴产生一个挠度(见下图)，而在心轴的末端支撑处产生一个小的角度，该角度的大小直接决定了系统造斜能力。对于两支撑轴承位置之间一定长度的心轴，施加不同作用力在钻头末端产生的角度不同。Halliburton的Geo-Pilot和Weatherford的Revolution®是该类似结构自动垂直钻井系统—指向式导向偏心环使得动力传动轴偏离中心位置,引起弯曲从而使钻头倾斜，可以产生超过11000个合力矢量。两类静态指向式导向方式原理示意图指向式推靠式垂直钻井工具工作原理示意图自动垂直钻井系统—推靠式导向推靠式•推靠式：造斜率大；•侧向载荷较大；•钻头和钻头轴承的磨损较严重；•容易造成螺旋井眼。•指向式：能钻出较平滑的井眼；•摩阻和扭矩较小；•可以使用较大钻压；•机械钻速较高；•有助于发挥钻头的性能；•钻头及其轴承承受的侧向载荷较小。两种导向方式特点自动垂直钻井系统上支撑轴承外筒下支撑轴承旋转心轴钻头指向式指向式•西安石油大学的张光伟小组：参考Halliburton的GeoPolit®偏心环结构开始进行了偏心环式可控偏心器的研发；•西安石油大学的傅鑫生小组：参考BakerHughes的AutoTrak®开发了静态推靠式可控偏心结构的旋转导向系统（与中海油合作）；•西安石油大学的张绍槐小组：参考Schlumberger的PowerDriveXtra开发了动态推靠式可控偏心结构的旋转导向系统（与胜利油田合作）。国内科研小组自动垂直钻井系统—国内研发现状自动垂直钻井系统—国内研发现状1、常规防斜技术2、垂钻技术简况3、VTK垂钻技术4、POWERV垂钻技术5、分公司应用简况提纲中国石化西北油田分公司BakerHughesINTEQ公司于1999年推出商业化应用的Verti-Trak直井钻井系统。BakerHughes公司的Verti-Trak系统VTK垂直钻井技术导向原理伸缩导向块不旋转导向套与钻头连接的旋转钻柱导向系统为三个可伸缩式导向块，当MWD通过重力加速度计检测到有井斜趋势时，涡轮发电机发电驱动液压泵，通过液压控制阀将液压传递到合适的肋板上，使其在上井壁产生30kN反作用力，使井眼回到垂直方向。各导向块由独立的液压活塞驱动,通过液压阀控制有选择地伸出,压靠在井壁以产生需要的导向力,液压阀可以调节每个活塞内的压力。三个可伸缩式导向块布置在导向套中,三个导向块相位相差120°，通过不同的导向块组合（每2个或1个进行组合）实现7500种不同的导向力。VTK垂直钻井技术井下VTK工具MWD压力变送器地面控制系统井下闭环控制导向力/目标井斜排量变化序列涡轮驱动的发电机和液压泵联合给各个伸缩块提供导向液压，自动闭环控制井斜。随钻测量井斜、井温、井下工具工作状态、交流发电机输出电压及油压等参数。VTK垂直钻井技术--自动闭环控制VertiTrak系统的特点：VertiTrak系统的闭环控制系统可以对井眼轨迹实现连续控制，并使井眼具有尽可能小的狗腿度。VertiTrak系统的主要特点如下：1）第一台成熟的垂直钻井系统；2）在多种情况下,可靠地控制井斜；3）新研发的高效动力节使这种系统更具优越性；4）主要使用（确切地说应为包含）AutoTrak技术:－－导向稳定器－－井下闭环系统－－双向通讯VTK垂直钻井技术VertiTrak垂直钻井系统的应用VertiTrak系统在全球已成功完成超过40万米进尺，该系统常用于：•大倾角地层和断层带–典型的情况是山前和硬地层钻井•e.g.,Rockies,Alps,Andes•盐层钻井–PDC钻头有井斜的倾向•e.g.,GOM,S.NorthSea•“瘦”的井身结构–要求准确地确定井眼位置–减少套管层数VTK垂直钻井技术VertiTrak是贝克休斯最先进的垂直钻井系统，综合AUTOTRAK（闭环旋转导向系统）、高性能X-TREME马达（高效动力节采用预成形定子和钛合金柔性传动节技术）、可靠的MWD三种技术开发出来的一种闭环自动垂直钻井系统。以滑动导向方式工作，其本身及其上部钻具组合并不旋转。该系统具有近钻头井斜传感器、井下闭环提供连续的轨迹修正、大功率高效动力节提高机械钻速，具有在不影响钻井参数的情况下保持井眼垂直的能力。钻进时，MWD重力传感器（距钻头10米）检测到有井斜趋势时，自动启动液压泵，推动一至两个肋板向井壁施加3吨作用力以对抗增斜趋势。MWD传送实时井斜数据到地面系统以方便跟踪和监测。当井眼完全垂直时，三个肋板全部伸出，并对井壁施加相同的力，将钻头居中，保持井眼按垂直方向钻进。独立的液压驱动系统，连续的井斜控制不受钻井参数和地层特性影响。VertiTrak早期产品尺寸为241.3mm，主要用于311.2mm井眼。后根据各地区石油钻探需要，开发出适合216~711.2mm井眼的VertiTrak系统。VTK垂直钻井技术钻进工作模式（SteerMode）-该工作模式有1个、2个或3个肋板在液压作用下伸出，滑动导向钻进。划眼工作模式(Ribs-offMode)-该工作模式三个肋板全部收回，整个系统可被地面旋转驱动，为了减少对井壁和工具的损害，尽可能减少旋转时间。两种工作模式VTK垂直钻井技术VTK系统是具有双向通讯功能的井下闭环垂直钻井系统。下行通讯：排量变化触发井下发电机电压变化。加载信息的排量变化触发井下机构产生动作。上行通讯：MWD遥控井下脉冲发射器产生压力信号变化上传井斜、方位、温度、液柱压力、交流电压以及肋板的工作状况。通讯方式1）、三个液压系统对伸缩块单独调节；2）、可达7500个导向力状态；3）、是一种灵活的而复杂的导向过程；1）、只有一个或两个伸缩块受压力驱动；2）、伸缩块只有全力伸出和全缩回两种工作状态；3）、导向状态只有6个。4）、全速降斜的过程，是一个费时最小的过程。VertiTrak导向原则:@力导向；@时间导向。力导向时间导向VTK垂直钻井技术VertiTrak系统指令VTK垂直钻井技术VertiTrak最大降斜能力可以达到1.5度/30米。通过选择欠尺寸扶正器在钻具组合中的位置及扶正器外径的大小，可以对预期降斜率的大小进行设定，范围在1.5－0.8度/30米之间。在钻进时通过调整钻压、排量等技术参数也可以对