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分公司，天津300452 2、中海石油（中國）有限公司，天津300452 3、中海石油（中國）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工具主要是馬達和旋轉(zhuǎn)導向，在井眼較淺、井眼軌跡簡單的井段馬達具有使用成本低、機械鉆速快等特點，但是在深部地層和大斜度、大位移井中馬達通常因為托壓、滑動鉆進工具面不穩(wěn)、綜合機械鉆速慢而無法滿足鉆井作業(yè)需求，而在這類井中旋轉(zhuǎn)導向具有明顯優(yōu)勢。長期以來旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具主要掌握在哈里伯頓、貝克休斯、斯倫貝謝國外石油公司中。為順應科技強國、在關鍵領域突破卡脖子技術目標，特別是在2014 年國際油價進入低油價時期，國內(nèi)公司近些年加快旋轉(zhuǎn)導向工具的研發(fā)力度，以中海油研發(fā)的旋轉(zhuǎn)導向為例，2015 年小尺寸Welleader 旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具開始在海上油田小規(guī)模應用，打破國際壟斷，成為國際上第四家掌握這項技術的公司，2020 年大尺寸標準型旋轉(zhuǎn)導向開始在渤海某油田實際應用，第一批幾口井的成功應用，為后續(xù)作業(yè)開了一個好頭，也為該工具的全國推廣普及打響了第一槍，提升了自研工具的信賴度，為油田增儲上產(chǎn)、降本增效提供更多措施。

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

1.1 工具結(jié)構(gòu)

Welleader 推靠式旋轉(zhuǎn)導向工具結(jié)構(gòu)包含導向短節(jié)和柔性短節(jié)兩部分，上部與Drilog 測井系統(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)導向鉆井系統(tǒng)通過精準導向力矢量實時控制鉆頭姿態(tài)，優(yōu)異的定向造斜、軌跡控制，井斜全自動閉環(huán)控制達到精準控制軌跡的目的，并可與Drilog 隨鉆測井系統(tǒng)無縫對接實現(xiàn)精準地質(zhì)導向。

地面實時控制分流裝置將控制指令下傳給旋轉(zhuǎn)導向，通過檢測泥漿排量的變化解析具體指令并執(zhí)行。導向短節(jié)通過液壓驅(qū)動閉環(huán)控制，精確控制三個導向翼肋的導向力，穩(wěn)定控制導向合力的大小和方向。通過近鉆頭測量模塊第一時間將井底井斜上傳至地面，為導向控制提供精確導航。

圖1 鉆具組合示意圖

圖2 旋轉(zhuǎn)導向結(jié)構(gòu)示意圖

導向短節(jié)關鍵組成部分分為：旋轉(zhuǎn)驅(qū)動軸、不旋轉(zhuǎn)導向套筒、導向肋板、近鉆頭測量模塊、導向力控制電子元件、液壓控制系統(tǒng)。通過工具內(nèi)部的微處理系統(tǒng)計算出必須向每個肋板施加壓力的大小，由液壓系統(tǒng)提供動力推動工具內(nèi)部高壓流體，精準施加控制壓力。

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)不同的指令實時計算合力的大小和方向，通過液壓系統(tǒng)精準控制三個肋板的合力大小及方向，達到精準導向的目的。

2 在渤海某油田的應用

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 使用大尺寸標準型Welleader 旋轉(zhuǎn)導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，表層鉆進使用馬達，在此之前二開鉆進使用哈里伯頓的GeoPilot 旋轉(zhuǎn)導向一趟鉆進至完鉆井深，2020 年6 月中海油大尺寸標準型Welleader 在渤海油田中首次應用，本批次中海油大尺寸標準型Welleader 在該油田共計完成3 口水平井作業(yè)。

本批次3 口水平井二開造斜點淺、地層松軟、不利于造斜鉆進；穩(wěn)斜角度大、穩(wěn)斜段長，穩(wěn)斜角65～68°、穩(wěn)斜段長750～1200米，另外穩(wěn)斜段地層變化大，地層漂移無規(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2289m，設計出管鞋開始，以3～3.5 度造斜率鉆進至井深900m 增斜至69°穩(wěn)斜，穩(wěn)斜1200 米，以造斜率3°/30 鉆進至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，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)場應用結(jié)果

大尺寸標準型Welleader 旋轉(zhuǎn)導向能夠滿足該油田定向井作業(yè)，實鉆井眼軌跡與設計軌跡吻合，鉆井時效與使用哈里伯頓的GeoPilot 旋轉(zhuǎn)導向相當。（表1）

表1 2020 年不同工具時效對比

本批次中海油大尺寸標準型Welleader 旋轉(zhuǎn)導向工具共計入井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)導向可達到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%導向力鉆進，平均造斜率可達3.5～5.8°/30m，表現(xiàn)良好。

2.4應用中存在的問題及技術展望

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

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

2.4.1.2 泵壓憋起的同時，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，加壓過程中大多數(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 鉆進期間出現(xiàn)憋扭矩現(xiàn)象

在本批3 口井，大尺寸標準型工具鉆進期間，在各項參數(shù)正常的情況下出現(xiàn)過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)有兩個共同點，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，在高鉆壓高機械鉆速時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 時未曾發(fā)生過憋停頂驅(qū)險情，該油田地層在鉆壓13T 以內(nèi)時基本滿足鉆進要求。

2.4.3 原因分析

現(xiàn)場分析可能與工具的機械結(jié)構(gòu)相關，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)為粗略測量結(jié)果），Welleader950 排屑槽面積更小。

2.4.3.3 ATK950 驅(qū)動頭設計為拋物線形狀，Welleader950 驅(qū)動頭設計導角角度稍大，ATK950 驅(qū)動頭設計更符合實際需求。

2.4.4 Welleader950 造斜率個體差異

在鉆進中06 號Welleader950，100%導向力控速鉆進，局部狗 腿 可 以 達 到 7° /30m； 而 16 號Welleader950，100%導向力控速鉆進，局部狗 腿 只 能 達 到 5.5° /30m。 06 號Welleader950 造斜率更高。

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

圖3 06 號和16 號工具對比

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

2.4.5 技術展望

隨著國內(nèi)石油的開發(fā)和發(fā)展，各種鉆井工具及技術正在迅速發(fā)展和完善，以中海油大尺寸旋轉(zhuǎn)導向為樣本的國內(nèi)旋轉(zhuǎn)導向技術必將在一段時間內(nèi)取得更大的發(fā)展和技術進步，繼續(xù)以市場需求為導向不斷改進、完善和提高現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)導向性能，推出更適合現(xiàn)場應用的旋轉(zhuǎn)導向工具。