旋转导向钻井技术和工具PPT课件.ppt

中国石油天然气集中国石油天然气集中国石油天然气集中国石油天然气集团团公司公司公司公司钻钻井工程重点井工程重点井工程重点井工程重点实验实验室室室室西安石油大学井下西安石油大学井下测控重点研究室控重点研究室旋旋旋旋 转转 导导 向向向向 钻钻 井井井井技技技技术术 & & & & 工具工具工具工具1a测测控研究室控研究室控研究室控研究室的的的的的的研究方向研究方向研究方向研究方向研究方向：井眼研究方向：井眼轨轨迹遥控技迹遥控技术术目目 标标：： 井下井下闭环闭环旋旋转导转导向向 智能智能钻钻井系井系统统〔 〔XTCSXTCS〕 〕 XI’AN XI’AN TRAJECTORY CONTROL SYSTEMTRAJECTORY CONTROL SYSTEM2a一、一、 XTCS系统下行指令下行指令泥泥浆浆脉冲脉冲执执行行单单元元微机自适微机自适应应控制器控制器下行信息下行信息传输传输通道通道地面控制器地面控制器设计设计井身井身轨轨 迹迹上上传传数据数据地面地面记录显示地面信息井下井下资资料料处处理理综综合解合解释释探探测测器器干干干干 预预指指指指 令令令令正常正常正常正常钻钻井井井井正常正常正常正常钻钻井井井井正常正常正常正常钻钻井井井井正常正常正常正常钻钻井井井井轨轨迹控制迹控制迹控制迹控制过过程程程程定定定定时发时发送送送送监监控信息控信息控信息控信息• •必要必要必要必要时时, ,• •采取干采取干采取干采取干预预措施措施措施措施9494. .西安石油学院西安石油学院井下井下井下井下闭环闭环控制控制控制控制钻钻井系井系井系井系统统3a1、、由井下固定式稳定器构成的 钻井系统总体(简化)框图泥泥浆浆脉冲脉冲资资料料处处理理综综合解合解释释上上传传数据数据记录显示地面信息B H A (1)固定式： 屡次起下钻；固定固定稳稳定器定器 起起钻钻、、 通通过过井口井口操作：改操作：改变稳变稳定器定器 直径直径/ /弯度弯度起起 钻钻 ？？？？Y YN N4a泥泥浆浆脉冲脉冲资资料料处处理理综综合解合解释释上上传传数据数据记录显示地面信息B H A 变变径径稳稳定器定器地面操作地面操作: : 改改变稳变稳定器定器 直径直径/ /弯度弯度2、由地面控制井下可变径稳定器 构成的钻井系统总体(简化)框图变变径式：地面控制径式：地面控制泵压泵压/ /排量，井下排量，井下变变径径改改变泵压变泵压/ /排量排量 ？？？？Y YN N5a泥泥浆浆脉冲脉冲资资料料处处理理综综合解合解释释上上传传数据数据记录显示地面信息B H A 井下操作：井下操作： 改改变稳变稳定器定器 直径直径/ /弯度弯度3、、由井下闭环可变径稳定器构成 的钻井系统总体(简化)框图变径式：地面下达变径的命令，井下变径；井下井下闭环闭环变变径径稳稳定器定器下下传变传变径径信息指令信息指令？？？？Y YN N6a4、、由井下闭环可变径稳定器构成 的钻井系统总体(简化)框图泥泥浆浆脉冲脉冲资资料料处处理理综综合解合解释释上上传传数据数据记录显示地面信息B H A变变径径单单元元控制控制下下传轨传轨迹迹参数指令参数指令？？？？Y YN N井下操作：井下操作： 改改变设计轨变设计轨迹迹 井下闭环变径稳定器变变径式：地面下达径式：地面下达变轨变轨迹的命令，井下自迹的命令，井下自动变动变径；径； 实现设计实现设计造斜率造斜率 7a井下闭环旋转导向过程示意211517192012272928下行通道无磁钻铤MWD测控单元钻头设计轨迹扶正器可伸缩翼肋可控偏心器可控偏心器靶心23监测监测MWDMWD振振动动通通道道负负脉脉冲冲通通道道地质参数测量井下井下闭环钻闭环钻井系井系统统硬件配置硬件配置8a二、井眼二、井眼轨迹控制技迹控制技术开展开展现状状 90 90 90 90年代起，特年代起，特年代起，特年代起，特别别别别是，海上是，海上是，海上是，海上钻钻钻钻井井井井进进进进入了以入了以入了以入了以导导导导向技向技向技向技术为标术为标术为标术为标志的超大水平位移志的超大水平位移志的超大水平位移志的超大水平位移钻钻钻钻井的新井的新井的新井的新时时时时期，并以前所未有的速度向更新技期，并以前所未有的速度向更新技期，并以前所未有的速度向更新技期，并以前所未有的速度向更新技术术术术方方方方向向向向迈进迈进迈进迈进！！！！XTCS —— XTCS —— XTCS —— XTCS —— 集中表达了二十世集中表达了二十世集中表达了二十世集中表达了二十世纪纪纪纪末末末末钻钻钻钻井科技最新成果！井科技最新成果！井科技最新成果！井科技最新成果！ 旋旋旋旋转导转导转导转导向技向技向技向技术术术术 井眼井眼井眼井眼轨轨轨轨迹井下迹井下迹井下迹井下闭环闭环闭环闭环控制技控制技控制技控制技术术术术 近近近近钻头测钻头测钻头测钻头测井技井技井技井技术术术术9a三、三、井下闭环和旋转导向钻井优 点 井下闭环带来高质量的井眼轨迹； 旋旋转导向防止滑动钻进,降低磨阻, 净化井眼； 特殊钻井的需要如高难度大位移井。

10a四、旋四、旋转〔〔闭环〕〕导向工具向工具国外国外：： 广泛广泛进进行行现场应现场应用的有用的有: : Baker HughesBaker Hughes AutoTrakAutoTrak SchlumbergerSchlumberger New New PowerdrivePowerdrive* SRD* SRD HalliburtonHalliburton GeopilotGeopilot国内：国内：国内：国内： 西安石油学院付鑫生西安石油学院付鑫生课题组课题组自自199319931993年起年起年起 研究研究闭闭环环旋旋转钻转钻井系井系统统- -XTCSXTCS，，，，并研制成并研制成样样机：机： 井下井下井下井下闭环变闭环变径径径径稳稳定器定器定器定器可可可可 控控控控 偏偏偏偏 心心心心 器器器器流流流流 场场 变变 向向向向 器器器器11a伸出方式数量-绕纵轴绕横轴绕横轴-333翼肋无贴井壁力Powerdr.有有有不旋转套弯角贴井壁力偏心导向原理GeoPilotAutotrakXTCS振 动负脉冲-无无有-有有有下传6.5°泥浆不连续-4°~ 8°4°~ 8°造斜能力电-液电-液泥浆控制动力不连续连续连续导向过程国内外国内外导导向工具比向工具比较较12a五、五、石油工石油工业面面临的任的任务与与对钻井的需求井的需求 增增产产、增、增储储 提高采收率提高采收率 降低吨原油本降低吨原油本钱钱13a六、研究工作六、研究工作六、研究工作六、研究工作进进展情况展情况展情况展情况 14a闭环闭环〔可控〕三〔可控〕三〔可控〕三〔可控〕三维轨维轨迹迹迹迹钻钻井技井技井技井技术术研究研究研究研究1 1、国家十五、国家十五_ _八六三高科技开展方案八六三高科技开展方案渤海大油田勘探开渤海大油田勘探开发发关关键键技技术术注注注注 ：：：：CCTV CCTV 称称称称为为“ “三三三三维轨维轨迹迹迹迹闭环钻闭环钻井技井技井技井技术术〞〞〞〞15a “ “三三维轨维轨迹迹闭环钻闭环钻井技井技术术〞〞 是重大是重大专项专项的关的关键键技技术术！！ 依靠科技依靠科技进进步步 实现实现21002100万吨！万吨！ 提高采收率提高采收率1-5%1-5%！！！！CCTVCCTV报报道道200220022002年年年年年年6 6 6月月月月月月191919日科技部与中国海洋日科技部与中国海洋日科技部与中国海洋日科技部与中国海洋日科技部与中国海洋日科技部与中国海洋总总总总总总公司和石化公司和石化公司和石化公司和石化公司和石化公司和石化集集集集集集团团团团团团公司公司公司公司公司公司签订专项签订专项签订专项签订专项签订专项签订专项合同，宣布工程启合同，宣布工程启合同，宣布工程启合同，宣布工程启合同，宣布工程启合同，宣布工程启动动动动动动！！！！！！16a旋旋旋旋转导转导向向向向钻钻井关井关井关井关键键技技技技术术研究研究研究研究2 2、中国石油天然气集、中国石油天然气集团团公司公司钻钻井井领领域前沿域前沿〔 〔应应用根底用根底〕 〕工程工程17a 九三年来承担的科研九三年来承担的科研课题课题No.No.研究研究项目名称目名称资金来源金来源时 间成果情况成果情况1 1井下闭环钻井控制新技术国际合作93.1-93.8发明名称：定向钻井装置2 2井下闭环控制钻井工具总体设计课题组自筹94流场变向器图纸3 3井身轨迹制导的智能钻井系统的理论与实验研究 编号5947-4003国家自然科学基金1995-1996按时通过验收4 4可控偏心器研制（课题编号：970507-3）中国石油天然气总公“九五”项目1996.11-98．11通过中评估（等级：A）5 5井下闭环可变径稳定器研制（课题编号：820-09-01-02B）国家863项目1998.8- 2000.102000.11通过科技部820主题办验收6 6钻井时由地面到井下的通讯通道集团公司中青年创新基金1999.8-2001.82001.3通过集团公司验收7 7井下闭环旋转导向智能钻井系统控制理论研究国家自然科学基金2001.3-2002.12进行中其中：国家自然科学基金其中：国家自然科学基金其中：国家自然科学基金 2 2 2项项项；；； “ “ “九五〞九五〞九五〞863 1863 1863 1项项项；教育部；教育部；教育部1 11项项项；集；集；集团团团公司公司公司 2 2 2项项项；；；8 8井下闭环旋转导向智能钻井系统控制理论研究国家教育部优秀青年教师基金项目2002.3-2003.12进行中18a七、初七、初 步步 研研 究究 成成 果果19a稳稳定器定器测测控及通道部分控及通道部分井下井下闭环闭环可可变变径径稳稳定定器器样样机在机在实验实验台上台上—— 研制成井下研制成井下闭环闭环可可变变径径稳稳定器定器样样机机20a—— 研制成流研制成流场变场变向器向器样样机机21a井下井下闭环变闭环变径径稳稳定器定器 在油田在油田钻钻井井试验试验 2000.7.252000.7.252000.7.252000.7.25 变径稳定器在井台上22a泥泥浆动力控制偏心力控制偏心导向工具向工具研究调试中……CNPC钻井工程重点实验室 2 0 0 5年1月5日2004.6 2004.6 2004.6 2004.6 加工并装配出泥加工并装配出泥加工并装配出泥加工并装配出泥浆动浆动力可控偏心器下井力可控偏心器下井力可控偏心器下井力可控偏心器下井试验样试验样机机机机 GeoPilot —— 可可变弯接弯接头 XTCS—— 可控偏心器可控偏心器 三翼肋三翼肋导导向，向，结结构构类类似似于于AutoTrak但原但原 理不同。

理不同 “push〞〞, “point〞〞 ) 泥泥浆动力，力，类似似Schlumb. 但用法不同但用法不同 Powerdrive用于用于导向；向； XTCS —— 控制；控制； XTCSXTCS23a导向装置向装置—— —— 形成形成导向需要的偏心向需要的偏心24a定位定位总成成—— 翼肋伸出量的控制机构翼肋伸出量的控制机构25a电子子舱—— 信息采集、信息采集、处理、理、 存存储、控制和通、控制和通讯26a快速快速连接接头—— 快速机快速机电连接装置接装置27a下行信息通道下行信息通道——下下发指令的指令的传输通道通道28a地面信息地面信息读出出&下下发指令系指令系统—— 地面接口及地面接口及软件系件系统井口井口读出出29a30a 完成基建、开始建完成基建、开始建设设 恢复、安装恢复、安装实验设备实验设备实验实验室室室室———— 研研研研发发基基基基地地地地31a谢谢谢谢，，欢欢送指送指导导！！32a旋旋转导转导向向钻钻井工具作井工具作业业量近量近年来呈直年来呈直线线上升上升趋势趋势！！8,000,000ft8,000,000ft600,000ft600,000ft巨大社会价巨大社会价巨大社会价巨大社会价值值和和和和经济经济效益！！效益！！效益！！效益！！33a增增产产，增，增储储由于旋由于旋转导转导向技向技术术的出的出现现，，钻钻井不只是井不只是在地球上打个洞。

它已在地球上打个洞它已成成为为增增产产，增，增储储提高采提高采收率的有效手段收率的有效手段扩扩大面大面积积波及系数波及系数充分开充分开发发薄薄层层和低渗油和低渗油层层巨大社会价巨大社会价巨大社会价巨大社会价值值和和和和经济经济效益！！效益！！效益！！效益！！34adede高难度大位移井 需要方位方位方位方位: 300: 300East (m)278000-1500100002250TVD(m)TVD(m) Gullfaks Gullfaks Well Well A - 42 A - 42可可可变变变径径径稳稳稳定定定器器器de方位方位方位方位: 177: 177井斜井斜变化率、化率、 方位方位变化率化率 调整整 可控偏心器可控偏心器弯外壳动力钻具三维多目标井〔蛇形井〕130 130 o o TurnTurn35a使大位移井 水平位移突破万米常规大位移井的效果 3.2km3.2km3.2km3.2km10 km10 km当超过一万米…….扩大勘探与开发面积 , 节约多余平台的投资在海上,其效益尤其明显36a常常规规定向定向钻钻井井地地质导质导向向钻钻井井井下井下闭环和近和近钻头测井井 效效 果果 de37a避免螺旋状井眼 和 井眼弯曲 Hole Spiraling & Wellbore Hole Spiraling & Wellbore TortuosityTortuosity高质量的井眼轨迹38a井眼光滑 避免弯曲 原理传统传统井眼井眼轨轨迹控制迹控制XTCS XTCS 轨轨迹控制迹控制依依靠靠小小的的空空间间尺尺度度调调整整依依靠靠小小的的时时间间尺尺度度调调整整dede运运用用近近钻钻头头的的测测量量技技术术39a防止防止 岩屑堆岩屑堆积积 与与 轴轴向冲向冲击击Axial Shock & Cutting Axial Shock & Cutting BuildupBuildup连续旋转导向的结果40a连续旋转导向的结果避免避免扩扩径径 与与 台台阶阶41adede高难度大位移井 需要方位方位方位方位: 300: 300East (m)278000-1500100002250TVD(m)TVD(m)130 130 o o TurnTurn Gullfaks Gullfaks Well Well A - 42 A - 42可可可变变变径径径稳稳稳定定定器器器de方位方位方位方位: 177: 177井斜井斜变化率、化率、 方位方位变化率化率 调整整 可控偏心器可控偏心器弯外壳动力钻具三维多目标井（蛇形井）42a旋旋旋旋转导转导向工具是上世向工具是上世向工具是上世向工具是上世纪纪末开展起来的有效末开展起来的有效末开展起来的有效末开展起来的有效钻钻井工具，井工具，井工具，井工具，代表了当今定向代表了当今定向代表了当今定向代表了当今定向钻钻井开展水平。

因此，井开展水平因此，井开展水平因此，井开展水平因此，选择该选择该工程研工程研工程研工程研究是有充足理由的，并具科学性；究是有充足理由的，并具科学性；究是有充足理由的，并具科学性；究是有充足理由的，并具科学性；在国外旋在国外旋在国外旋在国外旋转导转导向向向向钻钻井工具已投入商井工具已投入商井工具已投入商井工具已投入商业应业应用用用用. . . .明年，具有明年，具有明年，具有明年，具有我国自主我国自主我国自主我国自主产权产权的的的的样样机下井机下井机下井机下井试试用；用；用；用；我国三大油公司先后立我国三大油公司先后立我国三大油公司先后立我国三大油公司先后立项项研究旋研究旋研究旋研究旋转导转导向工具，都希望向工具，都希望向工具，都希望向工具，都希望从外国从外国从外国从外国进进口，或与外国公司合作开口，或与外国公司合作开口，或与外国公司合作开口，或与外国公司合作开发发，充分，充分，充分，充分说说明其迫明其迫明其迫明其迫切性？！切性？！切性？！切性？！其商其商其商其商业业化前景那么取决于油公司〔定向井公司〕化前景那么取决于油公司〔定向井公司〕化前景那么取决于油公司〔定向井公司〕化前景那么取决于油公司〔定向井公司〕为为核核核核心的运作体制的建立！心的运作体制的建立！心的运作体制的建立！心的运作体制的建立！ 43a泥泥浆动浆动力偏心力偏心导导向方案向方案导导向向方方式式导导向向动动力力井壁井壁钻头推向推向一一 侧极板推出极板推出控制控制阀盘PowerDrive XtraPowerDrive Xtra2 2定位轴承万向轴承钻进方向定位轴承偏心方向传动轴GeoPilot3 3井底流井底流井底流场场场方向方向方向钻头钻头钻头运运运动动动方向方向方向不不不对对对称称称井底流井底流井底流场场场水眼水眼水眼井壁井壁井壁流流流场变场变场变向器向器向器4 4 4旋旋转轴转轴偏心距偏心距XTCSXTCS-njd-njd不旋套不旋套转转伸出量伸出量 井壁井壁5 5D D1 1D D2 2D D3 3不旋套转旋转轴高边工具面角P P PPAutoTrakAutoTrak1 1PP11PP22PP3344a“Push“Push〞〞 & “Point & “Point〞〞 ？？推力推力支点支点井井 壁壁 两两 侧侧受力状受力状态态不同不同钻头Push the bit first,Then Point the bitPush the bit first,Then Point the bit红色为侧向切屑局部形成弯曲形成弯曲井眼剖面井眼剖面 “Point “Point〞〞AutoTrakAutoTrakPowerdrivePowerdriveGeopilot“Push“Push〞〞〞〞万向轴 “Point “Point〞〞 & & “Push“Push〞〞45a连续连续旋旋转导转导向向钻钻井井 & & 闭闭环环控制控制控制控制 All Rotating, No Sliding All Rotating, No Sliding 〔 〔 〔 〔全旋全旋全旋全旋转转转转，无滑，无滑，无滑，无滑动导动导动导动导向向向向〕 〕 〕 〕Closed Loop Control Closed Loop Control 〔 〔 〔 〔闭环闭环闭环闭环控制控制控制控制〕 〕 〕 〕—— HOLD Mode & STEER Vector —— HOLD Mode & STEER Vector Some other systems only have a steering function with fixed force or tilt parameter pre-set in tool (e g. Geopilot and Powerdrive Direct). These tools alternate between steer and neutral mode to give desired average curve. In doing so they drill a fragmented curve similar to a motor. Powerdrive Direct drills over gauge hole when in neutral mode. AutoTrak ——压力矢量调整〔7500个可调挡位〕； 光滑的井眼轨迹XTCS —— 偏心矢量调整〔无级变角调整〕； 光滑的井眼轨迹Geopilot —— 预置角导向，6挡变角；变造斜率——“导向模式〞+“稳斜模式〞 折线轨迹；Powerdrive Direct —— 预置力导向，可设置81 个挡位； 无稳斜模式，造成稳斜段扩径46a带动经济领带动经济领域其它学科和技域其它学科和技术术的开展的开展钻钻井：促井：促进钻头进钻头，泥，泥浆浆，，钻钻井工井工艺艺和和测测井技井技术术的开展；的开展；材料：高材料：高强强度柔性度柔性钢钢材；材；传传感器：耐高温高感器：耐高温高压电压电磁磁传传感器，微型抗感器，微型抗强强振加速度振加速度计计；；液控元件：微型液控元件：微型阀阀，无刷直流，无刷直流电电机和机和泵泵；；电电子元器件：耐高温存子元器件：耐高温存储储器芯片，器芯片，时钟时钟芯片；芯片；微微处处理器技理器技术术：快速高精度：快速高精度CPUCPU和和DSPDSP技技术术；；数据数据处处理及理及压缩压缩技技术术；；巨大社会价巨大社会价巨大社会价巨大社会价值值和和和和经济经济效益！！效益！！效益！！效益！！47a48a49a50a51a52a。