定向井钻井技术之一

定向井钻井技术之一内容摘要：

目前各类井下马达多为容积式马达 , 基本由以下两部分组成 : ① 具有螺旋形内腔的橡胶硫化定子。 ② 螺旋形的钢转子 , 其表面镀有硬度材料以减少磨损并防止腐蚀。 在定子橡胶和转子抗磨及抗腐蚀金属表面间是连续密封的 , 所以当泥浆 经马达时 转子就转动 (如图 33 所示 )。 图 33 容积式马达转子和定子剖视图 这种马达最大优点是 : ① 钻井扭矩直接和马达产生的压降成正比。 ② 转子的转速只取决于排量 , 不受扭矩的影响 , 因此 , 当进行钻井作 业时 , 在钻台上就可以确定并控制转速和输出扭矩。 万向轴 转子下端和万向轴总成相连 , 万向轴可把转子的非同心转动转变为驱动 接头的同心转动。 万向轴总成由两个万向接头组成 , 每个万向接头均以抗油 强力橡胶套密封并充满黄油 , 橡胶套密封的作用旨在使万向接头不受泥浆污 染。 轴承总成和驱动接头 用轴承支撑的驱动接头 将马达的转动和扭矩传给钻头。 约有 2%的泥浆排量通过并润滑轴承 , 绝大部分钻井泥浆经径向轴承上面的水槽 进入驱动轴并 经钻头流出。 泥浆马达的类型 目前大多数泥浆马达都是按螺杆原理工作。 根据定子和转子的螺旋角和 凸瓣数 (头数 )决定其扭矩和转速。 根据转子 /定子头数关系的不同 , 可分为低转速高扭矩马达和高转速低扭矩以及中转速中扭矩马达。 如 1/2 转子和定子关系的马达是高转低矩马达 , 而7/8 头关系的马达是低转速高扭矩马达。 一般来说 , 转度低的马达对钻头磨损小 , 岩屑颗粒较大。 而高度低扭矩马达 , 对 钻头磨损较严重 , 切削的岩屑细。 由于水平钻进的发展 , 泥浆马达的结构有了许多改进 , 以满足水平钻井 的要求。 如泥浆马达的壳体做成弯角形式 , 甚至不止一个弯角 , 这相当于把造斜时马达上方的弯接头下移到马达本身壳体上。 根据弯角搭配可分为 : 单弯、同向双弯、异向双弯角马达 , 这些马达往往还配扶正器。 带扶正器的异向双弯角马达就是所谓的导向马达 , 它既能转盘稳斜 , 又能定向造斜。 单弯壳体和同向双弯马达的造斜率可满足中曲率半径 (8176。 ~20176。 /30m) 水 平井的造斜要求。 并且其中一些马达的弯角还可调 , 有的通过遥控进行 , 有的在钻台进行。 图 34:水平井马达系统示意图 泥浆马达的操作和故障排除 ① 泥浆马达入井前 ,应在钻台进行试验 : 检查轴承间隙、检查旁通阀弹 簧的复位能力、小排量启动马达 , 看马达是否工作并记下该排量和泵压。 泥浆马达一般配合弯接头造斜或纠方位 , 因此下井后要缓慢下钻。 完成作 业后 ,则要清洗马达 , 如有可能 , 应以清洗液 (如海水、淡水等 )清洗。 ② 泥浆马达故障排除 ┃ 故 障 │可能的原因│ 排 除 方 法 ┃ 马达钻进时的主要工具 常规定向井作业时 , 马达钻进主要用于造斜和纠方位。 一套典型的造斜 钻具组合的工具包括 : 钻头 +泥浆马达 +弯接头 +单流阀 +定向接头 +无磁钻铤等 根据测量方式的不同 , 仪器部分的结构也有所不同。 比如 Spenysun MWD, 测 量仪器的坐入需要一根无磁长钻铤和一个无磁悬挂短节。 如果是 SST 测斜 , 由 于 SST 的信号传递是靠电缆 , 因此还需要一个旁通头或循环头 , 其作用是通过 它把电缆送入钻具直至井底。 下面分别简单介绍上述主要工具的作用 : ① 弯接头。 它是造斜钻具产 生侧向力的原因。 弯接头壳体上有高边标 志线 , 所谓高边即弯接头的弯曲方向。 ② 单流阀。 它不允许泥浆倒流。 因为井底砂子较多 , 岩屑颗粒较大 , 如果不加单流阀 , 当停泵测斜时 , 从井底经钻头涌入的砂子有可能堵死马达 或测量仪器。 ③ 定向接头。 其作用是支撑和固定测量仪器 , 使仪器测出准确的工具 面。 ④ 无磁钻铤。 无磁钻铤的作用一是避免由于使用钢钻铤而对测量仪器 产生的磁影响。 二是屏蔽上下钻具及井壁周围的磁场 , 以保证磁性测量仪器 测量结果的准确性。 ⑤ 循环头。 当测量仪器是 SST 时 , 它被装在水龙带与方钻杆连接处 , 电 缆由它进入钻杆。 造斜钻进时 , 用高压油闭封电缆入口 , 避免泥浆外泄。 每打完一工作立柱 , 接下一立柱时 , 必须把测量仪器从井底提进工作立柱。 接好立柱后 , 再把测量仪器送到井底。 ⑥ 旁通头。 其作用也是使用 SST 仪器时 , 使电缆通过它进入钻具直至井底。 但它比循环头好 , 因为每次测斜完毕 , 不必上提仪器 , 而可以直接接一 立柱。 旁通头被安装在钻具上。 转盘钻进时的主要工具 转盘钻进时的主要定向井工具有 : 扶正器、短钻铤、 非磁钻铤以及方位 变向器。 下面分别简单介绍上述工具。 ① 直井和定向井的钻具组合都使用扶正器 , 但扶 正器的形状、 尺寸和 位置对定向井轨迹控制尤其重要。 一般来说 , 螺旋型翼片的扶正器适合于定 向井 , 特别是近钻头扶正器。 ② 短钻铤用于不同的钻具组合 (增斜、降斜、稳斜 ), 使钻具组合获得 不同的刚性及井斜和方位变化率 , 以达到轨迹控制的要求。 ③ 方位变向器。 故名思义 , 方位变向器就是用来控制和改变定向井井 眼方位大小的工具 (钻具 )。 在转盘钻井工 艺中 , 可用通过改变钻具组合的方法控制井斜角的变化率。 但对方位的变化通常是无能为力的。 常用的解决方位漂移的方法是 : 预留提前角和用井下动力钻具进行“扭方位”作业。 人们一直在试图找到能用于转盘钻调方位的工具和方法。 方位变向器正是这样开发出来的。 目前 , 有两种方位变向器 : 一是美制的滑动叶板变向器。 二是套筒型方 位控制器。 二者工作原理类似 , 但后者更合理 , 实际效果更好一些。 方位变向器的原理是 : 方位变向器紧换钻头 , 随钻具一起旋转。 每旋转一 周 , 方位变向器使钻头受到一个与地层漂移方向相反的水平侧向力的作用 , 从而使井眼方位向地层漂移力的反方向漂移 , 或者通过抵消地层漂移力 , 使井眼方位不再漂移。 由于方位变向器没有得到广泛使用 , 因此不再详述。 ④ 如果使用单点测斜仪跟踪轨迹 , 还需要承托环。 承托环装在钻头上 或非磁钻铤下端 , 用以支撑单点测斜仪。 第四章 定向井轨迹测量仪器及测量原理 定向井轨迹测量仪器的种类 定向井轨迹轨迹测量仪器包括 : 178。 MWD 无缆随钻测量仪 178。 SST 有缆随钻测量仪 178。 ESI 电子多点 178。 BOSS 电子陀螺仪 178。 SRO 电子陀螺仪 178。 SingleShot 单点测斜仪 定向井轨迹测量仪器的基本原理 下面分别介绍各主要测斜仪器的基本结构和原 理 MeasurementWhileDrilling(MWD) MWD(Measurement While Drilling)无缆随钻测斜仪作为当今钻井作业中 的五大高新技术之一 , 于八十年代后期在国际上广泛应用于定向井作业中。 以 SperrySun MWD 为例 , 其基本原理是 : 利用重力加速度计做倾角传感 器 , 用磁通门做方位参数传感器 , 用集成电路温度 传感器提供井下温度参数。 MWD 测量仪器井下部分 , 在入井之前 , 预先按定向井工程师对所采集测量数据 的要求 , 进行特定的模式设置 , 然后将其随钻具组合一并下入井内 ,由泥浆流 动作其动力源 , 测量信号的输出由泥浆的脉冲波动来完成。 在地面井口处安 装脉冲信号接收装置 压电感应器 , 压力感应器将泥浆脉冲信号输进地面计 算机 , 再由计算机对此信号进行处理 , 并将处理过的信息送至钻台上的司钻 读数器及操作间内的操作终端 , 加以显示、输出 , 其所输出的测量结果是定 向工程师可直接采用的倾角、方位、工具面值 , 到此完成整个测量过程。 能 保证此套仪器正常工作所需的泥浆排量为 2201200GPM, 完成一组数据的传送 时间为 : 长测量模式下 : 分钟 , 短测量模式下 : 分钟 , 工具面 : 18 秒钟。 MWD 的最大特点是 , 信号传输以泥浆脉冲形式 , 不需要电缆。 无论井下马 达钻进还是转盘钻进 , 都可以随钻测量。 MWD 的主要技术性能 : 测量精度 : 方位177。 176。 (0360176。 ) 井斜177。 176。 (0189176。 ) 工具面177。 176。 (0360176。 ) 温度177。 3176。 最高工作温度 : 257176。 F(125℃ ) 最大压力 : 15000PSI SST(Survey Steering Tool) SST 的工作原理大致为 : 钻具组合中 , 弯接头上部接定向接头 , 弯接头与 定向接头连接完毕后在定向接头内坐入斜口管鞋 , 并调整对准斜口管鞋键与弯接 头刻线方向 , 到此井下部分准备完毕 , 下钻到测量点。 地面设备在调整、连接 完毕后 , 由电 缆绞车通过悬挂在钻台上的天、 地两滑轮将仪器探管通过循环头 或旁通头 (电缆入井的两种送入方式 )送入井下 , 地面仪器监测定向键是否坐入斜 口管鞋键内 , 坐入后 , 仪器便开始正常工作 , 提供工具面 , 倾角、方位等测量值 , 直至完成整个测量工作。 由于 SST 的信号传递需通过电缆 , 因此 , 它只能用于定向造斜或纠方位时 的井迹监测。 而不能象 MWD 一样能随钻于转盘钻进。 SperrySun 的 SST 主要技术参数 : 测量精度 : 方位177。 2176。