石油鉆井應用旋沖鉆進技術的可行性探索

尚東鋒

摘 要：近十幾年來，水平井、大位移井、多分支井等復雜結構井和“海油陸采”的迅速發展。為了節約開發成本和提高石油產量，對那些受地理位置限制或開發后期的油田，通常通過開發深井、超深井、大位移井和長距離水平井來實現，進而造成復雜結構的井不斷增多。因此，本文對石油鉆井應用旋沖鉆進技術的可行性探索分析，提出了一些作者自己的意見和看法。

關鍵詞：石油鉆井；旋沖鉆進技術；可行性探索

1 旋沖鉆井技術原理

旋沖鉆井原理是在普通旋轉鉆進的基礎上，在鉆頭上部安裝一個液動沖擊器，將鉆井液壓力能轉變為高頻沖擊能，使鉆頭在一定鉆壓下隨鉆柱旋轉的同時，受到沖擊器高頻沖擊力的作用，在旋轉和沖擊共同作用下破碎巖石，提高破巖效率。旋沖鉆井技術是一項全新的鉆井技術，其全新的思路、良好的性能將有助于把深井鉆井技術提高到一個新高度，石油旋沖鉆井技術發展前景廣闊。

2 旋轉自動導向鉆井系統組成

2.1 地面監控系統

旋轉導向鉆井系統的地面監控系統包括信號接收和傳輸子系統及地面計算存儲分析模擬系統，有的還具有智能決策支持系統。旋轉導向鉆井系統的主要功能通過閉環信息流監視并隨鉆調控井身軌跡，其關鍵技術是從地面發送到井下的下行控制指令系統。

2.2 地面與井下雙向傳輸通訊系統

目前已提出的信號傳輸方式有4種，即鉆井液脈沖、絕緣導線、電磁波和聲波。通過比較分析，筆者發現這4種傳輸方式各有優缺點和應用局限，如表1所示。

2.3 井下旋轉自動導向鉆井系統

井下旋轉自動導向鉆井系統是旋轉自動導向系統的核心，它主要由3部分構成，即測量系統、導向機構、CPU和控制系統。

2.3.1 測量系統

測量系統主要用于監測井眼軌跡的井斜、方位及地層情況等基本參數，使鉆井過程中井下地質參數、鉆井參數和井眼參數能夠實時測量、傳輸、分析和控制。它經歷了隨鉆測量（MWD）、隨鉆測井（LWD）、隨鉆地震（SWD）、隨鉆地層評價測試技術（FEMWD）和地質導向技術（GST）幾個階段。

2.3.2 導向機構

導向機構代表了目前導向技術的先進水平。按原理不同，導向機構原理可分為：

2.3.2.1 導向力原理。推力式（或稱偏置式）旋轉導向工具和指向式旋轉導向工具。推力式旋轉導向工具是通過側向力推靠鉆頭來改變鉆頭的井斜和方位。而指向式旋轉導向工具是預先定向給鉆頭一個角位移，通過為鉆頭提供一個與井眼軸線不一致的傾角來使鉆頭定向造斜。

2.3.2.2 控制原理。可變徑穩定器式旋轉導向工具和調制式旋轉導向工具。前者是先通過電磁閥調節在伸縮塊上的液壓，以使導向力矢量滿足所需導向目標；再通過定向控制系統進行方位與井斜的控制。而后者是通過調節渦輪發電機負載電流改變渦輪發電機繞組回路阻抗，以使攜帶高強度永磁鐵的渦輪葉片與穩定平臺內的扭矩線圈耦合產生不同的電磁轉矩和加速度，進而使旋轉換向閥保持一個相對于井壁的固定角度，即工具面角，最終實現控制軸在受控狀態下的運動狀態改變。

3 石油鉆井中旋轉導向鉆井工具

旋轉導向鉆井工具是旋轉導向鉆井系統的核心，決定了旋轉導向鉆井系統的工作特色和工作能力。

3.1 典型井下閉環旋轉導向鉆井工具

3.1.1 MRST的組成及工作原理

調制式旋轉導向鉆井工具（MRST）屬于推靠式旋轉導向鉆井工具。由于其鉆柱與井壁之間不存在靜止點，因此，在鉆井過程中更可體現旋轉鉆井的優越性。調制式旋轉導向鉆井系統導向力的大小和方向主要是由穩定平臺控制的。

當需要最大導向力時，穩定平臺控制軸就帶動上盤閥旋轉，使上盤閥穩定在預定方向，控制上盤閥高壓孔方向恒定。在鉆柱旋轉過程中，每個“巴掌”依次在該方向附近伸出拍打井壁，導向機構對井壁的作用力就是這些拍打力的合力。這個合力的反力就是鉆柱受到的導向力，方向沿著上盤閥預定方向的反方向。當不需要導向時，穩定平臺帶動上盤閥以和鉆柱具有不同的某一轉速勻速轉動，這時“巴掌”均勻拍打井壁四周，導向工具可控制的液壓導向力的合力就等于零，此時導向工具呈中性工作狀態，達到穩斜效果。MRST液壓控制閥采用上、下盤閥結構，上盤閥與穩定平臺控制軸相連接，它只有一個弧形長孔形狀的高壓閥孔。下盤閥與鉆柱本體連接，隨MRST外殼及鉆柱一起旋轉，它有3個互成120°圓心角的等直徑低壓孔（泄流孔）。

4 結束語

為了發揮旋沖鉆井技術加快深部復雜地層鉆井速度的優勢，降低鉆井成本，提高井身質量，有必要對石油鉆井中旋沖鉆井技術進行深入研究，研制與旋沖鉆井相匹配的鉆頭，開發沖擊器井下監測系統，建立旋沖鉆井模擬試驗裝置，形成成熟的旋沖鉆井工藝。

參考文獻：

[1]鄧元洲.旋沖鉆進技術在石油鉆井中應用的可行性研究與探索[J].化工管理，2016（17）.