劉克強(qiáng)，李 欣，艾 磊，李治君，劉志雄，梁宏偉

（1.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，陜西西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，陜西西安 710018；3.中國石油長慶油田公司油氣工藝研究院，陜西西安 710018）

長慶油田頁巖油資源量豐富、儲量規(guī)模巨大，是實現(xiàn)長慶油田上產(chǎn)6 000×104t和二次加快發(fā)展的重要支撐。經(jīng)過多年技術(shù)攻關(guān)，形成了“長水平段叢式水平井+體積壓裂”主體開發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)了資源的經(jīng)濟(jì)、高效、規(guī)模開發(fā)［1-2］。但這種開發(fā)方式也使大偏移距三維水平井、長水平段三維水平井?dāng)?shù)量顯著增加，采用常規(guī)“彎螺桿+MWD”井眼軌跡控制方法，部分井在斜井段、大部分井在水平段鉆進(jìn)到一定長度后，會出現(xiàn)滑動鉆進(jìn)摩阻扭矩大、托壓、粘卡、機(jī)械鉆速慢等問題，甚至出現(xiàn)無法有效控制鉆進(jìn)后續(xù)井段的情況。為了解決上述難題，近年來借鑒國內(nèi)外相關(guān)經(jīng)驗，綜合考慮工程需要、使用成本等因素，優(yōu)選使用井型、井段和工具儀器配套，在多口井試驗應(yīng)用了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)，實現(xiàn)了常規(guī)螺桿鉆具不能完成的地質(zhì)、工程設(shè)計目標(biāo)，為該技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用積累了寶貴現(xiàn)場經(jīng)驗。

1 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)及應(yīng)用情況簡介

和常規(guī)“彎螺桿+MWD”鉆井方法相比，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)取消了滑動鉆進(jìn)方式，以全程旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式，一套鉆具完成造斜、增斜、穩(wěn)斜等井眼軌跡控制和調(diào)整，具有摩阻扭矩低、水平段延伸能力強(qiáng)、鉆井效率和井眼軌跡控制精度高、井身質(zhì)量和井眼凈化效果好等諸多優(yōu)點，被譽(yù)為定向鉆井技術(shù)的一場革命［3-5］。

國外從20 世紀(jì)80 年代末期開始進(jìn)行旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)的研發(fā)，經(jīng)過30多年的不斷改進(jìn)完善和更新?lián)Q代（已發(fā)展到第四代），不但已經(jīng)形成了可以滿足不同需求的高可靠性、高穩(wěn)定性系列化成熟旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)（表1），而且在北美、中東等多個地區(qū)已經(jīng)作為一種主要的水平井、定向井鉆井技術(shù)得到推廣應(yīng)用。我國開展旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)的研究工作起步于20世紀(jì)90年代中期，近年來雖然部分國產(chǎn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入現(xiàn)場試驗階段，但整體上還沒有達(dá)到商業(yè)化應(yīng)用水平，目前國內(nèi)應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)主要是國外產(chǎn)品，且整體應(yīng)用規(guī)模較?。?-8］。

表1 國外旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的主要類型及造斜能力

2 技術(shù)應(yīng)用必要性分析

（1）受黃土塬地貌、工廠化作業(yè)、最大化增加儲層動用等因素的影響，長慶頁巖油井區(qū)大偏移距和長水平段三維水平井多，以2019 年完鉆井為例，偏移距平均值為385 m（其中偏移距超過300 m的占總井?dāng)?shù)的60%以上），水平段長度一般在1 500～3 000 m，斜井段平均造斜率較高（4.5～5.5°/30m），相對與常規(guī)水平井，此類井井眼軌跡三維旋轉(zhuǎn)，軌跡復(fù)雜、摩阻扭矩大［9-10］。

（2）長慶頁巖油水平井多數(shù)采用二開井身結(jié)構(gòu)設(shè)計（一開?244.5 mm套管封固第四系不穩(wěn)定地層，進(jìn)入穩(wěn)定巖層30 m；二開?139.7 mm 套管下至完鉆井深），整個二開裸眼段長度一般在3 200～4 500 m，且塌、漏、溢可能同時存在，因此整個二開不但摩阻扭矩大，而且鉆井風(fēng)險高。

（3）單砂體薄，橫向分布不穩(wěn)定，加之局部構(gòu)造變化大［11-12］，長水平井提高油層鉆遇率挑戰(zhàn)巨大，軌跡控制難度高。

（4）常規(guī)彎螺桿導(dǎo)向鉆具形成的井眼軌跡變化幅度大，圓滑度差，井眼呈“鋸齒狀”，水平段施工后期摩阻扭矩大，不但滑動鉆進(jìn)托壓嚴(yán)重、機(jī)械鉆速慢、軌跡難于調(diào)控，且增加了井下風(fēng)險和下套管難度［13-14］。

3 應(yīng)用井優(yōu)選依據(jù)

由于目前旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井主要依賴國外技術(shù)，使用成本較高，還不利于大規(guī)模推廣應(yīng)用，因此鉆前綜合考慮偏移距、靶前距、目的層垂深等井眼軌跡參數(shù)，進(jìn)行待鉆井施工難度系數(shù)評價與分析［15］，在此基礎(chǔ)上以“造斜段增效提質(zhì)，水平段安全提速”為主要目標(biāo)優(yōu)選應(yīng)用井位。目前主要在施工難度較大的二開井身結(jié)構(gòu)的大偏移距、長水平段和大偏移距長水平段三維水平井，使用AutoTrack G3、AutoTrackCurve 等第三代或高造斜率旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)，以解決此類井常規(guī)螺桿鉆具鉆進(jìn)中存在的水平段延伸能力不足、鉆井風(fēng)險高、螺旋井眼、儲層鉆遇率低、機(jī)械鉆速慢等問題。

4 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向底部鉆具組合優(yōu)選設(shè)計

根據(jù)底部鉆具組合差別，目前國內(nèi)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的應(yīng)用形式有多種。借鑒國內(nèi)外經(jīng)驗、結(jié)合長慶頁巖油的實際情況，主要設(shè)計使用了下述三種類型的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具組合。

4.1 不帶馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向

國外早期的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)和我國目前絕大部分旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)不帶專用模塊馬達(dá)。以AutoTrack旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)為例，其底部鉆具組合形式一般為：鉆頭+ASS 導(dǎo)向頭+（柔型短節(jié)）+測量模塊+脈沖發(fā)電機(jī)+上截止閥+扶正器及回壓閥+鉆桿。該鉆具組合不使用專用模塊馬達(dá)，在能滿足施工需求的情況下，可有效降低旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的使用費用，但由于井下不帶馬達(dá)，僅靠轉(zhuǎn)盤驅(qū)動，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速要求高、轉(zhuǎn)盤扭矩大，且存在鉆具偏磨問題。目前長慶頁巖油井區(qū)主要在個別大偏移距三維水平井斜井段、部分長水平段三維水平井水平段使用該鉆具組合。

4.2 配套專用馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向

為了進(jìn)一步提高旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的鉆進(jìn)效率，目前斯倫貝謝、貝克休斯等公司的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)已經(jīng)專門研發(fā)配套了具有信號傳輸功能的模塊馬達(dá)，如斯倫貝謝VorteX、貝克休斯X-treme 等［16-17］。這些模塊馬達(dá)是大功率螺桿鉆具和通訊短節(jié)組合在一起的復(fù)合體，使用時連接在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)和MWD之間，鉆頭就獲得了來自頂驅(qū)轉(zhuǎn)速和螺桿鉆具轉(zhuǎn)速疊加的高轉(zhuǎn)速（350～450 r/min），而通訊短節(jié)則可實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)、MWD/LWD、地面之間的雙向通訊。以AutoTrack 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)為例，其底部鉆具組合形式一般為：鉆頭+ASS 導(dǎo)向頭+模塊馬達(dá)+（柔型短節(jié)）+測量模塊+脈沖發(fā)電機(jī)+上截止閥+扶正器及回壓閥+鉆桿。該組合除具有前一種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具組合的所有優(yōu)點外，還有效提高了機(jī)械鉆速、降低了鉆機(jī)和鉆桿負(fù)荷。長慶頁巖油井區(qū)主要在大偏移距或長水平段三維水平井水平段使用該鉆具組合。

4.3 配套普通馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向

國外的部分旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)和國內(nèi)的大多數(shù)的旋導(dǎo)系統(tǒng)，由于沒有研發(fā)與之配套的專用模塊馬達(dá)，為了提高機(jī)械鉆速，在底部鉆具組合使用了普通馬達(dá)（該馬達(dá)可以有效提高鉆頭轉(zhuǎn)速，但不需要具有通訊功能），其組合一般為：鉆頭+導(dǎo)向頭+無磁鉆鋌（MWD）+普通螺桿+回壓閥+鉆桿。該鉆具組合兼有使用費用低、機(jī)械鉆速得到有效提高的優(yōu)點，但由于螺桿前部負(fù)載重，易發(fā)生馬達(dá)事故或井下復(fù)雜情況，因此現(xiàn)場一般選用低速大扭矩馬達(dá)，以確保井下安全，目前該鉆具組合在長慶頁巖油井區(qū)也主要應(yīng)用于大偏移距或長水平段三維水平井水平段，且應(yīng)用井?dāng)?shù)很少。

5 現(xiàn)場應(yīng)用情況

5.1 應(yīng)用效果及技術(shù)優(yōu)勢分析

（1）提高水平段延伸能力：目前使用扭擺鉆井、水力振蕩器等其它降摩減阻技術(shù)，長慶區(qū)域頁巖油水平段最大施工能力一般不超過2 600 m。而使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)，則可有效提高長水平段后期的軌跡控制和延伸能力，對提高勘探開發(fā)質(zhì)量和效益作用巨大。以近兩年完成井為例，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向完鉆井平均水平段長度2 545 m，最長水平段達(dá)4 088 m（HH50-7井，完鉆井深6 266 m，水平段儲層鉆遇率89.2%）［18］，而同區(qū)塊常規(guī)螺桿導(dǎo)向鉆具作業(yè)井平均水平段長度1 665 m，最長水平段為2 535 m。

（2）提高鉆遇率：旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)軌跡控制優(yōu)勢顯著，結(jié)合近鉆頭測量，優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率大幅提升，測試產(chǎn)量穩(wěn)步提高。以2019年完成井為例，相比常規(guī)導(dǎo)向鉆具，油層鉆遇率平均提高9%，有效保障了超長水平段、復(fù)雜地質(zhì)沉積等高難度水平井地質(zhì)目標(biāo)的實現(xiàn)。

（3）提高機(jī)械鉆速：以大偏移距三維水平井HHT0-7 井為例，和同平臺使用常規(guī)螺桿導(dǎo)向的其它6口井相比，鉆井周期縮短40%；而和同井區(qū)施工難度相當(dāng)?shù)腍HS0-9 井相比，平均機(jī)械鉆速提高了97.64%，且水平段實現(xiàn)了一趟鉆完成（見表2）。此外，不同類型的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向組合提速效果存在差異。在斜井段使用不帶馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向，正常情況下其機(jī)械鉆速和常規(guī)螺桿導(dǎo)向鉆具相當(dāng)。在水平段鉆進(jìn)中，不帶馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向機(jī)械鉆速有低于常規(guī)螺桿導(dǎo)向鉆具的情況，提速效果不突出，但配套專用模塊馬達(dá)或普通馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向在水平段快速鉆進(jìn)效果良好。

表2 HHT0-7井和HHS0-9井主要鉆井參數(shù)對比

（4）降低摩阻扭矩：由于鉆井方式差異、井眼更清潔、井眼質(zhì)量更好（有效解決了滑動鉆井螺旋井眼問題，沒有局部大狗腿和臺階）等原因，相對于常規(guī)螺桿導(dǎo)向鉆具，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井摩阻扭矩大幅降低，有效解決了大偏移距三維水平井、長水平段水平井滑動鉆進(jìn)難題，且降低了井下風(fēng)險和下套管難度。同樣以大偏移距三維水平井HHT0-7 井、HHS0-9井為例，在水平段長1 400 m 時，扭矩降低10.3%，摩阻降低28.2%～39.6%（見圖1、圖2）。但現(xiàn)場實踐也表明，不同旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具組合，其降摩減阻性能也存在差異?？傮w來講，不帶馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向效果較差，配套專用或普通馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向效果較好。

圖1 HHT0-7井與HHS0-9井水平段扭矩對比

圖2 HHT0-7井與HHS0-9井水平段上提下放摩阻對比

（5）鉆井施工能力和技術(shù)指標(biāo)不斷取得突破：隨著旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)的應(yīng)用，頁巖油水平井施工能力和鉆井技術(shù)指標(biāo)不斷取得突破，目前完鉆三維水平井最大偏移距已達(dá)1 102 m（HHL0-1 井，有效靶前距429.7 m，水平段長2 000 m），最大叢式水平井平臺（HHL0 平臺）已達(dá)22 口井，有力保障了大平臺長水平段叢式水平井開發(fā)方案的實施。

5.2 存在的主要問題

（1）使用成本限制了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)的應(yīng)用規(guī)模：由于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)費用昂貴，在長慶頁巖油開發(fā)中經(jīng)濟(jì)效益尚不突出，目前一般只應(yīng)用于施工難度較大的井，整體應(yīng)用規(guī)模很小。

（2）現(xiàn)有鉆井裝備和工藝還需要進(jìn)一步升級完善：旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)作為一種導(dǎo)向方式，需要依賴鉆井工藝和裝備的配套。目前使用國外旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)的過程中，還存在機(jī)泵能力不足（旋導(dǎo)配套馬達(dá)在排量下限工作，影響提速效果）、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速不能滿足無井下馬達(dá)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井高轉(zhuǎn)速要求（100 r/min 左右）、井底振動過大影響旋導(dǎo)系統(tǒng)穩(wěn)定性、扭矩波動大等問題，導(dǎo)致個別井達(dá)不到理想的應(yīng)用效果。需要對裝備、工藝進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化和提高，以便進(jìn)一步充分發(fā)揮旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井的技術(shù)優(yōu)勢。

（3）國產(chǎn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)工作穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高：在多口井上試驗應(yīng)用了國產(chǎn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，和國外產(chǎn)品相比，穩(wěn)定性方面還有較大差距。

6 認(rèn)識與建議

（1）旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)具有降低摩阻扭矩、提高水平段延伸能力、提高儲層鉆遇率、提高機(jī)械鉆速和井眼質(zhì)量等方面的顯著優(yōu)點，是現(xiàn)階段實現(xiàn)長慶薄層頁巖油大偏移距三維水平井和長水平段水平井安全、快速、優(yōu)質(zhì)鉆進(jìn)的最有效技術(shù)手段。

（2）不同類型的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具組合在降摩減阻、提速等方面存在差異，現(xiàn)場應(yīng)綜合考慮地質(zhì)和工程特點、鉆井需求、使用成本等因素，優(yōu)選底部鉆具儀器配套，以實現(xiàn)最優(yōu)綜合應(yīng)用效果。

（3）使用成本、現(xiàn)有鉆井裝備配套情況是影響國外旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)應(yīng)用規(guī)模和效果的重要因素，國產(chǎn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)整體上還處于研制試驗階段，在系統(tǒng)穩(wěn)定性上存在一定差距，建議加快技術(shù)攻關(guān)，盡早實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。