一种利用旋转导向工具控制井眼轨迹的方法
【专利摘要】控制井眼轨迹的方法，根据设计井眼轨道和预计导向工具造斜能力，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；井下和地面进行双向通信，同时监测导向控制结果，计算导向工具实际造斜能力及井眼轨道偏差；进而确定导向参数或调整待钻井眼轨道，适应导向工具造斜能力的变化，满足井眼轨道控制精度要求；利用井下深度自动跟踪装置及方法，实现导向系统井下智能控制目的，减少导向参数下传指令及误码率，提高导向钻井作业效率及井眼轨道控制精度，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。
【专利说明】一种利用旋转导向工具控制井眼轨迹的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种定向钻井导向工具控制井眼轨迹的方法，尤其涉及一种利用旋转 导向工具控制井眼轨迹的方法。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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"驱动轴一不旋转套"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。
[0004] 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"驱动轴一不旋转套"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 W02008101020A、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W02014055068A)、威德福公司的Revolution (例如 参照专利文献W02008120025A)及斯伦贝谢公司的PowerDrive Xceed (例如参照专利文献 N020061119A)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PowerDrive Xceed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。
[0005] 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。
[0006] 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，提出了一种利用 全旋转导向工具控制井眼轨迹的改进的方法，不但有效解决上述问题，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】
[0007] 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、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利用旋转导向 工具控制井眼轨迹的方法。
[0008] 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。
[0009] 根据本发明，通过进行井眼轨迹偏差分析和建立轨道控制模型，分析已钻轨迹偏 差和计算导向参数，实现井眼曲率调整和轨道控制。
[0010] 具体的，本发明提供一种利用旋转导向工具控制井眼轨迹的方法，其特征在于包 括如下步骤：
[0011] 按给定导向参数钻达预定测斜深度时，暂停钻柱运动，确保测量出准确的井斜参 数，将测斜数据上传到地面，确认后下发指令，进而井下和地面均获得完整的测斜数据及导 向工具面姿态，作为轨迹跟踪分析和导向控制计算的依据；
[0012] 根据测斜数据计算出井眼轨迹，并相应进行控制工具面的计算；
[0013] 然后进行轨迹偏差分析，通过分析已钻轨迹偏差和计算导向参数，实现井眼曲率 调整和轨道控制。
[0014] 其中，根据设计井眼曲率和导向工具的造斜能力来确定合理的导向比例参数；
[0015] 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，所 采用的控制模型由n+1个相同稳斜段长和n(n为正整数）个相同圆弧段长轨道间隔组成， 选择不同的导向段数η、导向和稳斜钻进长度实现井眼轨道的控制，当n =C?时，导向轨迹 最佳地逼近设计井眼轨道，在实际控制时，交替地控制导向和稳斜钻进时间比例及总钻进 长度来逼近设计井眼轨道。
[0016] 如上述所述利用旋转导向工具控制井眼轨迹的方法，其特征在于，计算导向工具 实际造斜能力及井眼轨道偏差；进而确定导向参数或调整待钻井眼轨道，适应导向工具造 斜能力的变化，满足井眼轨道控制精度要求。
[0017] 如上述所述利用旋转导向工具控制井眼轨迹的方法，其特征在于，暂停钻柱运动 测斜时，初始化运动速度和位移为〇,井下接收到地面指令后，获取当前深度数据，开始钻 进，利用测量轴向运动加速度，求出钻柱轴向运动位移，进而实现井下自动跟踪钻进深度。
[0018] 在本发明中，导向工具控制模式有两种，一种是稳斜模式，一种是导向模式进行。 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。
[0019] 在本发明中，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，所采用的控制模型由n+1个相同稳斜段长Lt和η (η为正整数）个相同圆弧段长 St轨道间隔组成（如图4所示），这在后文中将详述。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。
[0020] 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。
[0021] 发明效果
[0022] 根据本发明提供的控制井眼轨迹的方法，实现了钻头指向式全旋转导向工具的控 制，根据设计井眼轨道和预计导向工具造斜能力，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；井下和地面进行双向通信，同时监测导向控 制结果，计算导向工具实际造斜能力及井眼轨道偏差；进而确定导向参数或调整待钻井眼 轨道，适应导向工具造斜能力的变化，满足井眼轨道控制精度要求；利用井下深度自动跟踪 装置及方法，实现导向系统井下智能控制目的，减少导向参数下传指令及误码率，提高导向 钻井作业效率及井眼轨道控制精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 图1为本发明【具体实施方式】的旋转导向系统示意图。
[0024] 图2为本发明【具体实施方式】的导向控制方法流程图。
[0025] 图3为本发明【具体实施方式】的井眼轨迹计算模型图。
[0026] 图4为本发明【具体实施方式】的井眼轨道控制模型图。
【具体实施方式】
[0027] 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。应该指出的是， 本实施例中所采用的导向工具及导向系统是例示性的，形成井眼轨道时所采用的控制方法 也是例示性的，本发明应不仅仅限于下述【具体实施方式】之中，总之，所述实施方式仅仅是例 示性的，为的是能更清楚的阐述本发明。
[0028] 图1为本发明【具体实施方式】的旋转导向系统示意图。
[0029] 本发明所采用的旋转导向系统，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。
[0030] 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，?·表不导向芯轴，?.表不传扭部件。
[0031] 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 和2,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；否则采用数据连接器进行机械及电气连接，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。
[0032] 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。
[0033] 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。
[0034] 其中，作为核心部件的全旋转指向式导向工具，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4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。
[0035] 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。
[0036] 实施例
[0037] 下面以一个具体应用实施例对本发明做进一步说明，以一口大位移三维水平井为 例，设计造斜点深KOP = 230. 00m，井眼曲率分别为K1 = 2. 4° /30m、K2 = 6° /30m，井眼轨 道设计分段数据见表1。设计旋转导向工具从造斜点开始下入，完成后面各井段的定向控制 作业。
[0038] 表1井眼轨道设计分段数据
[0039]
【权利要求】
1. 一种利用旋转导向工具控制井眼轨迹的方法，其特征在于包括如下步骤： 按给定导向参数钻达预定测斜深度时，暂停钻柱运动，确保测量出准确的井斜参数，将 测斜数据上传到地面，确认后下发指令，进而井下和地面均获得完整的测斜数据及导向工 具面姿态，作为轨迹跟踪分析和导向控制计算的依据； 根据测斜数据计算出井眼轨迹，并相应进行控制工具面的计算； 然后进行轨迹偏差分析，通过分析已钻轨迹偏差和计算导向参数，实现井眼曲率调整 和轨道控制； 其中，根据设计井眼曲率和导向工具的造斜能力来确定合理的导向比例参数； 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，所采用 的控制模型由n+1个相同稳斜段长和n(n为正整数）个相同圆弧段长轨道间隔组成，选择 不同的导向段数n、导向和稳斜钻进长度实现井眼轨道的控制，当n =?时，导向轨迹最佳 地逼近设计井眼轨道，在实际控制时，交替地控制导向和稳斜钻进时间比例及总钻进长度 来逼近设计井眼轨道。
2. 如权利要求1所述利用旋转导向工具控制井眼轨迹的方法，其特征在于，计算导向 工具实际造斜能力及井眼轨道偏差；进而确定导向参数或调整待钻井眼轨道，适应导向工 具造斜能力的变化，满足井眼轨道控制精度要求。
3. 如权利要求1所述利用旋转导向工具控制井眼轨迹的方法，其特征在于，暂停钻柱 运动测斜时，初始化运动速度和位移为〇,井下接收到地面指令后，获取当前深度数据，开 始钻进，利用测量轴向运动加速度，求出钻柱轴向运动位移，进而实现井下自动跟踪钻进深 度。
【文档编号】E21B47/022GK104453713SQ201410602851
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月2日 优先权日:2014年11月2日
【发明者】唐雪平, 盛利民, 张连成, 洪迪峰, 魏志刚, 曹冲, 禹德洲, 陈文艺, 彭烈新, 弓志谦, 石荣 申请人:中国石油集团钻井工程技术研究院