旋轉導向技術的發展及其在沙特阿美市場上的應用

朱長勇

摘要：旋轉導向鉆井技術是現代導向鉆井技術的發展方向，本文敘述了旋轉導向技術的產生背景，發展歷程和技術原理及系統組成。近年來國內鉆井技術團隊與沙特阿美開展全方位的合作，中國旋轉導向技術得到了沙特阿美公司的高度認可，成為中國鉆井技術在中東地區搶占高端技術研發制高點。

關鍵詞：旋轉導向技術;鉆井技術;沙特阿美

近年來，為滿足實際油氣田勘探開發的需要，需要在鉆井井眼軌跡控制上不斷創新和優化，尤其是在水平井、大位移井、水平分支井、薄油層水平井等方面，所以鉆井工具所面臨的地層條件日益復雜，為達到提高產能的目的，就需要切實在井眼軌跡控制職工加強旋轉導向鉆井技術的應用，其自上世紀問世以來，得到了不斷的發展，國家也為之加大了投入力度，使得旋轉導向鉆井技術水平得到了有效的提升，尤其是在關鍵技術方面取得了一定的幫助。

1 旋轉導向鉆井技術發展背景

新產生的一系列定向鉆井新技術提高了定向鉆井的效率。應用比例逐年增加的普通定向井是目前的一種常規技術。因為水平井和分段壓裂技術的進步使頁巖氣革命風潮繼續在全球范圍內產生影響，水平井和定向井鉆井的工作量也因為非常規資源開發和老油田挖潛的繼續推動而增加。

為了滿足不同油藏在開發過程中的需求，國外在多分支井鉆井技術上實現了系列化和標準化。并且降低了勘探開發成本及提高采收率。多分支井根據國際上不同的程度及結構被分為6個等級。目前其中6級分支井技術以其壓力完整性、液力封隔性和可選擇性再進入的特點等廣泛應用于美國煤層氣的開采。鉆井的井眼軌跡隨著近年來向深部、復雜地層勘探的發展，以及非常規油氣的開發比如低滲油藏、頁巖氣、煤層氣等被提出了很多新的要求，尤其是大位移鉆井、水平井、薄油層鉆水平井、水平分支井技術等。越來越復雜的井眼軌跡要求被提出來了希望獲得更大的產能，暴露更多的儲層，為了提高鉆井效率、降低昂貴的鉆井成本和減少鉆井井下作業的各種風險，旋轉導向技術在鉆井行業應運而生。

與傳統技術相比，在旋轉狀態下實現井眼軌跡的實時導向是首先在近海鉆井得到了廣泛應用的旋轉導向技術突出的優點。這種旋轉狀態下實現井眼軌跡的實時導向帶來的好處主要有兩方面：（1）在所受的摩阻和扭矩方面，傳統的滑動導向方式遠大于旋轉導向方式下的鉆柱所受到的，也正是因為這樣，在同樣條件下大大提高了鉆機作業的能力，也大大增加了鉆機所能實現的大位移井的極限延伸能力;（2）因為旋轉導向方式下井眼清晰狀況的改善使鉆井技術得到了有效的保證，也保障了鉆井過程的安全性，尤其是在遇到復雜地層時。自旋轉導向鉆井技術誕生以來，強大的生命力越來越被顯示出來，因而得到了廣泛的應用和推廣。

2 旋轉導向鉆井技術發展歷程

鉆井是一項主要利用鉆井設備來鉆井的工藝過程，其目的是開發油氣藏，評價地質等。自20世紀90年代現代導向鉆井技術誕生以來，現代導向鉆井技術在實踐中得到了不斷的發展和完善。當前，具有導向動力鉆具、高效鉆頭等的現代旋轉導向鉆井技術成為未來的一個發展趨勢。

隨著我國經濟社會的發展，我國對資源的需求量逐漸增加，再加上我國油氣藏地質、環境等因素的限制，油氣藏的勘探難度加大，滑動導向鉆井技術因此也就無法滿足現代導向鉆井所需要完成的任務。在這種情況下，人們開始關注旋轉導向鉆井技術。在滑動導向鉆井過程中，由于無法控制井身軌跡等，凈化井眼的效果不好。如果采用該技術進行鉆井，井深的深度超過4000m，則便無法連續、均勻滑動，鉆井無法進行。

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。它具有井眼凈化效果好、摩阻與扭矩小、位移延伸能力強、井眼軌跡平滑易調控等優點，除此之外適用于高難度井和特殊油藏也是它的優點。在1955年關于旋轉導向鉆井系統的專利被發表，相關的理論研究也在上世紀80年代陸續開始了，而且到90年代以來，旋轉導向系統也被各大商業公司紛紛投入資金和精力開發了，并進行了現場試驗和應用。目前已經有BakerHughes、Schlumberger和Halliburton三家公司實現了技術較為領先，市場占有率高，商業化應用等。

作為旋轉導向鉆井系統的核心井下旋轉導向工具，在目前商業化的旋轉導向系統中，旋轉導向鉆井系統根據偏置機構的工作方式不同被劃分，靜態偏置和動態偏置包含在其中，靜態偏置是指導向機構在鉆進過程中不與鉆柱一起旋轉，側向力導向機構穩定的在某一固定方向上被提供;偏置導向機構在鉆進過程中與鉆柱一起旋轉叫做動態偏置。BakerHughes公司的AutoTrakRCLS屬于靜態偏置推靠鉆頭式，動態偏置推靠鉆頭式有Schlumberger公司的PowerDriveSRD，以及Halliburton公司的Geo-Pilot系統，屬于靜態偏置指向鉆頭式是目前應用較多的具有代表性的3種類型旋轉導向鉆井系統。

3 旋轉導向鉆井工作原理及系統組成

3.1旋轉導向鉆井系統工作原理

導向裝置是旋轉導向鉆具組合的重要部分，根據給定工具面和給定動力進行導向鉆進，并且通過下傳的指令可以隨時重新定位，既可以造斜也可以穩斜。傳感器模塊包括伽馬射線和多頻電阻率，主要提供鉆井過程所需的基本參數，一般還安裝有用來計算井眼方位角磁通量計。渦輪發電裝置和正壓脈沖發生器作為雙向通訊和動力模塊主要部件，隨鉆測量工具提供的電源動力和導向裝置是他們主要負責的，而且也提供了渠道用于下傳指令和上傳測量數據。有效提高機械鉆速同時還可以減少套管和鉆具的磨損是使用模塊馬達的優點。

3.2 旋轉導向鉆井系統組成

井下旋轉導向鉆井工具系統、地面監控系統和隨鉆測量系統是組成旋轉導向鉆井系統的三部分。

不同的部門功能不同，導向裝置、無磁模塊穩定器、雙向通訊模塊、動力模塊等井下工具是組成井下旋轉導向鉆井工具系統的核心部件。旋轉（地質）導向二維建模、底部鉆具組合受力分析、定向井水平井剖面設計或修正設計是地面監控系統的功能，監控旋轉導向鉆井系統的定向鉆井情況是地面監控系統的主要功能。感知鉆井過程中鉆頭的環境是隨鉆測量系統的主要目的。各種傳感器是實現感知鉆井過程中鉆頭環境的主要途徑，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包含在其中。

總的來說，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是旋轉導向鉆具組合的主要組成部分。

4 國內旋轉導向技術在沙特阿美的應用前景

沙特是世界型能源大國和“一帶一路”的關鍵性支點國家，沙特阿美國家石油公司是全球最大的石油與天然氣生產商。在中國“一帶一路”倡議同沙特“2030愿景”對接背景，中國石油已經和沙特阿美開展了全方位的合作項目。以前這些科研項目基本都被國際大型石油工程技術服務公司所壟斷，但是近年來國內旋轉導向鉆井技術發展迅速，特別是在信號傳輸方式、信號測量系統和旋轉導向機構的技術方面研究已經跨入了國際先進水平行列，國內旋轉導向鉆井智能化鉆井技術研究得到了沙特阿美石油公司的認可，為未來在沙特市場高端業務發展打下堅實基礎。

參考文獻：

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