李 旭

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶163413）

原油和天然氣由碳?xì)浠衔铩⒎翘細(xì)浠衔锖推渌⒘吭氐幕旌衔锝M成，它們埋藏在深部地層的沉積巖中。根據(jù)巖石破碎原理，破巖可以使用沖擊式鉆井法和旋轉(zhuǎn)式鉆井法，其中旋轉(zhuǎn)式鉆井法是使用最廣泛的方法。截止目前，鉆井技術(shù)已經(jīng)取得了非常大的突破。為了滿足不斷增長(zhǎng)的對(duì)油氣資源的開(kāi)采需求，定向鉆井和水平鉆井已經(jīng)成為油氣開(kāi)采的主要技術(shù)之一[1-2]。本文回顧和介紹了定向鉆井技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程，調(diào)研了定向鉆進(jìn)工具（旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)和垂直鉆井系統(tǒng)）的發(fā)展情況，討論了定向鉆井技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)。最后，對(duì)定向鉆井技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)和展望。

1 定向鉆井技術(shù)發(fā)展

1.1 第一代定向鉆井技術(shù)

第一代鉆井技術(shù)分為被動(dòng)定向技術(shù)和主動(dòng)定向技術(shù)。

被動(dòng)定向技術(shù)：井眼軌跡處于地層的自然撓度中，鉆柱屈曲和鉆頭情況會(huì)影響井眼軌跡，但井眼軌跡無(wú)法得到精確控制[3]。

主動(dòng)定向技術(shù)：利用一些特殊的設(shè)備、工具和技術(shù)措施來(lái)主動(dòng)控制井眼軌跡，主要方法是通過(guò)改變鉆具組合和使用造斜器來(lái)改變工具軸與井眼軸的偏離程度。鉆具組合可分為造斜、降斜和剛性鉆具組合，通過(guò)改變鉆具組合可以幫助井眼清潔、減小鉆柱阻力、減小狗腿角、節(jié)約鉆井成本，但這種方法對(duì)方位的控制能力不足。早期的造斜器是一種專用工具，主要用于引導(dǎo)鉆頭偏離井眼軸線及設(shè)定所需方向，造斜器可以控制方位角，解決了鉆具組合控制能力不足的問(wèn)題，但其也有很多缺點(diǎn)：需要多次起下鉆、浪費(fèi)時(shí)間、操作復(fù)雜、準(zhǔn)確度差等。但在超高溫深井鉆井，因?yàn)榫聞?dòng)力鉆具因高溫失效時(shí)，造斜器仍是一種有效的替代辦法。

1.2 第二代定向鉆井技術(shù)

第二代定向技術(shù)以渦輪鉆具、螺桿鉆具及測(cè)斜儀等工具的發(fā)明和使用為代表[4-5]。螺桿鉆具和渦輪鉆具通過(guò)鉆井液的動(dòng)能配合其他工具（彎鉆桿、彎接頭、偏心接頭等）來(lái)達(dá)到改變井眼軌跡的效果。主要的監(jiān)測(cè)工具是測(cè)斜儀。與第一代定向鉆井技術(shù)相比，第二代技術(shù)的井眼軌跡更為平滑和準(zhǔn)確，鉆速也大幅度提高。

1.3 第三代定向鉆井技術(shù)

第三代定向鉆井技術(shù)是更為先進(jìn)的監(jiān)控和鉆進(jìn)工具發(fā)展的結(jié)果。主要特征是隨鉆測(cè)量工具（MWD）的出現(xiàn)，進(jìn)一步提高了控制的精度，可以隨鉆進(jìn)行定向操作[6-7]。此外，為了進(jìn)一步提高定向效率，彎曲率螺桿也得到了廣泛使用。第三代定向工具的使用使定向操作的技術(shù)難度大幅度簡(jiǎn)化。到目前為止，第三代定向技術(shù)仍是定向井和水平井施工的主要技術(shù)。

1.4 第四代定向鉆井技術(shù)

第四代定向技術(shù)的典型代表是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)（RSDS）的發(fā)明。在之前的定向技術(shù)中，由于必須人工調(diào)整工具面，因此在定向鉆進(jìn)時(shí)必須固定鉆柱，即所謂的滑動(dòng)鉆進(jìn)。由于鉆柱阻力總是與運(yùn)動(dòng)方向相反，這使鉆柱阻力增大，并且對(duì)鉆孔效率、井眼清潔度、井眼質(zhì)量等產(chǎn)生影響。因此，為了提高鉆進(jìn)效率、控制精度并減少鉆柱阻力，斯倫貝謝于1999 年首次開(kāi)發(fā)了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)。RSDS 使鉆柱在連續(xù)旋轉(zhuǎn)的情況下仍然可以精確控制井眼軌跡。

2 定向工具發(fā)展情況

大多數(shù)定向井和水平鉆井使用的井下設(shè)備與直井相同，例如鉆桿、加重鉆桿、鉆鋌、短接、鉆頭和扶正器等[8]。先進(jìn)的定向工具的應(yīng)用是定向鉆井的基礎(chǔ)。定向技術(shù)的發(fā)展是由定向工具的發(fā)展推進(jìn)的。

2.1 導(dǎo)向工具

目前最為常用導(dǎo)向工具主要有可拆卸造斜器和永久造斜器。其中可拆卸造斜器通過(guò)剪切銷固定在鉆柱上。鉆入井眼后，旋轉(zhuǎn)鉆柱，使造斜器的工具面對(duì)應(yīng)正確方位。通過(guò)從地面施加鉆壓，將其固定在地層或水泥塞中，隨后剪斷固定銷，即可開(kāi)始鉆井作業(yè)。永久性造斜器主要用在套管中，用于落魚(yú)的側(cè)向跟蹤或繞過(guò)損壞的井眼：首先將造斜器沿所需方向放置并剪斷固定銷后，開(kāi)始銑削操作；切割完窗口后，將銑刨頭從鉆孔中拉出，并在底部鉆一個(gè)小直徑的導(dǎo)向鉆頭。隨后將導(dǎo)向孔擴(kuò)孔至全尺寸，然后繼續(xù)進(jìn)行定向作業(yè)。

2.2 井下馬達(dá)

目前廣泛使用的井下馬達(dá)主要有螺桿鉆具和渦輪鉆具。

2.2.1 螺桿鉆具

20世紀(jì)40年代，史密斯鉆探公司設(shè)計(jì)了第一個(gè)螺桿工具。1950 左右，螺桿鉆具開(kāi)始商業(yè)化應(yīng)用于定向鉆井服務(wù)中。1970左右，Smith公司、Dyna公司等一大批公司均開(kāi)展了相關(guān)設(shè)備的研制和生產(chǎn)。目前，螺桿鉆具已經(jīng)全尺寸化，但最常見(jiàn)的是6-3/4″和8-1/2″，螺桿工具的速度范圍也很廣，為100～800r/min，最常見(jiàn)的運(yùn)行速度為150～300r/min。另外，定子的材料也是螺桿工具抗溫性的關(guān)鍵，因?yàn)槠渲惺褂玫膹椥猿煞秩菀资艿礁邷睾陀突酀{的腐蝕影響，從而引起膨脹和脫落。但目前通過(guò)改進(jìn)彈性體，螺桿鉆具已經(jīng)可以承受高達(dá)200°C的溫度。

2.2.2 渦輪鉆具

1873 年，單級(jí)渦輪鉆具在美國(guó)的芝加哥獲得了專利，但并沒(méi)有進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。直到1920年左右，渦輪鉆具在美國(guó)和前蘇聯(lián)得到了再次發(fā)展。20世紀(jì)40年代，前蘇聯(lián)進(jìn)行了渦輪鉆具的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，并在鉆井作業(yè)中進(jìn)行了廣泛應(yīng)用。渦輪鉆具由一系列轉(zhuǎn)子和定子組成，每個(gè)轉(zhuǎn)子—定子對(duì)稱為“級(jí)”，級(jí)數(shù)取決于要求。渦輪鉆具的轉(zhuǎn)速高于螺桿鉆具，可以達(dá)到2000r/min。但由于其構(gòu)成較為復(fù)雜，因此不適合在過(guò)小的井眼中使用，其最小的尺寸是2-7/8″，最大的尺寸為9″。渦輪鉆具的主要缺點(diǎn)是高轉(zhuǎn)速、低扭矩、軸承壽命短、快速磨損零件過(guò)多以及鉆頭壽命短等。為了克服普通渦輪鉆具的缺點(diǎn)，目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多特殊的渦輪鉆具，例如低轉(zhuǎn)速高扭矩的渦輪鉆具、帶齒輪箱的渦輪鉆具、帶螺旋殼體的渦輪鉆具。另外渦輪鉆具還解決了螺桿鉆具因?yàn)橄鹉z內(nèi)襯抗溫性差而無(wú)法在超高溫條件下應(yīng)用的難題，目前渦輪鉆具的最高使用記錄已經(jīng)達(dá)到260℃。

2.3 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)

由于鉆進(jìn)過(guò)程中鉆柱全程旋轉(zhuǎn)，可以減少由于鉆柱滑動(dòng)而產(chǎn)生的阻力，提高鉆壓的傳輸效率，從而降低了卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)，并大幅度提高井眼清潔效果。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具可以根據(jù)預(yù)期的井眼軌跡進(jìn)行預(yù)編程，當(dāng)需要更改指令時(shí)，鉆井液中的脈沖序列可以向井下傳輸新指令。通常將旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向分為兩類，較普遍的“狗腿控制”系統(tǒng)和較不成熟的“偏差控制”系統(tǒng)。由于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向是基于電子控制系統(tǒng)進(jìn)行控制的，因此有最大工作溫度的要求。當(dāng)前，PowerDrive 系統(tǒng)、AutoTrak 系統(tǒng)和Geo-Pilot 系統(tǒng)可以在200°C 的高溫下工作。在地?zé)峋@探中，當(dāng)?shù)撞繙囟雀哂谛D(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的最大抗溫能力時(shí)，需要控制鉆進(jìn)參數(shù)并增加井下循環(huán)量，以保護(hù)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的電路板在高溫下不被損壞。

2.4 垂直鉆井系統(tǒng)

垂直鉆井系統(tǒng)也是一種先進(jìn)的定向工具，主要用于糾斜和提高鉆速。因?yàn)槭褂贸Ｒ?guī)技術(shù)（例如偏心軸組件、偏心剛?cè)峤M件、可轉(zhuǎn)向組件、防擺組件等），往往需要起鉆更換鉆具，浪費(fèi)時(shí)間，所以，垂直鉆井系統(tǒng)在深井和超深井提速方面有著重大的優(yōu)勢(shì)。

1988年貝克休斯公司開(kāi)發(fā)了垂直鉆井系統(tǒng)并用于德國(guó)KTB計(jì)劃的大陸科學(xué)井鉆探實(shí)驗(yàn)，成功將井斜角控制在1°以內(nèi)，取得了巨大的成功，后續(xù)吸引了多家鉆井公司對(duì)其進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)。垂直鉆井系統(tǒng)可以自動(dòng)保持井眼垂直，而不會(huì)影響鉆井液排量、鉆壓和轉(zhuǎn)速等參數(shù)，可以維持較高的轉(zhuǎn)速，并且避免了糾斜所耗費(fèi)的時(shí)間。垂直鉆井系統(tǒng)可以顯著改善井眼質(zhì)量，并實(shí)現(xiàn)精確的井眼軌跡，從而使后續(xù)的鉆井施工操作得以簡(jiǎn)化，效率更高，并能降低修井成本。此外，垂直鉆井系統(tǒng)在減少地面井口間距方面也很有用。

3 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

（1）在近一個(gè)世紀(jì)的鉆井技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，鉆探技術(shù)已經(jīng)從電纜工具鉆井發(fā)展到先進(jìn)的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)鉆井，先進(jìn)的技術(shù)和工具是發(fā)展的主要?jiǎng)恿Α?/p>

（2）隨著油氣開(kāi)發(fā)對(duì)垂深和水平位移要求的不斷加大，要進(jìn)一步解決因?yàn)榫赂邷亍⒏邏汉烷L(zhǎng)水平段井壁穩(wěn)定引起的鉆井問(wèn)題。

（3）垂直鉆井和定向鉆井已經(jīng)逐步發(fā)展到數(shù)字化、可視化、自動(dòng)化、集成化和智能化程度。但是，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過(guò)程中，自動(dòng)化程度仍然不夠。因此，更為先進(jìn)的自動(dòng)鉆井技術(shù)仍然是最主要的研發(fā)方向。