分類旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具造斜性能的研究與應(yīng)用

李青洋

摘 要：旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng) RSS（Rotary Steerable Systems） 分為推靠式和指向式兩種，RSS 以其優(yōu)良的導(dǎo)向控制和降低摩阻的能力廣泛用于大位移井以及長(zhǎng)水平段水平井。雖然旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，但如果不了解其造斜性能，就無法完全充分發(fā)揮其性能。為了預(yù)測(cè)鉆頭的走向，就要研究在導(dǎo)向工具側(cè)向力和鉆壓作用下鉆頭的側(cè)向和軸向的鉆進(jìn)速度。在計(jì)算側(cè)向力和鉆頭轉(zhuǎn)角基礎(chǔ)上，研究了鉆頭的導(dǎo)向控制機(jī)理。綜合考慮 2 種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的造斜原理，明確了各個(gè)因素對(duì)造斜性能的影響，對(duì)其性能進(jìn)行了優(yōu)化并取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞： 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具;分類比較;造斜性能;應(yīng)用

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具是目前最先進(jìn)的定向工具，對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具造斜性能的研究有助于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的研制和應(yīng)用。通過分析鉆頭在側(cè)向力和轉(zhuǎn)角作用下的導(dǎo)向機(jī)理，結(jié)合鉆頭的性質(zhì)和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的原理，對(duì)兩種工具的導(dǎo)向性能進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明：推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)需要側(cè)向攻擊性能強(qiáng)的鉆頭與之匹配，可以準(zhǔn)確快速地調(diào)節(jié)井眼軌跡，在軟地層和小鉆壓條件下可以達(dá)到較高的造斜率;指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)適合于長(zhǎng)保徑鉆頭以引導(dǎo)鉆壓指向鉆頭轉(zhuǎn)角方向，其造斜效果受其他因素影響較小，造斜率穩(wěn)定，井眼軌跡可預(yù)測(cè)性好。實(shí)際旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的使用證實(shí)了上述分析結(jié)果。

1 RSS導(dǎo)向原理

推靠式 RSS 目前應(yīng)用較為廣泛，其工作原理是利用鉆柱內(nèi)外壓差驅(qū)動(dòng)活塞推靠井壁從而在鉆頭處產(chǎn)生側(cè)向力，推靠井壁力的方向根據(jù)井眼軌跡由控制部分實(shí)時(shí)調(diào)整，通過調(diào)節(jié)活塞拍打井壁的次數(shù)就相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)力的大小。蘇義腦利用縱橫彎曲連續(xù)梁理論建立了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具組合的受力分析方法，利用這個(gè)方法可以對(duì)下列典型的鉆具組合進(jìn)行計(jì)算： 鉆頭（？215.9 mm）+RSS 以及短節(jié)（10 m）+ 穩(wěn)定器（? ? 214 mm）+ 鉆鋌若干。活塞拍打井壁的力？ Q 以及活塞與鉆頭的位置這 2 個(gè)因素對(duì)于鉆頭側(cè)向力以及鉆頭轉(zhuǎn)角影響。計(jì)算結(jié)果表明：RSS 活塞推力越大，作用點(diǎn)與鉆頭越近，鉆頭處的側(cè)向力越大。整體來看，推靠式 RSS 鉆頭轉(zhuǎn)角 θ 為一小值。

指向式 RSS 通過偏心結(jié)構(gòu)使鉆頭產(chǎn)生傾角，引導(dǎo)鉆壓按鉆頭指向鉆進(jìn)從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向鉆進(jìn)的目標(biāo)， 鉆頭傾角和鉆頭的結(jié)構(gòu)是主要因素。無論是何種 RSS，井眼軌跡的控制最終要靠鉆頭的切削完成，僅有側(cè)向力或者鉆頭轉(zhuǎn)角是不夠的， 因此需要研究鉆壓、側(cè)向力、鉆頭轉(zhuǎn)角以及鉆頭結(jié)構(gòu)等因素對(duì)于導(dǎo)向鉆進(jìn)的影響。

2鉆頭導(dǎo)向過程

2.1鉆頭導(dǎo)向結(jié)構(gòu)

鉆頭具有的側(cè)向切削能力保證了井眼軌跡控制的需要，為了精確控制井眼軌跡，已經(jīng)對(duì)鉆頭的側(cè)向切削能力進(jìn)行了大量的研究。鉆頭鉆壓與鉆速遵循下列基本計(jì)算式

式中，A 表示除鉆壓外的其他因素的影響系數(shù);n 為鉆壓指數(shù)。

從鉆頭的設(shè)計(jì)原理和結(jié)構(gòu)來看，鉆頭的軸向切削能力與側(cè)向切削能力有明顯的不同，結(jié)合井斜控制機(jī)理，將側(cè)向和軸向切削能力的比值定義為鉆頭的切削各向異性指數(shù)

式中，F(xiàn)a? 及 va? 分別為鉆頭軸向作用力及鉆速;Fl? 及vl 為側(cè)向作用力及鉆速。

上式中的鉆壓指數(shù) n 由下列經(jīng)驗(yàn)公式確定：n=0.5336+0.1993Kd （3）

式中，Kd為巖石的可鉆性極值，是一個(gè)表征巖石鉆性程度的數(shù)值，通常采用現(xiàn)場(chǎng)的巖心在室內(nèi)測(cè)得或由現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)反推得到。由于鉆壓指數(shù)由地層可鉆性決定，因此鉆壓指數(shù)的引入，可以表達(dá)出地層可鉆性對(duì)于導(dǎo)向能力的影響。同時(shí)，鉆壓和鉆速中的非線性關(guān)系相對(duì)于以前的線性假設(shè)更加科學(xué)合理。

2.2 井眼趨勢(shì)角的計(jì)算

對(duì)鉆頭在井斜平面中導(dǎo)向鉆進(jìn)的狀態(tài)進(jìn)行分析。鉆頭受到底部鉆具組合產(chǎn)生的側(cè)向力 SF 以及鉆壓 WOB，假設(shè)井眼軸線和鉆頭軸線之間的夾角為 θ，鉆頭本身的切削異性指數(shù)為 IB。

鉆進(jìn)過程中的鉆頭在鉆壓和側(cè)向力作用下，首先將鉆壓和側(cè)向力投影到平行和垂直于鉆頭軸線的2 個(gè)方向上。

3兩種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的分析

根據(jù)以上鉆頭的導(dǎo)向機(jī)理，以趨勢(shì)角？ 作為導(dǎo)向能力的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，可為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)選擇合適的鉆頭、適宜的鉆進(jìn)地層及鉆進(jìn)參數(shù)。以下計(jì)算中未加說明的，鉆壓為 80 kN，地層為中等地層（Kd=5）。

3.1推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)

推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)主要依靠側(cè)向力導(dǎo)向控制，上面的計(jì)算結(jié)果顯示鉆頭的轉(zhuǎn)角很小。所以影響推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)導(dǎo)向能力的因素主要有鉆頭的側(cè)向切削能力和側(cè)向力的大小。對(duì)于井眼趨勢(shì)角的影響，鉆頭側(cè)向切削能力越強(qiáng)，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具施加的側(cè)向力越大;井眼趨勢(shì)角越大即導(dǎo)向能力就越強(qiáng)。

3.2 指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)

指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具出現(xiàn)較晚，但這種導(dǎo)向方式相對(duì)推靠式的顯著優(yōu)勢(shì)是可以產(chǎn)生好的井身質(zhì)量，大幅度地降低摩阻扭矩，這對(duì)于水平井、大位移井是至關(guān)重要的。這種工具依靠鉆頭的指向來實(shí)施導(dǎo)向控制，影響導(dǎo)向控制的因素主要有鉆頭轉(zhuǎn)角和鉆頭側(cè)切能力。利用鉆頭的導(dǎo)向機(jī)理可以計(jì)算出這兩者對(duì)于井眼趨勢(shì)角的影響，鉆頭轉(zhuǎn)角越大，導(dǎo)向控制能力越強(qiáng)，長(zhǎng)保徑鉆頭具有較低的側(cè)向切削能力，比較適合指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)。

3.3 兩種 RSS 的比較

既然 2 種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的造斜機(jī)理不同，就要研究在不同條件下 2 種 RSS 的造斜性能，引入鉆壓指數(shù)，就可以計(jì)算鉆壓與地層可鉆性對(duì)導(dǎo)向能力的影響。若指向式工具的指向角為 1.5°，鉆頭為長(zhǎng)保徑鉆頭;推靠式工具的側(cè)向力為 5 kN，鉆頭為短保徑鉆頭。指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的造斜率非常穩(wěn)定，在不同的鉆壓和地層條件下，其造斜趨勢(shì)角基本沒有變化。所以，指向式 RSS 所鉆井眼的造斜率可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)和控制，適宜在儲(chǔ)層準(zhǔn)確控制井眼走向?qū)崿F(xiàn)油層的最大接觸，井壁光滑、井身質(zhì)量高，極大降低了鉆柱和井壁的摩阻扭矩。

計(jì)算結(jié)果顯示推靠式 RSS 造斜率變化范圍較大，鉆壓較小以及地層較軟時(shí)其造斜率較大，可以快速糾正井眼軌跡，但鉆遇較硬地層時(shí)導(dǎo)向能力降低，本質(zhì)上屬于推靠式 RSS 的 Power-V 垂直鉆井系統(tǒng)。在A井鉆進(jìn)中，經(jīng)過 1950～2360 m 硬地層井段時(shí)，即使 Power-V 效率達(dá)到了 100%（即單位時(shí)間活塞拍打井壁次數(shù)最多時(shí)，井斜依然超過了2.5°，而在一般地層井斜基本保持在 1°以下，可以通過研制側(cè)向能力更強(qiáng)的鉆頭，或者降低鉆壓來保持較小井斜。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)被應(yīng)用于大位移井的大斜度長(zhǎng)穩(wěn)斜段。為了克服復(fù)雜地層出現(xiàn)的方位漂移、軌跡控制難等問題，為推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)了側(cè)切能力強(qiáng)的短保徑鉆頭MS1951RS。使用這種鉆頭后，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的井眼軌跡控制能力大幅度地增強(qiáng)。指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的造斜率較為穩(wěn)定，井眼軌跡的可預(yù)測(cè)性好。使用指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向在較薄的儲(chǔ)層內(nèi)鉆進(jìn)，利用其準(zhǔn)確的井眼控制能力實(shí)現(xiàn)在油層內(nèi)的最大接觸，從而提高了產(chǎn)量，使用的就是長(zhǎng)保徑 Slick Bore 鉆頭。

5 結(jié)論

（1）綜合考慮鉆頭結(jié)構(gòu)、保徑長(zhǎng)度、鉆進(jìn)狀態(tài)以及鉆壓和側(cè)向力等因素，分析了鉆頭鉆進(jìn)過程中的導(dǎo)向機(jī)理，以此對(duì) 2 種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的導(dǎo)向機(jī)理進(jìn)行分析，結(jié)果與工程實(shí)踐相一致。（2）推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具需發(fā)揮其導(dǎo)向控制能力的因素有：短保徑鉆頭，較大側(cè)向力，推力活塞與鉆頭距離盡量近，小鉆壓，軟地層;指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向需要較大的鉆頭轉(zhuǎn)角和長(zhǎng)保徑側(cè)切能力弱的鉆頭才能有效導(dǎo)向。（3）推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向造斜率范圍廣，當(dāng)鉆壓較小，地層較軟時(shí)造斜率較高，可以快速糾正井眼軌跡;指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的造斜率非常穩(wěn)定，可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)井眼軌跡，井壁光滑井身質(zhì)量高，極大地降低了鉆柱和井壁的摩阻扭矩。

參考文獻(xiàn)：

[1]姜偉，蔣世全，盛利民，等. 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J]. 石油鉆采工藝，2016，3（0 5）：21-24.