旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)在水平井中的應(yīng)用

李云龍

摘要：技術(shù)密集、高投資、高風(fēng)險(xiǎn)和高難度是石油天然氣勘測(cè)開(kāi)發(fā)主要手段和關(guān)鍵環(huán)節(jié)鉆井工程的特點(diǎn)。在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)井眼軌跡的實(shí)時(shí)導(dǎo)向是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)其突出的優(yōu)點(diǎn)。受到業(yè)界各大技術(shù)服務(wù)公司強(qiáng)烈關(guān)注的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)近年來(lái)在定向井鉆井過(guò)程中被越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：水平井; 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向; 井眼軌跡;

為加快油氣田開(kāi)發(fā)力度， 現(xiàn)有油田開(kāi)發(fā)方案以鉆水平井為主， 實(shí)現(xiàn)在儲(chǔ)層中更多鉆進(jìn)以保證單井產(chǎn)能最大化。水平井設(shè)計(jì)造斜點(diǎn)在高達(dá)六七千米， 完鉆井深達(dá)到8000m左右， 采用常規(guī)滑動(dòng)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(shí)施， 采用了貝克休斯的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)。

1旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)組成及工作原理

1.1系統(tǒng)組成

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)包括地面監(jiān)控系統(tǒng)、井下旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具系統(tǒng)和隨鉆測(cè)量系統(tǒng)。地面監(jiān)控系統(tǒng)用來(lái)完成旋轉(zhuǎn)（地質(zhì)）導(dǎo)向二維建模、定向井水平井剖面設(shè)計(jì)或修正設(shè)計(jì)、底部鉆具組合受力分析、井下信號(hào)解釋處理、井眼軌跡參數(shù)計(jì)算等工作。井下旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具系統(tǒng)包括導(dǎo)向裝置、雙向通訊和動(dòng)力模塊、無(wú)磁模塊穩(wěn)定器等等井下工具。隨鉆測(cè)量系統(tǒng)包括傳感器模塊、優(yōu)化旋轉(zhuǎn)密度儀和動(dòng)態(tài)與壓力模塊等隨鉆地質(zhì)特性和鉆具特性測(cè)量工具。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具組合主要由導(dǎo)向裝置、傳感器模塊、雙向通訊和動(dòng)力模塊、模塊馬達(dá)以及其他配套工具組成。

1.2 工作原理

導(dǎo)向裝置（Steering Unit）：導(dǎo)向裝置造斜率的大小與每個(gè)造斜肋塊在單位進(jìn)尺中的伸縮次數(shù)無(wú)關(guān)。在導(dǎo)向造斜模式下， 液壓系統(tǒng)可以對(duì)導(dǎo)向裝置提供7500個(gè)動(dòng)力矢量， 使其按照給定工具面和給定動(dòng)力進(jìn)行導(dǎo)向鉆進(jìn)， 而且， 可以隨時(shí)通過(guò)下傳指令重新定向。

除造斜功能外， 導(dǎo)向裝置還有穩(wěn)斜功能。通過(guò)井下自動(dòng)控制的閉回路， 在地面指令通過(guò)另一回路發(fā)至導(dǎo)向裝置后， 自動(dòng)控制功能開(kāi)始接管， 將每秒測(cè)得的井斜數(shù)據(jù)與指令比較并進(jìn)行調(diào)節(jié)控制， 從而達(dá)到平緩光滑的井眼軌跡。在穩(wěn)斜模式下， 導(dǎo)向裝置自動(dòng)向靶點(diǎn)井斜角進(jìn)行平滑導(dǎo)向， 在新指令到達(dá)之前， 將靶點(diǎn)井斜角保持在±0.2°之內(nèi);而且穩(wěn)斜過(guò)程中也可以隨時(shí)通過(guò)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(zhuǎn)（地質(zhì)）導(dǎo)向鉆井所需要的基本參數(shù)。首先， 該模塊中安裝有用于地層巖性識(shí)別的伽馬射線和多頻電阻率， 是隨鉆測(cè)井的基本項(xiàng)目， 幫助完成地質(zhì)導(dǎo)向任務(wù);其次， 該模塊中安裝有用于井眼空間位置控制的磁通量計(jì)，可以計(jì)算出井眼方位角， 配合近鉆頭井斜角來(lái)完成井眼空間的導(dǎo)向任務(wù);最后， 該模塊中還安裝有用于鉆井參數(shù)優(yōu)化的環(huán)空泥漿當(dāng)量密度、振動(dòng)和粘滑系數(shù)等測(cè)量裝置， 幫助地面定向井工程師識(shí)別井下工具的工作狀態(tài)。

雙向通訊和動(dòng)力模塊（BCPM）：該模塊主要由渦輪發(fā)電裝置和正壓脈沖發(fā)生器組成， 向?qū)蜓b置和隨鉆測(cè)量工具提供電源動(dòng)力， 并為下傳指令和上傳測(cè)量數(shù)據(jù)提供通道。

模塊馬達(dá)：結(jié)合馬達(dá)鉆井和旋轉(zhuǎn)鉆井優(yōu)點(diǎn)， 鉆頭高轉(zhuǎn)速有效提高機(jī)械鉆速;同時(shí)地面低轉(zhuǎn)速減少套管和鉆具的磨損， 降低井下風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

（1）只需使用一套鉆具組合完成定向造斜、增斜、穩(wěn)斜和水平段施工。而采用滑動(dòng)定向時(shí)需根據(jù)不同定向工況需更換不同鉆具組合， 因此采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向減少了起下鉆時(shí)間， 同時(shí)一套鉆具組合保證了井眼的連續(xù)性， 降低了復(fù)雜和事故率。（2）在進(jìn)行定向造斜、增斜、穩(wěn)斜等井眼軌跡（或地質(zhì)）導(dǎo)向指令時(shí)， 不需要停止鉆進(jìn)， 實(shí)現(xiàn)了井眼軌跡的平滑、連續(xù)鉆進(jìn);（3）導(dǎo)向裝置的近鉆頭井斜測(cè)量單元離鉆頭只有1.0米距離， 測(cè)量的及時(shí)性有利于提高井眼軌跡控制精度。（4）通過(guò)閉環(huán)控制可以對(duì)鉆頭傾角、導(dǎo)向矢量的方向和幅度進(jìn)行自動(dòng)導(dǎo)向控制， 確保向靶點(diǎn)井斜角進(jìn)行平滑導(dǎo)向， 將靶點(diǎn)井斜角控制并保持在±0.2°， A、B靶點(diǎn)縱向距離控制并保持在±0.4米之內(nèi)， 確保精確中靶。

2 運(yùn)用效果分析

通過(guò)應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)，在國(guó)內(nèi)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(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井不存在滑動(dòng)鉆進(jìn)， 最大程度上減少了托壓現(xiàn)象， 保證了鉆壓能有效傳遞到鉆頭上， 提高機(jī)械鉆速;同時(shí)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)中的傳感器模塊能在鉆進(jìn)過(guò)程中隨時(shí)監(jiān)測(cè)井下工具狀況， 適時(shí)的優(yōu)化鉆井參數(shù)， 最大程度地提高機(jī)械鉆速。

2.2 井眼軌跡平滑， 保障了鉆井施工順利

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井能在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的同時(shí)進(jìn)行定向作業(yè)， 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(shí)良好的井眼軌跡也使超深水平井完井作業(yè)順利，完井采用泵出式電測(cè)未進(jìn)行通井作業(yè)一次性測(cè)井到底， 下襯管進(jìn)行三趟帶扶正器通井作業(yè)均順利到底。

2.3 能滿足軌跡調(diào)整， 中靶精確

采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)利用近鉆頭測(cè)斜， 能真實(shí)、及時(shí)地反映軌跡情況， 同時(shí)通過(guò)對(duì)井斜和方位精確控制保證了井眼軌跡按地質(zhì)要求在優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層中鉆進(jìn)， 滿足了地質(zhì)中靶要求， 完井測(cè)試無(wú)阻流量751.61×104m3/d。

2.4小井眼水平段施工旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)需配合模塊馬達(dá)

本井模塊馬達(dá)使用并不順利， 按說(shuō)明能承受160-170℃高溫及使用壽命應(yīng)在100小時(shí)以上， 但在本井實(shí)際施工過(guò)程中馬達(dá)在循環(huán)溫度136℃條件下， 使用時(shí)間未超過(guò)100h， 且在使用后期出現(xiàn)不同程度的膠皮脫落。第三趟鉆更由于模塊馬達(dá)無(wú)工作壓降， 鉆進(jìn)無(wú)明顯進(jìn)尺而起鉆檢查馬達(dá)軸向間隙為3mm。

2.5 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井的成功實(shí)施帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

本井定向段和水平段鉆井周期僅為52.5天， 較設(shè)計(jì)提前了47.5， 鉆井成本大幅度減少;其次， 高產(chǎn)井的提前投產(chǎn)也帶來(lái)了可觀經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

3 結(jié)論及建議

（1）水平段鉆進(jìn)中使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)， 大大提高了機(jī)械鉆速， 降低了鉆井成本， 創(chuàng)造了油田致密油藏水平井鉆井指標(biāo)新紀(jì)錄。

（2）PD使用全復(fù)合的鉆進(jìn)方式， 不再受托壓、摩阻增大的影響， 使定向工程操作更為簡(jiǎn)單， 能在復(fù)合鉆進(jìn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)工具面的調(diào)整。

（3）旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)鉆井參數(shù)的要求比較嚴(yán)格， 鉆井過(guò)程中要嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程要求， 提高儀器的使用效率。

參考文獻(xiàn)：

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