[发明专利]一种钻井系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种石油天然气钻井设备，特别是一种钻井系统。

背景技术

石油天然气钻井是一项地下隐蔽性工程，尤其是在复杂地质条件下钻复杂结构井和特殊工艺井时，存在着大量非均质性、不确定性、非结构性、非数值化的难题，解决钻井“黑箱”问题迫切需要将信息技术、智能控制技术应用到钻井工程中。

在钻井过程中如何建立起地面与井底之间的电力和信号通道是实现自动化，智能化钻井的关键。在信号传输方面，目前常用的信号传输方式包括泥浆脉冲传输、电磁波传输和声波传输。其中使用最广的泥浆脉冲存在着传输速率低，抗干扰能力差，不能用于欠平衡工况等缺点，而电磁波传输和声波传输信号衰减，传输距离受限。因此，这几种传输方式都成为了制约智能钻井技术发展的“瓶颈”。

在井底供电的方面，目前主要依靠井下电池或泥浆涡轮发电机。连续管电动智能钻井需要在下部钻井组合中安装各种传感器和控制模块，并且井下电动钻井马达和电动导向短节等所需的电功率大，依靠电池或泥浆涡轮发电机供电已不能满足智能电动钻井对电力的需求，最好的解决办法是将强电和弱电从地面引入井底。

在井斜方位测量方面，目前广泛采用三轴磁通门和三轴加速度计的测量参数来计算井斜角、方位角和工具面角。测量仪器在靠近铁磁材料的情况下，由于铁磁材料对地磁场的干扰，基于磁通门测量的参数是不可靠的，因此在丛式井钻井、救援井钻井和套管开窗侧钻等，存在磁干扰的场合，常规的测斜装置很难获得可靠的磁性工具面参数。

在钻井中广泛应用的井下容积式马达由钻井液驱动，存在着受流体介质限制，钻井参数与水力参数相约束等问题，不能对容积式马达的输出转速和转矩进行精确控制。此外，容积式马达中有橡胶材料使其高温工作性能差，工作寿命短。

在连续管的轨迹控制方面，目前常用的方式是旋转定向器和弯螺杆马达相配合，旋转定向器的作用是转动弯螺杆马达的工具面角，定好工具面方向后可向指定方向钻进。当需要钻直井时，旋转定向器需要提供一个持续的旋转运动，从而实现直线钻井。这种轨迹控制方式要求旋转定向器能提供足够的驱动扭矩以克服钻头的反扭矩，因此旋转定向器通常长度长，结构复杂。此外，这种定向方式钻出的井眼不够平滑，导致连续管与井壁摩擦阻力大，限制了连续管的下入能力和钻压施加性能，也不利于后期的下套管作业。

为此，中国专利申请号CN201120156963.2、公开号CN202125247U公开了一种全电动复合材料连续管钻井装置，如图1所示，包括钻头03和驱动钻头03转动的电动马达018，还包括内嵌电缆的复合材料连续管02、连续管滚筒08、连续管接头010、测量井下参数的测量机构015、改变钻头指向的导向工具016，地面井口处设有夹持复合材料连续管02的注入头01。该复合材料连续管02设有泥浆流道，泥浆流道与钻头03的喷嘴相通；复合材料连续管02卷绕在连续管滚筒08上，下端连接连续管接头010。连续管接头010、测量机构015、导向工具016与电动马达018依次串接，连续管接头010与测量机构015之间还连接有电控推进器014、电控断脱器013、井下通讯处理器012、井下电力变压器011；连续管接头010内纵向设有电缆通道，复合材料连续管02内嵌的电缆穿过连续管接头010的电缆通道。电控断脱器通013过复合材料连续管02内嵌的电缆与地面电源05相连接。在地面电源05和复合材料连续管02之间还通过电缆连接有地面电力变压器07，在复合材料连续管02与测量机构015之间还通过电缆连接有井下电力变压器011。在地面，地面监控器04与地面通讯处理器6通过导线相连接。在井下，井下通讯处理器012与测量机构15、导向工具016、电控断脱器013及电动马达018通过导线相连接。地面通讯处理器06通过复合材料连续管02内嵌的电缆与井下通讯处理器012连接。

该全电动复合材料连续管钻井装置采用复合材料连续管02实现地面和井下的电力与信号通道建立，复合材料连续管02虽然具有抗腐蚀性能好、管体轻、疲劳寿命高、内部通道畅通等优点，但复合材料连续管02还处于实验室研究阶段，技术尚不成熟，并且存在着以下缺点：

（1） 复合材料连续管02价格昂贵；

（2） 复合材料连续管02在油田现场的应用经验少；

（3） 复合材料连续管02抗冲击性能低；

（4） 大多数复合材料抗温能力低于100??C；

（5） 复合材料连续管02刚度低于钢制连续管，钻井能力受到限制；

（6） 复合材料连续管02一旦损坏，修复十分困难。