1、2022-3-301歡迎各位領導專家歡迎各位領導專家光臨指導光臨指導2022-3-302導向鉆井技術的發展與應用勝利鉆井定向井公司勝利鉆井定向井公司LIMIN QINLIMIN QIN2022-3-303一、引言一、引言 隨著科學技術的高速發展，特別是計算機技術的應用和發展，使自動化控制技術變得簡單和實用，鉆井技術也已經逐步向著自動化方向發展。垂直鉆井技術已經達到了井下閉環控制階段，基本實現了自動化鉆井。三維控制的定向井、水平井還沒有完全實現閉環控制鉆井。2022-3-304 自動化鉆井主要可分為兩種方式，即大閉環自動化鉆井主要可分為兩種方式，即大閉環控制方式和井下閉環控制方式。控制方式和井下

2、閉環控制方式。 2022-3-3052022-3-306淺釋淺釋l 就兩種控制方式對比，井下閉環控制應該更簡單和更準確，人們也是正向著這方向發展；但是井下閉環控制的井下工具研制技術也是比較困難的。l 特別是加入地質參數測量和衛星數據實時傳輸，基地建立油井地球物理模型，就可實現自動化地質導向鉆井。 2022-3-307組織機構2022-3-308二、導向鉆井技術的發展二、導向鉆井技術的發展 導向鉆井是從80年代開始逐步發展起來的具有革命性的鉆井技術，特別是旋轉導向鉆井技術是大位移延伸井軌跡控制的關鍵技術，它可以克服大位移帶來的高的摩阻和扭矩，是實現自動化鉆井的最關鍵的組成部分；又是解決垂直鉆井、

3、超薄油藏水平鉆井（近鉆頭井斜測量）的有效方法。 目前，國外已有許多公司研究和使用旋轉導向系統，我國目前僅處于理論研究與開發階段，隨著大位移井的研究和推廣應用，研究開發旋轉導向系統是非常必要的。2022-3-3091、井眼軌跡控制理論的發展、井眼軌跡控制理論的發展 井眼軌跡控制技術所要研究的對象是一個多目標的、具有多種干擾因素的復雜系統。在鉆井工程發展初期，該系統堪稱是黑色系統。隨著多方面理論的研究（包括BHA分析、巖石力學研究、地層作用分析、鉆頭分析等），在一定程度上提示了該系統內某些參數之間的相互聯系與作用機理，增加了系統透明度。就目前的認識水平來看，該系統尚屬灰色系統。 2022-3-30

4、10l 如果一個控制系統不受外界的隨機干擾而只受輸入的控制，則稱此系統為確定性控制系統。l 如果最優控制u*(t)是系統X(t)的反饋控制，則稱此控制為閉環控制閉環控制。l 若系統的輸出量對系統的控制作用沒有影響，不管當時系統處于什么狀態，控制規律都按控制函數u(t)執行，這種控制方式稱為開環控制開環控制。 控制的概念2022-3-30112、影響井眼軌跡控制的主要因素、影響井眼軌跡控制的主要因素 1、底部鉆具組合。 BHA的類型（滑動導向或旋轉導向的工具）、結構（鉆頭類型，穩定器個數、直徑，各跨長度、剛度等等）。2、底部已鉆井眼的幾何形狀（井眼的方向、空間位置以及井眼直徑等）。3、鉆井工藝參

5、數（鉆壓、轉速、排量、泵壓以及井下工具的狀態等）。4、地層因素。地層產狀（傾角、走向）；巖石各向異性；巖石類型、強度、地層壓力等。5、以上各種因素綜合影響下的鉆具動力學因素。包括鉆具、鉆頭的渦動、震動（跳鉆、周向扭振）等等。2022-3-30123、井眼軌跡控制技術的發展、井眼軌跡控制技術的發展 對于鉆井來說，增加BHA的可調特性和改變井下工具的工作狀態，在井眼軌跡控制系統中增設反饋環節，將會對提高控制精度、降低鉆井成本起到關鍵作用，這可能成為今后井眼軌跡控制技術的重要研究方向。A改變井下工具的工作狀態，實現導向控制改變井下工具的工作狀態，實現導向控制 目前廣泛應用的滑動導向鉆井技術，就是應用

6、單彎螺桿馬達或異向雙彎馬達（DTU），與泥漿脈沖MWD和PDC（也可以是牙輪）鉆頭配合，應用滑動或旋轉兩種方式鉆進，實現實時測量、實時控制的導向鉆井技術。2022-3-3013B增加井下控制機構，實現開環遙控增加井下控制機構，實現開環遙控 這方面的研究已經有很多的成果，如遙控彎接頭是比較早的實例。它可以改善鉆具組合的起下通過性能，減少阻卡；更重要的是通過遙控改變彎接頭的彎角值，以調整造斜率。2022-3-3014C增設井下控制裝置，實現閉環控制增設井下控制裝置，實現閉環控制 在BHA上連接特殊設計的裝置，增加BHA系統反饋環節，實現對某一鉆井過程中既定目標的自動閉環定量控制。在國外，用于井斜控

7、制的VDS-3系統（KTB計劃），斯侖貝謝公司的Power-V, 貝殼休斯公司的VertiTrak垂直導向系統。由于它們僅僅控制井斜，不需要軌跡計算，所以可以實現閉環自動控制。2022-3-30154、主要導向系統及分類、主要導向系統及分類旋轉導向系統兩維遙控變徑穩定器型HVGS、AGS、TRACKS三維靜止式導向系統VDS、ADD、RCLS、RNDS調制式導向系統SRD、RCLD撓軸（指向）式導向系統Geo- pilot滑動導向工具單彎動力鉆具異向雙彎動力鉆具固定偏心塊鉆具KOS、AKODTUEBS2022-3-3016滑動導向鉆井技術的發展滑動導向鉆井技術的發展 二十世紀八十年代以來，世界

8、各油田進入了開發后期，油藏開發難度世界上由鉆直井發展到了鉆定向井，在較長的一段時間內采用井下馬達（渦輪和螺桿鉆具），在很大程度上提高了定向井的鉆井效率，并且技術水平得到了很大的發展，包括鉆成了大批的水平井、套管開窗水平井（中曲率半徑水平井、小曲率半徑水平井），以及分支井等，螺桿鉆具起到了決定性的作用。 2022-3-3017 隨著測量技術的發展，特別是可靠的MWD無線測量系統的產生，各種形式的螺桿鉆具（單彎、雙彎、異向雙彎等）也相繼出現，所以，連續控制軌跡的導向鉆井技術就產生了。當然，這一階段的導向技術就是滑動導向鉆井技術，就是：PDC鉆頭螺桿鉆具MWD計算機系統。其關鍵問題是螺桿鉆具的壽命，

9、但是，國外在很短的時間內使螺桿鉆具的性能就達到了較高的水平，使用壽命可達到1000小時左右。Sperry Sun井眼平滑系統井眼平滑系統SlickBore 滑動導向的典范滑動導向的典范2022-3-3018遙控變徑穩定器的應用遙控變徑穩定器的應用進一步完善了滑動導向進一步完善了滑動導向鉆井技術鉆井技術1、解決了井隊職工干部長期以來，害怕使用穩定器起下鉆遇阻遇卡問題，從根本上消除了因拔活塞抽吸，造成的井眼垮塌、井噴等重大事故，解除了職工干部的思想壓力，保證了安全，能夠避免重大經濟損失。 2、完善了滑動導向鉆井技術，優化了定向井軌跡控制過程，在井下鉆具結構中增加了可控環節，使鉆具組合能夠進行地面控

10、制，從而有效地進行軌跡控制，減少鉆進過程中的摩阻和扭矩，這是當今鉆井技術發展的趨勢。2022-3-3019 3、可以有效地提高起下鉆速度，可以在高速起下鉆過程中不發生遇阻遇卡問題，減少壓力激動。井眼平滑、規則，為電測、下套管準備了良好地井眼條件，節約了大量的時間，在安全生產的前提下提高生產效率。4、在鉆進過程中，該穩定器可以達到真正“滿眼”狀態，具有很好地穩斜效果。配合馬達使用，消除了鉆具動力分叉和渦動現象，加之馬達和轉盤的速度差作用，可以在正常的鉆壓下鉆進就具有很好地防斜和糾斜效果，其作用機理完全不同于常規的鐘擺糾斜原理。 2022-3-3020l 旋轉導向鉆井技術在我國早期就有些理論上的研

11、究和發展。白家祉教授研制的套筒型方位控制器。但只能在某一條件下控制井斜方位。這些工具都不能形成旋轉導向鉆井系統，也可以算是我國旋轉導向鉆井技術發展的雛形。旋轉導向鉆井技術的發展方位器2022-3-3021由于特殊工藝井的大量出現，特別由于特殊工藝井的大量出現，特別是大位移延伸井（是大位移延伸井（ERD）的應用，）的應用，摩阻、扭矩問題制約了水平位移的摩阻、扭矩問題制約了水平位移的進一步延伸，滑動導向技術顯得無進一步延伸，滑動導向技術顯得無能為力了。所以旋轉導向鉆井系統能為力了。所以旋轉導向鉆井系統誕生了。人們進行了長期的研究，誕生了。人們進行了長期的研究，開始推出了遙控可變徑穩定器開始推出了遙

12、控可變徑穩定器（AGS、Tracks等），近年又推出等），近年又推出了井下閉環鉆井系統和旋轉導向鉆了井下閉環鉆井系統和旋轉導向鉆井工具及其系統（如井工具及其系統（如Auto track和和Power Drive和和Geo-pilot等）及地等）及地質導向鉆井系統。定向井鉆井技術質導向鉆井系統。定向井鉆井技術正在向自動化、智能化鉆井階段發正在向自動化、智能化鉆井階段發展。展。旋轉導向鉆井2022-3-30222022-3-3023l 隨著水平井、大位移井和海洋鉆井技術的發展，對井眼軌跡的控制提出了更高的要求。進入九十年代以來，國外幾家大的石油服務公司為了解決水平井、大位移井的鉆井問題，紛紛研究旋

13、轉導向系統，代表性的主要是Auto Trak、Power Drive和Geo- pilot井下閉環旋轉導向鉆井系統2022-3-30242022-3-3025Sperry Sun Geo- pilot2022-3-3026PowerDrive6752022-3-3027PowerDrive演示2022-3-3028l 國內西安石油大學等對旋轉導向鉆井系統進行了大量的研究，研制了近似Track系統的井下閉環變徑穩定器旋轉導向系統（XTCS），和仿Auto Trak井下閉環旋轉導向鉆井系統（正在研制樣機），以及對Power Drive井下閉環旋轉導向鉆井系統理論的研究。但是真正要投入生產還需要一段

14、較長的時間。 2022-3-3029l 為有效地控制井眼軌跡沿油氣層的最佳部位鉆進，為了更好的發現油氣層而需要隨鉆提供及時的和無泥漿污染的地層資料，為了提高鉆井速度和減少測井時間，研究和發展了帶地質參數的無線隨鉆測量系統，并在此基礎上發展和完善了地質導向技術。l目前世界上主要有三大定向井服務公司研究和生產這種系統，就是Halliburton Sperry-Sun、 、Baker Hughes、斯侖貝謝的Ana drill，其中，SPERRY-SUN公司于1983年在世界上首家推出具有實用價值的電阻率無線隨鉆測量儀，是國際上地質參數無線隨鉆測量應用最早的一家，也是目前該項技術最為成熟一家公司。其

15、產品技術先進、性能可靠，在國際定向井服務領域享有盛譽。 l另外，隨著井底閉環自動控制系統的研究和發展，結合FEWD系統形成了井底閉環控制、地質導航系統即全自動井底導航系統。這是當今石油鉆井史上的重大突破，代表了世界石油鉆井的尖端技術，達到了鉆井技術的最高峰。 2022-3-3030三、對三套導向系統的認識 三套系統都必須有一個穩定平臺作為參考坐標系，Auto track 的穩定平臺是不旋轉的短殼體，Power Drive 是不旋轉的心軸，Geo-pilot是長的不旋轉外殼。 Power Drive和Auto track都是通過調節每個導向滑塊伸縮量和側向力的大小實現對井斜和方位的調整，而Geo

16、-pilot是通過心軸的彎曲，使鉆頭產生偏斜和形成傾角，達到能夠造斜的目的。2022-3-3031Geo-pilot長的穩定平臺剛性高、直徑大，具有較大地井下不安全性，對泥漿性能和井壁穩定性的要求較高。 Auto track和Geo-pilot穩定平臺存在微小的漂移；Power Drive穩定平臺只是相對穩定，兩邊擺動的幅度可達到90，一定程度上影響了工作效率。2022-3-3032Power Drive和和Auto track都需要測向切削能力都需要測向切削能力較強的鉆頭較強的鉆頭而Geo-pilot沿用SlickBore鉆頭2022-3-3033旋轉導向鉆井的優 點更少的每桶成本更少的每桶

17、成本更少的進尺造價更少的進尺造價與與/或或與與/或或穩定的偏離穩定的偏離 由井下工具控制 無關于鉆頭扭矩. 避免調整工具面所遇困難定向時連續地轉動定向時連續地轉動更清潔井眼更清潔井眼 高井斜所帶來的困難由連續轉動的鉆桿所克服平滑的井眼平滑的井眼井眼的曲折由更好的定向所減少更少的磨阻更少的磨阻改善對鉆壓的控制減少卡鉆風險減少卡鉆風險 完井費用降低完井費用降低 作業更簡單作業更簡單油層中良好的定向更長的水平井段更長的水平井段 更少的開發井更少的開發井更長的大位移井更長的大位移井可接受的磨阻節省時間節省時間更快地定向 減少劃眼與與/或或更少的平臺更少的平臺2022-3-3034l優化鉆頭切削齒結構l

18、優化鉆井參數l鉆具連續旋轉l不因滑 動鉆進而降低機械鉆速l更好的 井眼清潔l更少的劃眼l機械鉆速的全面提高旋轉導向鉆井改善了機械鉆速2022-3-3035三、三、RNDSRNDS原理簡介原理簡介l 我公司利用人才和設備資源優勢，研究開發了一套地面控制旋轉導向鉆具系統，本系統與Baker Hughes IN-TEQ公司研制的井下閉環鉆井系統RCLS（Auto Track）的原理基本相同，都屬于靜止式旋轉導向鉆井系統；整個系統包括井下旋轉導向工具、地面計算機信息終端、井下MWD測量系統。由鉆井液脈沖信號控制，具有井下-地面雙向通訊功能。l 本系統設計原理和結構簡單，性能可靠，使用成本低，適應性強，

19、與國外同類型產品相比，具有其獨特的優越性。2022-3-3036力學原理圖力學原理圖合力方向旋轉軸非旋轉套筒2022-3-3037工作原理示意圖工作原理示意圖旋轉導向工具MWD上穩定器2022-3-3038結構原理示意圖結構原理示意圖彈簧鎖銷活塞爪非旋轉套筒凸輪凸輪銷信號孔板平衡活塞筒式斜面體2022-3-30392022-3-3040旋轉鉆井系統控制回路示意圖地面電腦監控頂驅或 轉盤鉆柱信息傳輸MWD探管 旋轉導向工具鉆頭數據工具面測量控制回路2022-3-3041RNDS結構特點結構特點l 靜止式旋轉導向鉆井系統（靜態可控偏心器）比調節式旋轉導向鉆具更容易實現井下控制，并且對鉆具不存在間歇

20、沖擊力，靜態合矢量方向可以精確控制；l RNDS系統與Bake Hughes公司的旋轉導向鉆井系統RCLS相比，雖然都是靜止式，但靜態可控偏心器結構原理有很大的區別，RCLS偏心器，具有復雜的油壓系統、穩定控制平臺、電子伺服機構和井下微電腦以及專門的測量系統等，結構復雜，導致可靠性差、故障檢查和維修困難，使用費用高等問題；而RNDS偏心器（CPD），只運用巧妙的機械設計，沒有復雜的旋轉穩定平臺，地面泵脈沖控制，且具有簡單的雙向通訊功能，現成的MWD測量系統，結構簡單、性能可靠，檢查、維修方便，使用成本相對低的多，可以大面積推廣應用。l 使用底部鉆具組合性能分析軟件BHA計算，該系統可以產生515/100m的造斜率。2022-3-3042用途和意義用途和意義1、這是我國首家研制開發的旋轉導向系統，進一步提高我們鉆井的技術水平