分类旋转导向工具造斜性能的研究与应用

李青洋

摘 要：旋转导向系统 RSS（Rotary Steerable Systems） 分为推靠式和指向式两种，RSS 以其优良的导向控制和降低摩阻的能力广泛用于大位移井以及长水平段水平井。虽然旋转导向系统可以实现实时控制，但如果不了解其造斜性能，就无法完全充分发挥其性能。为了预测钻头的走向，就要研究在导向工具侧向力和钻压作用下钻头的侧向和轴向的钻进速度。在计算侧向力和钻头转角基础上，研究了钻头的导向控制机理。综合考虑 2 种旋转导向系统的造斜原理，明确了各个因素对造斜性能的影响，对其性能进行了优化并取得了较好的效果。

关键词： 旋转导向工具;分类比较;造斜性能;应用

旋转导向工具是目前最先进的定向工具，对旋转导向工具造斜性能的研究有助于旋转导向的研制和应用。通过分析钻头在侧向力和转角作用下的导向机理，结合钻头的性质和旋转导向的原理，对两种工具的导向性能进行了分析。分析结果表明：推靠式旋转导向系统需要侧向攻击性能强的钻头与之匹配，可以准确快速地调节井眼轨迹，在软地层和小钻压条件下可以达到较高的造斜率;指向式旋转导向系统适合于长保径钻头以引导钻压指向钻头转角方向，其造斜效果受其他因素影响较小，造斜率稳定，井眼轨迹可预测性好。实际旋转导向工具的使用证实了上述分析结果。

1 RSS导向原理

推靠式 RSS 目前应用较为广泛，其工作原理是利用钻柱内外压差驱动活塞推靠井壁从而在钻头处产生侧向力，推靠井壁力的方向根据井眼轨迹由控制部分实时调整，通过调节活塞拍打井壁的次数就相当于实现调节力的大小。苏义脑利用纵横弯曲连续梁理论建立了旋转导向钻具组合的受力分析方法，利用这个方法可以对下列典型的钻具组合进行计算： 钻头（？215.9 mm）+RSS 以及短节（10 m）+ 稳定器（    214 mm）+ 钻铤若干。活塞拍打井壁的力？ Q 以及活塞与钻头的位置这 2 个因素对于钻头侧向力以及钻头转角影响。计算结果表明：RSS 活塞推力越大，作用点与钻头越近，钻头处的侧向力越大。整体来看，推靠式 RSS 钻头转角 θ 为一小值。

指向式 RSS 通过偏心结构使钻头产生倾角，引导钻压按钻头指向钻进从而实现导向钻进的目标， 钻头倾角和钻头的结构是主要因素。无论是何种 RSS，井眼轨迹的控制最终要靠钻头的切削完成，仅有侧向力或者钻头转角是不够的， 因此需要研究钻压、侧向力、钻头转角以及钻头结构等因素对于导向钻进的影响。

2钻头导向过程

2.1钻头导向结构

钻头具有的侧向切削能力保证了井眼轨迹控制的需要，为了精确控制井眼轨迹，已经对钻头的侧向切削能力进行了大量的研究。钻头钻压与钻速遵循下列基本计算式

式中，A 表示除钻压外的其他因素的影响系数;n 为钻压指数。

从钻头的设计原理和结构来看，钻头的轴向切削能力与侧向切削能力有明显的不同，结合井斜控制机理，将侧向和轴向切削能力的比值定义为钻头的切削各向异性指数

式中，Fa  及 va  分别为钻头轴向作用力及钻速;Fl  及vl 为侧向作用力及钻速。

上式中的钻压指数 n 由下列经验公式确定：n=0.5336+0.1993Kd （3）

式中，Kd为岩石的可钻性极值，是一个表征岩石钻性程度的数值，通常采用现场的岩心在室内测得或由现场数据反推得到。由于钻压指数由地层可钻性决定，因此钻压指数的引入，可以表达出地层可钻性对于导向能力的影响。同时，钻压和钻速中的非线性关系相对于以前的线性假设更加科学合理。

2.2 井眼趋势角的计算

对钻头在井斜平面中导向钻进的状态进行分析。钻头受到底部钻具组合产生的侧向力 SF 以及钻压 WOB，假设井眼轴线和钻头轴线之间的夹角为 θ，钻头本身的切削异性指数为 IB。

钻进过程中的钻头在钻压和侧向力作用下，首先将钻压和侧向力投影到平行和垂直于钻头轴线的2 个方向上。

3两种旋转导向系统的分析

根据以上钻头的导向机理，以趋势角？ 作为导向能力的评估标准，可为旋转导向系统选择合适的钻头、适宜的钻进地层及钻进参数。以下计算中未加说明的，钻压为 80 kN，地层为中等地层（Kd=5）。

3.1推靠式旋转导向系统

推靠式旋转导向系统主要依靠侧向力导向控制，上面的计算结果显示钻头的转角很小。所以影响推靠式旋转导向系统导向能力的因素主要有钻头的侧向切削能力和侧向力的大小。对于井眼趋势角的影响，钻头侧向切削能力越强，旋转导向工具施加的侧向力越大;井眼趋势角越大即导向能力就越强。

3.2 指向式旋转导向系统

指向式旋转导向工具出现较晚，但这种导向方式相对推靠式的显著优势是可以产生好的井身质量，大幅度地降低摩阻扭矩，这对于水平井、大位移井是至关重要的。这种工具依靠钻头的指向来实施导向控制，影响导向控制的因素主要有钻头转角和钻头侧切能力。利用钻头的导向机理可以计算出这两者对于井眼趋势角的影响，钻头转角越大，导向控制能力越强，长保径钻头具有较低的侧向切削能力，比较适合指向式旋转导向钻进。

3.3 两种 RSS 的比较

既然 2 种旋转导向系统的造斜机理不同，就要研究在不同条件下 2 种 RSS 的造斜性能，引入钻压指数，就可以计算钻压与地层可钻性对导向能力的影响。若指向式工具的指向角为 1.5°，钻头为长保径钻头;推靠式工具的侧向力为 5 kN，钻头为短保径钻头。指向式旋转导向的造斜率非常稳定，在不同的钻压和地層条件下，其造斜趋势角基本没有变化。所以，指向式 RSS 所钻井眼的造斜率可以较为准确地预测和控制，适宜在储层准确控制井眼走向实现油层的最大接触，井壁光滑、井身质量高，极大降低了钻柱和井壁的摩阻扭矩。

计算结果显示推靠式 RSS 造斜率变化范围较大，钻压较小以及地层较软时其造斜率较大，可以快速纠正井眼轨迹，但钻遇较硬地层时导向能力降低，本质上属于推靠式 RSS 的 Power-V 垂直钻井系统。在A井钻进中，经过 1950～2360 m 硬地层井段时，即使 Power-V 效率达到了 100%（即单位时间活塞拍打井壁次数最多时，井斜依然超过了2.5°，而在一般地层井斜基本保持在 1°以下，可以通过研制侧向能力更强的钻头，或者降低钻压来保持较小井斜。

4 现场应用

推靠式旋转导向系统被应用于大位移井的大斜度长稳斜段。为了克服复杂地层出现的方位漂移、轨迹控制难等问题，为推靠式旋转导向系统设计了侧切能力强的短保径钻头MS1951RS。使用这种钻头后，旋转导向系统的井眼轨迹控制能力大幅度地增强。指向式旋转导向的造斜率较为稳定，井眼轨迹的可预测性好。使用指向式旋转导向在较薄的储层内钻进，利用其准确的井眼控制能力实现在油层内的最大接触，从而提高了产量，使用的就是长保径 Slick Bore 钻头。

5 结论

（1）综合考虑钻头结构、保径长度、钻进状态以及钻压和侧向力等因素，分析了钻头钻进过程中的导向机理，以此对 2 种旋转导向工具的导向机理进行分析，结果与工程实践相一致。（2）推靠式旋转导向工具需发挥其导向控制能力的因素有：短保径钻头，较大侧向力，推力活塞与钻头距离尽量近，小钻压，软地层;指向式旋转导向需要较大的钻头转角和长保径侧切能力弱的钻头才能有效导向。（3）推靠式旋转导向造斜率范围广，当钻压较小，地层较软时造斜率较高，可以快速纠正井眼轨迹;指向式旋转导向的造斜率非常稳定，可以较为准确地预测井眼轨迹，井壁光滑井身质量高，极大地降低了钻柱和井壁的摩阻扭矩。

参考文献：

[1]姜伟，蒋世全，盛利民，等. 旋转导向钻井工具系统的研究与应用[J]. 石油钻采工艺，2016，3（0 5）：21-24.