BH-VDT垂直钻井工具无线电磁短传模块影响因素分析

垂直钻井工具组合大扭矩螺杆一体化提速技术,是山前高陡构造防斜打快的主要手段。BH-VDT垂直钻井工具采用随钻测量、控制和实时上传一体化设计,如何绕过螺杆将近钻头采集信息高效传输至地面,成为了当下面临的主要技术难题。为此,将脉冲发生器从工具中分离出来,加入无线电磁短传模块,在螺杆的两端接入无线发射模块与无线接收模块,并采用有限元分析软件,建立钻井试验模型来分析影响无线电磁短传模块的因素。仿真结果与现场试验数据符合较好,无线电磁短传模块中的接收天线正极距离套管底部的距离大于20 m时,套管对接收信号强度的屏蔽影响趋于平缓,钻井液电阻率和地层电阻率对该模块的无线传输效果影响较大,接收天线两级的绝缘距离越长对传输效果越有利;而发射端和接收端的距离在8~15 m范围内,对接收信号强度的影响较小。研究结果表明:采用无线电磁短传模块是解决BH-VDT垂直钻井工具绕过螺杆实现井下信息实时高效传输的有效手段,对其他工具为解决此类问题的设计、现象解释有指导意义。

旋转推靠式自动垂直钻井工具应用分析

针对高陡构造和大倾角地层中防斜与打快的矛盾难题,研制了旋转推靠式自动垂直钻井工具并获得了成功应用。实现了纠斜和稳斜功能,同时释放了钻压,提高了机械钻速。介绍了旋转推靠式自动垂直钻井工具的结构组成、工作原理、技术特点和应用效果等。从钻柱设计和钻井参数设计两方面进行了应用研究,最后对比国外同类产品在国内的应用情况并进行了应用分析,找出差距并提出改进措施。

自动垂直钻井工具的设计及自动控制方法

设计了一种井下闭环自动垂直钻井工具。该自动垂直钻井工具包含井下微处理器、井斜角测量传感器及井下可控稳定器等。可控稳定器周围均布有四个可独立伸缩的导向块 ,它们受到内部液压系统的驱动 ,当井斜角偏离垂直方向时 ,井下微处理器会自动调整可控稳定器的工作状态 ,使可控稳定器上位于井眼高边的导向块伸出 ,顶向井眼高边 ,使钻头上产生一个降斜力 ,最后使井眼回到垂直轨道。本文详细介绍了这种自动垂直钻井工具的工作原理及结构组成 ;对工具内部的液压控制原理及控制回路进行了研究和设计 ;讨论并设计了对工具进行井下闭环自动控制的原理及具体方法 ;最后利用纵横弯曲法对包含有该工具的井下钻具组合的降斜能力进行了数值模拟分析 。

自动垂直钻井中井斜动态测量理论与实验研究

井斜动态测量是指在钻井过程中对井眼的井斜角、工具面角等物理量的实时检测和信息的提取,比静态测量复杂,钻具的振动和转动均会导致相应的井斜测量信号严重失真,但其中的振动信号可用低通滤波器滤除,而钻具转动对加速度计所产生的离心力导致的测量信号的失真,则必须通过诸如转速补偿之类的修正才能去除。低通滤波器可选用一定阶数和转折频率的巴特沃斯滤波器,而加速度计输出的转速补偿则须预先对加速度计进行标定。利用专门的实验装置对井斜动态测量的方法及其具体实现进行了有效的验证。

现代垂直钻井技术的新进展及发展方向

直井段的防斜打直、打快对于提高深探井、超深井及各种复杂结构井的机械钻速、保证井下安全具有重要的作用,而随着深井、超深井的不断增多,垂直钻井技术得到了快速的发展和应用。介绍了偏轴组合、偏心“刚柔”钻具组合、导向钻具、反钟摆钻具、预弯曲动力学等防斜打快技术的作用原理,重点介绍了VDS、PowerV及VertiTrak三种自动垂直钻井系统的结构组成、工作原理及现场应用情况,简单列举了其他自动垂直钻井系统,展望了现代垂直钻井技术的发展方向。

捷联式自动垂直钻井系统

针对高陡构造及大倾角地层的防斜打快难题,成功研制了具有自主知识产权的捷联式自动垂直钻井系统。该系统采用动态推靠方式实现钻进中的主动防斜和纠斜,主要由捷联式稳定平台和防斜纠斜执行机构组成,其中由基于旋转基座的测控短节、电源短节、伺服短节组成的捷联式稳定平台是捷联式自动垂直钻井系统的核心。在稳定平台的控制下,伺服短节驱动防斜纠斜执行机构中的盘阀对过流的钻井液进行控制,利用活塞驱动翼肋推靠井壁,产生具有纠斜作用的侧向推靠力,以实现有效的防斜、纠斜功能。通过捷联式稳定平台地面联调试验和现场试验,初步验证了系统工具的可行性、稳定性和可靠性,为工具进一步改进和现场试验提供了技术支撑。

φ311垂直钻井系统的研制

在钻井过程中,实现高陡地层的防斜打快是一个普遍存在的技术性难题。国内已有的钻井防斜方法,大多以牺牲钻压、降低机械钻速为代价。因此,都不能经济高效地解决在大倾角、陡构造等地层的井斜问题。介绍了一种井下智能防斜纠斜的钻井工具——φ311垂直钻井系统,其具有自主发电、井下闭环控制、数据井下储存井上回放等特点。该系统可极大地解放钻压、提高钻速,目前已在新疆油田进行了现场试验,并获得成功。

塔里木博孜区块超深井自动垂直钻井难点与技术对策

塔里木盆地博孜区块属于典型的山前高陡构造,地层倾角大、自然造斜能力强、防斜打直难,采用常规的防斜打直技术难以保证井斜控制效果。为此,分析了自动垂直钻井技术在博孜区块超深井的应用难点,针对博孜区块上部砾岩地层的井下钻具振动大、防斜打直难等情况,开展了减振优化、超深井信号传输和防斜打直工艺优化等方面的技术研究。BZ1501井一开198~417及565~1000 m井段应用了自动垂直钻井系统,两趟钻累计工作循环时间281 h,平均机械钻速2.43 m/h,井斜角0.2°,与该井应用常规钟摆钻具组合及BZ18井应用自动垂直钻井系统相比,工作寿命长,机械钻速快,井斜控制效果好。现场应用表明,超深井防斜打直钻井技术在塔里木博孜区块的钻井提速效果较好,可以在该区块推广应用。

自动垂直钻井工具纠斜控制实验研究

为了探讨井下纠斜控制的客观规律,基于自动垂直钻井工具原理样机,开展了井斜自动控制的实验研究。通过分析基于重力加速度计的井斜测量原理,并结合样机纠斜机构的工作原理,提出了对各纠斜机构的工作区域进行合理划分的实施方法,并根据该方法以及借助虚拟仪器技术实现了在原理样机上的井斜实时控制系统的开发。借助该套系统,目前已可实现不小于0.15°的井斜控制精度。

垂直钻井技术在青探1井的应用

玉门青西油田窟窿山逆掩推覆体老地层挤压破碎严重,且裂缝发育,地层倾角60°左右,地层产状变化大,钻井过程中井斜控制难度大,制约了青西地区钻井速度的提高。为此,该油田在青探1井钻井过程中首次试验应用了Power V垂直钻井技术,井斜角控制在0.5°以内,平均机械钻速2.14 m/h,与邻井相比提高了52%以上,且无井下复杂情况和事故发生,顺利完成了该井第三系推覆体地层易斜井段的钻井任务。分析了青探1井地质特点及钻井技术难点,介绍了Power V垂直钻井原理、技术特点及现场试验情况,分析了试验应用效果,对下一步青西油田垂直钻井提出了建议。

自动垂直钻井工具的理论与技术研究

实施垂直钻井中的主动纠斜需要解决诸如井斜动态测量、纠斜机构动力的获取和可靠控制等问题。通过滤除迭加在重力加速度计上的振动信号,以及对由于加速度计随钻杆转动产生的离心力带来的信号失真进行补偿,可有效解决井斜实时控制中的井斜测量问题;通过对液控导向机构的理论建模和动力学仿真,确定了可适用于井下恶劣工况的导向纠斜装置的动力机构,并且井下超常环境压力还可使这种机构具有更好的响应性能;返程泥浆对旋转中的导向活套的冲击将会产生阻碍活套随钻杆转动的反向扭拒,从而可使活套与钻杆之间产生转差,便于导向机构从钻杆的转动中获得足够的动力,用计算流体力学软件给出具体的结果。

垂直钻井工具测斜仪精确校正理论与实验

针对自动垂直钻井工具因测斜仪(其核心部件为二轴或三轴重力加速度计)的安装误差而导致小井斜测量精度不高的问题,通过建立测斜仪的实际安装坐标系与其理想坐标系之间的映射关系,推导出利用测斜仪的实际输出信号计算真实井斜角的函数关系,从而在理论上实现了对测斜仪的精确校正。对基于二轴重力加速度计的测斜仪提出了只需要获取测斜仪的两个测量轴与其理想坐标系对应轴的夹角参数,即可对测斜仪进行精确校正的工程方法,并借助自行研发的某型号自动垂直钻具原理样机,对相应夹角参数提取及测斜仪的精确校正进行了实验分析。实验结果表明,利用该方法对测斜仪进行校正可保证测斜仪的测量精度不受测斜仪安装误差的影响。

VTK垂直钻井技术在川东地区的应用

四川盆地川东高陡构造区内的侏罗系沙溪庙组—下三叠统嘉陵江组地层岩性组合复杂、软硬交替频繁,属于典型的易井斜地层,采用常规的防斜技术虽能防斜,但因钻井参数受限,严重影响了机械钻速的提高。VertiTrak是贝克休斯公司最先进的垂直钻井系统,它是综合了闭环旋转导向系统、高性能X-TREME马达、可靠的随钻测试等3种技术而开发出来的一种闭环自动垂直钻井系统（简称VTK垂直钻井技术）。在川东地区试验应用了VTK垂直钻井技术,同时强化钻井参数、优化钻井液防塌及流变性能。结果表明,试验获得了成功：①在已经发生井斜的井段用VTK工具进行正常钻压钻进,较快地实现了井眼轨迹的平稳降斜;②纠斜任务完成后,正常钻压钻进过程中实现了稳斜防斜;③VTK垂直钻井防斜打快效果显著——钻压达25 t,机械钻速提高50%~60%,钻井周期缩短30%以上。该方法为实现川东高陡构造区沙溪庙组—嘉陵江组长段易斜地层的防斜打快探索出了一条新途径。

垂直钻井工具二轴重力加速度计安装误差标定

提出一种用于井斜测量的自动垂直钻井工具二轴重力加速度计安装误差便捷标定方法,根据空间坐标系转换原理,推导二轴重力加速度计与钻具坐标系数学关系模型,构建安装误差标定矩阵。标定前,保证钻具轴线不变,旋转浮动导向套,测试加速度计输出电压,经处理后作为多元线性回归样本,并利用标定矩阵元素间的数值关系,解算矩阵;标定时,将已解算的标定矩阵和重力加速度在加速度计敏感轴上的分量代入两坐标系数学模型,计算重力加速度在钻具坐标系三轴的分量,从而实现井斜角和工具面角精确测量。该方法不需要借助高精度辅助测量仪器或调校基准平台,也不需将钻具摆放到特定状态,具有测试过程简单、测试精度高的特点,便于在井场对二轴加速度计进行下井前最后校正。实验表明,标定后井斜角误差在2.5%以内。

自动垂直钻井工具用涡轮发电机磁力驱动器设计

自动垂直钻井工具测试与控制功能的耗能由井下涡轮发电机提供。为了解决井下涡轮发电机适应泥浆工作环境的问题,将动密封补偿式保护技术和磁力驱动技术结合,取得了增加动密封可靠性、提高高速轴承使用寿命、改善发电机效率、避免发电机线圈和磁钢体直接被泥浆冲蚀的良好效果。该涡轮发电机的设计不仅包括发电机本身性能参数、结构参数设计,还包括磁力驱动器和动密封补偿式保护组件中的补偿弹簧等相关参数设计。给出了井下涡轮发电机磁力驱动器的设计方法,同时也对动密封补偿式保护器的弹簧设计进行了讨论。

捷联式自动垂直钻井稳定平台控制系统仿真研究

自动垂直钻井系统是一种能够自动有效控制井斜、保证钻头始终沿垂直方向钻进的机电液一体化集成钻井装置,可有效解决高陡构造地层防斜打快问题。以胜利石油管理局钻井工艺研究院自主研发的捷联式自动垂直钻井系统为背景,对其稳定平台的结构和工作原理进行分析,在钻进和纠斜2种不同的工作模式下稳定平台采用不同的控制结构,并在Ansoft/Simplorer环境中建立了控制系统的仿真模型。仿真分析结果表明,所设计的控制方法动态跟踪特性良好,稳态偏差较小,具有较强的抗干扰特性,为捷联式稳定平台控制系统的进一步开发和优化提供了理论基础。

Φ311mm垂直钻井系统的工作原理及现场应用

Φ311mm垂直钻井系统是克拉玛依钻井工艺研究院历时多年研制成功的井下工具,是机、电、液一体化的井下智能钻井系统。该工具可实现在高陡地层,特别是在山前构造带地层的防斜打快技术。目前,该系统已在新疆油田试验两口井次,并获成功。试验结果表明,该系统各项指标均达到设计要求,满足了闭环控制的设计要求,具有广阔的应用前景。

Verti Trak垂直钻井系统在川科1井中的应用

川科1井设计井深8875.00 m,是一口超深重点科学探索井,也是目前亚洲设计井深最深的井。为保证二开大尺寸井眼的井身质量,为后续施工打下良好的井眼条件,应用了美国贝克休斯的Verti Trak垂直钻井系统,累计进尺2240.44 m,累计纯钻进时间1200.06 h,平均机械钻速1.87 m/h,全井段井斜角控制在0.5°以内。在介绍Verti Trak垂直钻井系统基本工作原理与工作模式的基础上,详细介绍了其在川科1井二开井段的应用情况,并对其应用效果进行了分析。

基于Flac数值模拟的地面垂直钻井剪切破坏研究

以乌兰矿地面垂直钻井为研究对象,利用地面沉降理论,建立了地面垂直钻井井身位移与变形的数学模型,得到了钻井水平位移与水平变形的函数,分析了钻井水平剪切破坏的特征;并基于数值模拟软件Flac,实现了地面垂直钻井水平应力场的模拟。

捷联式自动垂直钻井系统井斜方位动态测量算法研究与应用

捷联式自动垂直钻井系统是针对高陡构造及大倾角地层的防斜打快难题而提出的一种新型自动垂直钻井工具。在小井斜动态旋转条件下,提出一种新的捷联式自动垂直钻井井斜、方位角动态测量算法,并针对不同倾斜角、不同钻铤转速等因素对算法进行仿真研究。结果表明,未经误差补偿的动态解算结果可用于自动垂直钻井的方位角动态测量,只是其精度受倾斜角和方位角影响;经过误差函数补偿后,方位角解算精度得到显著提高,算法不再受倾斜角和方位角影响。理论计算、地面台架实验和垂直钻井现场实验均表明该算法有效可行,能够满足捷联式垂直钻井系统的井斜、方位角动态测量精度需求。