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美国自动旋转导向钻井工具结构原理及特点
现有的滑动式导向钻井工具在定向钻井,特别是在大位移井及长距离水平井的使用中暴露出不少缺点与不足。自动旋转导向钻井工具可以弥补这些缺点,是目前定向钻井工具发展的一个热点及方向。笔者据此介绍美国三家公司的自动旋转导向钻井工具的结构原理及特点。现有定向钻井工具的缺点和不足
　　迄今为止，定向钻井技术经历了三个里程碑：①利用造斜器（斜向器）定向钻井；②利用井下马达配合弯接头定向钻井（造斜率是弯接头弯角、井下马达刚度和地层岩石硬度的函数）；③利用导向马达（弯壳体井下马达）定向钻井（弯角点离钻头的距离近得多，因此产生的造斜率大）。
　　目前这三种定向钻井工具在世界各地被广泛使用，并促进了定向钻井技术的快速发展，使得今天人们能够应用斜井、丛式井、水平井技术开发油田。
　　随着石油工业的发展，为了获得更好的经济效益，需要开发深井、超深井、大位移井和长距离水平井，而且常常要在更复杂的地层，如高陡构造带钻井。这些都对定向钻井工具提出了更高的要求。目前以井下马达为主的定向钻井工具已不能满足现代钻井技术的要求，主要存在以下缺点和不足。
　　（1）利用井下马达导向时是滑动钻进，钻柱弯曲比旋转钻进时严重，井壁与钻柱间的轴向摩擦力大，使钻压很难加在钻头上。在大延伸井和水平井中这一情况更严重，在极端情况下会造成钻柱屈服，因此它限制了水平井和大斜度井的深度。
　　（2）在地面对井下马达进行扭方位操作时，旋转摩擦、钻头扭矩、钻杆的扭转弹性变形等都妨碍了工具面的控制，从而影响井下马达在大斜度井和水平井中的使用。
　　（3）在导向钻进时，钻柱的扭转弹性变形会引起工具面角不稳定，从而导致井眼轨迹扭曲，进一步加大钻柱受到的摩擦力，同样限制了钻井深度。
　　（4）与旋转钻进相比，滑动钻井时岩屑排出困难，限制了钻速和可钻深度。
　　（5）与旋转钻进相比，滑动钻进钻速较低。井下马达转速较高，降低了钻头和井下马达的使用寿命，也增加了起下钻的次数。
　　（6） 使用井下马达钻井容易引起卡钻。
　　（7） 滑动钻进与旋转钻进频繁转换会引起较大的井眼狗腿度，且随井斜曲率的增加而增加。
缺球形封头与筒体连接处
　　新开发的自动旋转导向钻井工具克服了以上缺点与不足，其特点是：
　　(1)具有在钻柱旋转情况下定向的能力；
　　(2)可以与井下马达一起使用；
　　(3)配有全系列标准的地层参数及钻井参数检测仪器；
　　(4)配有地面-井下双向通讯系统，可根据井下传来的数据，在不起钻的情况下从地面发出指令改变井眼轨迹；
　　(5)工具设计制造模块化、集成化；
　　(6)可以在150℃以上的高温井中使用；
　　(7)定向钻井时不需要特殊的钻井参数，可以保证最优的钻井过程；
　　(8)导向自动控制，以保证准确光滑的井眼轨迹。
　　国外多家石油工具公司都在致力于这一先进的定向钻井工具的研究，并取得了初步成果。这里介绍美国三家公司的自动旋转导向钻井工具的结构及特点。
　　1.Baker Hughes公司的自动闭环旋转导向工具［1～4］
　　1993年，Agip.S.P.A和 Baker Hughes Inteq开始开发和研制旋转导向工具。工具包含地面与井下的双向通讯系统、导向系统和LWD(随钻测井)系统三个部分。
　　(1)地面与井下的双向通讯系统　此系统可使操作者能在不停钻的情况下，用钻井液脉冲从地面向井下工具发出指令改变井眼轨迹、造斜率、方位改变率及降斜率等，指示井底发射器有选择地发送需要的信息。为了能使地面指令向下传输，开发了一项通过在井上调制排量来向下传递命令的新技术：立管上安装一个旁通触发器，可在地面把部分钻井液送回钻井液池，相应的流量变化导致井下发电机的电压变化，这样加载了信息的排量变化顺序就送到井下并在井下得到解释。它可以把地层参数、井下温度、井眼轨迹参数、井底压力及工具的运行状态等数据用钻井液正脉冲传输到地面，并在地面接收译码。此工具的上传数据采用了已经成功应用20多年的MWD中的井下遥控脉冲发射器。
　　(2)导向系统　在井下构成一个闭环自动控制系统，可以在没有地面技术人员干预的情况下自动控制井斜和方位。
　　导向工具的执行机构有一不旋转导向套，中轴从导向套中间穿过与钻头连接，带动钻头随钻柱一起旋转,导向套与中轴通过轴承连接。3个可伸缩棱块布置在导向套中，棱块由3个独立的液压活塞驱动，由液压阀控制有选择地伸出，压靠在井壁以产生需要的导向力，液压阀可以调节每个活塞内的压力,根据力的合成原理,不仅可调节导向力的大小,还可把导向力调节到任意方向，所以此工具既可调节井眼轨迹方向,又可调节造斜率的大小，液压阀又是受井下微处理器的控制。导向套内还有各种传感器,可测量井斜角、方位角及工具的工作状态。图1、2 分别为Baker Hughes公司旋转导向工具导向原理与结构示意图。

图1　Baker Hughes公司旋转导向工具导向原理示意图
1—不旋转导向套；2—与钻头连接的旋转钻柱；3—伸缩棱块

图2　Baker Hughes公司旋转导向工具结构示意图
1—旋转钻柱；2—液压控制阀；3—控制器及传感器；4—轴承；5—钻头；6—伸缩棱块；7—静止导向套
　　实际上，不旋转导向套会因钻压、转速的不同而有所旋转，大约每半小时旋转2～3周。因此，设置了电子检测装置时刻测量导向套的相对位置，然后由井下微处理器调整各个活塞内的压力。这样，液压导向力也会随导向套的旋转作相应调整,保证导向力的大小及方向不会因导向套的转动而改变。在钻井时该系统可以设置两种钻进模式。
　　①保持模式。这种模式可使井眼轨迹保持一定的井斜角和方位角。它在井下微处理器中设有造斜力或降斜力、变方位力、井斜角和方位角3个参数。
　　若井眼轨迹与预定的井斜角或方位角发生偏差，井下微处理器将用设定好的造斜力或变方位力来修正井眼轨迹，直到恢复预定的井斜角和方位角。设定造斜力和变方位力主要是为了控制井眼狗腿度。保持模式可同时施加造斜力和变方位力。
　　②导向模式。这种钻进模式如同利用导向马达滑动钻进方式，可控制井眼轨迹的变化。须设置导向棱块产生合力矢的大小和方向两个参数。合力矢的方向相当于弯壳体马达的工具面角。合力矢的大小是为了控制井眼轨迹的变化率。与导向马达相比，该旋转导向工具能更精确地控制井眼轨迹，钻头侧向力和井眼狗腿度可由闭环系统连续控制。
　　(3)LWD（随钻测井）系统　该系统能够使钻头得到精确的地质导向，并取代了有线测井。它还具有GAMMA测井和电阻率测井功能。
　　2.CAMCO公司的旋转导向工具［5］
　　CAMCO公司的旋转导向工具的导向原理与Baker Hughes公司的导向钻井工具类似，都是利用近钻头导向块的伸缩与井壁相互作用产生导向力，但是结构有所不同。主要区别在于没有静止的导向套，3个导向棱块随钻柱一起旋转。当需要在某个方向导向时，每转1周每个导向棱块都要在该方向上伸出1次，顶向井壁产生导向力，转离该方向后，棱块自动缩回。其导向原理与结构如图3和图4所示。
　　如图4所示，它的控制器、旋转换向阀及测量机构都置于钻柱中间,可以保持相对静止。旋转换向阀可以旋转到任意方向再保持静止,从而使导向棱块只有在旋转到某一方向时,钻井液才驱动棱块伸出达到控制井眼轨迹方向的目的。在钻直井时,旋转控制阀会随钻柱一起旋转,故导向棱块产生的导向力是不断变化的,但这样会造成井眼扩径。
　　从工作原理也可看出,它会造成井下钻具的横向冲击与振动。同时由于活塞伸缩频繁和液压控制系统的工作介质(钻井液)的作用，工具的磨损与密封是较大的问题。它的导向力大小是固定的，由钻头上的压力降决定。可通过控制导向棱块在某个方向上伸出的时间来调整井眼曲率。在苏格兰一口浅井中的试验证明，它的最大造斜率可达8.5°/30m。

图3　CAMCO公司旋转导向工具导向原理示意图
1—导向棱块；2—旋转钻柱；3—静止导向控制阀

图4　CAMCO公司旋转导向工具结构示意图
1—钻头；2—活塞缸；3—棱快；4—旋转钻柱；5—控制系统及测量系统
　　3.HALLIBURTON公司的自动闭环钻井系统［6］
　　HALLIBURTON公司最近开发研制成功一种控制井斜的井下闭环控制系统，其核心就是可遥控且能自动控制的可变径稳定器。它克服了以往可变径稳定器的缺点，具有以下特点。
　　(1)扩大了稳定器的径向调整范围。如φ215.90mm稳定器可在184.15～215.90mm之间调节。φ311.15mm稳定器可在266.70～311.15mm之间调节。直径在调节范围内可任意调节，从而加强了井斜的控制能力。
　　(2)为稳定器设置了多个控制位置，采用钻井液脉冲遥控技术、电子及液压技术对稳定器的径向位置进行控制。
　　(3)通过MWD向地面通报稳定器的工作状态。
　　(4)降低了对调整稳定器所需的压力要求，从而不影响钻井参数的优选。
结束语
　　自动旋转导向钻井工具具有在旋转钻进时连续导向的能力，可以提高井眼的清洁度和机械钻速，减少压差卡钻。导向时也可选用PDC（金刚石）钻头。还具有井眼轨迹自动控制的能力，从而提高井眼轨迹的光滑度，降低扭矩和摩阻，也就相应地增加了水平井的延伸长度。
　　如前所述，CAMCO公司旋转导向工具的棱块伸缩频繁，给钻柱与井壁造成震动与冲击，同时加剧活塞的磨损，因此，延长工具使用寿命是一个突出问题。HALLIBURTON公司的自动变径稳定器可以自动控制井斜，可以完成大位移井绝大部分的工作量，但是没有解决控制方向问题。从目前的发展水平看，Baker Hughes公司的自动旋转导向钻井工具完全解决了旋转钻进的导向问题，自动化程度高，带有随钻测井短节，可以实现地质导向，并已在多口井中实施了商业化使用，不失为一种较为理想的定向井钻井工具。