黃懿強

摘 要：【目的】為滿足南海東部勘探鉆井數(shù)量和完鉆深度逐年增加情況下，垂直鉆井和定向鉆井對井眼軌跡控制高的要求，確保鉆井井眼軌跡質(zhì)量，解決前期定向井工具定向能力不足的問題，積極推動“一趟鉆”工程?！痉椒ā客ㄟ^對非動力及動力定向井工具的技術(shù)原理和作業(yè)優(yōu)缺點進行比較和分析，結(jié)合作業(yè)需求和工具特點，優(yōu)選了智能推靠式旋轉(zhuǎn)導向工具iCruise，該工具系統(tǒng)定向能力強、耐高溫，堅固的機械設(shè)計和高強度材料使其可在惡劣環(huán)境中使用?！窘Y(jié)果】優(yōu)選的旋轉(zhuǎn)導向工具iCruise在南海東部十余口探井進行了成功應(yīng)用，不僅滿足復雜結(jié)構(gòu)井的精準定向要求，而且大幅度提高了效率?！窘Y(jié)論】本研究為定向鉆井作業(yè)積累了經(jīng)驗，也為旋轉(zhuǎn)導向工具的國產(chǎn)化提供了建議。

關(guān)鍵詞：定向鉆井；旋轉(zhuǎn)導向；井斜角；推靠式

中圖分類號：TE243? ? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1003-5168（2023）09-0065-04

Abstract：[Purposes] In order to meet the increasing number of exploration drilling and completion drilling depth in the eastern of South China Sea year by year， vertical drilling and directional drilling have high requirements on the control of well trajectory， ensure the quality of well trajectory， solve the problem of insufficient directional ability of directional drilling tools in the early stage， and actively promote the "one trip drilling" project. [Methods] Combining operation requirements and tool characteristics，through the comparison and analysis of the technical principles and advantages and disadvantages of non-dynamic and dynamic directional drilling tools， the intelligent push-back rotary steerable tool iCruise was selected. The tool system has strong directional capability， high temperature resistance， strong mechanical design and high strength materials for using in harsh environments. [Findings] The preferred rotary steerable tool iCruise has been successfully applied to more than 10 exploration Wells in the eastern of South China Sea， which not only meets the orientation requirements of complex structural Wells， but also greatly improves the operational efficiency. [Conclusions] This study has accumulated valuable experience for directional drilling operations and provided suggestions for the localization of rotary steering tools.

Keywords：directional drilling; rotary steerable;? inclination angle; push the bit

0 引言

南海東部積極踐行油氣勘探開發(fā)“七年行動計劃”，勘探鉆井井數(shù)和完鉆井深度逐年增加。2022年完鉆43口探井，創(chuàng)歷史最高水平，平均鉆井深度3 735.4 m，刷新歷年探井平均井深紀錄，其中A井完鉆井深達5 470 m，為井深最大的井。隨著直探井和定向探井數(shù)量及鉆井深度的增加，對定向井工具的性能提出了新的要求［1］，在作業(yè)者不斷追求提速提效的情況下，不僅要求工具定向作業(yè)能力優(yōu)異，而且需要具備出色的作業(yè)穩(wěn)定性和智能輔助決策能力。

1 常見定向井工具

定向井工具用于井眼軌跡控制，主要包括非動力防斜打直鉆具組合、螺桿馬達和旋轉(zhuǎn)導向工具等，海上作業(yè)中常用的定向井工具為鐘擺鉆具、螺桿馬達和旋轉(zhuǎn)導向工具。

防斜打直鉆具組合主要用于直探井，控制井眼在軟硬交錯或高陡構(gòu)造和多期構(gòu)造運動疊加的地層中垂直鉆進。非動力防斜打直鉆具組合主要有鐘擺鉆具組合和剛性滿眼鉆具組合。在易斜地區(qū)，鐘擺鉆具組合是重要的防斜糾斜技術(shù)，其防斜理論較簡單，如圖1所示，通過鉆具鐘擺力G產(chǎn)生糾斜力GC，達到防斜打直的目的。鐘擺鉆具存在的主要問題是一般采用輕壓吊打，影響機械鉆速；鐘擺鉆具可能形成螺旋形井眼或微臺階。此外，由于鉆井深度的增加和鉆探層位加深，直井中存在的斷層與含傾角層位使得鐘擺鉆具難以保證軌跡保持垂直。

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圖1 鐘擺鉆具組合糾斜原理

螺桿馬達是最常用的井下動力導向鉆具。馬達可根據(jù)設(shè)計造斜率的要求在地面調(diào)好一定的彎角，定向時通過隨鉆測斜儀（MWD）提供的信號確定螺桿鉆具的彎接頭方向，鉆具不旋轉(zhuǎn)，螺桿鉆具驅(qū)動鉆頭旋轉(zhuǎn)，使鉆頭沿螺桿鉆具彎接頭彎曲方向鉆進，進行滑動定向造斜，如不需要造斜或造斜率過高，可旋轉(zhuǎn)鉆具，不進行滑動。隨著井身結(jié)構(gòu)瘦化技術(shù)的推薦，使得螺桿馬達鉆具在長裸眼井段中的滑動變得困難，為了保證中靶常需要通過不斷地長時間滑動來對軌跡進行調(diào)整，鉆具長時間不旋轉(zhuǎn)增加了井下安全風險，也降低了鉆井時效。

旋轉(zhuǎn)導向技術(shù)是目前最為先進的井眼軌跡控制技術(shù)，該技術(shù)可在旋轉(zhuǎn)鉆進中控制井眼軌跡，鉆進時可通過鉆井液壓力脈沖從地面向井下工具發(fā)出指令，對井眼軌跡進行實時調(diào)整［2］。旋轉(zhuǎn)導向比常規(guī)導向鉆具有明顯優(yōu)勢，旋轉(zhuǎn)導向工具能更精確地控制井眼軌跡，并克服了傳統(tǒng)井下動力導向鉆具因井下摩阻大滑動困難、定向作業(yè)時效低等缺點，同時旋轉(zhuǎn)導向鉆進利于井眼清潔，鉆出的井眼光滑且作業(yè)效率高，工程實施定向工作簡單，井眼延伸鉆進能力更強。

自20世紀90年代全球首款旋轉(zhuǎn)導向正式商業(yè)化開始至今工具不斷更迭，現(xiàn)如今市場上比較成熟的有中海油服Welleader，哈里伯頓Geo-Pilot、iCruise，貝克休斯，斯倫貝謝PowerDrive Orbit、Xceed。貝克休斯公司的AutoTrack系統(tǒng)以及斯倫貝謝公司的PowerDrive系統(tǒng)已迭代至第三代旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)，耐井下高溫175 ℃、造斜率達（15°～17°）/30 m。2015年，中海油服通過自主攻關(guān)，打破了國外長期技術(shù)壟斷，推出了旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)Welleader，在渤海油田成功進行海上作業(yè)，最小靶心距2.1m ［3］。川慶鉆探公司CG Steer系統(tǒng)迭代至第二代，頁巖氣井實際造斜率10.5°／30 m（最大12°／30 m），目前已在四川頁巖氣、長慶頁巖油和長慶致密氣等地區(qū)使用數(shù)十口井次，累計進尺超3萬m［4］。

按照工作原理，目前旋轉(zhuǎn)導向工具可分為推靠式（Push the Bit）及指向式（Point the Bit）［5］。推靠式旋轉(zhuǎn)導向鉆具利用推靠方式提供鉆頭定向側(cè)向力實現(xiàn)導向。工具結(jié)構(gòu)由執(zhí)行單元和控制單元兩部分組成，代表工具有AutoTrack和PowerDrive。從鉆具特性考慮，旋轉(zhuǎn)導向工具第二穩(wěn)定器離鉆頭方向越近，其后的鉆具柔性越強，旋轉(zhuǎn)鉆具造斜能力越強。指向式旋轉(zhuǎn)導向鉆具通過為鉆頭提供了一個與井眼軸線不一致的傾角，產(chǎn)生導向作用，代表工具有Geo-Pilot，與推靠式旋轉(zhuǎn)導向工具不同，它是靠不旋轉(zhuǎn)外筒與旋轉(zhuǎn)心軸之間的一套偏置機構(gòu)使旋轉(zhuǎn)心軸彎曲，從而為鉆頭提供了一個與井眼軸線不一致的傾角，產(chǎn)生導向作用。其偏置機構(gòu)是一套由兩個可控制的偏心圓環(huán)組合形成的偏心機構(gòu)，可始終將鉆頭指向預(yù)定方向?qū)崿F(xiàn)導向。指向式旋轉(zhuǎn)導向工具工作原理如圖2所示。指向式旋轉(zhuǎn)導向鉆具有導向螺桿鉆具和常規(guī)鉆具組合雙重特點，第一穩(wěn)定器位置離鉆頭位置越近，造斜能力越強。部分旋轉(zhuǎn)導向含有不旋轉(zhuǎn)外筒部分在鉆井過程中易發(fā)生托壓，若井眼環(huán)境較差發(fā)生井壁垮塌等容易造成卡鉆等井下事故；另外隨著井深的增加和井下時間的增加，旋轉(zhuǎn)導向工具的使用壽命會不斷減少，探井中需要的隨鉆測井工具種類繁多，參考木桶效應(yīng)，若某一工具發(fā)生失效或失聯(lián)，極有可能導致旋轉(zhuǎn)導向無法繼續(xù)工作。在鉆井更深更遠、提質(zhì)增效的目標下使用更智能、更穩(wěn)定易用的旋轉(zhuǎn)導向工具成為新的需求。

2 新型智能旋轉(zhuǎn)導向工具

2018年，哈里伯頓公司發(fā)布了全球首款智能推靠式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)iCruise，該系統(tǒng)集成了先進的傳感器、電子設(shè)備及高速處理器（包含高頻工具面，近鉆頭井斜、方位，連續(xù)井斜、自帶方位伽馬及環(huán)空壓力監(jiān)測等），具備了400 r/min 轉(zhuǎn)速和最高18°/30 m的造斜能力，結(jié)合獨有的自動軌跡控制系統(tǒng)可實現(xiàn)高至L4級別的自動定向鉆進。相比以往的導向系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在高溫環(huán)境下為鉆頭轉(zhuǎn)向提供更多的動力，在更高的井斜處，可以更好地抵抗扭轉(zhuǎn)振蕩和周期性彎曲，延長了鉆鋌的使用壽命。

iCruise工具外側(cè)有3個活塞，每個活塞對應(yīng)一個兩位三通電磁閥，起到切換工具內(nèi)部鉆井液分流的作用，工作原理如圖3所示。當需要造斜時，電磁

磁閥將工具內(nèi)部鉆井液與活塞內(nèi)側(cè)高壓流體貫通，此時活塞外側(cè)是較低壓力的環(huán)空流體，在內(nèi)外壓力

差作用下推動活塞動作，使鉆頭產(chǎn)生導向力。當不需要工具造斜時，電磁閥關(guān)閉工具內(nèi)鉆井液與活塞內(nèi)側(cè)流體通道，此時，活塞內(nèi)側(cè)與環(huán)空液體連通，活塞的內(nèi)外不存在壓差，不對鉆頭產(chǎn)生導向力。

iCruise基于創(chuàng)新設(shè)計，具有以下特點與優(yōu)勢：①6個高速處理器、三刀面測量、測量速度可達1 000次/s、精確的刀具面控制、高強度材料和高強度連接；②搭配GeoSpan地面指令發(fā)生器可實現(xiàn)最快1 min指令發(fā)生時間；③工具執(zhí)行指令無需停泵、停轉(zhuǎn)、提離井底、改變鉆井參數(shù)等，實現(xiàn)正常鉆進過程中即執(zhí)行指令；④三組井斜方位高精度測量配合1 000 Hz工具面測量確保軌跡精準，最小井斜誤差0.09°；⑤通過Logix軟件中對于誤差閾值、目標井斜方位、狗腿度等設(shè)定以實現(xiàn)井斜、方位以及工具力度輸出自動調(diào)整，減少人為干預(yù)；⑥iCruise也可通過Logix進行自我學習及井眼軌跡向前預(yù)測，減小地層變化等參數(shù)對軌跡的影響；⑦多組井下傳感器將井下實時震動，ECD等上傳至地面，利于作業(yè)者及時調(diào)整鉆井參數(shù)，在保證井下安全的前提下延長井下工具作業(yè)時間、提高鉆井有效能效輸出；⑧模塊化設(shè)計可根據(jù)不同作業(yè)需求在車間對工具進行快速配置；⑨通過在車間提前設(shè)置可滿足與第三方隨鉆工具搭配，可實現(xiàn)無須互通的情況下完成垂鉆及穩(wěn)斜段鉆進作業(yè)。

3 現(xiàn)場應(yīng)用分析

自2020年哈里伯頓全新一代智能旋轉(zhuǎn)導向iCruise首次成功作業(yè)后，中國在2021年就將此工具引入南海東部進行作業(yè)，至今取得了優(yōu)異的成績，為探井項目鉆井作業(yè)的快速安全開辟了新的思路。

自iCruise進入南海東部探井市場至今，該系列不同尺寸工具共完成直探井及定向探井17井次、311.15 mm及215.9 mm共31井段、總進尺47 445 m、總井下時間5 030 h、總純鉆時間1 702 h、平均機械鉆速27.87 m/h，iCruise入井成功率100%，單趟鉆最長進尺2 795 m，最高機械鉆速91.5 m/h。iCruise以其穩(wěn)定的作業(yè)表現(xiàn)及長井下作業(yè)時間將以往單尺寸井段至少需要2趟鉆的作業(yè)理念縮短為1趟鉆，極大減少了鉆進時間，提高了鉆井時效。

3.1 iCruise結(jié)合Logix智能精準軌跡控制

現(xiàn)如今的探井作業(yè)中，由于地層因素制約，井眼軌跡必須穿過斷層或需鉆穿不同層位不同位置的靶點，在保證中靶的同時減少軌跡調(diào)整利于后續(xù)電測及完井作業(yè)，進一步提高作業(yè)效率。

在南海東部某直探井作業(yè)中使用iCruise進行垂鉆作業(yè)，單趟鉆進尺2 190 m，提前2 d完鉆，機械鉆速對比臨井提高50%，僅利用一個指令工具通過自我鉆進控制完成直井段井斜控制在0.1°以內(nèi)。

多傳感器及高速工具面測量引領(lǐng)iCruise精確有效定向，高造斜率減少了淺層軟地層造斜控時的情況，在保證軌跡質(zhì)量的情況下再次提速。在某定向探井311.15 mm井段作業(yè)前，哈里伯頓技術(shù)支持及工程師提前對地層情況進行分析、對工具進行配置，在淺層定向造斜施工中采用大排量快速鉆進。該井平均機械鉆速接近100 m/h，最大“狗腿”輸出能力達到4°/30 m，平均機械鉆速及“狗腿”輸出能力均能達到臨井其他全旋轉(zhuǎn)推靠式旋轉(zhuǎn)導向工具的2倍，極大提高時效的同時，又保證了作業(yè)質(zhì)量。

3.2 后續(xù)應(yīng)用分析

隨著惠州26-6油氣田在南海東部海域古潛山新領(lǐng)域獲得的重大勘探突破，一舉打破了南海東部海域在潛山領(lǐng)域40余年無商業(yè)發(fā)現(xiàn)的歷史，開啟了古潛山、古近系“雙古”立體勘探新局面，展示出該領(lǐng)域巨大的勘探前景，為南海東部油田找到了儲量接替的新方向。

隨著鉆進加深，地層可鉆性差，如何降低井下震動傳遞有效鉆井能量來加速破巖快速鉆進成為“探山”的一大難關(guān)。目前，可行的方案有使用馬達提高底部鉆具轉(zhuǎn)速以避開共振臨界轉(zhuǎn)速，同時搭配井下扭沖工具進一步提高破巖效率。由于iCruise自帶渦輪發(fā)電機且能按照預(yù)定設(shè)置進行巡航鉆進，無須與上部隨鉆工具連通即可完成穩(wěn)斜鉆進，即iCruise與LWD間使用常規(guī)馬達成了降本提速的突破口，iCruise最高轉(zhuǎn)速為400 r/min，在鉆機的承受范圍內(nèi)提高頂驅(qū)轉(zhuǎn)速，增加排量帶動底部鉆具、馬達及鉆頭的轉(zhuǎn)速，能有效降低震動，使鉆壓更高效地傳遞至井底破巖。同時iCruise也可適配扭沖工具達到提高機械鉆速的目的，iCruise搭配常規(guī)馬達、提速工具已在國內(nèi)陸地與其他海域施工中得到了應(yīng)用與驗證。

4 結(jié)論及建議

旋轉(zhuǎn)導向技術(shù)在鉆探作業(yè)中的比重逐漸加大，是實現(xiàn)鉆井井眼軌跡精準控制的重要手段。隨著油氣勘探鉆井難度的增加，旋轉(zhuǎn)導向工具也有了長足的發(fā)展和進步，定向能力更強，耐溫更高，隨鉆測量及數(shù)據(jù)反饋也更加豐富和智能化，智能旋轉(zhuǎn)導向iCruise即是其中的代表。發(fā)展和完善國產(chǎn)化旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)已經(jīng)成為行業(yè)技術(shù)發(fā)展的重中之重。

雖然國內(nèi)的旋轉(zhuǎn)導向技術(shù)近幾年取得了重大進展，但與國外成熟技術(shù)仍存在一定差距。未來應(yīng)加大研究力度，密切關(guān)注先進旋轉(zhuǎn)導向技術(shù)發(fā)展，持續(xù)研發(fā)、優(yōu)化和維護具有自主知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新技術(shù)，針對現(xiàn)存的核心技術(shù)難題進行重點攻關(guān)，大力推動國產(chǎn)化旋轉(zhuǎn)導向技術(shù)在油田現(xiàn)場的大規(guī)模應(yīng)用。

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