自动垂直钻井技术进展

垂直钻井技术是当今深部油气钻探、科学钻探钻井技术难点之一,垂直钻井技术对于深井、超深井、复杂结构井、万米科学钻探井等钻井作业中有着重要作用,它具有减少套管层次、提高钻井机械钻速、减少复杂事故的优点。自动垂直钻井系统是一种先进的高技术含量钻井工具,可主动纠斜,且防斜打直效果不受钻压的影响,有利于充分提高机械钻速,并获得优良的钻井轨迹,特别适用于高陡构造地层和自然造斜能力较强的深井、超深井、复杂结构井、科学钻探等的垂直井段钻探。基于此,调研了国内外的主要自动垂直钻井系统,重点介绍了其主要组成部分和相应的工作机理和技术特点,分析了他们的优缺点,并介绍了现场主要使用情况,有利于该技术的进一步研究和应用,并提出了未来自动垂直钻井技术发展的方向。

自动垂直钻井系统BHA力学分析的二维模型

为了指导自动垂直钻井工具的研究开发和现场应用,并且为自动垂直钻井系统底部钻具组合的优化设计提供理论依据,在充分调研自动垂直钻井系统的结构特征、工作原理的基础上,结合自动垂直钻井工具的BHA的一维力学模型,用纵横弯曲法建立了加装自动垂直钻井工具的BHA的二维力学模型,得到了自动垂直钻井系统的BHA的二维力学方程。确定了钻头和上切点处的边界条件,推导出了钻头侧向力和钻头转角的计算公式,应用建立的力学模型能准确地计算出稳定器支点的内弯矩和梁柱各点处的挠度。同时,也可计算出一定工作条件下的钻头侧向力和钻头转角,通过研究钻头侧向力和钻头转角随钻进参数的变化规律可以分析钻进参数对自动垂直钻井工具造斜能力的影响规律,为自动垂直钻井工具的现场使用提供理论依据。

自动垂直钻井系统BHA力学分析的一维模型

为了指导自动垂直钻井工具的研发和现场应用,并且为自动垂直钻井系统底部钻具组合的优化设计提供理论依据,在充分调研自动垂直钻井系统的结构特征、工作原理的基础上,用纵横弯曲法建立了加装自动垂直钻井工具的BHA的一维力学分析模型,建立了自动垂直钻井系统的BHA的普遍力学方程。确定了钻头和上切点处的边界条件,推导出钻头侧向力和钻头转角的计算公式。应用所建立的力学模型能准确地计算出稳定器支点的内弯矩和梁柱各点处的挠度,同时也可以计算出一定工作条件下的钻头侧向力和钻头转角,通过分析钻头侧向力和钻头转角随钻进参数的变化规律可以分析钻进参数对自动垂直钻井工具造斜能力的影响规律,为指导自动垂直钻井工具的现场使用提供理论依据。

国产自动垂直钻井系统的改进与优化

高陡构造及岩性变化复杂条件下的井斜问题一直是困绕钻井工作者的一大技术难题。中国石化南方探区河坝、普光等构造的岩性变化频繁,地层倾角大,自然造斜力强,井斜控制十分困难,极易发生井斜,严重制约了钻井速度的提高。国外自动垂直钻井系统在该地区进行了多井次的应用,效果良好,在控制井斜的同时大幅度提高了钻井速度,较好地解决了钻速提高与井斜控制之间的矛盾。但国外自动垂直钻井系统服务价格昂贵,钻井成本居高不下。为了降低钻井成本,决定在该地区应用中国石化自主研发的捷联式自动垂直钻井系统。然而,该系统在之前的现场试验过程中暴露出降斜、提速效果不明显等问题;经过原因分析,对系统进行了进一步的改进与优化,之后又进行了2井次的现场试验,显示出非常好的防斜打快效果,为系统的推广应用打下了坚实的基础。

φ311mm自动垂直钻井系统在宣页1井的应用

宣页1井的地质构造具有地层倾角大、各向异性、可钻性差及自然造斜能力强等特点,采用多种传统防斜钻具组合钻进,依然无法较好地防止井斜。为此,研制了φ311 mm自动垂直钻井系统。该钻井系统包括稳定平台及防斜纠斜执行机构2部分,可以有效解决高陡构造及大倾角地层的防斜打快问题,能够完全释放钻压,在保证井斜精度的前提下,可大幅度提高机械钻速,缩短钻井周期,降低钻井成本。该系统在宣页1井的应用中总进尺210.88 m,纯钻时间64 h,机械钻速3.29 m/h,与传统钻具相比,钻速提高114%,并收到明显的纠斜效果。

捷联式自动垂直钻井系统稳定平台模态分析

稳定平台是捷联式自动垂直钻井系统的核心。捷联式自动垂直钻井系统直接安装于钻头上方,钻头和钻柱的动态振动对稳定平台的正常工作与动力学性能有很大的影响。采用有限元仿真方法,根据稳定平台的安装特点及实际结构,建立振动分析的有限元仿真模型,对稳定平台的振动模态进行了分析;对现有结构设计进行合理评价,为设计优化提供理论依据。

Amphion自动钻井控制系统介绍与应用

Amphion钻井系统是美国国民油井华高公司(NOV)研发出来的一套电子自动钻井控制系统,也是目前世界上最先进的钻井操作系统。介绍了Amphion自动钻井控制操作系统的发展历史及其基本的控制原理;通过现场的实际操作运用情况,分析了这套自动钻井系统的优点及存在的不足,给今后使用此类钻井系统的石油钻井工作者提供参考和借鉴。

捷联式自动垂直钻井系统用逆变器脉宽调制方法优化

捷联式自动垂直钻井系统是一种能够有效解决"防斜打快"这一钻井技术难题的机电液集成钻井装置,永磁同步电机控制系统是其实现电控液压导向功能的重要组成部分。针对井下高温环境中永磁同步电机控制系统供电电压宽范围变化时,逆变器损耗与窄脉冲抑制问题,本文提出了一种开关频率在线调整的最大脉宽矢量调制方法(MPW-SVM),将6个60°大扇区细分为12个30°小扇区,实现最大脉宽调制的零矢量最优分配,能够在极端电压时有效避免窄脉冲且又能够抑制开关损耗。同时,根据调制度的变化采用模糊逻辑规则实现开关频率的在线调整,从而兼顾正常电压时电流纹波的抑制。实验结果表明了该方法的有效性。

自动垂直钻井系统大功率开关电源的研制

针对以泥浆发电机为供电方式的自动垂直钻井系统,需要大功率电源系统来驱动随钻测量仪器与液压动力组件,为了适应较宽的泥浆发电机电压输入范围,并在提供大功率、高稳定性的基础上满足井下高温环境工作要求,研制出了一种额定功率为200W的移相全桥(ZVS)软开关电源,性能稳定可靠、电能效率达到92%。

μC/OS-Ⅱ在井下自动垂直钻井系统中的应用

石油行业井下自动垂直钻井系统嵌入式控制软件中既有少数实时性要求高的任务,也有多个非实时慢速任务,为解决软件中多任务并存、调度复杂的设计难点,以TMS320F2812为硬件平台提出了一种将μC/OS-Ⅱ系统应用于自动垂直钻井系统控制软件的设计方案,软件采用了面向对象的设计方法,设计中在对执行的任务及优先级综合分析的基础上建立了多个TASK,并对消息队列和信号量的应用进行了重点说明,试验结果表明,软件运行正常、可靠,软件中的多个任务有序协调运行,快速任务能够确保其实时性,慢速任务也能按照预期规划执行,整个系统功能、性能达到了预期目标。

自动防斜钻井系统控制策略的研究

分析了自动防斜钻井系统的结构和控制原理,研究了其控制方法。当井斜角超过额定值时,井下微处理器控制可控稳定器工作,产生降斜力以减小井斜角,达到纠斜的效果。纠斜后允许井斜角的大小控制在0°和最大允许井斜角之间。可控稳定器的打开方式、状态调整方式和关闭方式是控制系统建模和仿真的理论基础。

捷联式自动垂直钻井用数字RDC的设计与标定

永磁同步电动机位置伺服系统是捷联式自动垂直钻井系统实现电控液压导向功能的关键组成部分,其中位置传感器通常采用具有高可靠性的旋转变压器以适应井下高温、振动和干扰等复杂恶劣环境。本文针对当前轴角变换器芯片无法满足钻井作业中高温环境的问题,提出了一种基于DSP的数字RDC实现方案,并利用高精度光电编码器对其进行数字标定与补偿,实验结果表明:经误差补偿后,本文所设计数字RDC精度为30',能够满足井下位置测量需求。

Φ311垂直钻井系统原理及应用

传统的高陡地层钻井防斜纠斜方法无法经济、高效地解决在大倾角、陡构造、断层、地应力异常等地层的防斜打快问题。通过对垂直钻井系统的结构、工作原理及现场应用等情况分析,认为311垂直钻井系统是一种集机电液一体化的井下智能自动垂直钻井系统。应用结果表明,该系统各项指标均达到设计要求,满足了高陡易斜难钻地层防斜打快的技术要求。

自动垂直钻井技术发展及应用现状

钻探工程中,井斜一直是制约钻进速度和钻孔质量的重要因素,特别是高陡构造地层条件下,突出的井斜问题不仅造成机械钻速低,钻井周期长,钻井成本高,有时甚至成为能否顺利进行钻探施工的关键因素。自动垂直钻井系统的出现使得井斜控制技术有了质的飞跃,可实现井下主动防斜纠斜,不需要人为干预而自动调整井眼轨迹。在调研分析国内外垂直钻井系统发展及应用现状的基础上,对自动垂直钻井系统的研发重点及难点进行了总结分析,并展望分析了其发展趋势及前景。

智能化自动垂直钻进系统设计方案

由于地质条件及工艺等各种因素的影响 ,还没有方法保证钻孔的偏斜率不超过某一个值 ,实现这一目标唯一的方法是加密测斜 ,并及时纠斜。该文介绍了自动垂直钻进的初步设计设想 。

基于自动垂直钻井工具的非接触式电能传输系统

针对以泥浆发电机为供电方式的自动垂直钻井工具,提出了一种大功率非接触式电能传输系统。利用电磁感应原理与变压器理论,结合高频逆变技术实现了钻井工具中的电能从转子到定子的非接触式的耦合传输,并满足井下近钻头处随钻仪器设备的大功率供电需求,性能稳定可靠、电能效率达到80%。

井下外磁转子式涡轮发电机设计与试验研究

为了满足自动垂直钻井系统涡轮发电机寿命及功率需求,采用理论计算方法和仿真分析方法确定井下外磁转子式涡轮发电机电气参数,建立仿真分析模型,进行电磁场、场路耦合以及温度场分析,对发电机电磁特性、损耗以及温度变化进行数值模拟。理论计算和数值模拟结果表明,发电机输出功率达到设计额定功率800 W,在额定转速下的最大功率输出时定子稳态温升23℃。利用现场试验对理论计算与仿真数据以及发电机寿命进行验证,试验结果为额定转速下最大输出功率1 000 W,稳态定子温升20.5℃,仿真与试验数据基本吻合,发电机运行320h后仍能正常工作。研究表明,井下外磁转子式涡轮发电机功率输出性能达到设计目标,可以为井下各类仪器设备用电源提供技术保障。