中海油大尺寸標(biāo)準(zhǔn)型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向在渤海油田的應(yīng)用

侯得景 韓東東 邱小華 秦天寶 孟憲偉

（1、中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津300452 2、中海石油（中國(guó)）有限公司，天津300452 3、中海石油（中國(guó)）有限公司蓬勃作業(yè)公司，天津300452）

在定向井鉆井中常用的定向鉆進(jìn)工具主要是馬達(dá)和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向，在井眼較淺、井眼軌跡簡(jiǎn)單的井段馬達(dá)具有使用成本低、機(jī)械鉆速快等特點(diǎn)，但是在深部地層和大斜度、大位移井中馬達(dá)通常因?yàn)橥袎骸⒒瑒?dòng)鉆進(jìn)工具面不穩(wěn)、綜合機(jī)械鉆速慢而無(wú)法滿足鉆井作業(yè)需求，而在這類井中旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向具有明顯優(yōu)勢(shì)。長(zhǎng)期以來(lái)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具主要掌握在哈里伯頓、貝克休斯、斯倫貝謝國(guó)外石油公司中。為順應(yīng)科技強(qiáng)國(guó)、在關(guān)鍵領(lǐng)域突破卡脖子技術(shù)目標(biāo)，特別是在2014 年國(guó)際油價(jià)進(jìn)入低油價(jià)時(shí)期，國(guó)內(nèi)公司近些年加快旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的研發(fā)力度，以中海油研發(fā)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向?yàn)槔?015 年小尺寸Welleader 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具開始在海上油田小規(guī)模應(yīng)用，打破國(guó)際壟斷，成為國(guó)際上第四家掌握這項(xiàng)技術(shù)的公司，2020 年大尺寸標(biāo)準(zhǔn)型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向開始在渤海某油田實(shí)際應(yīng)用，第一批幾口井的成功應(yīng)用，為后續(xù)作業(yè)開了一個(gè)好頭，也為該工具的全國(guó)推廣普及打響了第一槍，提升了自研工具的信賴度，為油田增儲(chǔ)上產(chǎn)、降本增效提供更多措施。

1 Welleader 推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 工具結(jié)構(gòu)

Welleader 推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具結(jié)構(gòu)包含導(dǎo)向短節(jié)和柔性短節(jié)兩部分，上部與Drilog 測(cè)井系統(tǒng)連接，由BCPM（雙向通訊供電短節(jié)）供電。鉆具組合連接示意圖、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)示意圖如圖1、2 所示。

1.2 工作原理

Welleader 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)通過(guò)精準(zhǔn)導(dǎo)向力矢量實(shí)時(shí)控制鉆頭姿態(tài)，優(yōu)異的定向造斜、軌跡控制，井斜全自動(dòng)閉環(huán)控制達(dá)到精準(zhǔn)控制軌跡的目的，并可與Drilog 隨鉆測(cè)井系統(tǒng)無(wú)縫對(duì)接實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)地質(zhì)導(dǎo)向。

地面實(shí)時(shí)控制分流裝置將控制指令下傳給旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向，通過(guò)檢測(cè)泥漿排量的變化解析具體指令并執(zhí)行。導(dǎo)向短節(jié)通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控制，精確控制三個(gè)導(dǎo)向翼肋的導(dǎo)向力，穩(wěn)定控制導(dǎo)向合力的大小和方向。通過(guò)近鉆頭測(cè)量模塊第一時(shí)間將井底井斜上傳至地面，為導(dǎo)向控制提供精確導(dǎo)航。

圖1 鉆具組合示意圖

圖2 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)示意圖

導(dǎo)向短節(jié)關(guān)鍵組成部分分為：旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸、不旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向套筒、導(dǎo)向肋板、近鉆頭測(cè)量模塊、導(dǎo)向力控制電子元件、液壓控制系統(tǒng)。通過(guò)工具內(nèi)部的微處理系統(tǒng)計(jì)算出必須向每個(gè)肋板施加壓力的大小，由液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力推動(dòng)工具內(nèi)部高壓流體，精準(zhǔn)施加控制壓力。

根據(jù)作用力反作用力的原理，工具內(nèi)部微處理系統(tǒng)根據(jù)不同的指令實(shí)時(shí)計(jì)算合力的大小和方向，通過(guò)液壓系統(tǒng)精準(zhǔn)控制三個(gè)肋板的合力大小及方向，達(dá)到精準(zhǔn)導(dǎo)向的目的。

2 在渤海某油田的應(yīng)用

2.1 渤海某油田地質(zhì)特征

該油田鉆井主要揭示了新生界和中生界地層，自上而下可劃分為新近系平原組、明化鎮(zhèn)組、館陶組及古近系東營(yíng)組。主力含油層系發(fā)育于新近系明化鎮(zhèn)組下段及館陶組。明化鎮(zhèn)上部及以上地層以泥巖為主加薄層砂巖，泥巖性軟；明化鎮(zhèn)下部至館陶組下部為砂巖與泥巖不等厚互層，地層越深砂巖越多。

2.2 使用大尺寸標(biāo)準(zhǔn)型Welleader 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向所鉆首批井基本情況

該油田三期開發(fā)井多為大斜度井或者水平井，表層鉆進(jìn)使用馬達(dá)，在此之前二開鉆進(jìn)使用哈里伯頓的GeoPilot 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向一趟鉆進(jìn)至完鉆井深，2020 年6 月中海油大尺寸標(biāo)準(zhǔn)型Welleader 在渤海油田中首次應(yīng)用，本批次中海油大尺寸標(biāo)準(zhǔn)型Welleader 在該油田共計(jì)完成3 口水平井作業(yè)。

本批次3 口水平井二開造斜點(diǎn)淺、地層松軟、不利于造斜鉆進(jìn)；穩(wěn)斜角度大、穩(wěn)斜段長(zhǎng)，穩(wěn)斜角65～68°、穩(wěn)斜段長(zhǎng)750～1200米，另外穩(wěn)斜段地層變化大，地層漂移無(wú)規(guī)律；目的層埋深淺，滲透率高，地層疏松不利于造斜。

G48H 井為該工具成功完成的第一口井，其為水平井，12-1/4"井段裸眼長(zhǎng)2289m，設(shè)計(jì)出管鞋開始，以3～3.5 度造斜率鉆進(jìn)至井深900m 增斜至69°穩(wěn)斜，穩(wěn)斜1200 米，以造斜率3°/30 鉆進(jìn)至2846 米著陸中完。另外2 口井也是水平井，井型與G48H 井相同，井眼軌跡及地質(zhì)走向相似，穩(wěn)斜角分別是66度和65 度，穩(wěn)斜段均較長(zhǎng)，其中G50H 井目的層埋深較淺，十分不利于增斜作業(yè)。鉆井液體系為PEM。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果

大尺寸標(biāo)準(zhǔn)型Welleader 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向能夠滿足該油田定向井作業(yè)，實(shí)鉆井眼軌跡與設(shè)計(jì)軌跡吻合，鉆井時(shí)效與使用哈里伯頓的GeoPilot 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向相當(dāng)。（表1）

表1 2020 年不同工具時(shí)效對(duì)比

本批次中海油大尺寸標(biāo)準(zhǔn)型Welleader 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具共計(jì)入井3 次，均為一趟鉆完成造斜、穩(wěn)斜、增斜著陸作業(yè)。配合參數(shù)控制，淺層造斜段Welleader 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向可達(dá)到3.5～4.5°/30m 造斜率；穩(wěn)斜控制良好，穩(wěn)斜、穩(wěn)方位效果良好，穩(wěn)斜段內(nèi)增斜、扭方位表現(xiàn)良好；增斜著陸井段造斜穩(wěn)定，使用40%～80%導(dǎo)向力鉆進(jìn)，平均造斜率可達(dá)3.5～5.8°/30m，表現(xiàn)良好。

2.4應(yīng)用中存在的問題及技術(shù)展望

2.4.1 Welleader 鉆進(jìn)期間出現(xiàn)托壓、憋壓現(xiàn)象

2.4.1.1 隨著鉆壓的增加，進(jìn)尺變慢，泵壓升高。泵壓升高幅度與進(jìn)尺相關(guān)性高，進(jìn)尺快，泵壓上升快且憋壓高。

2.4.1.2 泵壓憋起的同時(shí)，司鉆不再下放頂驅(qū)，泵壓憋至一定值（150～320PSI）后可能不再上漲。

2.4.1.3 泵壓穩(wěn)定后，提示司鉆繼續(xù)加壓2～5 噸鉆進(jìn)，加壓過(guò)程中大多數(shù)情況下泵壓釋放，鉆壓快速減小3～8 噸。

貝克休斯的AutoTrak 在鉆進(jìn)期間也出現(xiàn)托壓現(xiàn)象，平均托壓3～7 噸，泵壓比較平穩(wěn)，很少出現(xiàn)憋壓現(xiàn)象。

2.4.2 鉆進(jìn)期間出現(xiàn)憋扭矩現(xiàn)象

在本批3 口井，大尺寸標(biāo)準(zhǔn)型工具鉆進(jìn)期間，在各項(xiàng)參數(shù)正常的情況下出現(xiàn)過(guò)3 次突然憋停頂驅(qū)情況。后經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，這三次憋停頂驅(qū)有兩個(gè)共同點(diǎn)，鉆壓比較高，在16T 以上，都發(fā)生在砂泥巖交接面，該油田泥巖性軟，在高鉆壓高機(jī)械鉆速時(shí)翼肋插入軟泥巖地層所致。出現(xiàn)這種情況釋放扭矩、上提鉆具即能提活鉆具。在鉆壓低于13T 時(shí)未曾發(fā)生過(guò)憋停頂驅(qū)險(xiǎn)情，該油田地層在鉆壓13T 以內(nèi)時(shí)基本滿足鉆進(jìn)要求。

2.4.3 原因分析

現(xiàn)場(chǎng)分析可能與工具的機(jī)械結(jié)構(gòu)相關(guān)，與ATK 相比：

2.4.3.1 Welleader950 翼肋寬15cm，ATK950 翼肋寬12cm，Welleader950 翼肋與井壁接觸面積更大。

2.4.3.2 Welleader950 排屑槽寬11cm，ATK950 排屑槽15cm左右（以上數(shù)據(jù)為粗略測(cè)量結(jié)果），Welleader950 排屑槽面積更小。

2.4.3.3 ATK950 驅(qū)動(dòng)頭設(shè)計(jì)為拋物線形狀，Welleader950 驅(qū)動(dòng)頭設(shè)計(jì)導(dǎo)角角度稍大，ATK950 驅(qū)動(dòng)頭設(shè)計(jì)更符合實(shí)際需求。

2.4.4 Welleader950 造斜率個(gè)體差異

在鉆進(jìn)中06 號(hào)Welleader950，100%導(dǎo)向力控速鉆進(jìn)，局部狗 腿 可 以 達(dá) 到 7° /30m； 而 16 號(hào)Welleader950，100%導(dǎo)向力控速鉆進(jìn)，局部狗 腿 只 能 達(dá) 到 5.5° /30m。 06 號(hào)Welleader950 造斜率更高。

原因分析：工具構(gòu)造上有略微差異。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向由導(dǎo)向單元和柔性短節(jié)2 部分構(gòu)成，兩根工具的導(dǎo)向單元部分長(zhǎng)度一致，但是06 號(hào)柔性短節(jié)上的扶正器更短更接近鉆頭，距離鉆頭長(zhǎng)度為3.58 米，距離柔性短節(jié)上端為3.29 米；16 號(hào)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向扶正器距離鉆頭長(zhǎng)度為4.32 米，距離柔性短節(jié)上端為2.99 米。06 號(hào)剛性強(qiáng)的地方，長(zhǎng)度較短，柔性強(qiáng)的地方，長(zhǎng)度較長(zhǎng)，造斜率相對(duì)更高。（圖3）

圖3 06 號(hào)和16 號(hào)工具對(duì)比

針對(duì)造斜率要求高、特別是方位變化比較大的井，選著長(zhǎng)柔性短接或者雙柔性短接的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向，更能滿足該油田的井眼軌跡控制需求。

2.4.5 技術(shù)展望

隨著國(guó)內(nèi)石油的開發(fā)和發(fā)展，各種鉆井工具及技術(shù)正在迅速發(fā)展和完善，以中海油大尺寸旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向?yàn)闃颖镜膰?guó)內(nèi)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)必將在一段時(shí)間內(nèi)取得更大的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，繼續(xù)以市場(chǎng)需求為導(dǎo)向不斷改進(jìn)、完善和提高現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向性能，推出更適合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具。