旋转导向钻井技术及Power-V导向系统介绍
摘要：旋转导向钻井技术主要指井眼轨迹自动控制的闭环自动钻井技术，是20世纪90年代初期发展起来的一项钻井新技术，代表着当今国际钻井技术的最新发展方向，对超深井、超薄油层水平井、大位移井、分支水平井等轨迹控制具有独特效果。本文分析了旋转导向钻井系统的技术特点，介绍了国内外旋转导向钻井系统的发展、应用情况。并详细介绍了斯伦贝谢公司旋转导向系统Power-V的组成和工作原理。
1.概述
所谓旋转导向钻井，是指钻柱在旋转钻进过程中实现过去只有传统泥浆马达才能实现的准确增斜、稳斜、降斜或者纠方位功能。旋转导向钻井技术的核心是旋转导向钻井系统，如图1所示。它主要由井下旋转自动导向钻井系统、地面监控系统和将上述2部分联系在一起的双向通讯技术3部分组成。旋转导向钻井系统的核心是井下旋转导向工具，旋转导向钻井系统主要由以下几部分组成：
①测量系统:包括近钻头井斜测量、地层评价测量，MWD/LWD随钻测量仪器等，用于监测井眼轨迹的井斜、方位及地层情况等基本参数。
②控制系统:接收测量系统的信息或对地面的控制指令进行处理，并根据预置的控制软件和程序，控制偏置导向机构的动作。
图1 旋转自动导向钻井系统功能框图
2.旋转导向钻井技术的特点
旋转导向钻井技术与传统的滑动导向方式相比有如下突出特点：
①旋转导向代替了传统的滑动钻进：一方面大大提高了钻井速度，另一方面解决了滑动导向方式带来的诸如井身质量差、井眼净化效果差及极限位移限制等缺点，从而大大提高了钻井安全性，解决了大位移井的导向问题；
②具有不必起下钻自动调整钻具导向性能的能力，大大提高了钻井效率和井眼轨迹控制的灵活性，可满足高难特殊工艺井的导向钻井需要；
③具有井下闭环自动导向的能力，结合地质导向技术使用，使井眼轨迹控制精度大大提高。
旋转导向钻井技术的上述特点，使其可以大大提高油气开发能力和开发效率，降低钻井成本和开发成本，满足了油气勘探开发形势的需要。
3．国内外旋转导向钻井系统发展应用情况
目前，国外旋转自动导向钻井系统研究、应用成熟的有3种（如图2）：Baker Hughes Inteq公司的Auto Trak系统，Halliburton Sperry-sun公司的Geo-Pilot系统，以及Schlumberger Anadrill公司的Power Drive系统。其中，旋转导向钻井系统形成了两大发展方向：一、不旋转外筒式闭环自动导向钻井系统: Auto Trak和Geo-Pilot；二、全旋转自动导向钻井统:Power Drive。
图2 国外3种旋转导向工具原理图
3.1 Auto Trak旋转导向钻井系统
Baker Hughes Inteq在1997年推出的Auto Trak。截止到2000年上半年，该系统已下井575次，井下工作时间累计7万小时，总进尺100万米。其6 3/4“系统创下了单次下井工作时间92h，进尺2986m的世界纪录，8 1/4”系统创下了单次下井工作时间167h，进尺3620m的世界纪录。
2000年8月，CACT公司在进行中国南海油田的1口侧钻水平井：HZ21一1一3SA井的1400m的定向井段的施工中，应用Auto Trak RCLS系统，结果只用了1.5d的时间就完成了用常规方式需要10d才能完成的定向井段的施工。2008年中石化西南分公司的HJ203H水平井在四开3755—5289m井段采用AutoTrak旋转导向钻井系统进行施工，机械钻速明显高于采用传统导向方式施工。
3.2 Geo-Pilot旋转导向钻井系统
Sperry-sun在1999年推出新一代的Geo-Pilot旋转导向自动钻井系统，在美国墨西哥弯地区应用近50口井次，取得了良好的效果。
胜利油田于1998年引进了Halliburton公司的“AGS可变径稳定器+地层评价随钻系统FEWD” ，并于2000年3月完成了胜利油田第1口位移超过3000m的海油陆采大位移水平井“埕北21一平1井”。2005年，中海油与Halliburton公司合作，在渤海的NB35-2油田水平分支井8-1/2〞井眼作业中，使用Geo-Pilot旋转导向工具，取得了预期的效果，完成了12口井作业。
3.3 Power Drive旋转导向钻井系统
CAMCO公司1994年研制开发了SRD系统。1999年5月，CAMCO公司与Schlumberger公司的Anadrill公司合并，其SRD系统注册为Power Drive，成功应用于现场。截至1999年底，该系统已下井138次，累计工作时间11610h，总进尺47780m。目前，世界上3口位移超过10000m的大位移井中，有2口应用了该系统。
2000年，PowerDrive SRD系统引入国内海上应用，在设计井深8800m，水平位移超过7500m的南海XJ24—3—A18井6871—8610m井段中成功应用。
4 Power-V简介
Power-V是斯伦贝谢旋转导向系统PowerDrive（如图3）家族中的一员。PowerDrive把旋转钻井条件下测得的井斜角、方位角和工具面角等数据上传到地面，地面计算机监控系统根据实钻井眼与设计井眼的相对位置来产生改变工具面角等参数的下传指令，井下微处理器分析脉冲信号加以识别，与储存在仪器里的指令对比后，由井下旋转导向工具执行指令。
图3 PowerDrive系统主要组成部分
4.1 旋转导向系统PowerDrive的优点
(1) 反映和降低了所钻井段的真正狗腿度，使井眼更加平滑。用泥浆马达钻进30m井段，滑动钻进15m，旋转钻进15m，井斜角增加4°，得到平均狗腿度4°/30m。实际上，旋转钻15m井斜角几乎没有变化；而4°的井斜角变化是由滑动钻进15m产生的，这15m的实际狗腿度是 8°/30m。而用Power-V在同一设置下打出的每米都是同样均匀和平滑的，减少了井眼轨迹的不均匀度，从而减少了在起下钻和钻进过程中钻具实际所受的摩阻和扭矩。
(2) 使用Power-V钻出的井径很规则。使用传统泥浆马达在旋转井段的井径扩大很多，而滑动井段的井径基本不扩大。这种井径的忽大忽小是井下事故的隐患，也不利于固井时水泥量的计算。
(3) 由于Power-V钻具组合中的所有部分都在不停的旋转，大大降低了卡钻的机会。使用传统泥浆马达在滑动钻进时除钻头外，其它钻具始终贴在下井壁上，容易造成卡钻。
(4) 在钻进过程中，由于Power-V组合中的所有钻具都在旋转，这有利于岩屑的搬移，大大减少了形成岩屑床的机会，从而更好的清洁井眼。这对于大斜度井、大位移井、水平井意义很大。
(5) 由于Power-V钻具组合一直在旋转，特别有利于水平井、大斜度井和3000m以下深井中钻压的传递，可以使用更高的钻压和转盘转速，有利于提高机械钻速。使用泥浆马达在大井斜的长裸眼段滑动钻进时送钻特别困难，经常是上部的钻杆已经被压弯了，而钻压还没有传递到钻头上，还常常引发随钻震击器下击，损害钻头寿命。
4.2 Power-V 组成部分和工作原理简介
Power-V主要有两个组成部分，它们分别是上端的Control Unit (电子控制部分，简称CU) 和下端的Bias Unit (机械部分，简称BU)。在两者中间还有一个辅助部分Extension Sub(加长短接，简称ES)。
(1)电子控制部分CU
CU是Power-V的指挥中枢，它内部有泥浆驱动的发电机，还有陀螺、钻柱转速传感器、流量变化传感器、震动传感器、温度传感器以及电池控制的时钟等等。它可以独立于外面的钻铤而旋转或者静止不转。
工作原理：开泵后，发电机发电，陀螺测量到井底的井斜角和方位角(即高边)，然后按照地面工程师的要求把其内部的电子控制部分固定在某一个方位上(即高边工具面角)，从而实现无论钻柱如何旋转，CU内部的控制轴始终对准在需要的方位上，这个方位加上一个校对值后就是地面工程师所需要的高边工具面角的反方向。如果需要调整这个控制轴的方位角，可以由地面工程师给Power-V发送命令，方法是：按照一定的时间编排方式，在不同的时间开不同的工作排量，CU内部的传感器探测到这个排量的变化后，由其内部的程序对其进行核对，如果与预先设定的某个指令吻合，就开始执行这个新的工作指令。
(2) 机械部分BU
BU是一个纯机械执行装置，主要一个泥浆导流阀和三个由泥浆推动的pad (推力块或者叫伸缩片)。这个导流阀与电子控制部分CU的控制轴相连，其方向由控制轴的方位而定。有2%~5%的泥浆首先经过这个导流阀分流，然后流向转到该方向上的某个推力块A，推力块A就伸出，推挤井壁，井壁对钻头产生一个反作用力，这就是所谓的钻头侧向力，从而把钻头推向地面工程师所需要的方位。该推力块A转过这个位置后，泥浆的液压作用就转向下一个转到这里来的推力块B，从而推力块B伸出。而推力块A则会在井壁对其的挤压下缩回去，周而复始，由此实现旋转导向功能。推力块在那个方位伸出、伸出次数的几率(百分比)都是由地面工程师通过电子控制部分决定的。对井壁推力的大小是由钻头压降决定的，可以由地面人员通过调节排量而进行控制（如图4）。
图4 PowerDrive盘阀控制机构示意图
(3) 加长短接ES
其内部装有一个泥浆滤网，负责过滤分流后驱动机械部分BU当中推力块(pad)的泥浆。
4.3 影响Power-V性能的有关因素和使用参数
(1)泥浆密度：它会影响钻头压降，必须在Power-V下井之前得到下一趟钻泥浆密度的平均值和可能的范围。其次还要知道进行水力计算所需的塑性粘度和屈服值。
(2)排量：在Power-V下井之前，必须得到井队泥浆泵可以提供的排量范围。每根仪器具体的工作排量由实验室确定。
(3)钻头水眼：根据上述各项数据进行水力计算，在总泵压允许的情况下，按照Power-V比较理想的工作压降选择钻头水眼，如果可能的话，兼顾钻头水马力。
(4)钻头压降：它决定着推力块对井壁的推力大小。压降太大会降低机械部分的寿命，甚至破坏机械部分；压降太小会降低Power-V的作用，达不到预期效果。它的工作范围为600～800psi，650～750psi 之间比较理想。需要根据当时井的具体情况选择一个合理值。一旦仪器下井，通常是通过改变排量来调节钻头压降。
(5)转盘转速。工作范围0～240r/min，转速太低，达不到预期效果；转速太高，则机械部分BU的磨损加快，需要根据当时井的具体需要而定。
(6)Power-V的性能与钻压没有直接关系。
(7)Power-V对牙轮钻头的要求比较简单：能够承受高钻压和高转速。对PDC的要求比较严格：保径部分要短，保径部分上必须要有切削齿，Taper要短，钻头总长度要短，等等。5.结论及认识
(1) 旋转导向技术和地质导向技术的结合提高油层暴露程度，大大提高油气资源勘探开发效率和钻井效率，降低钻井成本和勘探开发总成本，经济效益和社会效益十分显著。
(2) 旋转导向钻井配套特制的PDC钻头，可减少提下钻，大幅度提高钻速。
(3) 当前新疆油田每年钻大位移井、薄油层地质导向水平井、分支井的数量在增加，建议在各别区块引入旋转导向钻井技术。
(4) 目前国产的动力钻具还只局限于普通井下泥浆动力钻具，其它的如可变径稳定器、旋转导向工具、地质导向工具等国内还处于研究和实验阶段，旋转自动导向工具离国际水平相差甚远。
(5) 2009年我院的垂直导向钻井系统的实验成功为今后旋转导向工具的研制奠定了基础。
