旋转导向技术在水平井中的应用

李云龙

摘要：技术密集、高投资、高风险和高难度是石油天然气勘测开发主要手段和关键环节钻井工程的特点。在旋转状态下实现井眼轨迹的实时导向是旋转导向钻井技术其突出的优点。受到业界各大技术服务公司强烈关注的旋转导向技术近年来在定向井钻井过程中被越来越广泛的应用。

关键词：水平井; 旋转导向; 井眼轨迹;

为加快油气田开发力度， 现有油田开发方案以钻水平井为主， 实现在储层中更多钻进以保证单井产能最大化。水平井设计造斜点在高达六七千米， 完钻井深达到8000m左右， 采用常规滑动定向存在到轨迹控制难度大， 施工摩阻、扭矩大， 施工泵压高等钻井难题。为确保水平井的顺利实施， 采用了贝克休斯的旋转导向钻井技术。

1旋转导向钻井系统组成及工作原理

1.1系统组成

旋转导向钻井技术包括地面监控系统、井下旋转导向钻井工具系统和随钻测量系统。地面监控系统用来完成旋转（地质）导向二维建模、定向井水平井剖面设计或修正设计、底部钻具组合受力分析、井下信号解释处理、井眼轨迹参数计算等工作。井下旋轉导向钻井工具系统包括导向装置、双向通讯和动力模块、无磁模块稳定器等等井下工具。随钻测量系统包括传感器模块、优化旋转密度仪和动态与压力模块等随钻地质特性和钻具特性测量工具。旋转导向钻具组合主要由导向装置、传感器模块、双向通讯和动力模块、模块马达以及其他配套工具组成。

1.2 工作原理

导向装置（Steering Unit）：导向装置造斜率的大小与每个造斜肋块在单位进尺中的伸缩次数无关。在导向造斜模式下， 液压系统可以对导向装置提供7500个动力矢量， 使其按照给定工具面和给定动力进行导向钻进， 而且， 可以随时通过下传指令重新定向。

除造斜功能外， 导向装置还有稳斜功能。通过井下自动控制的闭回路， 在地面指令通过另一回路发至导向装置后， 自动控制功能开始接管， 将每秒测得的井斜数据与指令比较并进行调节控制， 从而达到平缓光滑的井眼轨迹。在稳斜模式下， 导向装置自动向靶点井斜角进行平滑导向， 在新指令到达之前， 将靶点井斜角保持在±0.2°之内;而且稳斜过程中也可以随时通过下传指令改变井眼方位。

传感器模块（OnTrak）：该模块主要提供旋转（地质）导向钻井所需要的基本参数。首先， 该模块中安装有用于地层岩性识别的伽马射线和多频电阻率， 是随钻测井的基本项目， 帮助完成地质导向任务;其次， 该模块中安装有用于井眼空间位置控制的磁通量计，可以计算出井眼方位角， 配合近钻头井斜角来完成井眼空间的导向任务;最后， 该模块中还安装有用于钻井参数优化的环空泥浆当量密度、振动和粘滑系数等测量装置， 帮助地面定向井工程师识别井下工具的工作状态。

双向通讯和动力模块（BCPM）：该模块主要由涡轮发电装置和正压脉冲发生器组成， 向导向装置和随钻测量工具提供电源动力， 并为下传指令和上传测量数据提供通道。

模块马达：结合马达钻井和旋转钻井优点， 钻头高转速有效提高机械钻速;同时地面低转速减少套管和钻具的磨损， 降低井下风险。

1.3 旋转导向钻井系统优点

（1）只需使用一套钻具组合完成定向造斜、增斜、稳斜和水平段施工。而采用滑动定向时需根据不同定向工况需更换不同钻具组合， 因此采用旋转导向减少了起下钻时间， 同时一套钻具组合保证了井眼的连续性， 降低了复杂和事故率。（2）在进行定向造斜、增斜、稳斜等井眼轨迹（或地质）导向指令时， 不需要停止钻进， 实现了井眼轨迹的平滑、连续钻进;（3）导向装置的近钻头井斜测量单元离钻头只有1.0米距离， 测量的及时性有利于提高井眼轨迹控制精度。（4）通过闭环控制可以对钻头倾角、导向矢量的方向和幅度进行自动导向控制， 确保向靶点井斜角进行平滑导向， 将靶点井斜角控制并保持在±0.2°， A、B靶点纵向距离控制并保持在±0.4米之内， 确保精确中靶。

2 运用效果分析

通过应用旋转导向技术，在国内某油田水平井取得了较好的效果。

2.1 有效提高钻井速度， 缩短钻井周期

一方面旋转导向钻井不存在滑动钻进， 最大程度上减少了托压现象， 保证了钻压能有效传递到钻头上， 提高机械钻速;同时旋转导向系统中的传感器模块能在钻进过程中随时监测井下工具状况， 适时的优化钻井参数， 最大程度地提高机械钻速。

2.2 井眼轨迹平滑， 保障了钻井施工顺利

旋转导向钻井能在旋转钻进的同时进行定向作业， 所钻成的井眼轨迹平滑， 造斜段最大全角变化率6.11°/30m， 水平段最大全角变化率2.57°/30m。同时良好的井眼轨迹也使超深水平井完井作业顺利，完井采用泵出式电测未进行通井作业一次性测井到底， 下衬管进行三趟带扶正器通井作业均顺利到底。

2.3 能满足轨迹调整， 中靶精确

采用旋转导向钻井技术利用近钻头测斜， 能真实、及时地反映轨迹情况， 同时通过对井斜和方位精确控制保证了井眼轨迹按地质要求在优质储层中钻进， 满足了地质中靶要求， 完井测试无阻流量751.61×104m3/d。

2.4小井眼水平段施工旋转导向钻进需配合模块马达

本井模块马达使用并不顺利， 按说明能承受160-170℃高温及使用寿命应在100小时以上， 但在本井实际施工过程中马达在循环温度136℃条件下， 使用时间未超过100h， 且在使用后期出现不同程度的胶皮脱落。第三趟钻更由于模块马达无工作压降， 钻进无明显进尺而起钻检查马达轴向间隙为3mm。

2.5 旋转导向钻井的成功实施带来一定的经济和社会效益。

本井定向段和水平段钻井周期仅为52.5天， 较设计提前了47.5， 钻井成本大幅度减少;其次， 高产井的提前投产也带来了可观经济效益和社会效益。

3 结论及建议

（1）水平段钻进中使用旋转导向系统， 大大提高了机械钻速， 降低了钻井成本， 创造了油田致密油藏水平井钻井指标新纪录。

（2）PD使用全复合的钻进方式， 不再受托压、摩阻增大的影响， 使定向工程操作更为简单， 能在复合钻进过程中实现工具面的调整。

（3）旋转导向系统钻井参数的要求比较严格， 钻井过程中要严格执行操作规程要求， 提高仪器的使用效率。

参考文献：

[1]刘峰.POWER-V和PD-XCEED垂直导向钻井技术在渤海油田的应用[J].石油钻采工艺， 2009， 31（5）：29-32.

[2]肖仕红， 梁政.旋转导向钻井技术发展现状及展望[J].石油机械， 2006， 34（4）：66-69.