定向鉆井技術進展研究

李 旭

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江大慶163413）

原油和天然氣由碳氫化合物、非碳氫化合物和其他微量元素的混合物組成，它們埋藏在深部地層的沉積巖中。根據巖石破碎原理，破巖可以使用沖擊式鉆井法和旋轉式鉆井法，其中旋轉式鉆井法是使用最廣泛的方法。截止目前，鉆井技術已經取得了非常大的突破。為了滿足不斷增長的對油氣資源的開采需求，定向鉆井和水平鉆井已經成為油氣開采的主要技術之一[1-2]。本文回顧和介紹了定向鉆井技術的發展進程，調研了定向鉆進工具（旋轉導向鉆井系統和垂直鉆井系統）的發展情況，討論了定向鉆井技術面臨的挑戰。最后，對定向鉆井技術進行了總結和展望。

1 定向鉆井技術發展

1.1 第一代定向鉆井技術

第一代鉆井技術分為被動定向技術和主動定向技術。

被動定向技術：井眼軌跡處于地層的自然撓度中，鉆柱屈曲和鉆頭情況會影響井眼軌跡，但井眼軌跡無法得到精確控制[3]。

主動定向技術：利用一些特殊的設備、工具和技術措施來主動控制井眼軌跡，主要方法是通過改變鉆具組合和使用造斜器來改變工具軸與井眼軸的偏離程度。鉆具組合可分為造斜、降斜和剛性鉆具組合，通過改變鉆具組合可以幫助井眼清潔、減小鉆柱阻力、減小狗腿角、節約鉆井成本，但這種方法對方位的控制能力不足。早期的造斜器是一種專用工具，主要用于引導鉆頭偏離井眼軸線及設定所需方向，造斜器可以控制方位角，解決了鉆具組合控制能力不足的問題，但其也有很多缺點：需要多次起下鉆、浪費時間、操作復雜、準確度差等。但在超高溫深井鉆井，因為井下動力鉆具因高溫失效時，造斜器仍是一種有效的替代辦法。

1.2 第二代定向鉆井技術

第二代定向技術以渦輪鉆具、螺桿鉆具及測斜儀等工具的發明和使用為代表[4-5]。螺桿鉆具和渦輪鉆具通過鉆井液的動能配合其他工具（彎鉆桿、彎接頭、偏心接頭等）來達到改變井眼軌跡的效果。主要的監測工具是測斜儀。與第一代定向鉆井技術相比，第二代技術的井眼軌跡更為平滑和準確，鉆速也大幅度提高。

1.3 第三代定向鉆井技術

第三代定向鉆井技術是更為先進的監控和鉆進工具發展的結果。主要特征是隨鉆測量工具（MWD）的出現，進一步提高了控制的精度，可以隨鉆進行定向操作[6-7]。此外，為了進一步提高定向效率，彎曲率螺桿也得到了廣泛使用。第三代定向工具的使用使定向操作的技術難度大幅度簡化。到目前為止，第三代定向技術仍是定向井和水平井施工的主要技術。

1.4 第四代定向鉆井技術

第四代定向技術的典型代表是旋轉導向鉆井系統（RSDS）的發明。在之前的定向技術中，由于必須人工調整工具面，因此在定向鉆進時必須固定鉆柱，即所謂的滑動鉆進。由于鉆柱阻力總是與運動方向相反，這使鉆柱阻力增大，并且對鉆孔效率、井眼清潔度、井眼質量等產生影響。因此，為了提高鉆進效率、控制精度并減少鉆柱阻力，斯倫貝謝于1999 年首次開發了旋轉導向鉆井系統。RSDS 使鉆柱在連續旋轉的情況下仍然可以精確控制井眼軌跡。

2 定向工具發展情況

大多數定向井和水平鉆井使用的井下設備與直井相同，例如鉆桿、加重鉆桿、鉆鋌、短接、鉆頭和扶正器等[8]。先進的定向工具的應用是定向鉆井的基礎。定向技術的發展是由定向工具的發展推進的。

2.1 導向工具

目前最為常用導向工具主要有可拆卸造斜器和永久造斜器。其中可拆卸造斜器通過剪切銷固定在鉆柱上。鉆入井眼后，旋轉鉆柱，使造斜器的工具面對應正確方位。通過從地面施加鉆壓，將其固定在地層或水泥塞中，隨后剪斷固定銷，即可開始鉆井作業。永久性造斜器主要用在套管中，用于落魚的側向跟蹤或繞過損壞的井眼：首先將造斜器沿所需方向放置并剪斷固定銷后，開始銑削操作；切割完窗口后，將銑刨頭從鉆孔中拉出，并在底部鉆一個小直徑的導向鉆頭。隨后將導向孔擴孔至全尺寸，然后繼續進行定向作業。

2.2 井下馬達

目前廣泛使用的井下馬達主要有螺桿鉆具和渦輪鉆具。

2.2.1 螺桿鉆具

20世紀40年代，史密斯鉆探公司設計了第一個螺桿工具。1950 左右，螺桿鉆具開始商業化應用于定向鉆井服務中。1970左右，Smith公司、Dyna公司等一大批公司均開展了相關設備的研制和生產。目前，螺桿鉆具已經全尺寸化，但最常見的是6-3/4″和8-1/2″，螺桿工具的速度范圍也很廣，為100～800r/min，最常見的運行速度為150～300r/min。另外，定子的材料也是螺桿工具抗溫性的關鍵，因為其中使用的彈性成分容易受到高溫和油基泥漿的腐蝕影響，從而引起膨脹和脫落。但目前通過改進彈性體，螺桿鉆具已經可以承受高達200°C的溫度。

2.2.2 渦輪鉆具

1873 年，單級渦輪鉆具在美國的芝加哥獲得了專利，但并沒有進行現場應用。直到1920年左右，渦輪鉆具在美國和前蘇聯得到了再次發展。20世紀40年代，前蘇聯進行了渦輪鉆具的進一步開發，并在鉆井作業中進行了廣泛應用。渦輪鉆具由一系列轉子和定子組成，每個轉子—定子對稱為“級”，級數取決于要求。渦輪鉆具的轉速高于螺桿鉆具，可以達到2000r/min。但由于其構成較為復雜，因此不適合在過小的井眼中使用，其最小的尺寸是2-7/8″，最大的尺寸為9″。渦輪鉆具的主要缺點是高轉速、低扭矩、軸承壽命短、快速磨損零件過多以及鉆頭壽命短等。為了克服普通渦輪鉆具的缺點，目前已經開發了許多特殊的渦輪鉆具，例如低轉速高扭矩的渦輪鉆具、帶齒輪箱的渦輪鉆具、帶螺旋殼體的渦輪鉆具。另外渦輪鉆具還解決了螺桿鉆具因為橡膠內襯抗溫性差而無法在超高溫條件下應用的難題，目前渦輪鉆具的最高使用記錄已經達到260℃。

2.3 旋轉導向鉆井系統

由于鉆進過程中鉆柱全程旋轉，可以減少由于鉆柱滑動而產生的阻力，提高鉆壓的傳輸效率，從而降低了卡鉆的風險，并大幅度提高井眼清潔效果。旋轉導向工具可以根據預期的井眼軌跡進行預編程，當需要更改指令時，鉆井液中的脈沖序列可以向井下傳輸新指令。通常將旋轉導向分為兩類，較普遍的“狗腿控制”系統和較不成熟的“偏差控制”系統。由于旋轉導向是基于電子控制系統進行控制的，因此有最大工作溫度的要求。當前，PowerDrive 系統、AutoTrak 系統和Geo-Pilot 系統可以在200°C 的高溫下工作。在地熱井鉆探中，當底部溫度高于旋轉導向系統的最大抗溫能力時，需要控制鉆進參數并增加井下循環量，以保護旋轉導向系統的電路板在高溫下不被損壞。

2.4 垂直鉆井系統

垂直鉆井系統也是一種先進的定向工具，主要用于糾斜和提高鉆速。因為使用常規技術（例如偏心軸組件、偏心剛柔組件、可轉向組件、防擺組件等），往往需要起鉆更換鉆具，浪費時間，所以，垂直鉆井系統在深井和超深井提速方面有著重大的優勢。

1988年貝克休斯公司開發了垂直鉆井系統并用于德國KTB計劃的大陸科學井鉆探實驗，成功將井斜角控制在1°以內，取得了巨大的成功，后續吸引了多家鉆井公司對其進行研究開發。垂直鉆井系統可以自動保持井眼垂直，而不會影響鉆井液排量、鉆壓和轉速等參數，可以維持較高的轉速，并且避免了糾斜所耗費的時間。垂直鉆井系統可以顯著改善井眼質量，并實現精確的井眼軌跡，從而使后續的鉆井施工操作得以簡化，效率更高，并能降低修井成本。此外，垂直鉆井系統在減少地面井口間距方面也很有用。

3 結論及認識

（1）在近一個世紀的鉆井技術發展過程中，鉆探技術已經從電纜工具鉆井發展到先進的自動旋轉鉆井，先進的技術和工具是發展的主要動力。

（2）隨著油氣開發對垂深和水平位移要求的不斷加大，要進一步解決因為井下高溫、高壓和長水平段井壁穩定引起的鉆井問題。

（3）垂直鉆井和定向鉆井已經逐步發展到數字化、可視化、自動化、集成化和智能化程度。但是，現場作業過程中，自動化程度仍然不夠。因此，更為先進的自動鉆井技術仍然是最主要的研發方向。