旋轉導向鉆井技術在頁巖油水平井的應用與認識

劉克強，李 欣，艾 磊，李治君，劉志雄，梁宏偉

（1.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院，陜西西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，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、儲量規模巨大，是實現長慶油田上產6 000×104t和二次加快發展的重要支撐。經過多年技術攻關，形成了“長水平段叢式水平井+體積壓裂”主體開發技術，實現了資源的經濟、高效、規模開發［1-2］。但這種開發方式也使大偏移距三維水平井、長水平段三維水平井數量顯著增加，采用常規“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到一定長度后，會出現滑動鉆進摩阻扭矩大、托壓、粘卡、機械鉆速慢等問題，甚至出現無法有效控制鉆進后續井段的情況。為了解決上述難題，近年來借鑒國內外相關經驗，綜合考慮工程需要、使用成本等因素，優選使用井型、井段和工具儀器配套，在多口井試驗應用了旋轉導向技術，實現了常規螺桿鉆具不能完成的地質、工程設計目標，為該技術的進一步應用積累了寶貴現場經驗。

1 旋轉導向技術及應用情況簡介

和常規“彎螺桿+MWD”鉆井方法相比，旋轉導向鉆井技術取消了滑動鉆進方式，以全程旋轉鉆進方式，一套鉆具完成造斜、增斜、穩斜等井眼軌跡控制和調整，具有摩阻扭矩低、水平段延伸能力強、鉆井效率和井眼軌跡控制精度高、井身質量和井眼凈化效果好等諸多優點，被譽為定向鉆井技術的一場革命［3-5］。

國外從20 世紀80 年代末期開始進行旋轉導向技術的研發，經過30多年的不斷改進完善和更新換代（已發展到第四代），不但已經形成了可以滿足不同需求的高可靠性、高穩定性系列化成熟旋轉導向系統（表1），而且在北美、中東等多個地區已經作為一種主要的水平井、定向井鉆井技術得到推廣應用。我國開展旋轉導向技術的研究工作起步于20世紀90年代中期，近年來雖然部分國產旋轉導向系統已經進入現場試驗階段，但整體上還沒有達到商業化應用水平，目前國內應用的旋轉導向系統主要是國外產品，且整體應用規模較小［6-8］。

表1 國外旋轉導向鉆井系統的主要類型及造斜能力

2 技術應用必要性分析

（1）受黃土塬地貌、工廠化作業、最大化增加儲層動用等因素的影響，長慶頁巖油井區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的占總井數的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），相對與常規水平井，此類井井眼軌跡三維旋轉，軌跡復雜、摩阻扭矩大［9-10］。

（2）長慶頁巖油水平井多數采用二開井身結構設計（一開?244.5 mm套管封固第四系不穩定地層，進入穩定巖層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，而且鉆井風險高。

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

（4）常規彎螺桿導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，不但滑動鉆進托壓嚴重、機械鉆速慢、軌跡難于調控，且增加了井下風險和下套管難度［13-14］。

3 應用井優選依據

由于目前旋轉導向鉆井主要依賴國外技術，使用成本較高，還不利于大規模推廣應用，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，進行待鉆井施工難度系數評價與分析［15］，在此基礎上以“造斜段增效提質，水平段安全提速”為主要目標優選應用井位。目前主要在施工難度較大的二開井身結構的大偏移距、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導向鉆井技術，以解決此類井常規螺桿鉆具鉆進中存在的水平段延伸能力不足、鉆井風險高、螺旋井眼、儲層鉆遇率低、機械鉆速慢等問題。

4 旋轉導向底部鉆具組合優選設計

根據底部鉆具組合差別，目前國內旋轉導向鉆井技術的應用形式有多種。借鑒國內外經驗、結合長慶頁巖油的實際情況，主要設計使用了下述三種類型的旋轉導向鉆具組合。

4.1 不帶馬達的旋轉導向

國外早期的旋轉導向系統和我國目前絕大部分旋轉導向系統不帶專用模塊馬達。以AutoTrack旋轉導向系統為例，其底部鉆具組合形式一般為：鉆頭+ASS 導向頭+（柔型短節）+測量模塊+脈沖發電機+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，在能滿足施工需求的情況下，可有效降低旋轉導向的使用費用，但由于井下不帶馬達，僅靠轉盤驅動，轉盤轉速要求高、轉盤扭矩大，且存在鉆具偏磨問題。目前長慶頁巖油井區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 配套專用馬達的旋轉導向

為了進一步提高旋轉導向系統的鉆進效率，目前斯倫貝謝、貝克休斯等公司的旋轉導向系統已經專門研發配套了具有信號傳輸功能的模塊馬達，如斯倫貝謝VorteX、貝克休斯X-treme 等［16-17］。這些模塊馬達是大功率螺桿鉆具和通訊短節組合在一起的復合體，使用時連接在旋轉導向系統和MWD之間，鉆頭就獲得了來自頂驅轉速和螺桿鉆具轉速疊加的高轉速（350～450 r/min），而通訊短節則可實現旋轉導向系統、MWD/LWD、地面之間的雙向通訊。以AutoTrack 旋轉導向系統為例，其底部鉆具組合形式一般為：鉆頭+ASS 導向頭+模塊馬達+（柔型短節）+測量模塊+脈沖發電機+上截止閥+扶正器及回壓閥+鉆桿。該組合除具有前一種旋轉導向鉆具組合的所有優點外，還有效提高了機械鉆速、降低了鉆機和鉆桿負荷。長慶頁巖油井區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 配套普通馬達的旋轉導向

國外的部分旋轉導向系統和國內的大多數的旋導系統，由于沒有研發與之配套的專用模塊馬達，為了提高機械鉆速，在底部鉆具組合使用了普通馬達（該馬達可以有效提高鉆頭轉速，但不需要具有通訊功能），其組合一般為：鉆頭+導向頭+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、機械鉆速得到有效提高的優點，但由于螺桿前部負載重，易發生馬達事故或井下復雜情況，因此現場一般選用低速大扭矩馬達，以確保井下安全，目前該鉆具組合在長慶頁巖油井區也主要應用于大偏移距或長水平段三維水平井水平段，且應用井數很少。

5 現場應用情況

5.1 應用效果及技術優勢分析

（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，長慶區域頁巖油水平段最大施工能力一般不超過2 600 m。而使用旋轉導向技術，則可有效提高長水平段后期的軌跡控制和延伸能力，對提高勘探開發質量和效益作用巨大。以近兩年完成井為例，旋轉導向完鉆井平均水平段長度2 545 m，最長水平段達4 088 m（HH50-7井，完鉆井深6 266 m，水平段儲層鉆遇率89.2%）［18］，而同區塊常規螺桿導向鉆具作業井平均水平段長度1 665 m，最長水平段為2 535 m。

（2）提高鉆遇率：旋轉導向技術軌跡控制優勢顯著，結合近鉆頭測量，優質儲層鉆遇率大幅提升，測試產量穩步提高。以2019年完成井為例，相比常規導向鉆具，油層鉆遇率平均提高9%，有效保障了超長水平段、復雜地質沉積等高難度水平井地質目標的實現。

（3）提高機械鉆速：以大偏移距三維水平井HHT0-7 井為例，和同平臺使用常規螺桿導向的其它6口井相比，鉆井周期縮短40%；而和同井區施工難度相當的HHS0-9 井相比，平均機械鉆速提高了97.64%，且水平段實現了一趟鉆完成（見表2）。此外，不同類型的旋轉導向組合提速效果存在差異。在斜井段使用不帶馬達的旋轉導向，正常情況下其機械鉆速和常規螺桿導向鉆具相當。在水平段鉆進中，不帶馬達的旋轉導向機械鉆速有低于常規螺桿導向鉆具的情況，提速效果不突出，但配套專用模塊馬達或普通馬達的旋轉導向在水平段快速鉆進效果良好。

表2 HHT0-7井和HHS0-9井主要鉆井參數對比

（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，相對于常規螺桿導向鉆具，旋轉導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難題，且降低了井下風險和下套管難度。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）。但現場實踐也表明，不同旋轉導向鉆具組合，其降摩減阻性能也存在差異。總體來講，不帶馬達的旋轉導向效果較差，配套專用或普通馬達的旋轉導向效果較好。

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指標不斷取得突破：隨著旋轉導向技術的應用，頁巖油水平井施工能力和鉆井技術指標不斷取得突破，目前完鉆三維水平井最大偏移距已達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22 口井，有力保障了大平臺長水平段叢式水平井開發方案的實施。

5.2 存在的主要問題

（1）使用成本限制了旋轉導向技術的應用規模：由于旋轉導向技術費用昂貴，在長慶頁巖油開發中經濟效益尚不突出，目前一般只應用于施工難度較大的井，整體應用規模很小。

（2）現有鉆井裝備和工藝還需要進一步升級完善：旋轉導向鉆井技術作為一種導向方式，需要依賴鉆井工藝和裝備的配套。目前使用國外旋轉導向技術的過程中，還存在機泵能力不足（旋導配套馬達在排量下限工作，影響提速效果）、轉盤轉速不能滿足無井下馬達旋轉導向鉆井高轉速要求（100 r/min 左右）、井底振動過大影響旋導系統穩定性、扭矩波動大等問題，導致個別井達不到理想的應用效果。需要對裝備、工藝進行技術優化和提高，以便進一步充分發揮旋轉導向鉆井的技術優勢。

（3）國產旋轉導向系統工作穩定性有待進一步提高：在多口井上試驗應用了國產旋轉導向系統，和國外產品相比，穩定性方面還有較大差距。

6 認識與建議

（1）旋轉導向鉆井技術具有降低摩阻扭矩、提高水平段延伸能力、提高儲層鉆遇率、提高機械鉆速和井眼質量等方面的顯著優點，是現階段實現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、優質鉆進的最有效技術手段。

（2）不同類型的旋轉導向鉆具組合在降摩減阻、提速等方面存在差異，現場應綜合考慮地質和工程特點、鉆井需求、使用成本等因素，優選底部鉆具儀器配套，以實現最優綜合應用效果。

（3）使用成本、現有鉆井裝備配套情況是影響國外旋轉導向系統應用規模和效果的重要因素，國產旋轉導向鉆井系統整體上還處于研制試驗階段，在系統穩定性上存在一定差距，建議加快技術攻關，盡早實現商業化應用。