旋轉導向技術在水平井中的應用

李云龍

摘要：技術密集、高投資、高風險和高難度是石油天然氣勘測開發主要手段和關鍵環節鉆井工程的特點。在旋轉狀態下實現井眼軌跡的實時導向是旋轉導向鉆井技術其突出的優點。受到業界各大技術服務公司強烈關注的旋轉導向技術近年來在定向井鉆井過程中被越來越廣泛的應用。

關鍵詞：水平井; 旋轉導向; 井眼軌跡;

為加快油氣田開發力度， 現有油田開發方案以鉆水平井為主， 實現在儲層中更多鉆進以保證單井產能最大化。水平井設計造斜點在高達六七千米， 完鉆井深達到8000m左右， 采用常規滑動定向存在到軌跡控制難度大， 施工摩阻、扭矩大， 施工泵壓高等鉆井難題。為確保水平井的順利實施， 采用了貝克休斯的旋轉導向鉆井技術。

1旋轉導向鉆井系統組成及工作原理

1.1系統組成

旋轉導向鉆井技術包括地面監控系統、井下旋轉導向鉆井工具系統和隨鉆測量系統。地面監控系統用來完成旋轉（地質）導向二維建模、定向井水平井剖面設計或修正設計、底部鉆具組合受力分析、井下信號解釋處理、井眼軌跡參數計算等工作。井下旋轉導向鉆井工具系統包括導向裝置、雙向通訊和動力模塊、無磁模塊穩定器等等井下工具。隨鉆測量系統包括傳感器模塊、優化旋轉密度儀和動態與壓力模塊等隨鉆地質特性和鉆具特性測量工具。旋轉導向鉆具組合主要由導向裝置、傳感器模塊、雙向通訊和動力模塊、模塊馬達以及其他配套工具組成。

1.2 工作原理

導向裝置（Steering Unit）：導向裝置造斜率的大小與每個造斜肋塊在單位進尺中的伸縮次數無關。在導向造斜模式下， 液壓系統可以對導向裝置提供7500個動力矢量， 使其按照給定工具面和給定動力進行導向鉆進， 而且， 可以隨時通過下傳指令重新定向。

除造斜功能外， 導向裝置還有穩斜功能。通過井下自動控制的閉回路， 在地面指令通過另一回路發至導向裝置后， 自動控制功能開始接管， 將每秒測得的井斜數據與指令比較并進行調節控制， 從而達到平緩光滑的井眼軌跡。在穩斜模式下， 導向裝置自動向靶點井斜角進行平滑導向， 在新指令到達之前， 將靶點井斜角保持在±0.2°之內;而且穩斜過程中也可以隨時通過下傳指令改變井眼方位。

傳感器模塊（OnTrak）：該模塊主要提供旋轉（地質）導向鉆井所需要的基本參數。首先， 該模塊中安裝有用于地層巖性識別的伽馬射線和多頻電阻率， 是隨鉆測井的基本項目， 幫助完成地質導向任務;其次， 該模塊中安裝有用于井眼空間位置控制的磁通量計，可以計算出井眼方位角， 配合近鉆頭井斜角來完成井眼空間的導向任務;最后， 該模塊中還安裝有用于鉆井參數優化的環空泥漿當量密度、振動和粘滑系數等測量裝置， 幫助地面定向井工程師識別井下工具的工作狀態。

雙向通訊和動力模塊（BCPM）：該模塊主要由渦輪發電裝置和正壓脈沖發生器組成， 向導向裝置和隨鉆測量工具提供電源動力， 并為下傳指令和上傳測量數據提供通道。

模塊馬達：結合馬達鉆井和旋轉鉆井優點， 鉆頭高轉速有效提高機械鉆速;同時地面低轉速減少套管和鉆具的磨損， 降低井下風險。

1.3 旋轉導向鉆井系統優點

（1）只需使用一套鉆具組合完成定向造斜、增斜、穩斜和水平段施工。而采用滑動定向時需根據不同定向工況需更換不同鉆具組合， 因此采用旋轉導向減少了起下鉆時間， 同時一套鉆具組合保證了井眼的連續性， 降低了復雜和事故率。（2）在進行定向造斜、增斜、穩斜等井眼軌跡（或地質）導向指令時， 不需要停止鉆進， 實現了井眼軌跡的平滑、連續鉆進;（3）導向裝置的近鉆頭井斜測量單元離鉆頭只有1.0米距離， 測量的及時性有利于提高井眼軌跡控制精度。（4）通過閉環控制可以對鉆頭傾角、導向矢量的方向和幅度進行自動導向控制， 確保向靶點井斜角進行平滑導向， 將靶點井斜角控制并保持在±0.2°， A、B靶點縱向距離控制并保持在±0.4米之內， 確保精確中靶。

2 運用效果分析

通過應用旋轉導向技術，在國內某油田水平井取得了較好的效果。

2.1 有效提高鉆井速度， 縮短鉆井周期

一方面旋轉導向鉆井不存在滑動鉆進， 最大程度上減少了托壓現象， 保證了鉆壓能有效傳遞到鉆頭上， 提高機械鉆速;同時旋轉導向系統中的傳感器模塊能在鉆進過程中隨時監測井下工具狀況， 適時的優化鉆井參數， 最大程度地提高機械鉆速。

2.2 井眼軌跡平滑， 保障了鉆井施工順利

旋轉導向鉆井能在旋轉鉆進的同時進行定向作業， 所鉆成的井眼軌跡平滑， 造斜段最大全角變化率6.11°/30m， 水平段最大全角變化率2.57°/30m。同時良好的井眼軌跡也使超深水平井完井作業順利，完井采用泵出式電測未進行通井作業一次性測井到底， 下襯管進行三趟帶扶正器通井作業均順利到底。

2.3 能滿足軌跡調整， 中靶精確

采用旋轉導向鉆井技術利用近鉆頭測斜， 能真實、及時地反映軌跡情況， 同時通過對井斜和方位精確控制保證了井眼軌跡按地質要求在優質儲層中鉆進， 滿足了地質中靶要求， 完井測試無阻流量751.61×104m3/d。

2.4小井眼水平段施工旋轉導向鉆進需配合模塊馬達

本井模塊馬達使用并不順利， 按說明能承受160-170℃高溫及使用壽命應在100小時以上， 但在本井實際施工過程中馬達在循環溫度136℃條件下， 使用時間未超過100h， 且在使用后期出現不同程度的膠皮脫落。第三趟鉆更由于模塊馬達無工作壓降， 鉆進無明顯進尺而起鉆檢查馬達軸向間隙為3mm。

2.5 旋轉導向鉆井的成功實施帶來一定的經濟和社會效益。

本井定向段和水平段鉆井周期僅為52.5天， 較設計提前了47.5， 鉆井成本大幅度減少;其次， 高產井的提前投產也帶來了可觀經濟效益和社會效益。

3 結論及建議

（1）水平段鉆進中使用旋轉導向系統， 大大提高了機械鉆速， 降低了鉆井成本， 創造了油田致密油藏水平井鉆井指標新紀錄。

（2）PD使用全復合的鉆進方式， 不再受托壓、摩阻增大的影響， 使定向工程操作更為簡單， 能在復合鉆進過程中實現工具面的調整。

（3）旋轉導向系統鉆井參數的要求比較嚴格， 鉆井過程中要嚴格執行操作規程要求， 提高儀器的使用效率。

參考文獻：

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[2]肖仕紅， 梁政.旋轉導向鉆井技術發展現狀及展望[J].石油機械， 2006， 34（4）：66-69.