旋转导向钻井技术在页岩气水平井定向钻进中的应用

王恒 吴鹏程 郑丁 高阳阳 胡林

（1.航天深拓（北京）科技有限公司，北京 100176；2.中国石油天然气股份有限公司西南油气田分公司页岩气研究院，四川成都 610056）

1.旋转导向钻井系统概述

旋转导向技术第一阶段被称为科学钻探的初级阶段，这一阶段的结果是钻井技术、平衡压力钻井技术、优化参数化技术和高效钻头技术等，但这些成果大多只是特殊的技术，不能满足相对复杂的实际钻井工作。第二阶段为科学钻探后期，这一阶段的特点是从智能化钻井逐步向自动化钻井过渡。这一阶段的技术成果包括实时信息检测技术和井下引导钻井系统，提高了储层采收率的新技术和钻井方法，使石油产品得到了大力的开发。随着能源需求的增加，对石油的需求也在增加。为了获得更大的开采和经济效益，需要在复杂地层区域进行钻探。因此，对深井、大位移井和长距离水平井的技术要求越来越高，因此，出现了旋转导向钻井技术。旋转导向钻井技术可用于高斜率导向井、水平井和大位移井等复杂井段。高精度控制保证井道平滑，自动旋转闭环钻井的主要部分是负责上下运动的双向通信系统。可以进行随钻信号传输、自动转向工具和测量装置等应用。旋转导向钻井系统可以根据预设的井眼轨迹和实际测量的信息，自动调整钻具。测量传输可以多地测量靠近钻头的数据信息，并及时传输到地面计算机和井下模块。测量信号经过处理后，以控制指令发送给导向钻具。地面监测系统的功能包括实时监测井下钻具的状态，并进行计算和分析井眼轨迹，监测和调整钻具的运行状况。

2.旋转导向钻井控制系统设计

2.1 旋转导向钻井控制系统原理

控制系统的设计是实现测控的重要环节，其设计和正常运行是控制系统成熟的标志。通过试验研究，可以为发现旋转导向钻具的设计缺陷，缩短旋转钻具的开发时间，降低开发成本，促进钻井技术的不断发展。功能检查主要是检查旋转导向钻具的转向力是否满足相关的设计要求，重点是控制角度。性能研究可以检测旋转导向钻的疲劳和使用寿命。最重要的是模拟井下的工作环境，以及旋转导向钻机速度的变化和钻井压力的差异，应用于旋转转向孔的扭矩对转向性能的影响。压力是试验液压系统的关键参数之一，其值由负载决定。旋转转向钻头的压力数据通过压力传感器采集。液压缸往复运动时施加轴向力，使液压油温度升高。油温过高或过低都会影响元件，严重时会损坏液压元件。温度传感可以通过传感器实时了解液压油的温度，避免发生危险事故[1]。

2.2 控制系统设计原理

旋转导向钻具控制系统是一个综合了液压、电气和计算机控制等领域的技术模块，钻具由液压马达驱动。旋转受到的轴向力、空心圆柱体的液压提供。数据采集所需的各种传感器，将采集到的数据发送到计算机，然后就可以开启回路控制和闭环控制。控制系统必须满足一定的要求，保证系统的稳定运行。控制系统最基本的控制要求是安全性，并且具有急停按钮和故障提醒等功能。在设计电路时，应考虑负载控制系统试验现场不确定因素造成的影响。系统软硬件必须能够承受干扰，线路和部件必须正确安装。为避免串扰问题，提高系统稳定性，考虑不同线路和元件之间的干扰问题。操作界面要简洁明了，使操作者能够轻松地使用系统。为了使控制系统有更好的软件支持，所选择的系统硬件必须具有高响应速度和高采样频率。负载试验台控制系统必须是通用的，使用多种验证的钻具进行测试，并且系统必须具有可扩展性。控制系统主要是在对旋转导向钻机进行性能测试。因此，测试软件需要具有更多的功能，进行灵活地自动化测试。根据控制系统的要求，各功能子模块可根据需要灵活调用，方便软件系统功能的升级和扩展。计算机和子机通常构成一个完整的系统控制框架，子机主要依靠PLC控制器，用于控制数字模拟信号的采集和输出。软件监控系统用于配置交互参数，计算逻辑测试数据分析、处理和存储[2]。

2.3 上位机设计

控制系统的上位机设计是为管理员服务，主要功能是监控并发送指令执行，并对采集的数据进行分析处理。确保控制系统的顺利进行，达到精准控制的目的。旋转导向钻在旋转过程中，传感器采集温力和速度等相关状态参数，经电路调理后传输至数据采集模块。数据采集模块发送到上位机，上位机对数据进行处理、分析并显示在界面上，供操作人员直接查看。计算机接收并处理旋向钻具状态数据和测试设置参数，结合用于控制输出的控制逻辑，智能化程度高，并且控制性精度也在提高[3]。

3.旋转导向钻井技术应用于水平导向钻进中的应用

3.1 设置钻井方向

根据水平导向井的情况，旋转导向钻井技术可以解决导向钻井效率问题。在具体的应用中，对水平导向井的钻进有着直接的影响。结合水平导向井的现状，在钻井应用中，根据水平导向井的角度要求，调整钻井方向和钻井路径，使所有旋转导向钻井可在实践中改进钻井效率，在水平导向井钻井方向上，可以使其达到标准化的运行，解决钻井角度导向问题。在钻井方向调整中，需要结合钻井的方位和钻井的倾角进行角度调整，有效地改进钻井技术。在应用效果方面，确保了旋转导向钻井技术能够为水平导向井创造强有力的技术支撑。

3.2 测量钻井过程数据

为保证水平导向井满足钻井要求，解决水平导向井中的钻井难题，旋转导向钻井能够最大程度地满足水平导向井钻井的要求。测量钻井过程数据，使整个水平方向根据钻井要求和具体特点来加以应用钻井技术，使轨迹数据沿整个水平方向钻井，充分体现在钻井过程中，满足水平导向井的要求。因此，在测量中，应根据钻井的需要和应用特点，在应用中结合水平导向井的要求和实际钻井情况，使钻井可以达到预期目标，避免测量过程中采用的错误方法导致在出现问题。

3.3 提高水平钻井效率

应用旋转导向钻井的优点是可以提高钻井效率，使水平导向井解决钻井问题，并根据水平导向井的要求，使水平方向的所有钻井均可钻，钻井满足水平导向井的需要，结合导向井的钻井特点和角度进行调整。因此，在水平导向井钻井中，旋转导向钻井可以提升钻井效率，避免钻井过程中出现的问题，影响钻井的实际效果。准确应用旋转导向钻井技术，根据钻井的具体要求，确定井位参数和角度数据，调整钻井路径，有效的解决传统钻井的技术难题。

4.结语

随着对水平导向井钻井中旋转导向钻井技术的了解，采用科学有效的钻井方法，应用旋转导向钻井技术，有助于解决水平导向井的问题。目前，在水平导向井钻井中，对于钻井技术要求较高。旋转导向钻井技术可以根据具体的设计要求及时调整钻井的工作方向，解决钻井中的角度问题，并有效的提高钻井效率，在整个水平导向井有积极的推动作用。因此，有效应用旋转导向钻井技术，结合钻井要求，夯实技术基础，对水平导向井具有重要的意义。