2011_winter_1-混合型旋转导向系统

36油田新技术混合型旋转导向系统业界不再依赖常规井下BHA和造斜器，而是朝泥浆马达及旋转导向系统发展。这一技术的演变推动了钻井技术从直井到水平井的过渡。当前的新技术是将性能卓越的旋转导向系统与高造斜率的容积式马达相结合的一种混合设计构思。《油田新技术》2011年冬季刊：23卷，第4期。©2012斯伦贝谢版权所有。在编写本文过程中得到以下人员的帮助，谨表谢意：休斯敦的ElizabethHutton，EmmanuelleRegrain以及英国Stonehouse的EdwardParkin。DOX，DrillingOffice，IDEAS，PERFORMToolkit，PowerDriveArcher，PowerDriveX5和PowerPak等是斯伦贝谢公司的商标。EdwinFelczakArielTorre美国俄克拉何马州俄克拉何马城NeilD.GodwinKateMantleSivaramanNaganathan英国StonehouseRichardHawkinsKeLi美国得克萨斯州SugarLandStephenJones美国得克萨斯州KatyFredSlayden美国得克萨斯州休斯敦两点之间最短的距离是直线。然而，对于定向钻井来说，它可能不是最快或者说最经济的钻井方式。勘探与生产公司越来越多地设计复杂井眼轨迹以钻进远距离的目的层、与裂缝相交、穿透多个断层或者在储层中延伸更长的井段。虽然与其他井眼轨迹相比更难钻进，但这些井眼轨迹往往通过增加产层的泄油接触面积来提高生产效率。复杂的水平井和大位移井都只是定向钻井发展过程中的最前沿技术。最早的非直井并非特意设计钻成的，直到十九世纪二十年代后期，司钻开始考虑如何控制井眼轨迹指向特定的方向。自那时起，定向钻井技术开始逐步摆脱了控制钻头方向对基本井下BHA的依赖，使用地面可以控制的旋转导向系统使钻头精确地钻达最终目标点。在过去的十年间，新钻井技术ሰၽۅTDPowerDriveArcher჉ገڞၠဣཥඹओ๕கٳدཥ႙჉ገڞၠဣཥጣ୥ۅጣ୥ۅTDሰၽۅPPඹPඹඹدඹد372011年冬季刊继续得到快速发展。本文阐述了旋转导向系统技术的新进展，并着重介绍旋转导向系统发展的最新成果之一：PowerDriveArcher旋转导向系统。该混合型旋转导向系统同时具备了容积式马达的高造斜率和旋转导向系统的高机械钻速。发展简史在十九世纪二十年代后期，人们开始有意识地进行钻定向井的探索，作业者试图绕过周围的障碍物、打救援井和避免破坏地面的人文建筑；人们甚至用定向钻井技术来保证直井不发生偏斜。从局部讲，钻斜井的技术来源于旋转钻井和牙轮钻头技术的发展。这些钻头的设计使它们能够在不同地层和不同钻井参数的情况下向侧向偏移或者扭方位，这些参数包括地层倾角和硬度、转盘转速、钻压和牙轮设计。在一些地区，有经验的司钻可以在一定程度上预测钻头走向的自然趋势。他们经常会提前建立一定量的超前角，以弥补从地面位置到井底目标点之间ణՔݛ࿋ঙں௬࿋ዃళೋ۫20גമ൸၍גമঙణՔۅN^超前角俯视图。旋转牙轮钻头倾向于向右偏移。掌握了这种情况，司钻有时利用超前角沿着目标方位角偏左的方向钻井。^使用BHA改变井斜。通过巧妙地在BHA中配置扶正器和钻铤，定向井司钻可以增加或减小BHA的灵活性或者弯曲度。他们充分利用这种灵活的优势来增斜、降斜或者稳斜。支点钻具组合（上部图最上方）使用一个满眼的近钻头扶正器和一个钻柱扶正器。加钻压使近钻头扶正器上方的钻铤发生弯曲从而把钻头推向上方增斜（下部图左侧）。钟摆钻具组合（上部图中间）配置一个或多个钻柱扶正器和一个钻柱扶正器。第一个钻柱扶正器相当于一个枢轴的支点使其下部的钻具自然下摆，从而降斜（下部图右侧）。满眼钻具组合使用一个或者两个近钻头扶正器和钻柱扶正器来增加BHA的刚度（上部图最下方）。通过减小钻具组合发生弯曲的趋势来稳斜。预期的自然漂移（左下图）。司钻还发现改变井下钻具组合（BHA）可以改变钻具的倾斜角。例如通过改变扶正器的位置，司钻可以影响井下BHA的平衡，使其可以增加、保持或者降低井斜角，人们通常称之为增斜、稳斜和降斜。旋转BHA的增斜率和降斜率受到很多因素的影响，如两个扶正器之间的距离、钻铤外径和刚度、地层倾角、钻柱转速、钻压、地层硬度和钻头类型等。权衡这些因素对BHA的影响是钻达目标点的关键所在。如果在一个BHA中，几个钻铤的下面放置一个近钻头扶正器，当加钻压时，这种钻具会有增斜趋势（下图）。对于这种BHA，当加钻压的时候，扶正器上面的钻铤会弯曲，近钻头扶正器相当于一个支点，把钻头推向井眼高边。另一种类型的BHA是降斜钻具。主要差别是使用一个或多个扶正器；位于最下部扶正器下方的钻铤相当于一个钟摆，靠自身的重力把钻头推向井眼的低边。达到预定的井斜角后，司钻可能会更换另外一个BHA来保持井斜角。满眼BHA利用多个扶正器、通过改变扶正器之间的距离来增加其刚度。司钻经常采用其他机械手段来实现从直井眼的造斜侧钻，其中应用最广泛的是造斜器。原理很简单，这个长的钢铁材质的坡道表面凹槽能够把持并引导钻具组合向前钻进。造斜器可以用于裸眼井或者套管井开窗侧钻，下钻造斜器到目标深度，然后调整坡ኧۅፈਏፇࢇዓӦፈਏፇࢇޔኟഗৎፈཀྵޔኟഗሺၽইၽৎፈཀྵޔኟഗڼᅃ߲ፈዹޔኟഗڼܾ߲ፈዹޔኟഗৎፈཀྵޔኟഗፈᯊڼᅃ߲ፈዹޔኟഗኧۅDŽሺၽDžፈਏፇࢇ஢ᄅDŽ࿘ၽDžፈਏፇࢇڼܾ߲ፈዹޔኟഗፈཀྵዓӦDŽইၽDžፈਏፇࢇڼᅃ߲ፈዹޔኟഗ38油田新技术道表面凹槽到设计的方位，坐封锚定器，接下来开始开窗侧钻出新的井眼（上图）。虽然早期定向技术可以在一定程度上控制井斜角和略微地控制方位角，但是它们效率很低，需要多次起下钻来安装造斜器或者更改BHA配置。在十九世纪六十年代初期，人们开始使用一种全新的定向钻井技术，使用大约0.5°固定弯头的井下动力马达来驱动钻头[1]。钻井液流经动力部件时产生的液压动能为马达提供动力，从而带动钻头旋转[2]。动力马达和弯头的组合比早期常规BHA更容易进行定向钻井控制，同时大大增加了井眼轨迹曲线的曲率。早期泥浆马达的弯头是固定不可调整的，当需要调整井斜角度时，必须起钻到地面上调整弯头的大小。这些导向马达利用倾角的原理。弯头提供了开始造斜和整个井段井斜和方位变化控制所需的钻头和钻柱之间的偏移量。钻头、马达本体上的近钻头扶正器和位于马达之上的一个扶正器，这三个几何接触点构成与井眼轨迹类似的弧形结构[3]。一些马达使用井下涡轮；其他马达使用由螺旋状转子和定子组合成的一个容积式马达（PDM）。容积式马达和弯头技术不断发展，催生了导向马达。现代化的导向马达仍然使用PDM，但增加了地面可调式弯外壳（右下图）。典型的导向马达包括动力部分，钻井液流经时会产生水动力来驱动转子转动，而转子带动驱动轴和钻头一起旋转。地面可调式弯头可以在0–4°之间调整，使得钻头所指角度与井筒轴线之间稍有偏差。这个看似很小的偏角对于BHA造斜率的影响至关重要。井眼曲率的大小主要取决于以下几个因素：马达弯角的大小、马达外径和长度、扶正器位置和井眼直径与钻铤外径尺寸相对比值。导向马达主要在两种模式下钻进：旋转模式和定向模式（或者滑动模式）。在旋转模式下，钻机的转盘或者顶驱通过整个钻柱将动力传递到钻头，来驱动钻头旋转。在滑动模式下，钻柱不旋转；而是通过泥浆流经马达时产生的水动力来驱动钻头。在滑动模式下，只有钻头旋转，而整个钻柱只是沿着钻头钻进的方向滑动。一般来讲，会根据旋转模式钻进过程中马达的增斜、稳斜和降斜能力来选择不同的马达。传统做法是在旋转模式钻进过程中，采用低转速（RPM）从地面旋转钻柱，这样马达的弯头就会均匀地指向不同方向，从而沿着直线方向钻进。随钻测量工具（MWD）实时测量到的井斜和方位角可以提醒司钻实际井眼轨迹和设计轨迹之间的任何偏移。要纠正这些偏移，司钻必须从旋转模式切换到滑动模式来调整井眼轨迹。在滑动模式下，首先要停止钻柱旋转，然后定向司钻才能调整井下马达弯头的朝向，指向井眼轨迹设计所需的方向，通常称之为摆工具面。这是个不太容易的任务，施加扭转力可༫࠶຤ౄႎ৞ᄅဇࠩ႙အژਸشအژ຤ౄ෗ሰၽഗ^套管开窗造斜器。把圆柱型钢铁材质的造斜器（绿色）下钻到预定的侧钻深度，然后调整斜坡面的方向。开窗铣刀会在套管上磨铣出一个洞，接着用西瓜型铣刀修窗口。然后起钻更换钻井BHA。^容积式马达。井下马达，例如这种PowerPak导向马达，比常规BHA更容易进行定向控制。ۯ૰ևݴں௬੗ۙྖྔ੕ޔኟഗፈཀྵ以导致钻柱像盘绕的弹簧一样扭曲[4]。另外，还要考虑钻头的扭矩、钻柱的反扭矩以及钻柱与井壁之间的摩阻，所以司钻要在地面上缓慢旋转钻柱，然后参考MWD测量到的工具面的变化。因为在比较深的井眼里钻柱会吸收大量的扭矩，地面上可能旋转几圈之后井底的工具才转动一圈。当合适的工具面被确认后，司钻会启动井下马达开始沿着目标方向滑动钻进。由于钻头切入地层后产生的反扭矩会使工具面左右摆动，所以有时需要反复地去调整工具面的方向。每种模式都会存在不同的挑战。在旋转模式下，BHA中马达上弯头会使钻头相对于BHA轴线产生偏心转动，从而造成井眼略微扩大和形成螺旋状井眼。这会导致井眼内壁粗糙，增加392011年冬季刊^井眼质量的比较。井径测井显示使用容积式马达钻的螺旋状井眼（上）和使用旋转导向系统钻的平滑井眼（下）。^推靠式旋转导向系统（RSS）。从旋转短节里动态伸出和缩回的垫块和井壁接触时会产生一个有方向性的侧向力，这个侧向力会改变钻头钻进方向。完井工具下入时的扭矩和摩阻，甚至会导致一些复杂情况，在长水平段这种情况尤为明显。螺旋状井眼也会影响测井仪器的响应。在滑动模式下，钻柱的不旋转会引起其他问题。钻柱会紧贴在井筒低边上，造成钻井液在钻柱周围不能均匀流动，这势必会影响到泥浆携带岩屑的能力。这一点可能会导致井筒内岩屑床的形成，或者所有岩屑都堆积在井眼的低边，增加卡钻风险。滑动钻进也会降低加在钻头上的驱动力，再加上滑动摩阻比较大，从而降低机械钻速（ROP）和增加压差卡钻的可能性。对于大位移井眼，钻柱和井壁之间的摩阻会越来越大，直到摩擦阻力比施加在钻柱上的轴向拉力还大。此后就不可能进一步钻进达到预定靶点深度。另外，滑动模式和旋转模式之间的切换，会引起井眼上下起伏或者形成狗腿，增加井眼曲屈度，从而增加钻井和下套管或者下入完井工具过程中的摩阻[5]。这些波动起伏可能也会在井壁上形成低洼的小坑，流体和碎片会聚集在这些小坑内，阻碍完井后地层流体在井筒内的流动。在十九世纪九十年代，随着旋转导向系统（RSS）技术的不断发展，这些问题逐步得以解决。RSS工具最重要的一个方面是它允许钻柱连续旋转，从而消除了需要定向的滑动钻进模式。当司钻需要调整井下轨迹时，RSS工具会对地面发出的指令做出瞬时响应。初期这种系统主要被用来钻大位移井，由于大位移井中导向马达的滑动钻进受到井壁摩擦阻力的限制。和以前的钻井工具相比，RSS的应用往往也会提高机械钻速并改善井眼质量（上图）。有鉴于其出色的钻井、井眼清洁和精确的地质导向能力，如今RSS已得到广泛应用。旋转导向系统的发展旋转导向系统自问世以来发生了巨大的变化。早期版本利用泥浆驱动的垫块或者扶正器来改变钻头方向—直到今天人们仍然在使用这一成功的设计理念。定向控制依赖于垫块和井壁的接触，这些工具的表现有时会受井眼扩径和井壁不光滑的影响。后期版本的设计依赖于一个弯头引起工具面的变化，从而降低了井筒环境对工具表现的影响[6]。这样就诞生了两种不同的设计理念：推靠式和指向式。推靠式RSS系统通过推靠井壁引导钻柱沿着目标方向钻进。推靠式RSS的一个版本使用偏移模块上靠近钻头放置的三个泥浆驱动的垫块推靠地层产生侧向力来改变钻头方向（下图）。若需要增加井斜时，每个泥浆驱动垫块旋转到低边位置时会伸出来推靠井壁；若要降低井斜时，每个泥浆ޔኟഗ੦዆ڇᇮೋᅎڇᇮፈཀྵฦ؜ڦۈ੷ړۈ੷ฦ؜ླ੍ྀߛՉׂ้ิڦ֨ၠ૰ࣷ๑ፈཀྵኸၠگՉฦ؜ڦۈ੷1.McMillinK：“RotarySteerableSystemsCreatingNicheinExtendedReachDrilling”，Offs