李 旭

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶163413）

原油和天然氣由碳?xì)浠衔铩⒎翘細(xì)浠衔锖推渌⒘吭氐幕旌衔锝M成，它們埋藏在深部地層的沉積巖中。根據(jù)巖石破碎原理，破巖可以使用沖擊式鉆井法和旋轉(zhuǎn)式鉆井法，其中旋轉(zhuǎn)式鉆井法是使用最廣泛的方法。截止目前，鉆井技術(shù)已經(jīng)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(jīng)成為油氣開采的主要技術(shù)之一[1-2]。本文回顧和介紹了定向鉆井技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程，調(diào)研了定向鉆進(jìn)工具（旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)和垂直鉆井系統(tǒng)）的發(fā)展情況，討論了定向鉆井技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)。最后，對定向鉆井技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)和展望。

1 定向鉆井技術(shù)發(fā)展

1.1 第一代定向鉆井技術(shù)

第一代鉆井技術(shù)分為被動定向技術(shù)和主動定向技術(shù)。

被動定向技術(shù)：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(shù)：利用一些特殊的設(shè)備、工具和技術(shù)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(jié)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(dǎo)鉆頭偏離井眼軸線及設(shè)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(diǎn)：需要多次起下鉆、浪費(fèi)時間、操作復(fù)雜、準(zhǔn)確度差等。但在超高溫深井鉆井，因?yàn)榫聞恿︺@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(shù)

第二代定向技術(shù)以渦輪鉆具、螺桿鉆具及測斜儀等工具的發(fā)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(dá)到改變井眼軌跡的效果。主要的監(jiān)測工具是測斜儀。與第一代定向鉆井技術(shù)相比，第二代技術(shù)的井眼軌跡更為平滑和準(zhǔn)確，鉆速也大幅度提高。

1.3 第三代定向鉆井技術(shù)

第三代定向鉆井技術(shù)是更為先進(jìn)的監(jiān)控和鉆進(jìn)工具發(fā)展的結(jié)果。主要特征是隨鉆測量工具（MWD）的出現(xiàn)，進(jìn)一步提高了控制的精度，可以隨鉆進(jìn)行定向操作[6-7]。此外，為了進(jìn)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(shù)難度大幅度簡化。到目前為止，第三代定向技術(shù)仍是定向井和水平井施工的主要技術(shù)。

1.4 第四代定向鉆井技術(shù)

第四代定向技術(shù)的典型代表是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)（RSDS）的發(fā)明。在之前的定向技術(shù)中，由于必須人工調(diào)整工具面，因此在定向鉆進(jìn)時必須固定鉆柱，即所謂的滑動鉆進(jìn)。由于鉆柱阻力總是與運(yùn)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(zhì)量等產(chǎn)生影響。因此，為了提高鉆進(jìn)效率、控制精度并減少鉆柱阻力，斯倫貝謝于1999 年首次開發(fā)了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)。RSDS 使鉆柱在連續(xù)旋轉(zhuǎn)的情況下仍然可以精確控制井眼軌跡。

2 定向工具發(fā)展情況

大多數(shù)定向井和水平鉆井使用的井下設(shè)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(jìn)的定向工具的應(yīng)用是定向鉆井的基礎(chǔ)。定向技術(shù)的發(fā)展是由定向工具的發(fā)展推進(jìn)的。

2.1 導(dǎo)向工具

目前最為常用導(dǎo)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(zhuǎn)鉆柱，使造斜器的工具面對應(yīng)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(yè)。永久性造斜器主要用在套管中，用于落魚的側(cè)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(dǎo)向鉆頭。隨后將導(dǎo)向孔擴(kuò)孔至全尺寸，然后繼續(xù)進(jìn)行定向作業(yè)。

2.2 井下馬達(dá)

目前廣泛使用的井下馬達(dá)主要有螺桿鉆具和渦輪鉆具。

2.2.1 螺桿鉆具

20世紀(jì)40年代，史密斯鉆探公司設(shè)計了第一個螺桿工具。1950 左右，螺桿鉆具開始商業(yè)化應(yīng)用于定向鉆井服務(wù)中。1970左右，Smith公司、Dyna公司等一大批公司均開展了相關(guān)設(shè)備的研制和生產(chǎn)。目前，螺桿鉆具已經(jīng)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(yùn)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(guān)鍵，因?yàn)槠渲惺褂玫膹椥猿煞秩菀资艿礁邷睾陀突酀{的腐蝕影響，從而引起膨脹和脫落。但目前通過改進(jìn)彈性體，螺桿鉆具已經(jīng)可以承受高達(dá)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(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用。直到1920年左右，渦輪鉆具在美國和前蘇聯(lián)得到了再次發(fā)展。20世紀(jì)40年代，前蘇聯(lián)進(jìn)行了渦輪鉆具的進(jìn)一步開發(fā)，并在鉆井作業(yè)中進(jìn)行了廣泛應(yīng)用。渦輪鉆具由一系列轉(zhuǎn)子和定子組成，每個轉(zhuǎn)子—定子對稱為“級”，級數(shù)取決于要求。渦輪鉆具的轉(zhuǎn)速高于螺桿鉆具，可以達(dá)到2000r/min。但由于其構(gòu)成較為復(fù)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(diǎn)是高轉(zhuǎn)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(diǎn)，目前已經(jīng)開發(fā)了許多特殊的渦輪鉆具，例如低轉(zhuǎn)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?yàn)橄鹉z內(nèi)襯抗溫性差而無法在超高溫條件下應(yīng)用的難題，目前渦輪鉆具的最高使用記錄已經(jīng)達(dá)到260℃。

2.3 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)

由于鉆進(jìn)過程中鉆柱全程旋轉(zhuǎn)，可以減少由于鉆柱滑動而產(chǎn)生的阻力，提高鉆壓的傳輸效率，從而降低了卡鉆的風(fēng)險，并大幅度提高井眼清潔效果。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具可以根據(jù)預(yù)期的井眼軌跡進(jìn)行預(yù)編程，當(dāng)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(zhuǎn)導(dǎo)向分為兩類，較普遍的“狗腿控制”系統(tǒng)和較不成熟的“偏差控制”系統(tǒng)。由于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向是基于電子控制系統(tǒng)進(jìn)行控制的，因此有最大工作溫度的要求。當(dāng)前，PowerDrive 系統(tǒng)、AutoTrak 系統(tǒng)和Geo-Pilot 系統(tǒng)可以在200°C 的高溫下工作。在地?zé)峋@探中，當(dāng)?shù)撞繙囟雀哂谛D(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的最大抗溫能力時，需要控制鉆進(jìn)參數(shù)并增加井下循環(huán)量，以保護(hù)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的電路板在高溫下不被損壞。

2.4 垂直鉆井系統(tǒng)

垂直鉆井系統(tǒng)也是一種先進(jìn)的定向工具，主要用于糾斜和提高鉆速。因?yàn)槭褂贸Ｒ?guī)技術(shù)（例如偏心軸組件、偏心剛?cè)峤M件、可轉(zhuǎn)向組件、防擺組件等），往往需要起鉆更換鉆具，浪費(fèi)時間，所以，垂直鉆井系統(tǒng)在深井和超深井提速方面有著重大的優(yōu)勢。

1988年貝克休斯公司開發(fā)了垂直鉆井系統(tǒng)并用于德國KTB計劃的大陸科學(xué)井鉆探實(shí)驗(yàn)，成功將井斜角控制在1°以內(nèi)，取得了巨大的成功，后續(xù)吸引了多家鉆井公司對其進(jìn)行研究開發(fā)。垂直鉆井系統(tǒng)可以自動保持井眼垂直，而不會影響鉆井液排量、鉆壓和轉(zhuǎn)速等參數(shù)，可以維持較高的轉(zhuǎn)速，并且避免了糾斜所耗費(fèi)的時間。垂直鉆井系統(tǒng)可以顯著改善井眼質(zhì)量，并實(shí)現(xiàn)精確的井眼軌跡，從而使后續(xù)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(tǒng)在減少地面井口間距方面也很有用。

3 結(jié)論及認(rèn)識

（1）在近一個世紀(jì)的鉆井技術(shù)發(fā)展過程中，鉆探技術(shù)已經(jīng)從電纜工具鉆井發(fā)展到先進(jìn)的自動旋轉(zhuǎn)鉆井，先進(jìn)的技術(shù)和工具是發(fā)展的主要動力。

（2）隨著油氣開發(fā)對垂深和水平位移要求的不斷加大，要進(jìn)一步解決因?yàn)榫赂邷亍⒏邏汉烷L水平段井壁穩(wěn)定引起的鉆井問題。

（3）垂直鉆井和定向鉆井已經(jīng)逐步發(fā)展到數(shù)字化、可視化、自動化、集成化和智能化程度。但是，現(xiàn)場作業(yè)過程中，自動化程度仍然不夠。因此，更為先進(jìn)的自動鉆井技術(shù)仍然是最主要的研發(fā)方向。