现代导向钻井技术的新进展及发展方向

总结了导向钻井技术的进展历程 ,并指出现代导向钻井先进技术正在高速发展 ,近年又有许多新进展。中国应迎接挑战 ,加大投入 ,加速发展。指出了滑动导向钻井和所谓“复合钻进”存在许多弊端。旋转导向钻井时的摩阻与扭阻小、钻速高、钻头进尺多、钻井时效高、钻井周期短、井身轨迹平滑、极限井深可达 15km ,每米进尺成本低 ,是现代导向钻井的发展方向。现代导向钻井的关键技术是旋转导向钻井、几何导向和地质导向钻井。文章强调了地质导向的功能。着重阐述了旋转导向钻井的原理与控制理论 ,旋转导向钻井系统的 5大组成部分 ,旋转导向钻井工具的工作原理、结构类型及其进展现状和发展方向 ,并对加速发展我国的现代导向钻井技术提出了若干建议。

旋转导向钻井轨迹控制特性实验教学装置设计及应用

旋转导向是目前钻井技术的最前沿科技,也是定向钻井领域未来发展的主流方向。获取并展示旋转导向钻井行为对钻井人才培养及实现现场技术再次革新升级均有重大意义。为展示旋转导向钻井行为,基于相似性原理,研制旋转导向钻井轨迹控制特性实验教学装置,装置可展示旋转导向钻井系统的轨迹控制行为和揭示其控制特性,可评价不同导向钻井技术实施效果,提升学生导向钻井作业的工程实践能力,为科研人员揭示轨迹控制机理、开展科研创新提供保障。

电控半程旋转导向钻井工具研制与现场试验

半程旋转导向钻井技术,是将下部钻具与上部钻具的扭矩进行分离,上部钻柱低转速旋转送钻,下部钻具进行常规滑动定向钻进,可低成本、大幅度提高导向钻井的井眼轨迹控制能力和水平段延伸能力。基于此技术,研制了电控半程旋转导向钻井工具。该工具在常规滑动定向钻井钻柱的近钻头端安放电控半程旋转导向钻井工具,由地面信号下传装置发送钻井液负脉冲序列指令,工具接收指令后执行钻柱扭矩分离和结合动作。需要指出的是,扭矩分离后对反扭矩进行控制是该工具的关键技术,通常用钻柱与井壁的摩擦扭矩对抗反扭矩,但当扭矩激增时无法平衡反扭矩。电控半程旋转导向钻井工具通过增设抗反扭扶正器和吸扭储能总成,有效抵抗反扭矩、稳定工具面。电控半程旋转导向钻井工具已开展4井次现场试验。试验结果表明,该工具可大幅缓解托压,降摩减阻,提高钻压传递效率,具备反扭矩控制能力,扭矩分离后工具面保持平稳,机械钻速有所提高,具有推广应用价值。

地面钻柱扭摆导向钻井的理论建模及应用研究

在滑动导向钻井中,钻柱的扭摆可以将钻井过程中井眼与钻柱的静摩擦改为滑动摩擦,可有效减少钻探摩阻,并缓解滑动钻井中普遍存在的“托压”情况。基于滑动钻井技术,分区域构建了钻柱扭摆运动控制方程,通过理论模型研究扭摆角度(100°~600°)和扭摆速度(20~80 r/min)对扭摆深度、钻压及工具面变化的影响,并利用钻柱扭摆试验装置进行了试验。研究结果表明:随着扭摆角度、扭摆速度的增加,扭摆深度不断增加,钻压趋于平稳,扭摆减阻效果更好;过度增加扭摆角度、扭摆速度会造成工具面波动,影响钻井效率。现场应用结果表明,工具面平稳度高符合率达到96%,防“托压”效果明显,能够满足现场作业要求。研究结果可为钻柱扭摆导向钻井技术提供技术参考。

导向钻井稳定平台精确线性化控制

针对导向钻井稳定平台的强非线性、强扰动,致使传统控制算法难以实现高稳定性的角度输出问题,提出了一种基于反馈线性化的极点配置控制策略。首先,根据已知的平台非线性动力学方程,采用反馈线性化理论对该系统中的非线性因素进行精确线性化。其次,通过极点配置法设计期望极点,使系统动态性能达到期望效果。最后,在Matlab/Simulink环境中,搭建平台角度控制系统模型,对提出的控制算法进行仿真验证。仿真结果表明,上述控制算法相对传统PID算法有效的改善了系统角度稳定控制问题,并且在强扰动的作用下具有较强的鲁棒性,提高了系统的控制精度。

滑动导向与旋转导向钻井技术进展及发展对策

旋转导向钻井技术是实现油气钻井向数字化、智能化方向发展的核心技术,已经在国外定向井/水平井钻井中得到广泛应用,其核心装备旋转导向钻井系统也已成为油气钻井工程领域最重要的前沿装备之一。在介绍滑动导向钻井与旋转导向钻井技术原理和特点的基础上,分析了国内外旋转导向钻井技术的主要进展,提出了我国旋转导向钻井技术发展方向和发展路径。分析认为,随着油气勘探开发向更深层、更复杂的环境迈进,滑动导向钻井技术的提升空间有限,旋转导向钻井技术的应用将更加普遍;国内旋转导向系统与国外相比差距很大,需要加强旋转导向钻井井下闭环控制、随钻测量数据传输等基础研究,强化旋转导向系统偏置方式、测量控制方式、井下动力源驱动方式技术攻关,构建完善井下智能控制闭环、地下地面双向通信、井场总部远程监控“三环”高速畅联、相辅相成的软件系统,加快推进旋转导向钻井技术迭代升级和推广应用,实现我国定向井/水平井钻井方式从滑动导向为主向旋转导向为主转变,从而助力我国深层、深海和非常规油气勘探开发实现跨越式发展。

基于复杂地质建模的地震导向钻井技术及应用

强构造变形区增加了井眼轨迹设计和施工的难度,容易导致预测深度与实际深度相差甚远,同时,现有的地震导向钻井技术尚未成熟。针对上述问题,提出了基于三维地质建模的地震导向钻井方法及流程,高效准确地完成钻前地质评价、井轨迹设计和钻井实时校正。流程主要分为3个阶段:1)复杂地质建模,经过设置模型初始参数、断面建模和层面建模,得到精细三维构造模型,在此基础上生成储层敏感属性模型。2)三维井轨迹设计,根据属性模型反映的构造、储层和油气藏特征,并结合钻井工程需求,在三维属性模型设计并拾取井轨迹。3)创建“标志层倒三角逐层逼近法”进行速度-深度交互校正,利用施工井新钻遇的标志层深度校正速度体,使深度域三维模型逐渐接近真实地下模型,入靶点预测深度不断接近真实深度,及时指导钻进方向并规避风险。流程在实际应用中取得良好成效,预测深度误差率小于0.2%,工作效率提高5倍。

调制式旋转导向钻井工具稳定平台控制机构研究

深入研究了调制式旋转导向钻井工具中的稳定平台控制机构的结构原理和控制原理。介绍和分析了一种用井下涡轮发电机作为力矩发生器 ,通过调节其电磁力矩的方法来实现稳定平台控制的方法。在推导控制对象数学模型的基础上对控制系统进行了相应的计算机仿真 。

旋转导向钻井技术发展现状及展望

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。

旋转导向钻井技术研究新进展

井下旋转导向钻井工具是旋转导向钻井系统的核心部件,从应用情况来看,指向式旋转导向钻井工具是发展的趋势。为解决在钻大位移井、水平分支井等复杂结构井时出现的种种难题以及国内指向式旋转导向钻井技术的"瓶颈"问题,将理论与实践相结合,对旋转导向钻井技术的国内外研究现状做了分析;介绍了目前国内外运用比较广泛且典型的推靠式MRST和指向式Geo-Pilot井下闭环旋转导向钻井工具。在大量调研和文献分析的基础上,提出了研制与Geo-Pilot有所不同的新型指向式旋转导向钻井工具的思路,并着重论述了其结构与导向原理,总结出该指向式旋转导向钻井工具的特性与优点,提出了下一步的研究重点、难点与方向。

胜利油田水平井地质导向钻井技术

通过理论研究、仪器研制和软件开发,自行研制了具有自主知识产权的新型MWD、随钻自然伽马测量仪、随钻电阻率测量仪以及国内第一个移动式随钻自然伽马测井标准刻度装置,形成了地质导向双参数LWD仪器设计制造技术和地质导向钻井工艺配套技术。该技术在50余口井地质导向钻井中进行了成功应用,开发的最小有效油层厚度0.8 m,平均油层有效延伸率达94%以上,将井眼轨迹控制标准由原来几何导向的"工程中靶"提升为"地质中靶",降低了因地质目标不确定性而带来的钻探风险,为薄油层、厚油层顶部剩余油等复杂油气藏开发提供了技术支撑。

旋转导向钻井信号井下传送技术研究

对旋转导向钻井工艺中钻井液脉冲传输、电缆传输、声波传输、电磁波传输等常用指令传输方式进行了分析,选择钻井液负脉冲传输方式向地下传送地面指令,设计了地面钻井液负脉冲信号下传整体方案。综合考虑指令传输时间短、井下识别准确率高的原则,提出了改变泵排量的三降三升脉冲传输方式,优选出三降三升三进制负脉冲编码组合方式。通过检测发电机电流(频率)变化来实现井下信号接收。室内的实验测试证明,这一方式是可行的,并作为调制式旋转导向工具的一个子系统,开发了完整的指令控制系统软件。

页岩气地质工程一体化导向钻井技术

为最大限度地挖掘页岩储层潜力,提高水平井勘探开发效果,研究应用了页岩气地质工程一体化导向钻井技术,包括:在深化页岩储层认识和准确预测"甜点"的基础上,建立了精细三维地质模型;根据三维地质模型提取的地层参数进行井眼轨道优化设计;采用储层预测技术,落实目的层微构造变化,从而为水平段井眼轨迹预测提供地质依据;采用地质目标跟踪及轨迹调整技术,准确预测井底钻头位置,估算真实地层倾角并实时修正地质模型,确保井眼在储层中合理位置延伸。地质工程一体化技术在四川盆地NH2-4井进行了应用,确定水平段位置距优质页岩底界35.00m,校正真实地层倾角为6.48°,实时修正地质模型并调整井眼轨道设计参数,实现优质储层钻遇率94.5%。研究结果表明,页岩气地质工程一体化导向钻井技术,为页岩气开发提供了实用可行的集成技术。

Power V垂直导向钻井技术在普光7井的应用

四川盆地川东普光构造地层倾角大,特别是上部陆相地层,岩性多变,砂岩、泥岩、页岩互层频繁,井斜非常突出。被动防斜技术在川东普光高陡构造钻探过程中受其内在力学性质影响,无法实现防斜打快。而PowerV“全自动化”旋转导向垂直钻进工具,在钻进时会自动追踪井斜变化,自动设定和调整工具侧向力,使井眼轨迹快速返回垂直状态。在高陡构造地层钻进中,有效地解决了防斜和加大钻压之间的矛盾,可大幅度地提高钻井速度。以PowerV垂直导向钻井系统为代表的主动防斜技术,通过在普光7井的应用,证实了其在保证井身质量的前提下可最大限度地提高机械钻速。

导向钻井工具冗余姿态测量与系统重构方法

为实现调制式导向钻井工具井眼轨迹的精确可靠控制,导向钻井工具井下姿态的实时测量至关重要。针对恶劣工况下测量系统可靠性差的问题,提出了一种非正交四轴重力加速度计的姿态测量方法,给出了对应的姿态参数求解和信号有效性判定公式。针对小井斜状态下姿态参数测不准问题,提出了四轴重力加速度计初始倾斜安装的非正交测量方法,显著提高了测量精度。针对井下恶劣工况中加速度计易损易失效问题,提出了双冗余非正交四轴重力加速度计测量方法,给出了双冗余重力加速度计关联信号的相互转换公式,讨论了依据信号特征判定重力加速度计故障的方法及故障诊断流程,并据此建立了系统重构方案。水力驱动测试实验表明,工具姿态测量准确,控制平台角度位置稳定。

基于状态空间法的旋转导向钻井工具控制系统研究

调制式旋转导向钻井系统的工作特点是 :在导向工具与钻柱同步旋转的情况下 ,配置机构中 3个导向块在给定方位的伸缩动作可以产生导向钻井所需要的矢量力。因此 ,在调制式旋转导向工具中 ,就必须设置一个不受钻柱影响的、可以自动保持和调整工具面角度的稳定平台。对稳定平台控制系统进行了研究 ,建立了对象数学模型 ,提出了应用状态反馈法的稳定平台控制方案 ,以确保导向钻井过程中对各状态变量的控制要求。对闭环控制系统进行了相应的计算机仿真和功能试验 。

基于信号相似性的导向钻井下传信号处理方法

为了准确、高效识别导向钻井中以钻井液排量负脉冲间隔方式下传的指令信号,解决井下接收装置中指令识别和解释方法运算较复杂和误码率较高等问题,提出了一种基于信号相似性原理的信号识别处理技术。该技术通过比较各段采样信号幅值的自相关程度求取由钻井液排量脉宽所表示的导向钻井下传指令,并对井下采样信号按一定规律逐段比较,通过判断信号下传的开始点、解算信号各位的值和求取指令字等3个步骤,完成指令识别。给出了适合井下处理的递推式实用算法,设计了钻井液排量信号采集试验装置。研究和试验结果表明,利用该方法可简化运算程序、提高钻井液排量信号识别的可靠性和抗扰能力,特别有利于克服尖峰和周期干扰对计时求取的影响以及传输通道惯性及低频噪音对信号跳变沿判断的影响。

导向钻井稳定控制平台的反馈线性化控制

旋转导向钻井的稳定控制平台单纯采用PID控制时,控制性能与工具面角度的给定值有关。在某些角度下,平台会产生振荡旋转现象,无法实现工具面角度的稳定,使导向工具失去导向控制功能。分析表明,导致这种现象的主要原因是系统存在非线性偏心作用力矩,该力矩与工具面角度成正弦函数关系。基于反馈线性化原理,提出了平台系统的输出反馈线性化控制方法,消除了非线性因素的影响,实现了线性的闭环系统。仿真表明该方法可实现平台系统在钻井过程强扰动作用条件下的任意角度位置稳定控制。针对非线性偏心作用力矩不可直接测量问题,提出了一种基于系统运动姿态测量的偏心作用力矩在线估计方法,可有效减小估计误差所导致的控制性能劣化,并给出了一个在线估计的应用实例。水力驱动条件下的控制测试验证了基于偏心作用力矩在线估计的反馈线性化控制方法的有效性。

旋转导向钻井稳定平台控制对象动态特性研究

调制式旋转导向钻井系统中的稳定平台具有与一般过程控制对象完全不同的特殊结构和工作方式。钻铤内无固定支撑点的圆周旋转运动状态角的控制方法具有许多特点。通过试验对稳定平台对象的动态特性进行了深入研究,应用稳定平台试验中所采集到的动态数据及工程中常用的最小二乘法对稳定平台对象参数模型进行了辨识,并对辨识结果进行了对比分析。其动态数学模型可以用二阶Ⅰ型带一定纯滞后表示。不同数据组的辨识结果表明,所用参数估计方法具有良好的一致性。研究了对象特性中的一些非线性问题,并提出了相应的解决措施。

基于随钻地震测井的地震导向钻井技术——以塔里木油田哈拉哈塘区块缝洞型储集体为例

针对塔里木油田哈拉哈塘地区超深高温碳酸盐岩缝洞型岩溶储集层溶洞在三维空间归位不准确的问题,提出了陆地随钻地震测井(SVWD)和地震导向钻井(SGD)技术相结合的综合解决方案。地震导向钻井技术利用随钻地震测井获取的地层速度更新速度模型,对所钻目标体的三维空间位置重新归位,降低了目标体的不确定性。该方案应用于哈拉哈塘地区两口井,首次在国内陆上油田采集随钻地震数据,根据预测结果实时指导和调整钻井轨迹,两口井均顺利命中目标。实践证明该套技术方案在解决由于速度不确定性以及地质模型的不确定性导致的储集体归位不准确等难题时切实可行。