旋转导向系统研究现状与发展趋势

井眼轨道控制技术是石油钻井工程成套技术中的关键环节,旋转导向系统可在钻柱旋转钻进过程中根据地质和工程目标实时调整井眼轨迹,有效提高井眼轨道控制精度和钻进效率,进一步把钻井技术推向自动化、信息化的新阶段。国外历经近30年发展,已形成种类齐全化、功能多样化和尺寸系列化的旋转导向系统产品。文章通过对旋转导向系统的发展过程进行简单回顾和总结,特别是在对当前实现商业化应用的各种旋转导向产品性能特点分析、技术现状对比的基础上,提出推动我国旋转导向系统发展建议,以便于正确认识当前的技术现状、展望未来发展趋势和把握研究方向,为我国油气资源安全高效开发提供有力的工程技术支撑。

基于延时微分的旋转导向工具造斜率预测方法研究

【目的】旋转导向工具造斜率的准确预测是实现工具精准控制的前提,为掌握旋转导向底部钻具组合造斜率变化规律。【方法】根据工具结构特点,采用欧拉-伯努利梁方程法对复合式旋转导向工具底部钻具组合进行受力分析。通过结合底部钻具几何关系,得到各节工具转角与钻头预钻进偏角计算方法,并将旋转导向工具各节点与钻头间距离作为空间延时周期,最终建立基于延时微分的旋转导向底部钻具组合的造斜率预测模型。该模型综合考虑了工具本身几何尺寸与结构、与地层有关的钻头切削各向异性、钻压以及工具材料及内外径有关的抗弯刚度等参数对造斜率的定量影响。【结果和结论】研究表明:(1)该模型预测结果与斯伦贝谢成熟应用的基于有限元分析的钻具造斜率预测软件仿真结果具有良好的吻合度,预测结果差值均保持在0.5(°)/30 m以内,符合工程要求。(2)同时该方法还可在钻具姿态测量短节的实际测量数据基础上补偿钻头与测量单元间距带来的测量误差问题,为解决测量盲区提供一种新的途径。基于空间延时微分的造斜率预测方法为旋转导向系统底部钻具组合的结构优化及钻井参数优选提供理论依据和快速分析手段。建立的模型易于仿真和移植,在实际工程应用中可获取较好的实时响应,为基于数字孪生的旋转导向工具研发提供准确的钻具运动模型基础。

静态推靠式旋转导向系统偏置机构导向力仿真与分析

介绍了静态推靠式旋转导向系统的结构和工作原理,建立了旋转导向钻井工具的力学模型,得到了钻头处挠度和转角在导向合力作用下的计算式及工作状态下导向工具偏置导向合力与钻头处导向力之间的关系;利用三维建模软件SolidWorks建立了静态推靠式旋转导向钻井工具的三维模型,在ADAMS软件中建立有限元仿真模型,进行仿真后得到钻头处导向合力在工具面角、偏置导向合力等影响作用下的变化曲线关系,对比了在导向合力作用下钻头和翼肋处的偏置量与钻头转角的计算值与仿真值,验证了推导的力学模型中钻头转角和挠度曲线公式的正确性,理论计算值与ADAMS仿真数值解较为接近。在推导的芯轴的变形和钻头转角的基础下,若已知造斜率可以反向推导计算出所需要的导向合力,进而可以分解出3个翼肋上分力的大小即可以通过调控每个导向翼肋上的液压力来更加精确、实时地控制井眼轨迹,为静态推靠式旋转导向系统的偏置机构程序控制开发奠定基础。

水力振荡器与旋转导向系统兼容性分析

大位移井能够达到钻遇多套砂体的目的,增大井筒与储层接触面积,在油气田钻井中取得了显著的应用效果。水力振荡器和旋转导向系统单独应用于大位移井,能够提升钻井时效和定向控制能力,但两种工具同时使用的兼容性尚未得到分析和验证。本文基于水力振荡器和旋转导向系统的原理特点、结构类型及应用情况,分析了使用水力振荡器配合旋转导向系统使用时的兼容性优势并给出了现场应用案例证明。研究结果表明:两种工具配合使用可以将优势相结合,消除单独使用的问题,以更加稳定的低水平钻井参数获得更高的钻井效率。本文研究结果为现场水力振荡器配合旋转导向系统的使用提供了可参考依据,为大位移井钻井的提速提效技术提供了支撑。

随钻测井联合旋转导向作业技术

目前海上钻井作业日趋复杂,在水平井中需要在钻进过程中进行导向,以确保其始终保持在开发层中,尽管随钻测井(Logging while Drilling,LwD)技术已被广泛应用,但有时基于薄开采区上下厚度的限制,这种地质导向只能通过特定的设备(旋转导向)来实现,当井打到储层与非储层间交界处时,LwD可以检测到,由于有了旋转导向便可立即调整,非导向设备无法用于矫正井眼轨迹,因此需要使用LwD加旋转导向联合作业。基于此,本文就针对上述问题展开论述,以供参考。

475型静态推靠式旋转导向钻具组合的弯曲应力分布规律

旋转导向钻井系统(RSS)是定向钻井的核心装备.经过多年攻关,中海油田服务股份有限公司(简称中海油服)研制出了475型旋转导向钻井系统.为了降低该系统在高造斜率井段的疲劳失效风险,本文采用纵横弯曲梁理论建立了475型静态推靠式旋转导向钻具组合(RSBHA)力学分析模型,模拟分析了RSBHA的弯曲应力总体分布规律、最大弯曲应力影响因素及变化规律.研究表明,限定导向头结构参数条件下,适当加长挠性短节并合理调控钻压和导向合力有助于获得较高造斜率并降低BHA(Bottom-Hole Assembly,底部钻具组合)最大曲率和弯曲应力,最终降低挠性短节疲劳失效风险.研究成果能够为提升该系统的工作能力和安全可靠性提供支持.

PDC钻头对推靠式旋转导向工具的适配性

针对使用推靠式旋转导向工具配套PDC钻头钻井过程中出现造斜率不达标的问题,进行PDC钻头切削结构对推靠式旋转导向工具适配性研究。基于纵横弯曲连续梁理论,考虑井径扩大率对工具的影响,建立推靠式旋转导向工具BHA力学分析模型,再结合PDC钻头与地层相互作用模型,提出以井斜趋势角作为评价推靠式旋转导向工具与PDC钻头适配性的指标,定量分析钻头结构参数对推靠式旋转导向工具造斜能力的影响,并进行相关试验。结果表明:随着PDC钻头内锥深度变浅、冠部高度变短,旋转导向工具造斜能力越强;PDC钻头切削齿后倾角越大、摩擦角越大,工具造斜性能越强;PDC钻头保径对工具造斜能力影响较大,钻头主动保径和被动保径面积越小,工具造斜能力越强;钻头被动保径刀翼越窄,工具造斜能力越强;当钻头保径总长一定时,随着主动保径与被动保径面积比值变小,工具造斜能力呈先增加后减小,存在最佳主动保径与被动保径比例使推靠式旋转导向工具造斜能力达到最大;模型井斜趋势角的预测值与试验值基本一致,最大误差仅为6.71%,验证了本文所建立模型的准确性。

旋转导向系统及其控制方法研究进展

旋转导向系统是定向钻井技术中一颗璀璨的明珠,是实现油气资源低成本、高效开发的重要技术手段。首先阐述了旋转导向系统的基本结构,根据不同的导向方式和偏置效果可分为静态推靠式、动态推靠式、静态指向式、动态指向式、混合式五大类,并逐一分析其定向原理;其次根据国内外旋转导向系统技术研究及应用情况,系统分析了推靠式、指向式、混合式的发展现状,归纳分析了不同技术的优缺点;同时从现代控制、智能控制、复合控制3个方向梳理总结了旋转导向控制系统控制策略的基本情况进展;最后,讨论了我国未来旋转导向技术的发展方向和控制系统设计所面临的难点问题以及解决思路。指出:(1)我国应该完善现有的推靠式和指向式系统,提升系统造斜率、稳定性、自动化和智能化程度,开展导向技术、双向通信、井下闭环控制等配套技术的研究,进一步提升系统的工业化应用能力。(2)开展混合式旋转导向系统地面监控、双向通讯、随钻测量和井底钻具组合四大子系统的理论研究。(3)针对钻井环境多样化、控制能力精细化和控制需求智能化等诸多挑战,提出今后控制技术研究应重点关注3个方向:多种控制方法的综合应用、对复杂环境和未知挑战的自适应容错能力、基于智能技术的决策/控制一体化。本研究为我国未来旋转导向系统的研制和完善提供有益的参考;对控制系统而言则在多种控制方法综合发展基础上结合人工智能技术,形成一套能够有效应对未来挑战的控制策略。

随机加权渐消UKF在导向钻井姿态测量中的应用

针对近钻头钻具易受井下强振动等随机噪声的影响,使得导向钻具姿态动态测量误差较大的问题,提出一种随机加权渐消UKF算法并应用于导向钻井姿态测量系统。通过Sigma点获取状态估值和协方差矩阵,采用随机加权因子动态调整不同时刻残差向量的权值;再用渐消因子实时调节滤波增益,限制滤波器的记忆长度,有效利用最新量测信息对状态更新的影响调整预测误差协方差阵。将提出的算法应用到导向钻具姿态测量系统进行验证,结果表明,所提算法解算后得到的井斜角误差控制在±0.25°以内,工具面角误差控制在±1°以内,与标准EKF和UKF相比,井斜角解算误差和工具面角解算误差均降低了50%以上,能有效提高导向钻具动态测量精度。

煤矿井下智能化钻探配套钻具研究进展

作为智能化钻探的重要组成部分,钻具系统的智能化对煤矿井下钻探的智能化发展起着至关重要的作用。为深入探究智能化钻具的发展方向,结合石油天然气行业发展经验,从定向钻具、随钻测量系统以及智能化钻杆、钻头等方面系统梳理了煤矿井下智能化钻探配套钻具的研究成果与技术特点,总结了存在的不足。指出目前煤矿井下智能化钻探定向钻具多以螺杆马达为主,主要研究集中于螺杆马达的线形设计、定子橡胶抗疲劳研究与不同工艺个性化定制,旋转导向钻具的开发与石油天然气行业存在较大差距,仅处于起步阶段;随钻测量系统可监测参数较少,监测的数据以轨迹参数为主,逐步加入了伽马地层识别,数据传输以有线与泥浆脉冲方式为主,存在数据容量小、传输效率低的问题,无线电磁波方式传输距离较短,仅能满足500m以内钻孔;智能化钻杆研究主要为通缆钻杆的优化与改进,智能化钻头的研究尚未开展。为实现煤矿井下智能化钻探,提出开展以旋转导向为主,多种定向钻具综合运用的钻具定向系统研究;随钻监测系统应集成瓦斯监测、地下水探测及地应力感知煤矿钻进特种需求的功能,并配合多种传输方式并存的随钻测量系统研究以适配不同钻进工艺,同时提升传输速率,实现信息高速双向传输;开展载荷自监测的智能化钻杆与破岩参数自监测的智能化钻头研究。通过钻具系统的优化组合,形成集高效破岩钻进、钻孔轨迹动态调整、钻具自身状态监测以及瓦斯与地下水、地应力实时监测功能于一体,具备双向通信、自适应调控的智能化钻具系统。上述研究成果将丰富对煤矿井下智能化钻探配套钻具系统的全面认识,为智能化钻探配套钻具系统的后续开发提供依据与指导。

新型智能旋转导向工具在南海东部探井的应用分析

[目的]为满足南海东部勘探钻井数量和完钻深度逐年增加情况下,垂直钻井和定向钻井对井眼轨迹控制高的要求,确保钻井井眼轨迹质量,解决前期定向井工具定向能力不足的问题,积极推动“一趟钻”工程。[方法]通过对非动力及动力定向井工具的技术原理和作业优缺点进行比较和分析,结合作业需求和工具特点,优选了智能推靠式旋转导向工具iCruise,该工具系统定向能力强、耐高温,坚固的机械设计和高强度材料使其可在恶劣环境中使用。[结果]优选的旋转导向工具iCruise在南海东部十余口探井进行了成功应用,不仅满足复杂结构井的精准定向要求,而且大幅度提高了效率。[结论]本研究为定向钻井作业积累了经验,也为旋转导向工具的国产化提供了建议。

“璇玑”推靠式旋转导向工具导向力优化的研究和应用

中海油田服务股份有限公司(以下简称中海油服)自主研发的“璇玑”系统旋转导向工具Welleader是典型的推靠式旋转导向。它依靠支撑翼肋推靠井壁,通过控制翼肋推力的合力实时进行导向作业。但是,在旋转导向钻进过程中,由于翼肋一直推靠井壁,翼肋与井壁之间存在摩擦阻力,会影响钻压传递效果,加重钻柱受力载荷,不利于提升钻井速度和保障井下工具安全。为了缓解Welleader托压问题,通过优化导向力控制算法,调整翼肋输出推力组合,在控制方式上进行优化,并通过现场实钻试验,研究导向力优化算法的应用过程和效果。中海油服通过优化导向指令,在一定程度上缓解了推靠式旋转导向托压问题,在较低导向力实施环境下具有良好的应用效果。

旋转导向井下发电机涡轮设计及性能测试

为满足井下紧凑的空间和特殊的叶片设计需求,对涡轮发电系统中的关键部件涡轮进行优化和性能预测。涡轮叶片采用一元流理论进行叶栅设计,借助参数化造型建模方法、运用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件对井下涡轮进行全三维粘性流场数值分析和性能预测。实验表明涡轮转速范围在2 000~5 000 r·min^(-1),排量范围在600~850 L·min^(-1),功率大于500 W,满足设计要求。

“璇玑”推靠式旋转导向工具在直井中的应用

Welleader是中海油田服务股份有限公司自主研发的“璇玑”系统推靠式旋转导向工具,其在工作时使用3个独立翼肋持续推靠井壁,依靠井壁的支撑产生偏置,从而进行导向作业。常规Welleader通过重力加速度表进行导向作业,但重力加速度表在垂直状态下的测量误差较大,导向执行效果差。而装配了磁通门的Welleader由于不受重力影响,具备更加精准的直井造斜能力。目前,Welleader在2种导向模式下的作业经验较少,无法对其作业能力进行系统对比和评估,对其直井作业能力认识不清晰。因此,文章分析了装配了磁通门和重力加速度表的Welleader在某试验井的12-1/4"井眼中多个直井造斜和降斜打直井段中的应用,通过整理和分析重要实钻试验数据,综合阐述了该工具在2种导向模式下进行直井相关作业的准确性和可靠性,以期为后续相关作业提供参考。

静态推靠式旋转导向控制模型与造斜率预测方法

推靠式旋转导向工具的防斜、稳斜能力强,能基本满足复杂地层安全高效钻进的需要,但目前的造斜率预测方法没有考虑推靠块控制方式及钻进过程的影响,存在造斜率预测精度低的问题。为此,考虑导向工具的结构特性,建立了静态推靠式旋转导向控制模型,给出了可靠的导向力控制方案,利用下部钻具组合力学模型及钻头–地层相互作用模型,得到了基于零侧向钻速条件下的造斜率预测模型,并引入折算系数对造斜率预测结果进行了修正。实例计算及敏感性分析结果表明,该方法预测精度高,能够满足井眼轨迹精确控制的需要;导向合力、钻压、钻头与稳定器的距离对推靠式旋转导向工具的造斜能力影响显著,现场施工时为了充分发挥导向合力的作用,要适当减小钻头与稳定器的距离、降低钻压,以提高旋转导向工具的造斜能力。研究结果为旋转导向钻具组合优选、钻井参数优化等提供了理论依据。

旋转导向用ϕ114.3 mm有线随钻测量钻杆设计及应用

为了满足旋转导向对钻杆实时传输数据的要求,通过结构设计、数值模拟、室内试验和现场综合试验相结合的方法,设计并研制了ϕ114.3 mm有线随钻测量钻杆,提高了接头整体抗扭强度和抗拉能力;螺纹采用大锥度设计,有效适应了井下机械手自动拧卸钻杆操作;通缆装置采用非对称曲面结构,提高了钻杆整体过流面积。试制的ϕ114.3 mm有线随钻测量钻杆在唐家会旋转导向施工中进行了现场试验,累计进尺2421 m。现场试验结果表明:钻杆力学性能稳定,信号传输可靠,满足旋转导向钻进对信号实时、双向传输的需求。

井下通信线圈的谐振频率自适应检测技术研究

常规旋转导向的井下无线短传是磁耦合式定频传输的,存在通信线圈的谐振频率随环境变化的现象,容易导致接收信号强度随钻进过程浮动,严重时可能收不到信号,甚至造成乱码。本文提出了基于自动窗口算法自适应检测井下通信线圈谐振频率的技术,先从井下通信线圈谐振频率自检原理入手;然后对比4种自适应选频算法,确定自动窗口算法是更合理的自适应选频算法;最后采用自适应选频和扫频2种方法,对定制的两批井下线圈进行谐振频率检测,论证了自动窗口选频技术的可靠性。该技术能够自动适应井下环境,为井下无线短传提供可靠的谐振频率参数。井下旋转变压器的电能传输效率与谐振频率密切相关,该技术也可推广至井下旋转变压器的变形设计,优化钻进过程的电能传输效率。

“璇玑”推靠式旋转导向井下特殊工况的钻进效果研究

中海油田服务股份有限公司自主研发的“璇玑”系统旋转导向Welleader是典型的推靠式旋转导向,其依靠翼肋推靠井壁,通过控制翼肋推力的合力实时进行导向作业。然而,在实际作业中存在液压推力单元故障的风险。文章分析和探索Welleader单个液压推力单元失效后继续钻进的可能性和可行性,并给出相关建议。通过分析实际作业案例发现,尽管Welleader在单个液压推力单元失效后导向能力降低,但仍具备导向钻进能力。在适当的控制和干预措施下,可以尝试继续钻进或完成作业。研究对典型的推靠式旋转导向Welleader、AutoTrak钻进具有重要的借鉴价值。

Investigation into phantom downlinks and development of a prevention algorithm in rotary steerable system

This paper investigated the failure cause of phantom downlinks of a flow rate detection mechanism in a rotary steerable system and developed a prevention algorithm.Downlinking is the process of controlling a drilling tool from the surface by sending commands to downhole.Directional drillers send downlinks to the rotary steerable system to adjust steering parameters to achieve the desired well plan.The downlink demodulation of downhole tools is achieved through the measurement of flow rate and correlation of waveform with predefined command models;downlink acceptance is based on the correlation rate.One case study revealed that phantom downlinks were due to the variation of turbine rotation speed,which was the result of alternator load changes.A prevention algorithm of conducting a signal energy check was proposed and implemented.The algorithm can successfully prevent phantom downlinks that are usually of low-level energy and only accept authentic downlinks.The work improved the downlinking reliability of the rotary steerable system.This methodology can be further applied to other downlink demodulation mechanisms using collar speed or pressure measurement.

“璇玑”系统钻头选型研究

“璇玑”系统是中海油服自研旋转导向及随钻测井系统,目前已经完成1000口井的作业。为了使“璇玑”系统保持竞争力并得到进一步推广,“璇玑”系统配接的钻头选型至关重要。基于“璇玑”系统导向工具的结构特征和导向机理,阐述钻头选型的原则和方法,从“璇玑”系统应用角度提出适合该系统应用的钻头选型方法,并通过实钻实验分析得到钻头选型的特征参数,从而总结出“璇玑”系统在钻头选型方面的原则,可为“璇玑”系统推广应用提供技术参考和理论依据。