付建民， 韓雪銀， 馬英文， 王 佳， 冉宏應

(1.中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300452；2.中海石油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452；3.斯倫貝謝中國海洋服務(wù)公司，天津 300457)

JZ25-1S、BZ13-1和CFD18-2等油田是渤海油田建設(shè)的一批新油田，普遍具有儲層埋藏深、壓實程度高的特點，鉆井過程中多表現(xiàn)出鉆速低、周期長等問題，導致投資較高、效益較低。對此進行分析認為，主要原因是鉆進中鉆具的摩阻消耗了過多的頂驅(qū)輸出能量，造成傳至井底的破巖能量不足、井眼軌跡調(diào)整困難。針對這一情況，優(yōu)選并試用了vorteX型動力導向鉆井系統(tǒng)。現(xiàn)場應用表明，該系統(tǒng)效果很好，可以解決渤海油田鉆井中出現(xiàn)的問題，為該油田深井及大位移井鉆井提供了技術(shù)支持。

1 渤海油田開發(fā)難點及解決思路

1.1 渤海油田開發(fā)難點

隨著渤海油田開發(fā)的日益深化，深井和大位移井所占比例越來越大，如BZ13-1和CFD18-2等復雜斷塊油氣藏埋深超過3 000 m甚至4 000 m，需采用深井開發(fā)；而JZ25-1S和JX1-1B等控油面積大的油田多采用大位移井開發(fā)。這2類油田集中反映了渤海油田當前的開發(fā)難點，具體為：

1) 開發(fā)層位深，機械鉆速低。開發(fā)層位多為東營組或沙河街組地層，巖性以砂泥巖互層、大套泥巖為主，常含灰質(zhì)，質(zhì)地硬且壓實程度高，導致機械鉆速較低，如JZ25-1S油田的探井(見表1)。

2) 裸眼段長，井眼軌跡控制困難。隨著井深增加，裸眼長度也增加至2 000～3 000 m。超長裸眼段帶來巨大的啟動摩阻和摩擦阻力，產(chǎn)生滑動脫壓、壓差卡鉆等問題，稍有不慎就出現(xiàn)井眼軌跡偏離、脫靶甚至卡鉆等故障，影響單井開發(fā)效果，造成經(jīng)濟損失。

表1 JZ251S油田探井作業(yè)情況Table 1 Operation summary of exploratory well in JZ251S Oilfield

3) 設(shè)備能力有限，井下風險激增。隨著井眼的延伸和井斜角的增大，設(shè)備的負荷逐步增大，作業(yè)參數(shù)要求和現(xiàn)場設(shè)備能力之間的矛盾突出，作業(yè)環(huán)境惡化，井下風險激增，如高扭矩帶來的鉆具刺漏和斷裂等問題時有發(fā)生，環(huán)空返速過低引起的憋卡等問題不時出現(xiàn)。

1.2 解決問題的技術(shù)思路

對于上述問題，現(xiàn)有鉆具均無法徹底解決。螺桿鉆具由地面鉆井泵提供動力，可帶動鉆頭高速轉(zhuǎn)動，達到快速破巖的效果，但無法解決本體不動帶來的滑動效率低下問題。旋轉(zhuǎn)導向鉆具可全時旋轉(zhuǎn)，輕松完成井眼軌跡調(diào)整；但其動力來自井口頂驅(qū)轉(zhuǎn)動，超長井眼消耗了過多能量，用于鉆頭破巖的動力所剩無幾；此外，旋轉(zhuǎn)導向所需的高轉(zhuǎn)速，會造成扭矩過大，加速鉆具疲勞和磨損，這也是鉆具刺漏、斷裂等故障頻發(fā)的主要原因之一。分析認為，“充足的井底破巖能力”和“輕松的井眼軌跡調(diào)整方式”是解決問題的關(guān)鍵，而這2點分別是螺桿鉆具和旋轉(zhuǎn)導向鉆具的特點。因此，“井下動力”配合“實時旋轉(zhuǎn)”，成為了解決“破巖動力需求與設(shè)備能力限制”這一矛盾的技術(shù)思路。

基于以上分析，綜合考慮鉆具功能和經(jīng)濟效益，優(yōu)選并試驗了vorteX型動力導向鉆井系統(tǒng)。

2 vorteX型動力導向鉆井系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

2.1 結(jié)構(gòu)組成

vorteX型動力導向鉆井系統(tǒng)由大扭矩井下動力總成、Filter+Flex總成、旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)等組成(見圖1)。其中，動力總成是一種功率大、可靠性高的直螺桿鉆具，其動力由泵排量提供，可在井下產(chǎn)生額外動力帶動驅(qū)動頭高速轉(zhuǎn)動并輸出能量(見圖2)；旋轉(zhuǎn)導向工具主要負責鉆具的全程旋轉(zhuǎn)和接收并執(zhí)行井眼軌跡調(diào)整指令[1-2]。

圖1 vorteX型動力導向鉆井系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及信號傳輸示意Fig.1 Schematic diagram of structure and signal transmission of PowerDrive vorteX drilling system

圖2 vorteX型動力導向鉆井系統(tǒng)中動力總成輸出扭矩曲線Fig.2 Output curve of PowerDrive vorteX power section

信號傳輸方面，vorteX型動力導向鉆井系統(tǒng)與MWD儀器配合使用，通過C-Link途徑(一種短距離電磁波信號傳輸方式)和鉆井液脈沖構(gòu)成信號雙向傳導，從而成為統(tǒng)一整體。鉆進中，旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)執(zhí)行地面指令并將CU單元測得的近鉆頭數(shù)據(jù)(含伽馬、井斜角、方位角和系統(tǒng)工作模式代碼等數(shù)據(jù))通過C-Link途徑傳遞給動力總成以上的MWD儀器，再由MWD儀器實時傳至地面儀器；當需要進行井眼軌跡調(diào)整時，由地面下達旋轉(zhuǎn)導向?qū)Ｓ弥噶?通過調(diào)整泵排量及持續(xù)時間發(fā)送)，實現(xiàn)預先設(shè)定的增降斜、扭方位和穩(wěn)斜穩(wěn)方位等作業(yè)目的。指令發(fā)送成功后，系統(tǒng)會通過C-Link發(fā)送一個代碼給MWD，用以確認指令正確[3-4]。

2.2 技術(shù)原理

vorteX型動力導向鉆井系統(tǒng)結(jié)合了現(xiàn)有螺桿鉆具和旋轉(zhuǎn)導向鉆具2種鉆具的優(yōu)點，其核心是將旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)和大扭矩井下動力總成進行結(jié)合，通過增加額外的井下動力，達到提高機械鉆速和拓寬作業(yè)能力的目的。其中，利用螺桿鉆具的高轉(zhuǎn)速和鉆具轉(zhuǎn)動傳遞的鉆壓來快速鉆進，利用旋轉(zhuǎn)導向技術(shù)控制井眼軌跡，實現(xiàn)準確鉆進[5]。在信號傳輸和整體化構(gòu)建方面，由于螺桿鉆具的介入阻斷了原有的通訊路徑，因此將鉆井液作為介質(zhì)進行短程數(shù)據(jù)傳導(電信號在鉆井液中損耗較大，無法進行長距離傳導)；同時配合使用鉆井液脈沖和MWD等儀器，構(gòu)成該動力鉆井系統(tǒng)的閉環(huán)通訊。

2.3 技術(shù)特點

1) 動力充足。動力導向鉆井系統(tǒng)配備的高扭矩動力總成，可將鉆井液水力動能轉(zhuǎn)換為機械能，帶動鉆頭高速旋轉(zhuǎn)；在頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)的配合下，顯著提高了鉆頭轉(zhuǎn)速，使其達200 r/min以上，并使鉆壓得以有效傳遞，機械鉆速明顯提高。此外，特別設(shè)計的軸承和傳輸系統(tǒng)可承受更大的操作載荷，能確保鉆井安全，增大單趟進尺。

2) 全時旋轉(zhuǎn)。因為所鉆地層為硬質(zhì)地層，因此vorteX型動力導向鉆井系統(tǒng)采用推靠式旋轉(zhuǎn)導向方式，通過控制肋板對井壁的推靠達到控制井眼軌跡的目的，如圖3所示。其作用過程大致為：隨鉆柱一起旋轉(zhuǎn)的下盤閥上的液壓孔依次與上盤閥上的高壓孔接通，鉆柱內(nèi)部的高壓鉆井液通過該臨時接通的通道進入相關(guān)的肋板以支撐液壓腔，在鉆柱內(nèi)外鉆井液壓差的作用下，肋板伸出。隨著鉆柱的旋轉(zhuǎn)，每個肋板都將在設(shè)計位置支出，為鉆頭提供一個側(cè)向力，產(chǎn)生導向作用。推靠式旋轉(zhuǎn)導向方式使鉆具處于全時旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，徹底擺脫了滑動摩阻的影響，使井眼軌跡控制變得簡單高效。此外，該系統(tǒng)具有自動穩(wěn)斜功能，無需工程師干預即可在穩(wěn)斜段自動鉆進，同時獲得較高的機械鉆速和更為精確的井眼軌跡控制。

圖3 支撐肋板及工作原理示意Fig.3 Rib of rotary steering system and its working principle diagram

3) 負荷降低。vorteX型動力導向鉆井系統(tǒng)使底部動力大幅度提高，對鉆柱轉(zhuǎn)速及鉆機負荷的要求也隨之降低，可由120 r/min降至60 r/min，降低了鉆機能力要求；同時，上部套管的磨損狀況也得到了明顯緩解，保障了井下安全。通常情況下，鉆具磨損與鉆柱總回轉(zhuǎn)數(shù)成正比，即鉆柱總回轉(zhuǎn)數(shù)=(轉(zhuǎn)速/機械鉆速)×井段長度。對于同樣的井段長度，若機械鉆速提高1倍、轉(zhuǎn)速降低一半，則鉆柱總回轉(zhuǎn)數(shù)可降低至原來的1/4，磨損程度大大減輕。

4) 井眼清潔。根據(jù)Schlumberger公司提出的大位移理論，井眼中旋轉(zhuǎn)的鉆具如同巖屑傳輸帶，可將巖屑攪離井眼低邊并及時清理出井筒。基于此，vorteX型鉆井系統(tǒng)全程旋轉(zhuǎn)的特性有助于井眼清潔，消除巖屑床，降低發(fā)生壓差卡鉆的風險。同時，螺桿鉆具鉆出的井眼屈曲度大、井壁粗糙，該系統(tǒng)鉆出的井眼平滑，更加有利于井眼清潔和套管的順利下入(見圖4)。

圖4 2種鉆具所鉆井眼對比Fig.4 The comparison of two BHA’s wellbore diameter

3 vorteX型動力導向鉆井系統(tǒng)的應用與評價

3.1 現(xiàn)場應用及效果

vorteX型動力導向鉆井系統(tǒng)首先在BZ13-1油田進行了試用。結(jié)果表明，與使用螺桿鉆具的A2井相比(機械鉆速5.34 m/h)，使用vorteX型動力導向鉆井系統(tǒng)的A2s井、A4井、A5井、A6井、A1井和A9井的機械鉆速提高到6.96～16.29 m/h，機械鉆速提高30.34%～205.06%，如圖5所示。

此后，vorteX型動力導向鉆井系統(tǒng)在BZ25-1油田進行了進一步試驗。BZ25-1油田的開發(fā)層位沙河街組為大套泥巖，隨著井深增加鉆機負荷驟增，鉆速緩慢。A17井在3 900～3 950 m井段扭矩最高達到45 kN·m。在這種情況下，開始使用vorteX型動力導向鉆井系統(tǒng)，取得明顯效果(見圖6)：扭矩顯著降低，最高值降為36 kN·m；鉆具刺漏情況大幅減少；平均機械鉆速由20 m/h提高至35～40 m/h。

圖5 螺桿鉆具與vorteX型鉆井系統(tǒng)的鉆井效果對比Fig.5 The comparison of two BHA’s performance

圖6 螺桿鉆具與vorteX型鉆井系統(tǒng)在A17井的效果對比Fig.6 The comparison of two BHA’s performance in Well A17

經(jīng)過多口井的現(xiàn)場試驗之后，vorteX型動力導向鉆井系統(tǒng)在渤海油田開始推廣應用。渤海BZ13-1、CFD18-2、JX1-1等油田在開發(fā)初期使用常規(guī)鉆具的鉆井時效見表2，應用vorteX型動力導向鉆井系統(tǒng)后的情況見圖3。

表2渤海油田常規(guī)鉆具鉆井時效

Table2DrillingefficiencyofconventionalBHAinBohaiOilfield

應用油田鉆具入井次數(shù)機械鉆速/(m·h-1)總進尺/m日進尺/mBZ13-1,CFD18-2螺桿鉆具53.41 00254旋轉(zhuǎn)導向10.54010JX1-1,JZ25-1S和QK18-1螺桿鉆具320.51 540142旋轉(zhuǎn)導向412.81 46685

由表2、表3及現(xiàn)場應用情況可知，vorteX型動力導向鉆井系統(tǒng)可以在旋轉(zhuǎn)鉆進過程中實現(xiàn)井眼的三維控制，井眼軌跡平滑，提高了井身質(zhì)量，明顯減少了井下阻卡現(xiàn)象，降低了井下作業(yè)風險，完成了常規(guī)螺桿鉆具及常規(guī)旋轉(zhuǎn)導向鉆具不能完成的任務(wù)[6]。

表3渤海油田vorteX型鉆井系統(tǒng)應用情況

Table3ApplicationsresultsofPowerDrivevorteXinBohaiOilfield

應用油田井眼直徑/mm井數(shù)入井次數(shù)進尺/m機械鉆速/(m·h-1)日進尺/mBZ13-1215.9664 6489.28125CFD18-2215.9563 89414.20150JX1-1 B311.1565 30328.27163QK18-1215.911119 15223.36168JZ25-1S A215.91197833.40196

注：上述數(shù)據(jù)截至2013年5月。

3.2 經(jīng)濟效益評價

vorteX型動力導向鉆井系統(tǒng)在渤海油田應用，大幅度提高了機械鉆速和作業(yè)效率，節(jié)省了作業(yè)費用。以BZ13-1等油田為例(見表4)，鉆井周期縮短達153 d，若使用日費100萬元/d的鉆井船，則可節(jié)省費用1億5 300萬元。同時，由于作業(yè)進度提前，節(jié)約了鉆機資源，油田提前投產(chǎn)，具有較好的經(jīng)濟效益。

表4 應用Vortex型鉆井系統(tǒng)的經(jīng)濟效益分析Table 4 Economic benefits analysis of PowerDrive vorteX

注：常規(guī)鉆具指常規(guī)螺桿鉆具或旋轉(zhuǎn)導向鉆具；上述數(shù)據(jù)截至2013年5月。

由表4可知，應用vorteX型動力導向鉆井系統(tǒng)后，各油田的機械鉆速及鉆井效率明顯提高，鉆井周期大幅縮短，儲層保護及產(chǎn)能釋放效果顯現(xiàn)出來，油井在提前投產(chǎn)的同時，也獲得了很高的產(chǎn)能。以渤中和遼東多個油田為例，鉆前配產(chǎn)總額為2 871 m3/d，鉆后實際產(chǎn)量達到7 316 m3/d(是配產(chǎn)量的255%)，儲層保護及增產(chǎn)效果顯著。

4 結(jié)論與認識

1) vorteX型動力導向鉆井系統(tǒng)的核心是將旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)和大扭矩井下動力總成有效結(jié)合，通過增加額外的井下動力，提高機械鉆速，降低地面設(shè)備負荷，降低施工難度和作業(yè)風險。

2) vorteX型動力導向鉆井系統(tǒng)利用旋轉(zhuǎn)導向的全時旋轉(zhuǎn)特性，解決了螺桿鉆具在深井滑動鉆進中的問題，保障了高精度中靶。

3) vorteX型動力導向鉆井系統(tǒng)通過使用短距離電信號傳輸和鉆井液脈沖傳輸，構(gòu)成信號的雙向傳導通路，使旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)和動力總成成為統(tǒng)一整體，既可實時反映井下情況，又可以做出及時調(diào)整，確保鉆井質(zhì)量。

4) vorteX型動力導向鉆井系統(tǒng)可顯著提高作業(yè)效率，使油層的浸泡時間大幅縮短、儲層產(chǎn)能得到有效保護，因此為渤海油田后續(xù)鉆進深井及大位移井提供了有效的技術(shù)支撐。

參考文獻
References

[1] 狄勤豐，張紹槐.旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)控制井眼軌跡機理研究[J].石油鉆探技術(shù)，1998，26(3):52-54.

Di Qinfeng,Zhang Shaohuai.Studies of rotary steering drilling system for hole trajectory control[J].Petroleum Drilling Techniques,1998,26(3):52-54.

[2] 薛啟龍，韓來聚，楊錦舟，等.旋轉(zhuǎn)導向鉆井穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)仿真研究[J].石油鉆探技術(shù)，2010，38(4):10-14.

Xue Qilong,Han Laiju,Yang Jinzhou,et al.Study on controlling simulation system for stabilizing platform in rotary steering drilling system[J].Petroleum Drilling Techniques,2010,38(4):10-14.

[3] 姜偉，蔣世全，盛利民，等.旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具系統(tǒng)的研究及應用[J]．石油鉆采工藝，2008，30(5):21-24.

Jiang Wei,Jiang Shiquan,Sheng Limin,et al.Research on rotary navigation drilling tools and its application[J].Oil Drilling & Production Technology，2008,30(5):21-24.

[4] 李琪，彭元超，張紹槐，等.旋轉(zhuǎn)導向鉆井信號井下傳送技術(shù)研究[J].石油學報，2007，28(4)：108-111.

Li Qi,Peng Yuanchao,Zhang Shaohuai,et al.Study on signal transmission technique in rotary steering drilling[J].Acta Petrolei Sinica,2007,28(4):108-111.

[5] 熊繼有，溫杰文，榮繼光，等.旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術(shù)研究新進展[J].天然氣工業(yè)，2010，30(4):87-90.

Xiong Jiyou,Wen Jiewen,Rong Jiguang,et al.New progress in the research of rotary steerable drilling technology[J].Natural Gas Industry,2010,30(4):87-90.

[6] 肖仕紅，梁政.旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].石油機械，2006，34(4)：66-70.

Xiao Shihong,Liang Zheng.Technical development and prospect of rotary steering drilling[J].China Petroleum Machinery,2006,34(4):66-70.