旋转导向钻井系统中关键技术的发展现状和前景研究

旋转导向钻井系统中关键技术的发展现状和前景研究

孙岱军

连云港杰瑞自动化有限公司 江苏省连云港市 222000

摘要：为了达到提高油层裸露面积来提高采收率、高效开发复杂油藏、以最小的开发投资获取最佳的目的，各种复杂的特殊工艺井应运而生。在钻井过程中，旋转导向技术为钻井系统提供方法，井下涡轮发电机为钻井系统提供电能，泥浆脉冲发生器为钻井系统提供数据传输。故此，本文对旋转导向技术、井下涡轮发电机和泥浆脉冲发生器展开分析，分析具体发展前景，旨在为相关工作人员提供参考。

关键词：旋转导向技术,井下涡轮发电机,泥浆脉冲发生器

引言

随着国内外大部分的油田相继进入开发后期，而大部分新探油气田的地层状况越来越复杂，钻探难度变高、成本增大。通过引导或控制井眼按预定的井眼轨迹（几何导向）或预定的目标地层（地质导向）钻进的旋转导向钻井系统成功钻出超深井、高难度定向井、丛式井、水平井、大位移井、多底井及三维多目标井等高难度的复杂结构井，从而提高油气的采收率、降低勘探开发成本[1]。

旋转导向钻井相比于传统的钻井方法有许多优点，在利润、效益及技术创新等各方面因素的驱使下，世界许多石油工程服务公司都加大了对旋转导向钻井系统的研发投入。基于此，本文围绕旋转导向技术、井下涡轮发电机和泥浆脉冲发生器的研究现状进行讨论，总结今后技术的发展前景[2-5]。

1、旋转导向技术

旋转导向技术是在钻柱旋转钻进时，使定向钻井既可依据工程参数进行几何导向，又可依据地质参数进行地质导向，根据实时监测到的井下信息，引导钻头在储层中的最佳位置钻进。目前，旋转导向技术按其工作原理可划分为推靠式、指向式和复合式导向工具，根据工具外壳能否旋转可分为动态式（全旋转式）和静态式[6]。

由于指向式旋转导向系统具有摩阻和扭矩较小、水平极限位移大、钻出的井眼质量高、能适应各种复杂地层和工况等优势，指向式系统占有越来越大的比例。

在钻井现场应用时，要求旋转导向技术具有独特的性能，使其能够在恶劣环境中更灵活、可靠地钻进复杂的井眼轨迹，具体要求是:

（1）高造斜率。为了完成复杂的定向井，高造斜率导向工具必不可少。

（2）高轨迹控制精度。为了提高命中目标靶区的能力，要求其提高井眼轨迹控制精度。

（3）高工作可靠性。为了满足复杂地层和恶劣工况要求，要求旋转导向工具具备很高的工作可靠性和耐高温高压能力。

（4）全旋转结构方式。导向工具采用全旋转方式，能够适应各种复杂地层和井下恶劣工况，满足各种钻井作业需要，降低钻井作业风险。

（5）多参数化和可视化。在多种工程和地质参数的基础上，根据需要添加随钻地震、声波和核磁等，进一步完善地质导向，并加快井下数据传输速率[1]。

2、井下涡轮发电机

随着油气田开发的钻进深度、水平井长度的增加，井下测井仪器和相关机构工作时间长，功能要求高，测量参数种类多，进而要求井下供电电源能够长时间可靠地工作。目前，井下电源主要是电池组和涡轮发电机[7]。

涡轮发电机在钻井时，固定导轮调整钻井液的流向，使涡轮叶片不断旋转，叶片吸收了钻井液动能，将其转换成驱动涡轮旋转的机械能，带动涡轮轴旋转，涡轮轴增速后带动发电机转子旋转，由于发电机旋转轴外部安装绕组线圈，在磁场作用下，线圈切割磁力线产生了电流[8]。由于钻井液不断地流动，使电能具有长期性和持续性，而且能够适应井下高温高压环境，已在随钻测量系统和随钻测井系统、自动垂直钻井系统和旋转导向系统中得到了广泛地应用[9-11]。

目前我国石油开采的难度不断增加，大位移井、丛式井、超深井等对于高精度、高科技旋转导向技术的需要愈加迫切，需要钻井技术提供强有力的硬件支撑，对井下涡轮发电机的技术要求也越来越高，具体技术要求如下：

（1）更高耐温、耐压性能。随着油气勘探开发的钻进深层增大，高温高压的地层增多，越来越多的高温井（225~250 ℃）将会投产，对井下涡轮发电机的耐温耐压性提出了更高的要求。

（2）稳定的输出电压。由于井下泥浆排量的变化较大，导致发电机转速变化较大，相应的发电机的开路输出电压变化较大，无法保持稳定的问题。要求井下涡轮发电机的输出电压基本不随排量变化而变化，保持比较高水平的稳定[12]。

3、泥浆脉冲发生器

如今，各种各样的测井工具被发明出来，这些工具为地面系统提供了大量的地质参数和几何参数，因此需要更快、更高效地实现信息传输。

目前，通常采用两种方式来获取井下信息，一是通过线缆传输，二是通过无线方式传输。第一种传输介质可以是电缆、光缆，也可以是钻杆柱振动，第二种方式主要包括电磁波、声波、泥浆脉冲等。由于有线传输在安装和应用时比较复杂，因此无线电传输成为信号传输的发展趋势。声波法和电磁波法传输速率快，但需要安装中继器或换能器等，在现有技术能力下，其应用范围局限性很大，而泥浆脉冲法具有应用广泛、可靠高的优点。

泥浆脉冲传输方式包括正脉冲、负脉冲和连续波。由于负脉冲会对井壁产生一定的破坏，并且造成钻井液的能量损失，传输速率低，目前已基本被淘汰；正脉冲采用的技术是用阀的轴向运动产生，其抗干扰能力差，数据传输速率大致为0.3~4 bps，已很难满足石油钻井过程中对井下数据实时监测的要求。连续波泥浆脉冲发生器采用阀片转动剪切流体实现对泥浆的截流效应从而形成压力波动的基本原理，其波形具有连续性，可载信息量大，且抗干扰能力强，能够实现更高速率的数据传输，但同时具有驱动控制精度要求高，压力波形易受噪声影响等难点

[13]。

4、结论

（1）先进的旋转导向技术是目前中国急需研发的高端钻井导向技术，混合式旋转导向是未来发展的方向，将在复杂油气藏开发方面发挥重要作用。

（2）井下涡轮发电机可以在高温高压下持久高效地工作，在钻井系统和测井系统中发挥了重要作用，得到了广泛应用，利用钻井液的动能发电，具有更大的优势前景。

（3）连续波泥浆脉冲发生器在石油测井领域得到了广泛的应用，今后国内外的研究重点主要集中在提高其运行稳定性和数据传输速率上。

参考文献：

[1] 王鹏, 盛利民, 窦修荣, 等. 国外旋转导向最新技术进展与发展趋势[J]. 钻采工艺, 2013, 36(6): 32-35.

[2] 腰志敏. 随钻测井工作的影响要素及优化措施分析[J]. 中国石油和化工标准与质量, 2020, 40(4): 36-37.

[3] 敖耘玮. 随钻测井技术最新进展及其应用[J]. 现代经济信息, 2016(12): 311.

[4] 刘修善, 侯绪田, 涂玉林, 等. 电磁随钻测量技术现状及发展趋势[J]. 石油钻探技术, 2006(5): 4-9.

[5] 廖启良. LWD随钻测井技术专利技术分析[J]. 科技创新与应用, 2018(10): 22-23.

[6] 冯定, 王鹏, 张红, 等. 旋转导向工具研究现状即发展趋势[J]. 石油工程, 2021, 49(7): 8-15.

[7] 韩培, 张师帅. 井下泥浆涡轮发电系统水力性能试验研究[J]. 石油矿场机械, 2010, 39(3): 59-61.

[8] 王智明, 菅志军, 李相方, 等. 连续波钻井液脉冲发生器结构设计探讨[J]. 石油机械, 2007, 35(12).

[9] 苏义脑, 窦修荣. 随钻测量、随钻测井与录井工具[J]. 石油钻采工艺, 2005, 27(1): 74-78

[10] 药晓江, 董景新, 尚捷, 等. 随钻测井用涡轮发电机叶轮组水力性能分析[J]. 石油机械, 2015, 43(6): 6-10.

[11] 彭科容. 磁力耦合器结构与特性研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2008: 11-22.

[12] 黄晓凡, 林恩怀. 石油钻井用泥浆发电机综述[J]. 石油仪器, 2013, 27(1): 31-36.

[13] 张冲,张爽,王智明.高速泥浆脉冲传输技术在随钻测井系统的应用研究[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程), 2020, 47(10): 7-12. 

作者简介：姓名：孙岱军（1998.03--）；性别：男，民族：汉，籍贯：山东省临沂人，学历：硕士；研究方向：油气勘探。