高精度深井钻机的研究

李砚耕，张国纲，王国文

（1.重庆格德瑞重工智能装备研究院，重庆 402460；2.金川集团有限公司物流公司，甘肃 金昌737100）

“十二五”期间，我国页岩气勘探开发取得重大突破，成为北美洲之外第一个实现规模化商业开发的国家。“十三五”期间，天然气等清洁能源需求继续加大，页岩气开采的规模将进一步加大，从而为开采页岩气的高效设备——高精度深井钻机的研发生产提供了重要的战略机遇。

深井钻机除了用于页岩气开采中钻凿油井，还可用于钻水井、监测井，钻凿地热空调孔、水电围堰注浆孔、堤坝防渗注浆孔、基础加固注浆孔、锚固工程中的各种深孔。其结构组成如图1所示。

1 钻井导向技术的发展情况

钻井导向技术，通过对钻井的方向进行控制，使钻头的钻井轨迹按照设计要求钻进。

在旋转导向钻井技术出现以前，通常以滑动导向方式钻进定向井或水平井。

滑动导向钻井主要是采用井下动力钻具（螺杆钻，具体结构见图2）带动钻头旋转破碎岩石，而钻具本身不旋转，只做滑动前进。

图1 深井钻机示意图

滑动导向的工作原理是：弯壳体螺杆钻具本身存在一结构性弯角，导致钻头轴线偏离井眼轴线，因此钻头对井壁产生切削力，而螺杆钻具本身不旋转，以此保证钻头始终朝一个方向偏斜，从而达到造斜目的。

滑动导向钻井时，钻头始终按照钻具结构偏斜的方向钻进，因而难以对钻进的方向进行实时控制，即很难对钻进方向进行“制导”，于是出现了更加先进的旋转导向钻井技术。

图2 螺旋钻具剖面图

旋转导向钻井技术是一项自动化钻井新技术，旋转导向钻井系统的组成如图3所示。这种钻井技术与随钻测井系统配套使用，钻具在钻进过程中边滑动边旋转，随钻测井系统对钻头的位置轨迹进行实时测量，并对导向工具进行调节，

从而实现对井孔轨迹的精确控制。旋转导向钻井技术与传统的滑动导向式钻井技术相比，具有“指哪打哪”的优势，可让钻头直达埋藏在地下千米深处的石油矿藏“靶心”。旋转导向钻井技术具有“精确制导”的优点，能大幅降低开采成本、有效提高油气田资源开采率，因而在页岩油气开采等工程中得到了广泛的应用。

图3 旋转导向钻井系统

2 钻井导向技术研发的市场现状

1993年意大利AGIP公司与美国Baker Hughes INTEQ公司合作研制了旋转闭环式钻井系统（RCLS）。该系统在1996年试验成功，1997年正式推向市场。

1994年英国Camco公司研制的旋转导向钻井系统（SRD）试验成功。

1999年日本国家石油公司与美国Sperry-Sun公司合作，推出了Geo-Piot旋转导向钻井系统。

我国对该项技术的研究起步较晚，上世纪九十年代才开始该方面技术的研究工作。中国石油集团公司、中国海洋石油集团公司、中国石化集团公司，都于2006年前后推出了自主研发的旋转导向钻井系统[1]。

如图4所示，中国石油集团钻井工程技术研究院北京机械厂成功研制出了CGDS-I近钻头地质导向钻井系统。该系统把钻井、测井和油藏工程技术融为一体,在随钻过程中既可以测量工程和地质参数，又具有导向功能[2]。该项目于1999年5月正式启动，先后进行了20余口油井的部件和整体现场实验，得到改进和完善后，产品于2005年年底由中国石油集团钻井工程技术研究院北京机械厂正式生产并推向市场。这一产品的研制成功，使中国石油集团成为全球第四家拥有该项高端钻井技术的石油公司[2]。

图4 CGDS 地质导向钻井系统

中国海洋石油集团公司研发了可控偏心器式导向钻井工具系统。该系统于2006年1月通过国家863 计划项目验收[1]。

2006年7月，中国石化集团公司胜利石油管理局钻井院与西安石油大学导向钻井研究所合作，研发了调制式旋转导向钻井系统（MRSS），8月底充分进行了现场试验。该系统通过了国家863 项目验收[1]。

3 关于高精度旋转导向钻井技术的研究情况

3.1 高精度旋转导向钻井技术的工作原理

如图5所示，高精度旋转导向钻井技术通过实时调节控制钻具及钻头的张力，实现对钻头钻孔时前进方向的精确控制。在钻直孔时，钻头轴压或推进压力要适当减低，以避免孔斜。

图5 高精度钻进原理图

如图6所示，当钻具总重量超出额定推进力时，要采用减压钻进。当轴压或钻具总重量过大时，产生的压力容易使钻具弯曲，钻进时会产生较大的偏斜，亦使动力头回转困难，影响钻进。

3.2 深井垂直度的钻孔要求

国内要求钻孔在100 米内，偏斜不大于1度，即偏斜不大于1.74%或1.74 米。国外用户在钻进230 毫米孔径的深孔时，孔深至248 米，仍可保持孔偏斜在4.3 米左右，偏斜度为4.3/248=1.73%。

钻深井时在地表孔段要安装套管，套管的结构较长，每段长度超过10 米，如果井内裸孔段弯曲，套管下放时，会出现卡紧现象。钻孔精度不高时，会造成卡紧事故。

图6 深孔钻进钻杆受力情况示意图

加接数根钻杆后，进给系统要保持减压钻进，减小推进力，以避免钻具受力过大出现弯曲，减压钻进可提高钻孔垂直度。

3.3 羽状井的钻孔要求

石油钻井中的深井有水平井、丛式井（见图7）和羽状井等。羽状井是由一个水平主孔中往两侧分支形成的多个类似羽翼状的分支井（见图8）。羽状井的主孔和分支孔均最大限度地保持在矿层中行走，以保证足够的遇矿率。羽状井多用于煤层气和页岩气的开采，用于增加气体的释放通道、提高采气效率。李砚耕院士团队拥有该项技术专利。

3.4 随钻测量技术

随钻测量（Measurement While Drilling,MWD）是一个技术大类，它强调边钻边测、实时获取井底参数，包含了有线随钻测量（WLMWD）和无线随钻测量。其中无线随钻测量又分为泥浆脉冲式随钻测量（MP-MWD）和电磁波式随钻测量（EM-MWD）等。

图7 水平井、丛式井示意图

图8 典型的羽状井示意图

图9 造斜井段钻进和生产套管固井

图10 电磁波随钻系统原理图

进入21 世纪，中国石化石油勘探开发研究院成功研制了EM-MWD 系统样机CEM-MWD,在各种钻井液中实现了随钻测量，其结构简单、可靠性好、使用方便。北京长城博创科技公司研制的EMWD-45 型电磁波随钻样机在四川已完成基本试验。中国地质大学（武汉）在国家“863”探索导向类课题“电磁波随钻遥测式自动垂钻系统关键技术研究”的支持下，首次进行了电磁波双向信号传输系统的研究，研制的双向电磁波随钻测量系统在河南新乡340 m 深的水井钻孔内进行了试验，虽获成功，但井深过小，实用性正在逐步提高中。确切地说，目前国内在EM-MWD随钻仪方面还处于研究阶段，尚未步入商业化运作阶段。

4 重庆格德瑞重工有限公司推出高精度的深井钻机

根据李院士技术团队的研究成果，重庆格德瑞重工有限公司成功推出了2000 米深井钻机。重庆格德瑞重工有限公司研发的该产品，可开采一千米埋深以下的页岩气和煤层气，还可钻凿深水井等，其技术参数见表1。

图11 多功能随钻测井系统

表1 重庆格德瑞2000 米深井钻机技术参数[3]

图12 重庆格德瑞重工有限公司的2000 米深井钻机