旋轉導向鉆井技術應用研究及其進展

姜 偉 蔣世全 付鑫生 陳 平

1．中國海洋石油總公司 2．中海油研究總院 3．西安石油大學 4．西南石油大學

油氣田勘探和開發過程中，人們對于鉆井的井眼軌跡提出了很多新的要求，特別是水平井技術、大位移鉆井技術、薄油層鉆水平井的技術、水平分支井技術［1－2］，這些技術要求鉆井工具去滿足越來越復雜的地層條件，同時還要為了暴露更多的儲層，以期獲得更大的產能。因此提出了越來越復雜的井眼軌跡要求。同時為了能提高鉆井效率、降低昂貴的鉆井成本和減少鉆井井下作業的風險，旋轉導向技術應運而生了，它的出現立刻在渤海鉆井作業［3－4］中得到了廣泛的應用，20世紀90年代以來，以Baker Hughes的Auto Trak系統、Schelumberger公司的Power Drive系統、Hullibuton公司的Geo－pilot系統為代表的旋轉導向鉆井技術［5］，給井眼軌跡的測量到控制掀起了一場革命，同時也在技術上和商業上展開了激烈的競爭。

圍繞著旋轉導向鉆井技術，中國自“九五”以來就開始了研究，并且在國家“十五”期間研制出旋轉導向的原理樣機，在此基礎上，“十一五”期間我們又開展了旋轉導向鉆井系統工程化的研究［6－10］，并且 “十一五”期間在3個關鍵技術方面取得了重大突破：①從井下工具測控原理到方法上取得了突破；②在定位總成［11－12］的平臺穩定性和控制方法上取得了突破；③在偏心穩定器［13］的造斜能力上從原理到結構設計上取得突破。并且，該技術和工具在現場入井進行了鉆井的實鉆檢驗，取得了很好的效果，為掌握旋轉導向鉆井關鍵技術奠定了堅實的基礎。

1 旋轉導向鉆井工具系統關鍵技術研究

1．1 總體方案

目前，改進的旋轉導向鉆井系統已實現兩大功能：測量和軌跡控制。我們在“十五”期間的MWD井眼參數測量的基礎上，在測量工具單元上增加了環空壓力測量、鉆井鉆壓和扭矩等參數的測量，這些測量的單元數據經過信號的通道來實現井下和地面的連通。

另一個重要的單元就是可控偏心穩定器［13］，它是井眼軌跡參數控制的工具［14］，目前用的是鉆井液液壓推動偏心穩定器翼肋的伸縮，以此來達到改變井斜和定位的目的。

連接這兩個單元的信息通道采用RS232總線連接，由地面計算機和編碼解碼器接收井下數據和下達控制工具指令，一方面實現井下上傳的數據解碼還原成井下地層參數測量數據（LWD）、井眼參數測量數據（MWD）、環空壓力以及工程參數測量數據；另一方面地面發出的井眼軌跡控制指令編碼也是通過數據總線傳達給井下工具，由井下工具執行地面的指令實施軌跡控制和導向。井下—地面數據流方案見圖1。

1．2 旋轉導向鉆井工具系統

旋轉導向鉆井工具系統井下部分的主要結構主要由偏心穩定器的翼肋總成及傳動部分、定位總成等5大部分構成（圖2）。

1．3 關鍵部件及單元的測試

1．3．1 室內測試和實驗

旋轉導向工具在室內進行了大量的測試和實驗，其系統的各單元測試工作結束以后，又專門在西安石油大學鉆井模擬實驗室進行了模擬實驗，經歷了120 r／min的轉速條件下的連續測試實驗，驗證了3個翼肋伸出狀態下工具的工作穩定。

1．3．2 鉆井測試

圖1 井下—地面數據流框圖

圖2 旋轉導向工具的主要構成示意圖

在渤海陸地實驗井的鉆井測試：從2009年10月至2011年9月課題組在渤海油田塘沽實驗基地進行了7次下井實驗。

1）JJSY－1井實驗井基本數據：井深2 125m，244．5mm套管下至井深1 440m，177．8mm尾管下至井深1 348～2 120m。

2）測試工具的鉆具組合安全參照實鉆鉆具組合配置：215．9mm鉆頭＋171．45mm旋轉導向鉆井工具＋171．45mm撓性短接＋171．45mmMWD＋216mm穩定器＋信息接收短接＋127mm鉆桿。

3）鉆機設備：N／V 1QP－160鉆井泵兩臺，最高泵壓為30MPa，鉆機型號是JZ 50DBS。

4）測試工具在JJSY－1井入井5次，全面測試了偏心穩定器的工作狀態。緊接著又在JJSY－4井進行了實際鉆井試驗，總計井下鉆井時間為25h，鉆井井段分別為744～865m、1 006～1 062m，期間對旋轉導向鉆井工具的主要性能和功能做了全面的測試。

至此，工具測試全面完成了室內評價和實驗井鉆井測試階段的工作，測試結果達到了油氣田測試的指標要求且具備了實鉆的水平，主要取得了以下3個方面的技術進展：

1）在室內旋轉鉆井實驗偏心穩定器在120r／min的條件下連續鉆進1h，定位總成工作穩定，偏心穩定器翼肋無轉動和轉動位移。

2）在實驗井測試下井7次，在JJSY－4井的724m處，增斜狗腿度達到2．7°／30m，充分說明該工具在上部軟地層具有一定的造斜能力。

3）地面傳輸控制指令：井下傳輸測量數據編碼解碼正常，控制翼肋動作按照程序執行，達到設計要求。

2 鉆井現場試驗

從2009年4月1日起就陸續開始了在油氣田的下井試驗，3年多的時間先后在甘肅省和四川省等4個油氣田進行了9次鉆井作業。試驗中為了取得滿意的工具系統在實鉆中的導向準確性、工具可靠性等效果，對實鉆方案做出了充分的準備，試驗中獲得了大量第一手的寶貴資料。

2．1 檢驗了工具可靠性

1）工具經歷了四川省的德陽、廣漢，甘肅省華池、慶陽等4個區域不同地質情況的鉆井試驗（表1）。

2）工具下井接受的檢驗時間最長的井是M23－1H井，純鉆時間達24．3h。

3）單次下井進尺最長的井為X2－1H井，進尺達286m，在四川地區鉆井這個進尺應該說工具已有不錯的表現。

2．2 檢驗了工具的軌跡控制能力

檢驗旋轉導向鉆井工具系統的造斜能力，在不同的井況經歷了不同的驗證（表2）。

表1 旋轉導向鉆井工具系統下井鉆井試驗情況表

1）工具系統經歷了不同的井斜的工作狀況，主要分為3大類：①井斜小于10°的井如G126－174井；②10°～23°以內的井，這類井如 G39－208井、Y304－29井、H43－33－1井、H43－33－2井和 M23－3HF井；③屬水平井井斜大于85°，如X2－1H 井、M23－1H井和S6－1HF井。

表2 井眼軌跡數據與鉆井參數表

2）在觀察工具的造斜能力時，可以發現與鉆井參數有關系，特別是與鉆壓關系較大。

①狗腿度大于6°／30m，鉆壓大約在100kN，如表2中X2－1H井和 M23－1H井。

②狗腿度約等于5°／30m時，鉆壓高限大約在80 kN，如表2中 M23－3HF和S6－1HF井。

3）造斜能力與轉速也是有規律的變化，如表2。①狗腿度大于6°／30m，轉速高限為90r／min，如X2－1H 井和 M23－1H 井，其為70～90r／min。

②轉速低于70r／min很可能提高造斜能力，如M23－3HF井，低轉速端為60r／min，同時又配合較高的鉆壓70～80kN，其狗腿度為5．6°／30m 高于S6－1HF井的4．7°／30m。

2．3 檢驗了不同鉆具組合的造斜率

2．3．1 鉆具組合

1）四川地區鉆具組合為：215．9mmPDC＋171．45mm旋轉導向工具＋171．45mm撓性短節（3．31m）＋171．45mm MWD＋215．9mm 穩定器＋127．0mm鉆桿×110根＋127．0mm加重鉆桿×51根＋158．75mm震擊器＋171．45mm加重鉆桿×13根＋171．45mm鉆桿。

2）長慶地區鉆具組合為：215．9mmPDC＋171．45mm旋轉導向工具＋171．45mm撓性短節＋171．45mm MWD＋209．55mm穩定器＋165．1mm鉆鋌×9～12根＋127．0mm鉆桿。

2．3．2 造斜率

1）四川地區采用215．9mm穩定器的效果優于長慶地區209．55mm穩定器。

2）四川地區采用穩定器后給127．0mm鉆桿的撓性比長慶地區的165．1mm鉆鋌大，造斜率要高一些。

3 結束語

旋轉導向鉆井技術研究經過了國家“十一五”期間的技術攻關與試驗，在偏心穩定器的研制、工程參數測量、MWD和LWD信號傳輸方面都取得了很大的進展，特別是針對目前旋轉導向鉆井的關鍵技術取得了突破。

1）旋轉導向系統已經成功實現了地層參數測量、工程參數測量、定向井井眼軌跡測量和控制與信號脈沖反饋及收發等4個功能，研制的成果在油氣田現場應用完全達到了預期的目標。

2）目前旋轉導向工具的造斜能力已達到設計要求，但造斜能力與鉆井參數的關系也十分密切，偏心穩定器的造斜能力受到了地層特性的影響，這是在工具使用中要注意的問題。

3）旋轉導向的關鍵技術之一的偏心穩定器設計方案合理、結構與原理可行，現場單井試驗最長時間只有24h，需要更多的試驗檢驗其持久性和可靠性。

4）渤海油田完善的實驗井為旋轉導向鉆井工具的功能測試發揮了重要作用，配備完備的工程化實驗手段和設備是開展技術攻關、將科研成果轉化為工程化的裝備和工具不可缺少的重要手段。

5）中國旋轉導向鉆井技術的研發已經走過了十多年的歷史，在基本原理的研究、原理樣機和工程樣機的研制過程中掌握了一批核心技術，在油氣田現場應用中又進一步完善了旋轉導向系統的功能和實際操作的可靠性，同時還培養和鍛煉了一批科研隊伍和人才，我們還要繼續努力，在理論和實際結合上推動旋轉導向鉆井技術的進步和發展。

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