高精度深井鉆機的研究

李硯耕，張國綱，王國文

（1.重慶格德瑞重工智能裝備研究院，重慶 402460；2.金川集團有限公司物流公司，甘肅 金昌737100）

“十二五”期間，我國頁巖氣勘探開發(fā)取得重大突破，成為北美洲之外第一個實現(xiàn)規(guī)模化商業(yè)開發(fā)的國家。“十三五”期間，天然氣等清潔能源需求繼續(xù)加大，頁巖氣開采的規(guī)模將進一步加大，從而為開采頁巖氣的高效設備——高精度深井鉆機的研發(fā)生產提供了重要的戰(zhàn)略機遇。

深井鉆機除了用于頁巖氣開采中鉆鑿油井，還可用于鉆水井、監(jiān)測井，鉆鑿地熱空調孔、水電圍堰注漿孔、堤壩防滲注漿孔、基礎加固注漿孔、錨固工程中的各種深孔。其結構組成如圖1所示。

1 鉆井導向技術的發(fā)展情況

鉆井導向技術，通過對鉆井的方向進行控制，使鉆頭的鉆井軌跡按照設計要求鉆進。

在旋轉導向鉆井技術出現(xiàn)以前，通常以滑動導向方式鉆進定向井或水平井。

滑動導向鉆井主要是采用井下動力鉆具（螺桿鉆，具體結構見圖2）帶動鉆頭旋轉破碎巖石，而鉆具本身不旋轉，只做滑動前進。

圖1 深井鉆機示意圖

滑動導向的工作原理是：彎殼體螺桿鉆具本身存在一結構性彎角，導致鉆頭軸線偏離井眼軸線，因此鉆頭對井壁產生切削力，而螺桿鉆具本身不旋轉，以此保證鉆頭始終朝一個方向偏斜，從而達到造斜目的。

滑動導向鉆井時，鉆頭始終按照鉆具結構偏斜的方向鉆進，因而難以對鉆進的方向進行實時控制，即很難對鉆進方向進行“制導”，于是出現(xiàn)了更加先進的旋轉導向鉆井技術。

圖2 螺旋鉆具剖面圖

旋轉導向鉆井技術是一項自動化鉆井新技術，旋轉導向鉆井系統(tǒng)的組成如圖3所示。這種鉆井技術與隨鉆測井系統(tǒng)配套使用，鉆具在鉆進過程中邊滑動邊旋轉，隨鉆測井系統(tǒng)對鉆頭的位置軌跡進行實時測量，并對導向工具進行調節(jié)，

從而實現(xiàn)對井孔軌跡的精確控制。旋轉導向鉆井技術與傳統(tǒng)的滑動導向式鉆井技術相比，具有“指哪打哪”的優(yōu)勢，可讓鉆頭直達埋藏在地下千米深處的石油礦藏“靶心”。旋轉導向鉆井技術具有“精確制導”的優(yōu)點，能大幅降低開采成本、有效提高油氣田資源開采率，因而在頁巖油氣開采等工程中得到了廣泛的應用。

圖3 旋轉導向鉆井系統(tǒng)

2 鉆井導向技術研發(fā)的市場現(xiàn)狀

1993年意大利AGIP公司與美國Baker Hughes INTEQ公司合作研制了旋轉閉環(huán)式鉆井系統(tǒng)（RCLS）。該系統(tǒng)在1996年試驗成功，1997年正式推向市場。

1994年英國Camco公司研制的旋轉導向鉆井系統(tǒng)（SRD）試驗成功。

1999年日本國家石油公司與美國Sperry-Sun公司合作，推出了Geo-Piot旋轉導向鉆井系統(tǒng)。

我國對該項技術的研究起步較晚，上世紀九十年代才開始該方面技術的研究工作。中國石油集團公司、中國海洋石油集團公司、中國石化集團公司，都于2006年前后推出了自主研發(fā)的旋轉導向鉆井系統(tǒng)[1]。

如圖4所示，中國石油集團鉆井工程技術研究院北京機械廠成功研制出了CGDS-I近鉆頭地質導向鉆井系統(tǒng)。該系統(tǒng)把鉆井、測井和油藏工程技術融為一體,在隨鉆過程中既可以測量工程和地質參數(shù)，又具有導向功能[2]。該項目于1999年5月正式啟動，先后進行了20余口油井的部件和整體現(xiàn)場實驗，得到改進和完善后，產品于2005年年底由中國石油集團鉆井工程技術研究院北京機械廠正式生產并推向市場。這一產品的研制成功，使中國石油集團成為全球第四家擁有該項高端鉆井技術的石油公司[2]。

圖4 CGDS 地質導向鉆井系統(tǒng)

中國海洋石油集團公司研發(fā)了可控偏心器式導向鉆井工具系統(tǒng)。該系統(tǒng)于2006年1月通過國家863 計劃項目驗收[1]。

2006年7月，中國石化集團公司勝利石油管理局鉆井院與西安石油大學導向鉆井研究所合作，研發(fā)了調制式旋轉導向鉆井系統(tǒng)（MRSS），8月底充分進行了現(xiàn)場試驗。該系統(tǒng)通過了國家863 項目驗收[1]。

3 關于高精度旋轉導向鉆井技術的研究情況

3.1 高精度旋轉導向鉆井技術的工作原理

如圖5所示，高精度旋轉導向鉆井技術通過實時調節(jié)控制鉆具及鉆頭的張力，實現(xiàn)對鉆頭鉆孔時前進方向的精確控制。在鉆直孔時，鉆頭軸壓或推進壓力要適當減低，以避免孔斜。

圖5 高精度鉆進原理圖

如圖6所示，當鉆具總重量超出額定推進力時，要采用減壓鉆進。當軸壓或鉆具總重量過大時，產生的壓力容易使鉆具彎曲，鉆進時會產生較大的偏斜，亦使動力頭回轉困難，影響鉆進。

3.2 深井垂直度的鉆孔要求

國內要求鉆孔在100 米內，偏斜不大于1度，即偏斜不大于1.74%或1.74 米。國外用戶在鉆進230 毫米孔徑的深孔時，孔深至248 米，仍可保持孔偏斜在4.3 米左右，偏斜度為4.3/248=1.73%。

鉆深井時在地表孔段要安裝套管，套管的結構較長，每段長度超過10 米，如果井內裸孔段彎曲，套管下放時，會出現(xiàn)卡緊現(xiàn)象。鉆孔精度不高時，會造成卡緊事故。

圖6 深孔鉆進鉆桿受力情況示意圖

加接數(shù)根鉆桿后，進給系統(tǒng)要保持減壓鉆進，減小推進力，以避免鉆具受力過大出現(xiàn)彎曲，減壓鉆進可提高鉆孔垂直度。

3.3 羽狀井的鉆孔要求

石油鉆井中的深井有水平井、叢式井（見圖7）和羽狀井等。羽狀井是由一個水平主孔中往兩側分支形成的多個類似羽翼狀的分支井（見圖8）。羽狀井的主孔和分支孔均最大限度地保持在礦層中行走，以保證足夠的遇礦率。羽狀井多用于煤層氣和頁巖氣的開采，用于增加氣體的釋放通道、提高采氣效率。李硯耕院士團隊擁有該項技術專利。

3.4 隨鉆測量技術

隨鉆測量（Measurement While Drilling,MWD）是一個技術大類，它強調邊鉆邊測、實時獲取井底參數(shù)，包含了有線隨鉆測量（WLMWD）和無線隨鉆測量。其中無線隨鉆測量又分為泥漿脈沖式隨鉆測量（MP-MWD）和電磁波式隨鉆測量（EM-MWD）等。

圖7 水平井、叢式井示意圖

圖8 典型的羽狀井示意圖

圖9 造斜井段鉆進和生產套管固井

圖10 電磁波隨鉆系統(tǒng)原理圖

進入21 世紀，中國石化石油勘探開發(fā)研究院成功研制了EM-MWD 系統(tǒng)樣機CEM-MWD,在各種鉆井液中實現(xiàn)了隨鉆測量，其結構簡單、可靠性好、使用方便。北京長城博創(chuàng)科技公司研制的EMWD-45 型電磁波隨鉆樣機在四川已完成基本試驗。中國地質大學（武漢）在國家“863”探索導向類課題“電磁波隨鉆遙測式自動垂鉆系統(tǒng)關鍵技術研究”的支持下，首次進行了電磁波雙向信號傳輸系統(tǒng)的研究，研制的雙向電磁波隨鉆測量系統(tǒng)在河南新鄉(xiāng)340 m 深的水井鉆孔內進行了試驗，雖獲成功，但井深過小，實用性正在逐步提高中。確切地說，目前國內在EM-MWD隨鉆儀方面還處于研究階段，尚未步入商業(yè)化運作階段。

4 重慶格德瑞重工有限公司推出高精度的深井鉆機

根據(jù)李院士技術團隊的研究成果，重慶格德瑞重工有限公司成功推出了2000 米深井鉆機。重慶格德瑞重工有限公司研發(fā)的該產品，可開采一千米埋深以下的頁巖氣和煤層氣，還可鉆鑿深水井等，其技術參數(shù)見表1。

圖11 多功能隨鉆測井系統(tǒng)

表1 重慶格德瑞2000 米深井鉆機技術參數(shù)[3]

圖12 重慶格德瑞重工有限公司的2000 米深井鉆機