PowerDrive Archer+VorteX旋转导向技术在页岩气开发中的应用

霍阳

中石油渤海钻探工程有限公司，天津 300280

朱艳

中石油大港油田分公司第四采油厂储气库公司，天津 300280

魏凯，宋波凯

长江大学石油工程学院，湖北 武汉 430100

1 PowerDrive Archer系统

1.1 PowerDrive Archer系统工作原理

图1 Archer高造斜率旋转导向工具

斯伦贝谢公司新一代高造斜率旋转导向PowerDrive Archer(以下简称Archer)系统是一种混合了传统推靠式和指向式的旋转导向工具(见图1)，可在全旋转模式下实现高造斜率安全钻进[1]。工具主要由导向组块(BU)和控制组块(CU)组成，工具自身状态信息通过C-Link无线电磁波模式传至CLPS信号传输器，CLPS接受到信号后与随钻测量工具SlimPluse MWD连接，将工具信息转化为脉冲信号上传至地面接收装置(压力传感器)后，由地面计算机进行识别[2]。钻进中，旋转导向系统执行地面指令并将CU单元测得的近钻头数据(含井斜角、方位角、方位伽马和系统工作模式代码等数据)通过C-Link途径传递给动力总成以上的MWD仪器，再由MWD仪器实时传至地面处理仪器；当需要进行井眼轨迹调整时，由地面下达旋转导向专用指令，实现增降斜、方位调整等轨迹控制措施。同时指令发送成功后，系统会通过C-Link发送一个代码给MWD，用以确认指令正确[3]。Archer控制组块与PowerDriveX6型旋转导向系统的内部结构基本相同，其上部旋转控制阀保持不动，钻井液通过推动4个内部推靠块，进而推动导向扶正套内壁使钻头发生轴向偏移，钻头指向施工要求的工具面(见图1)，4个推靠块利用泥浆泵排量的3%作为自身推靠的动力。与PowerDriveX6(以下简称X6)系统不同的是Archer推靠块置于工具内部，而非推靠井壁，不会受井下恶劣条件的影响，有助于延长工具的使用寿命。同时，为了实现更高的造斜率，可以选择0.6～1.0°不同尺寸的调节环来控制钻头指向的偏移量，达到不同程度的造斜率[4]。

1.2 技术优势

Archer高造斜率旋转导向在实钻过程中有着很多优势[5]。

1)增大储层接触面积。高造斜率旋转导向工具配合特殊设计的SmithMDI516钻头可实现高达15°/30m的造斜率，能以最小的曲率半径进入储层，从而在有限的钻井井深中获得更长的水平段和更大的储层接触面积，有助于提高产量[6]。

2)精确的井眼轨迹控制。高造斜率旋转导向工具带有近钻头井斜、方位、伽马等地质参数测量，其测量盲区仅有2.5m[7]。在页岩气“甜区”的钻进过程中可以方便地质导向专家依据实时地层数据控制钻头始终保持在优质页岩地层中精确钻进。

3)完善的井下检测。工具自带钻头转速、井下震动、钻具疲劳、工具状态等参数的监测，方便工程师实时对井下工具的状态、黏滑指数等进行判断；及时在工具出现故障之前进行预判，降低因井下工具损坏而造成井下事故的发生概率[8]。

4)丰富的指令发送方式。与以往单纯的通过泵排量发送作业指令不同，Archer可通过顶驱(或转盘)、泵排量、地面Downlink设备发送作业指令，并且指令有6min和12min 2种模式。当一种发送指令的传感器损坏时可以依靠其他正常的传感器继续作业，可适应机械钻机、电动钻机等不同的施工环境。

5)提高钻井作业效率。高造斜率旋转导向工具可实现一次完成垂直段、造斜段和水平段的钻进，减少了起下钻操作和滑动钻进，加之设备本身设计巧妙，内置推靠块降低了设备磨损，增加了耐用性，节约了起下钻时间[9]。常规螺杆钻具钻出的井眼屈曲度大、井壁粗糙，容易形成锯齿形井眼，增加后期作业风险。

2 VorteX系统

2.1 工具结构

VorteX型动力导向钻井系统由旋转导向系统、大扭矩井下动力总成、Filter+Flex总成等组成(图2)。其中，动力总成是一种可靠性高、功率大的直螺杆钻具，其动力由泵排量提供，可在井下产生额外动力带动前段旋转导向及钻头高速转动并输出能量；旋转导向工具主要负责钻具的全程旋转和接收，执行地面发出的指令，从而进行井眼轨迹调整。信号传输方面，通过C-Link途径和钻井液脉冲构成信号双向传导，成为统一整体[10]。

2.2 技术优势

VorteX型动力导向钻井系统结合了螺杆和旋转导向2种钻具的优点，其优势在于将旋转导向系统和大扭矩井下螺杆钻具进行结合，通过增加额外的井下动力，达到提高机械钻速和扩大钻机适应性的目的。该系统利用螺杆钻具的高转速和高扭矩输出实现快速钻进，同时利用Archer旋转导向技术控制井眼轨迹，实现高造斜率准确钻进[11]。

1)加快机械钻速。动力导向钻井系统配备的高扭矩螺杆钻具，可将钻井液水力动能转换为机械能，带动钻头高速旋转；在顶驱或转盘的旋转配合下，显著提高了钻头转速，使其达200r/min以上，加强了钻压传递的有效性，机械钻速明显提高[12]。此外，特殊合金制作的轴承和传输系统，以及等壁厚螺杆注橡胶技术等可使该系统承受更大的操作载荷、输出更大扭矩，能确保安全地带动旋转导向和钻头，增大单趟进尺及机械钻速。

图2 VorteX型动力导向钻井系统构成

2)降低钻机载荷。VorteX型附加动力旋转导向钻井系统使底部动力大幅度提高，对钻柱转速及钻机负荷的要求也随之降低，顶驱或转盘转速可由120r/min降至60r/min，降低了对钻机设备的要求；同时，由于上部钻具转速降低，可大大缓解上部套管的磨损状况，保障了井下安全[13]。

3 设备工作参数

VorteX附加动力旋转导向使用的直螺杆钻具，为斯伦贝谢配套的Dyna drill 675783.4DTX螺杆钻具。该钻具为本体外径171.5mm，马达总成结构为7/8头，3.4级等壁厚的螺杆钻具。为了适应VorteX系统大扭矩、高负荷等特点，在驱动头、传动轴部分采用合金材料加工，确保在高转速、高扭矩条件下工具的稳定性及安全性。该螺杆钻具可在油基钻井液或水基钻井液环境中使用，适用排量19～41L/s，并配备螺杆防掉装置，最高可耐温度150℃，最大输出扭矩18500N·m，最高转速175r/min。为了配套Archer工具高造斜率的要求，该螺杆可承受高弯矩，最大通过度为18°/30m。

VorteX井下动力实际输出效果与钻井泥浆泵排量有关，在设备要求的排量范围内，排量越大，钻头钻速越高，扭矩越大。当排量为41L/s、井底压力为80MPa时，钻头钻速可达到150r/min，输出扭矩为16500N·m，而当排量为30L/s、井底压力为80MPa时，钻头钻速仅为100r/min，输出扭矩为11000N·m。所以，为了最大限度地实现附加动力旋转导向效果，应在钻井机泵条件允许的情况下，在工具使用的排量范围内实现最大排量的钻进。

表1是Archer+VorteX系统、Archer系统、普通螺杆钻具使用参数。从表1中可以看出，Archer+VorteX与单独使用Archer均需要使用专门设计的MDi516钻头，而常规螺杆钻具则不限制钻头型号；3种造斜工具均可实现较高的造斜率，并可在各类型钻井液中使用；最大工作温度均可达到150°C。Archer工具受泥浆泵排量的影响更小，在排量为14.5L/s时即可驱动使用，其他2种设备排量则需达到19L/s。Archer+VorteX工具由于在Archer工具上增加了附加动力螺杆，造成该套设备施工时循环压耗达到10MPa，循环压耗更高，在钻井作业后期对循环系统的要求比较高。

表1 Archer+VorteX、Archer、普通螺杆使用参数对比表

4 现场应用情况

4.1 试验平台概况

长宁某平台部署2排共6口龙马溪组页岩气专层水平井，该平台造斜点井眼尺寸215.9mm，造斜点井深在2700～2800m之间，目的层位龙马溪组。该平台轨迹特点为：①高造斜率。造斜扭方位段造斜率为6～9°/30m，较高的造斜率可有效减少靶前位移，增加实际水平段长度；②扭方位工作量大。为保证达到400m左右水平井巷道的距离，多数井在井斜70～80°处扭50～110°方位，工作量大；③水平段较长。该水平段长为1500～1900m，施工难度大，常规螺杆钻具施工脱压严重，调整轨迹困难[14]。介于以上特点，在该平台试验使用Archer+VorteX附加动力高造斜率旋转导向系统。

4.2 下井情况简介

为了保证施工过程有参考意义，平台所有使用旋转导向工具井段均采用斯伦贝谢公司推荐使用的史密斯MDi516型钻头。该型钻头通过IDEAS软件仿真模拟，根据每口井的轨迹、钻具组合、钻头轮廓及岩性对钻头的工作进行模拟仿真(图3)，得到钻头设计，甚至钻具组合的黏滑现象、振动趋势，进而判断出不同钻头设计的造斜率趋势。该PDC钻头采用5刀翼设计，面部切削齿16mm，保径切削齿16mm，侧面切削齿13mm，同时针对高造斜率工具采用Archer Gauge旋转导向特殊热稳定聚晶金刚石齿保径设计，在刀翼上部布有PDC复合片倒划眼齿[15]。

图3 史密斯公司MDi516型钻头示意图

4.3 施工对比

为保证试验结果具有对比性，选取使用附加动力螺杆的3#井作为标准井，未使用附加动力系统的5#、6#井作为参照井，由于对比井所钻层位相同，配套钻头相同，使用钻机相同，所以试验具有一定的参考意义。

使用井段：2815.00～3504.71m；层位和岩性：龙马溪组，灰质泥岩、黑色页岩。

钻具组合：∅215.9mmPDC 钻头+∅171mm旋转导向_Archer(0.8控制环)+∅171mmUBHO坐键接头 +∅171mmCLPS信号传输器+SlimPulse_MWD+Pony短无磁+∅171mm井下滤网接头+∅171mmDTX马达+∅127mm无磁承压钻杆 +∅171mm井下滤网接头+∅171mm回压阀+∅127mm加重杆×20m+∅165mm震击器+∅127mm加重杆1根+∅127mm钻杆至井口。

钻井参数：钻压为8～12t；排量为1600～1700L/min；转盘转速为40～45r/min；泵压为30～32MPa。

组合旋转导向工具后下钻，到井深2765m复测伽马，划眼到2795m发指令改变工具到磁性工具面，排量1300L/min、转速20r/min。下钻到底后开始以指令288/100%(工具面/造斜能力，下同)小参数磨合钻头后以钻进参数为排量1683L/min，钻压6t钻进。钻进至2826m时，发指令288/60%继续钻进观察。钻进至2838m时，发指令348/50%，以重力工具面钻进观察，钻进过程中夹层较多，比较影响钻时，适当调整钻进参数钻进。钻进至2845.5m时，观察到50%力度造斜率在7°左右，发指令降力度10%钻进观察。钻进至2854.5m时，方位持续右飘，同时造斜率略低，发指令342/75%钻进观察。钻进过程中，75%力度造斜率偏高。适当控制造斜率钻进。钻进至继续按设计增斜钻进，钻进参数为钻压8～10t，排量1683L/min，转速45r/min，扭矩在7～15kN·m。钻进到井深3130m开始调整方位，钻进过程中扭矩明显增大，适当控制钻进参数钻进。按地质导向要求A靶点垂深调整到3091m保持井斜86°探储层，同时按设计方位钻进。钻进至3433m时地质导向通知进入目的层箱体顶部，地层2.5～3°上倾，以90°左右井斜下切地层继续钻进，同时继续按设计调整方位。钻进至3504.71m时，由于钻时慢，决定起钻更换钻具组合，该趟钻结束。起出钻头内排齿磨损较为严重，螺杆传动轴间隙在5mm。由于该施工循环压耗已经达到32MPa，达到循环系统极限，为了安全起见后续不再使用附加动力螺杆钻具，单独使用Archer工具钻至完钻。

表2 长宁某平台旋转导向系统现场使用效果

表2是长宁某平台旋转导向系统现场使用效果。从表2中可以看出，Archer+VorteX附加动力旋转导向工具相对于其他2口对比井机械钻速分别提高17%和47%，提速效果明显；同时，由于井下螺杆钻具增加实际钻头转速，转速由80r/min降为45r/min，可大幅度地降低钻机负荷；使用螺杆钻具的3#井不均匀转速为190r/min，明显低于2口未使用附加动力工具的参考井，表示井下黏滑指数较低，井眼较为光滑；3口井造斜率相近，表明使用井下动力钻具并不影响工具造斜率。

虽然使用Archer+VorteX附加动力旋转导向工具可在一定程度上加快机械钻速，降低井下风险，但是该试验仍然没有完全发挥出该系统的全部能力，主要原因是由于循环系统承压能力不足，即钻井泵和地面高压管汇能力不足的问题。随着井深增加，泵压最终达到 32MPa，已经达到循环系统的极限，保险阀频繁憋断，以至于无法钻进。只能采取降低排量方式继续钻进，实际排量为28L/s，而工具排量范围为19～41L/s，更大的排量不仅可以增加钻头转速，而且对清洁井眼都有很大的好处，为了进一步开发Archer+VorteX系统的潜力，后续施工应改进循环系统的承压能力[16，17]。

5 结论

1)Archer+VorteX附加动力旋转导向工具集合了Archer旋转导向工具的高造斜率以及VorteX井下动力系统的高转速特点于一身，可在全旋转的情况下，快速安全地完成钻井进尺。通过自身的C-Link通讯系统可实现地面仪器与井下工具的双向通讯，可实时根据随钻测井曲线调整井眼轨迹，大大提高优质页岩钻遇率。

2)Archer+VorteX附加动力旋转导向工具虽然增加了井下动力部分，但是实钻过程发现增加的动力部分并不影响原来Archer工具高造斜率的特点，实钻中在相同作业指令下造斜率几乎相同，方便地质专家对井眼轨迹进行精细调整。

3)VorteX井下附加动力钻具的使用增加了钻头转速，降低了钻井设备的负荷，降低了钻具的不规则旋转，减少了钻具的疲劳损坏，极大地增加井下工具的安全系数以及钻机的纯钻效率，为后续安全进行完井作业奠定了基础。

4)Archer旋转导向系统虽然有着全旋转、高造斜率、系统稳定等特点，但是该工具只能匹配斯伦贝谢公司旗下的史密斯钻头才能发挥效果，影响了钻头选取的多样性，建议将来可试验使用其他公司造型类似的钻头，进一步降低使用成本。

5)Archer+VorteX附加动力旋转导向工具在1#井施工过程中受泥浆泵泵压过高的原因影响只能使用低排量钻进，无法发挥出该系统的最大能力。最终由于泵压达到极限无法钻进，只能起钻更换钻具组合。为了进一步开发Archer+VorteX系统的潜力，后续施工应改进循环系统的承压能力。