旋转导向技术的发展及其在沙特阿美市场上的应用

朱长勇

摘要：旋转导向钻井技术是现代导向钻井技术的发展方向，本文叙述了旋转导向技术的产生背景，发展历程和技术原理及系统组成。近年来国内钻井技术团队与沙特阿美开展全方位的合作，中国旋转导向技术得到了沙特阿美公司的高度认可，成为中国钻井技术在中东地区抢占高端技术研发制高点。

关键词：旋转导向技术;钻井技术;沙特阿美

近年来，为满足实际油气田勘探开发的需要，需要在钻井井眼轨迹控制上不断创新和优化，尤其是在水平井、大位移井、水平分支井、薄油层水平井等方面，所以钻井工具所面临的地层条件日益复杂，为达到提高产能的目的，就需要切实在井眼轨迹控制职工加强旋转导向钻井技术的应用，其自上世纪问世以来，得到了不断的发展，国家也为之加大了投入力度，使得旋转导向钻井技术水平得到了有效的提升，尤其是在關键技术方面取得了一定的帮助。

1 旋转导向钻井技术发展背景

新产生的一系列定向钻井新技术提高了定向钻井的效率。应用比例逐年增加的普通定向井是目前的一种常规技术。因为水平井和分段压裂技术的进步使页岩气革命风潮继续在全球范围内产生影响，水平井和定向井钻井的工作量也因为非常规资源开发和老油田挖潜的继续推动而增加。

为了满足不同油藏在开发过程中的需求，国外在多分支井钻井技术上实现了系列化和标准化。并且降低了勘探开发成本及提高采收率。多分支井根据国际上不同的程度及结构被分为6个等级。目前其中6级分支井技术以其压力完整性、液力封隔性和可选择性再进入的特点等广泛应用于美国煤层气的开采。钻井的井眼轨迹随着近年来向深部、复杂地层勘探的发展，以及非常规油气的开发比如低渗油藏、页岩气、煤层气等被提出了很多新的要求，尤其是大位移钻井、水平井、薄油层钻水平井、水平分支井技术等。越来越复杂的井眼轨迹要求被提出来了希望获得更大的产能，暴露更多的储层，为了提高钻井效率、降低昂贵的钻井成本和减少钻井井下作业的各种风险，旋转导向技术在钻井行业应运而生。

与传统技术相比，在旋转状态下实现井眼轨迹的实时导向是首先在近海钻井得到了广泛应用的旋转导向技术突出的优点。这种旋转状态下实现井眼轨迹的实时导向带来的好处主要有两方面：（1）在所受的摩阻和扭矩方面，传统的滑动导向方式远大于旋转导向方式下的钻柱所受到的，也正是因为这样，在同样条件下大大提高了钻机作业的能力，也大大增加了钻机所能实现的大位移井的极限延伸能力;（2）因为旋转导向方式下井眼清晰状况的改善使钻井技术得到了有效的保证，也保障了钻井过程的安全性，尤其是在遇到复杂地层时。自旋转导向钻井技术诞生以来，强大的生命力越来越被显示出来，因而得到了广泛的应用和推广。

2 旋转导向钻井技术发展历程

钻井是一项主要利用钻井设备来钻井的工艺过程，其目的是开发油气藏，评价地质等。自20世纪90年代现代导向钻井技术诞生以来，现代导向钻井技术在实践中得到了不断的发展和完善。当前，具有导向动力钻具、高效钻头等的现代旋转导向钻井技术成为未来的一个发展趋势。

随着我国经济社会的发展，我国对资源的需求量逐渐增加，再加上我国油气藏地质、环境等因素的限制，油气藏的勘探难度加大，滑动导向钻井技术因此也就无法满足现代导向钻井所需要完成的任务。在这种情况下，人们开始关注旋转导向钻井技术。在滑动导向钻井过程中，由于无法控制井身轨迹等，净化井眼的效果不好。如果采用该技术进行钻井，井深的深度超过4000m，则便无法连续、均匀滑动，钻井无法进行。

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。它具有井眼净化效果好、摩阻与扭矩小、位移延伸能力强、井眼轨迹平滑易调控等优点，除此之外适用于高难度井和特殊油藏也是它的优点。在1955年关于旋转导向钻井系统的专利被发表，相关的理论研究也在上世纪80年代陆续开始了，而且到90年代以来，旋转导向系统也被各大商业公司纷纷投入资金和精力开发了，并进行了现场试验和应用。目前已经有BakerHughes、Schlumberger和Halliburton三家公司实现了技术较为领先，市场占有率高，商业化应用等。

作为旋转导向钻井系统的核心井下旋转导向工具，在目前商业化的旋转导向系统中，旋转导向钻井系统根据偏置机构的工作方式不同被划分，静态偏置和动态偏置包含在其中，静态偏置是指导向机构在钻进过程中不与钻柱一起旋转，侧向力导向机构稳定的在某一固定方向上被提供;偏置导向机构在钻进过程中与钻柱一起旋转叫做动态偏置。BakerHughes公司的AutoTrakRCLS属于静态偏置推靠钻头式，动态偏置推靠钻头式有Schlumberger公司的PowerDriveSRD，以及Halliburton公司的Geo-Pilot系统，属于静态偏置指向钻头式是目前应用较多的具有代表性的3种类型旋转导向钻井系统。

3 旋转导向钻井工作原理及系统组成

3.1旋转导向钻井系统工作原理

导向装置是旋转导向钻具组合的重要部分，根据给定工具面和给定动力进行导向钻进，并且通过下传的指令可以随时重新定位，既可以造斜也可以稳斜。传感器模块包括伽马射线和多频电阻率，主要提供钻井过程所需的基本参数，一般还安装有用来计算井眼方位角磁通量计。涡轮发电装置和正压脉冲发生器作为双向通讯和动力模块主要部件，随钻测量工具提供的电源动力和导向装置是他们主要负责的，而且也提供了渠道用于下传指令和上传测量数据。有效提高机械钻速同时还可以减少套管和钻具的磨损是使用模块马达的优点。

3.2 旋转导向钻井系统组成

井下旋转导向钻井工具系统、地面监控系统和随钻测量系统是组成旋转导向钻井系统的三部分。

不同的部门功能不同，导向装置、无磁模块稳定器、双向通讯模块、动力模块等井下工具是组成井下旋转导向钻井工具系统的核心部件。旋转（地质）导向二维建模、底部钻具组合受力分析、定向井水平井剖面设计或修正设计是地面监控系统的功能，监控旋转导向钻井系统的定向钻井情况是地面监控系统的主要功能。感知钻井过程中钻头的环境是随钻测量系统的主要目的。各种传感器是实现感知钻井过程中钻头环境的主要途径，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包含在其中。

总的来说，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是旋转导向钻具组合的主要组成部分。

4 国内旋转导向技术在沙特阿美的应用前景

沙特是世界型能源大国和“一带一路”的关键性支点国家，沙特阿美国家石油公司是全球最大的石油与天然气生产商。在中国“一带一路”倡议同沙特“2030愿景”对接背景，中国石油已经和沙特阿美开展了全方位的合作项目。以前这些科研项目基本都被国际大型石油工程技术服务公司所垄断，但是近年来国内旋转导向钻井技术发展迅速，特别是在信号传输方式、信号测量系统和旋转导向机构的技术方面研究已经跨入了国际先进水平行列，国内旋转导向钻井智能化钻井技术研究得到了沙特阿美石油公司的认可，为未来在沙特市场高端业务发展打下坚实基础。

参考文献：

[1]刘晗.旋转导向钻井工具系统的研究及运用[J].化学工程与装备，2019（02）：143-144+79.

[2]杨飞.旋转导向钻井中导向控制电机的驱动系统研究[D].西安石油大学，2018.

[3]吕令锋，王祝.旋转导向钻井技术及其应用[J].石化技术，2018，25（02）：152.