CN104499940A - 一种全旋转指向式导向工具及导向方法 - Google Patents

Abstract

一种能够确定导向工具控制模式和导向参数、实现井眼轨道自动控制、提高导向工具作业效率、满足定向钻井导向控制需求的全旋转指向式导向工具及导向方法，其中，该导向工具自上而下由对接与扩展单元、供电单元、测量控制单元和导向执行单元组成，能够优化旋转导向工具控制并实现闭环导向控制，提高导向钻井作业效率和井眼轨道控制精度，能够满足大位移井、复杂地质结构水平井及地质导向钻井轨道控制的要求。

Description

一种全旋转指向式导向工具及导向方法

技术领域

本发明涉及一种定向钻井导向工具及导向方法，尤其涉及一种全旋转指向式导向工具及导向方法。

背景技术

现有技术中，旋转导向工具由于在钻柱旋转状态下实现井眼轨迹的导向控制，克服了滑动导向作业中摩阻过大、岩屑沉积及极限位移小等缺陷，可大幅度提高井身质量、钻井效率和钻井安全性，所以广泛应用于大位移井、水平井和三维复杂结构井的导向施工作业，是当今典型的先进钻井装备之一。

目前旋转导向工具按导向方式分为钻头推靠式和钻头指向式两种基本类型，按动力传递结构方式又可划分为“驱动轴—不旋转套”结构和“全旋转”结构等，其中全旋转指向式导向工具结合了指向式导向和全旋转钻井两者的优点，更能适应各种复杂的地层和作业工况，钻得更深，钻速更高，在海洋油气资源开发以及在油田开发复杂油气藏中钻超深井、高难定向井、丛式井、水平井、大位移井、分支井及三维复杂结构井等特殊工艺井中更具竞争力。因此，它是当今钻井工程和油气勘探开发迫切需要的一项尖端钻井装备，是现代导向钻井技术发展的趋势。

在旋转导向工具设计研发上国内外现存很多种方式，在国外，很多公司研发的旋转导向工具在设计上存在诸多差别，特点也各不相同。诸如贝克休斯公司的AutoTrack是钻头推靠式工具的典型代表，研发的“驱动轴—不旋转套”结构特点在于通过控制不旋转外套上推力块作用于井壁的合力大小及方向进行导向作业(例如参照专利文献WO2008101020A、US2013256034A等)。而典型的钻头指向式旋转导向工具诸如哈里伯顿公司的Geo-Pilot(例如参照专利文献WO2014055068A)、威德福公司的Revolution(例如参照专利文献WO2008120025A)及斯伦贝谢公司的PowerDrive Xceed(例如参照专利文献NO20061119A)等，其中所述Geo-Pilot和Revolution是静态指向式旋转导向工具，特点是工具造斜能力通过井下调整导向工具偏置位移实现，且可连续调节。所述PowerDriveXceed是“全旋转”结构，即全旋转指向式导向工具，采用了固定导向偏置结构，其造斜率通过交替变化的导向和稳斜钻进模式来实现，依靠地面系统下传导向参数(工具面及导向比例)来进行控制。由于受控制指令编码长度的限制，所传参数不能满足井眼轨道精细控制的需要，且由于地层特性等引起导向工具造斜率变化时，频繁地下传导向指令，将影响导向钻井作业效率。

在国内也有多家公司和科研机构在研发旋转导向工具，现已成型的工具几乎全是钻头推靠式导向方式，工作原理与国外产品基本相同，只是在具体技术实现方式上呈现出一定的差异。而钻头指向式旋转导向工具目前国内尚处于空白状态。

基于此，本申请人在深入调研国外钻头指向式旋转导向工具的基础上，特别是针对斯伦贝谢公司的PowerDrive Xceed全旋转指向式导向工具存在的缺点，提出了一种改进的全旋转指向式导向工具，并构建了一种高效的旋转导向系统，不但有效解决上述问题，能够满足井眼轨道精细控制的需要，无需频繁地下传导向指令，大大提高了井眼轨道控制精度和导向钻井作业效率，而且填补国内此项技术的空白。

发明内容

鉴于此，本发明目的在于提出一种能够确定导向工具控制模式和导向参数、提高导向钻井作业效率、满足定向钻井导向控制需求的旋转导向工具及导向方法。

根据本发明，能够优化旋转导向工具控制并实现闭环导向控制，提高导向钻井作业效率和井眼轨道控制精度，能够满足大位移井、复杂地质结构水平井及地质导向钻井轨道控制的要求。

具体的，本发明提供一种全旋转指向式导向工具，其特征在于，其自上而下由对接与扩展单元、供电单元、测量控制单元和导向执行单元组成，在配有泥浆马达时，所述对接与扩展单元与无线短传发射/接收单元连接，在没有配泥浆马达时，与传输及随钻测量单元机械及电连接；所述供电单元为井下所述导向工具提供动力，由涡轮发电机、电池、供电控制电路等组成；测量控制单元包括井下主控、定向参数/钻柱转速/内外压力测量测量部分，实现地面下传指令接收和导向控制指令输出功能；导向执行单元包括电机、减速器、旋转变压器、导向偏置机构、导向芯轴、轴承组和密封结构等，导向芯轴上端置于导向偏置机构内，通过轴承连接，可相对导向偏置机构自由转动；通过传扭部件，将钻柱旋转动力传递给芯轴，驱动其下端的钻头旋转钻进。

另外，通过电机，以钻柱相同速度驱动导向偏置机构反向旋转，从而在导向工具内部动态形成一个相对大地稳定的工具面进行导向作业。

另外，本发明还提供一种导向方法，利用所述全旋转指向式导向工具进行导向作业。

本发明还提供一种旋转导向系统，由地面监控子系统、双向通讯子及钻井井下导向子系统构成，其特征在于，所述井下导向子系统包括：信息传输及随钻测量单元、无线短传接收/发送单元、泥浆马达单元、无线短传发送/接收单元、以及上述本发明提供的导向工具。

在所述信息传输及随钻测量单元上，布置有正脉冲发生器、驱动短节、电池筒短节、定向参数、井下振动、电阻率及伽马等测量短节，实现工程、地质参数测量及井下测量数据上传功能。当所述导向工具配有上述泥浆马达时，采用该马达上下端配备的所述无线短传双向通信(发送/接收)单元实现所述导向工具和所述传输及随钻参数测量单元之间的信息交换，所述泥浆马达为提高所述导向工具转速及钻头破岩扭矩而配；否则与所述导向工具直接连接，实现数据通讯。所述对接与扩展单元实现所述导向工具与所述传输及随钻测量单元机械、电连接。所述供电单元包括涡轮发电机及电池组，分别为电机和测控电路供电。所述测量与控制单元包括横向磁力计、定向传感器组件、轴向加速度计、压力传感器、旋转变压器、电机及减速器、导向偏置机构、测量控制电路等；采用正交磁力计测量钻柱转速及工具面刻线的动态磁工具面；通用定向传感器测量井斜角、方位角及工具面；通过柱内/环空压力传感器用于地面下传信号、测量工具内外钻井液流体压力、监测钻井液循环状态；利用轴向加速度计测量轴向加速度，用于计算轴向运动距离；旋转变压器测量所述导向偏置机构旋转位置及速度；通过电机及减速器驱动所述导向偏置机构反向旋转，通过转速和位置控制实现工具面的调整及形成相对大地稳定的工具面；所述测量与控制单元负责解调下传指令、获取传感器读数、测量及控制计算、井下主控、数据存储与通迅、驱动导向控制等。所述导向执行单元带动导向芯轴旋转，驱动钻头按指定工具面进行导向作业。

另外，本发明还提供一种导向方法，利用所述旋转导向系统进行导向作业。

另外，根据本发明，为了实现井下深度及轨迹自动跟踪目的，导向工具下井前，存储器中预存设计轨道分段节点数据、已钻轨迹基本参数和待钻井眼测量点深度数据，到达测量点深度时(通常为接单根深度)，暂停钻柱运动测斜，上传测斜数据到地面系统，然后下传确认指令，井下获得测点轨迹基本参数(测深、井斜和方位)，进而分析井眼轨迹偏差，确定待钻轨道和导向参数。

进一步地，根据本发明，还可以利用轴向加速度传感器计算测斜后钻进深度增量，按照计算导向参数(导向模式、段长及工具面角)自动控制井眼轨道，减少下传指令，提高导向作业效率和井眼轨道控制精度。

根据本发明，上述导向偏置机构可采用固定偏移和可调偏移两种方式。对于可调偏移方式而言，通过导向工具控制偏移量大小来实现井眼曲率控制，机械结构复杂；对于固定偏移方式而言，通过导向工具采用导向和稳斜模式交替作业来达到所需井眼曲率，机械结构较简单。从这一点上考虑，为了减少导向工具控制机构的复杂程度，进一步提高系统的可靠性，通常采用固定偏移方式。根据本发明提供的导向工具，能够确定导向控制模式、导向参数，以最优的控制方案实现设计井眼轨道。

通常，导向工具控制模式有两种，一种是稳斜模式，一种是导向模式。在稳斜模式中存在两种方案，一种方案是控制导向偏置机构反向旋转，并与导向工具保持一定转速差；另一种方案是控制导向偏置机构反向旋转，与导向工具间保持相同转速，形成相对大地稳定的工具面，并维持工具面一短暂时长，然后间隔一定角度，变化工具面和维持固定短暂时长，以此达到稳斜钻井目的。而在导向模式中，通常按井眼轨道控制要求的工具面进行导向工具控制。

通常，在调整井眼曲率时，通过控制导向工具以稳斜和导向模式交替的方式来实现。在采用井下自动导向模式时，通过轴向加速计获得钻进段长，可实现两种模式自动转换。

其中，利用导向工具和随钻测量单元上的定向测量参数，可自动监测井斜角、方位角和井眼曲率的变化，实现导向工具井下闭环控制。

发明效果

根据本发明提供的导向工具及导向方法，能够实现钻头指向式全旋转导向，能够确定导向工具控制模式、导向比例及进尺、磁性或重力工具面参数进行导向钻进作业；井下和地面能够进行双向通信，无需频繁进行通信传导，大大地提高了导向钻井作业效率和精度。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的旋转导向系统示意图。

具体实施方式

下面参照附图结合具体实施方式对本发明做出进一步详细描述。

图1为本发明具体实施方式的旋转导向系统示意图。

本发明旋转导向系统，由地面监控子系统、双向通讯子系统及井下导向子系统构成，如图1所示，本发明旋转导向系统井下基本配置包括：信息传输及随钻测量单元1、无线短传接收/发送单元2、泥浆马达单元3、无线短传发送/接收单元4、对接与扩展单元5、供电单元6、测量与控制单元7、导向执行单元8。

在图1中，①表示定向参数测量，②表示无线短传井下信息，③表示涡轮发动机及电池组，④表示磁力计(测转速及动态磁工具面)，⑤表示定向传感器组件，⑥表示加速度计(测轴向运动距离)，⑦表示压力传感器(接收下传信息)，⑧表示电机，⑨表示减速器，⑩表示旋转变压器(测导向芯轴转速及导向偏置机构位置)，表示导向偏置机构，表示轴承，表示导向芯轴，表示传扭部件。

在信息传输及随钻测量单元1上，布置有正脉冲发生器、驱动短节、电池筒短节、定向参数、井下振动、电阻率及伽马等测量短节，实现工程、地质参数测量及井下测量数据上传功能。当导向工具配泥浆马达3时，采用马达上下端配备的无线短传双向通信单元4实现导向工具和传输及随钻参数测量单元1之间的信息交换，泥浆马达3为提高导向工具转速及钻头破岩扭矩而配；否则与导向工具直接连接，实现数据通讯。对接与扩展单元5实现导向工具与传输及随钻测量单元1机械、电连接。供电单元6包括涡轮发电机及电池组，分别为电机和测控电路供电。测量与控制单元7包括横向磁力计、定向传感器组件、轴向加速度计、压力传感器、旋转变压器、电机及减速器、导向偏置机构、测量控制电路等；采用正交磁力计测量钻柱转速及工具面刻线的动态磁工具面；通用定向传感器测量井斜角、方位角及工具面；柱内/环空压力传感器用于地面下传信号、测量工具内外钻井液流体压力、监测钻井液循环状态；轴向加速度计⑥测量轴向加速度，用于计算轴向运动距离；旋转变压器⑩测量导向偏置机构旋转位置及速度；电机⑧及减速器⑨驱动导向偏置机构反向旋转，通过转速和位置控制实现工具面的调整及形成相对大地稳定的工具面；测量控制电路负责解调下传指令、获取传感器读数、测量及控制计算、井下主控、数据存储与通迅、驱动导向控制等。导向执行单元8带动导向芯轴旋转，驱动钻头9按指定工具面进行导向作业。

进一步，为了实现井下深度及轨迹自动跟踪目的，导向工具下井前，存储器中预存设计轨道分段节点数据、已钻轨迹基本参数和待钻井眼测量点深度数据，到达测量点深度时(通常为接单根深度)，暂停钻柱运动测斜，上传测斜数据到地面系统，然后下传确认指令，井下获得测点轨迹基本参数(测深、井斜和方位)，进而分析井眼轨迹偏差，确定待钻轨道和导向参数。

利用轴向加速度传感器计算测斜后钻进深度增量，按照计算导向参数(导向模式、段长及工具面角)自动控制井眼轨道，减少下传指令，提高导向作业效率和井眼轨道控制精度。

在所述旋转导向系统中，作为核心部件的全旋转指向式旋转导向工具，自上而下由对接与扩展单元5、供电单元6、测量控制单元7和导向执行单元8组成。对接与扩展单元5实现与所述系统中的传输及随钻测量单元1的机械及电连接，若配泥浆马达3时与无线短传单元2连接；供电单元6为井下导向工具提供动力，由涡轮发电机、电池、供电控制电路等组成；测量控制单元7包括井下主控、定向参数/钻柱转速/内外压力测量部分，实现地面下传指令接收和导向控制指令输出功能；导向执行单元8包括电机⑧、减速器⑨、旋转变压器⑩、导向偏置机构、轴承组、导向芯轴、传扭部件和密封结构等。导向芯轴上端置于导向偏置机构内，通过轴承组连接，可相对导向偏置机构自由转动；钻柱旋转动力由传扭部件传递给导向芯轴，驱动其下端的钻头9旋转钻进。

其中，通过电机以与钻柱相同速度驱动所述导向偏置机构反向旋转，从而在所述导向工具内部动态形成一个相对大地稳定的工具面进行导向作业。

尽管上面以具体实施方式对本发明作出了详细的描述，但这种描述是例示性的，本发明不限于该具体实施方式之中，对于本领域技术人员而言，他们能够对本发明作出各种变更和修饰，只要不脱离本发明宗旨和精神范围而对本发明作出的各种修改均应落在所附权利要求的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种全旋转指向式导向工具，其特征在于，其自上而下由对接与扩展单元、供电单元、测量控制单元和导向执行单元组成，在配有泥浆马达时，所述对接与扩展单元与无线短传发射/接收单元连接，在没有配泥浆马达时，与传输及随钻测量单元直接连接，所述供电单元为井下所述导向工具提供动力，测量控制单元实现地面下传指令接收和导向控制指令输出功能，导向执行单元包括导向偏置机构、导向芯轴，所述导向芯轴上端置于所述导向偏置机构内，可相对所述导向偏置机构自由转动，通过传扭部件，将钻柱旋转动力传递给芯轴，驱动其下端的钻头旋转钻进，并且，通过电机，以与钻柱相同速度驱动所述导向偏置机构反向旋转，从而在所述导向工具内部动态形成一个相对大地稳定的工具面进行导向作业，所述导向执行单元带动导向芯轴旋转，驱动钻头按指定工具面进行导向作业。

2.如权利要求1所述全旋转指向式导向工具，其特征在于，所述测量与控制单元采用磁力计测量钻柱转速及工具面刻线的动态磁工具面，通用定向传感器测量井斜角、方位角及工具面，通过柱内/环空压力传感器用于地面下传信号、测量工具内外钻井液流体压力、监测钻井液循环状态，利用轴向加速度计测量轴向加速度，用于计算轴向运动距离，利用旋转变压器测量所述导向偏置机构旋转位置及速度，通过电机及减速器驱动所述导向偏置机构反向旋转，通过转速和位置控制实现工具面的调整及形成相对大地稳定的工具面，并且，所述测量与控制单元负责解调下传指令、获取传感器读数、测量及控制计算、井下主控、数据存储与通迅、驱动导向控制。

3.一种旋转导向系统，由地面监控子系统、双向通讯子系统及钻井井下导向子系统构成，其特征在于，所述井下导向子系统包括：信息传输及随钻测量单元、无线短传接收/发送单元、泥浆马达单元、无线短传发送/接收单元、以及如权利要求1或2所述的导向工具；

其中，所述信息传输及随钻测量单元实现工程、地质参数测量及井下测量数据上传功能，当所述导向工具配有上述泥浆马达时，采用该马达上下端配备的所述无线短传发送/接收单元实现所述导向工具和所述传输及随钻参数测量单元之间的信息交换，所述泥浆马达为提高所述导向工具转速及钻头破岩扭矩而配，所述对接与扩展单元实现所述导向工具与所述传输及随钻测量单元直接连接。

4.一种导向方法，其特征在于，提供一种如权利要求1-2任一项所述全旋转指向式导向工具进行导向作业。

5.一种导向方法，其特征在于，提供一种如权利要求3所述旋转导向系统进行导向作业。