第四章、地质导向钻井技术的发展
随着油田勘探、开发技术的不断发展和进步，钻井技术也面临着新的挑战，主要表现为工作难度不断增加、经济压力越来越大、环保法规越来越严。为了满足生产的需要，钻井技术也需要不断的发展。
根据资料显示，全世界钻井工业的平均井深一直在增加，说明世界石油工业已开始加强深层油气藏的勘探开发。同时，由于勘探出的具有商业开发价值的新油藏日趋减少，老油区剩余油气资源、边远油气资源的开发越来越引起人们的重视，由此使特殊工艺井钻井技术在油气田勘探开发中的重要作用越来越明显，如为了节约成本和提高采收率，海洋钻井和在陆地上开发滩海油田用到大位移技术、水平井钻井技术，开采剩余油需要套管开窗侧钻技术，开采多层状油层需要多底井和分支井钻井技术，为有效保护油气藏而采取的连续油管钻井技术等。与其它钻井技术相比，特殊工艺井钻井技术采用新技术、新工艺，大大提高钻井速度、缩短钻井周期、降低钻井成本，具有其它钻井技术无法代替的优越性。
随着油藏开发的不断深入和钻井技术的不断发展,未来的钻井工业必定会走多元化发展的道路。同时，不论钻井工业如何发展，地质导向钻井技术作为整个钻井技术的核心基础，一定会溶入其它钻井技术，并和其它钻井技术一起，共同推进钻井工业的发展。
第一节 钻井技术的发展
一、旋转导向钻井技术
地质导向钻井技术在高效开发油藏方面具有极大的优势，但是它也有自身的不足，那就是在必要的时候该钻井技术仍然需要采用弯壳体马达滑动钻进，这样会造成轨迹过度扭曲。同时，滑动钻进不利于井眼清洁和有效克服摩阻，轨迹控制难度增加，井眼轨迹在达到一定的程度后难以继续向前延伸，使地质导向仪器在大位移井、深水平井或复杂多侧向井、超长水平段水平井中的应用受到限制。
旋转导向钻井技术就是为了克服上述缺陷而产生的，其目的就是为了取消滑动钻进工作方式、使钻具在旋转钻进的同时，实现轨迹的控制，在有效克服地质导向钻井技术的一些缺陷、提高油藏开发的整体效益、有效避免钻井风险方面有重要意义。
166
常规技术区域
高新技术区域
国外大位移水平井垂深、位移分布图
旋转导向钻井技术通过井下旋转导向工具实现轨迹的控制和钻进施工，采用MWD实现轨迹几何导向，采用LWD实现轨迹地质导向。
1、旋转导向钻井技术现状
旋转导向钻井技术作为一门新兴的钻井技术，普遍受到人们的关注，世界上多家具有相当实力的钻井服务公司研究、开发这一项目，如SPERRY-SUN公司、BAKER-HUGHES INTEQ公司、SCHLUMBERGER公司、CAMCO钻井服务公司、CAMBRIDGE钻井自动化公司等，但其中有获得商业性成功的只有SPERRY-SUN公司的GEO-PILOT旋转导向钻井系统、BAKER-HUGHES INTEQ公司的AUTO-TRACK 旋转导向钻井系统和SCHLUMBERGER公司的POWERDRIVE旋转导向钻井系统。
SCHLUMBERGER公司的POWERDRIVE旋转导向钻井系统于1996年问世，曾获英国国家设计局授予的“世纪产品”奖章。POWERDRIVE旋转导向钻井系统自从问世以来，在大位移定向井、水平井及超深水平井、分枝井的施工中获得成功的应用。在Wytch Farm油田M17大位移定向井施工过程中，在8-1/2”井眼中采用传统的动力钻具控制轨迹的方式施工根本上是实现不了的。采用SCHLEMBERGER公司的Powerdrive旋转导向钻井系统施工，44天钻进了2219m的水平段，比设计的49天钻进1691m效果要理想的多。采用连续旋转导向钻进的方式，克服了钻进过程中的高摩阻、高扭矩，改善了井眼的清洗效果，使该井井深最终达到10.1 km，创造了一个钻井史上的奇迹。
Powerdrive在英国北海油田、挪威北海油田、中国南海油田等十几个国家和地区获得广泛应用。
BAKER-HUGHES INTEQ公司的AutoTrak旋转导向钻井系统自从1997年问世以来，到2001年7月31日为止，利用该系统在15个国家、575口井中应用，累计工作时间超过70000小时，累计进尺超过1000000米，节约钻井投资超过30亿美元，在减少钻井投资、减少油田开发平台和井眼数量、增加油田产量等方面取得了良好的效果。最近在Alaska为Phillips公司服务过程中，利用6-3/4\旋转导向钻井系统一趟钻进尺达到3896m，累计钻进时间120小时，平均机械钻速达32.31米/小时,创该系统单趟钻进尺最多、平均机械钻速最快两项世界记录。此外，在BP Miller油田施工过程中，循环时间达到了286.2小时，纯钻进时间达到了241.7小时，创单趟钻最长工作时间纪录。在Chevron Alba油田 A37井施工过程中，单趟钻进尺达4037.08米，创单趟钻钻进进尺最长纪录。Norsk Hydro Troll油田 P-14井施工过程中，水平段长达3104.08米，创水平段最长纪录。在Shell Mississippi Canyon油田809 A-6ST2井施工过程中，水平段垂深达3383.13米，创水平段垂深最深纪录。 SPERRY-SUN公司的GEO-PILOT旋转导向钻井系统也自从1997年投入商业性应用以来，在挪威、加拿大、阿拉斯加、墨西哥海湾等国家和地区成功应用并且获得了良好的效果。 目前，旋转导向钻井系统在世界上被广泛应用于大位移延伸井、水平井、深井、超深井施工。我国现在正在开发研制旋转导向井下工具，预计可望在2003年投入使用。
2、旋转导向钻井技术工作原理
旋转导向钻井技术主要是利用井下旋转导向工具在钻具底部控制钻具轴线产生一个偏心效果、从而给钻头施加一个侧向力来实现轨迹的旋转控制的。
α A
B
C
Fh
Fc F 图5-1 旋转导向钻井钻头受力分析示意图
167
图5-1是钻具在井下产生偏心时的受力分析。下部钻具ABC在不受外力的作用下是一条直线，这时施加给钻具的钻压（设为F）全部加在钻头上。当在B点因偏心装置的作用使钻具产生一个弯曲时，施加给钻头的钻压分解为沿钻具轴向的力Fh和垂直于井壁的侧向力Fc。Fh控制钻头沿钻具轴线方向行进，Fc控制钻头沿侧向方向行进。
其中：Fh = F*COS（α）
FC = F*SIN（α）
α为钻具因弯曲而产生轴线间的夹角。
当偏心装置在井下处于不同的位置时，钻头受到的侧向力方向就不同。通过偏心控制装置可以将偏心装置摆放在任一位置，侧向力也可控制在井眼垂直剖面360°范围内的任一方向，从而实现轨迹全方位的控制。
3、 旋转导向钻井工具
根据旋转导向工具实现钻具偏心的机理的不同，目前人们将旋转导向工具分为两种，既 不随钻柱旋转的静态调节式旋转导向工具和随钻具旋转的动态调节式旋转导向工具。
动态可调式旋转导向工具 动态可调式旋转导向工具钻具在转动过程中，控制可调偏心稳定器翼片在一固定的方向轮流伸出，从而给钻头施加一个与翼片伸出方向相反的侧向力，实现旋转导向功能。这种旋转导向工具由于必须需要钻具转动稳定器翼片才能伸出，故称为动态可调式旋转导向工具。
动态调节式旋转导向工具的工作机理可以理解为：动态调节式旋转导向工具受导向控制装置的控制。当导向控制装置控制导向钻具处于导向工作状态时，调整导向轴的方向，使导向钻具处于需要的工作位置。施工时，导向轴控制高压流体进入高压腔，由高压流体为翼片的伸出提供动力、控制阀控制翼片的伸缩，相当于给钻具施加了一个侧向力，从而完成旋转导向钻进的任务。当导向控制装置控制导向钻具不处于导向工作状态时，翼片不运动，井下钻具组合以其自然的工作状态工作。
动态调节式旋转导向工具的施工效果是在钻具的转动过程中实现的。如果钻具不运动，则不能实现导向钻进。
静态可调式旋转导向工具
旋转导向工具的偏心稳定器固定不动，但可调整其固定方向。钻具转动过程中，由于可调偏心稳定器在一固定的方向，从而给钻头施加一个固定的侧向力，实现旋转导向功能。钻具不动偏心稳定器翼片就已伸出，可以控制偏心稳定器的方向，故称为静态可调式旋转导向工具。
和动态调节式旋转导向工具工作原理不同，静态调节式旋转导向工具是利用可调偏心扶正器来实现的。可调偏心扶正器是一个可以在地面控制其伸缩及其伸缩量的偏心扶正器，其扶正器偏心块在钻具转动过程中，和井壁保持相对稳定。
其工作机理是：在地面通过开泵或加压等手段，调整可调偏心扶正器各个伸出块的伸出量，进而改变偏心扶正器的偏心距大小和偏心方位角，从而改变井下钻具组合的轴向偏小心，使钻头上的造斜力和方位调整力的符合轨迹调整的需要，进而达到导向钻进的目的。当不需要导向钻进时，可调偏心扶正器各个伸出块缩回，井下钻具组合以其自然的工作状态工作。
SPERRY-SUN公司的GEO-PILOT旋转导向钻井系统简介
SPERRY-SUN公司的GEO-PILOT旋转导向钻井系统是和日本国家石油有限公司联合研制成功的。该系统主要是利用钻具便心弯曲时在钻头上施加的侧向力来实现旋转导向的，其工作原理示意图如图5-3所示。图中，在靠近钻头的地方安装一个稳定器,使近钻头钻具居中，在近钻头稳定器上方安装一个偏心稳定器，使钻具产生一个偏心效果。这样就使钻头产生了一个侧向力。偏心控制装置控制偏心稳定器的偏心方向，其方向由测角装置测出，由地面或井底工具进行控制。偏心方向不同，钻头受到的侧向力不同，转动钻具就可实现旋转导向。
168
图5-3 GEO-PILOT工作原理示意图
GEO-PILOT旋转导向系统的实际构造主要由旋转导向部分、电子和传感器部分、涡轮发电部分组成的。旋转导向部分实现轨迹的导向控制，电子和传感器部分实现旋转导向工具状态的检测和控制，涡轮发电机为系统的工作提供足够的电能，如图5-4所示。
图5-4 GEO-PILOT 构造示意图 旋转导向部分由万向轴及带偏心稳定器的非旋转外壳（相对于井壁）共同组成。万向轴在和钻具一起旋转的同时，向钻头传递扭矩和钻压。同时，由于非旋转外壳带有偏心稳定器，因而使万向轴轴线与钻头轴线保持一定的偏角。非旋转外壳只是相对而言的，实际上它也是一个可以旋转的外壳，由涡轮发电机提供动力，旋转速度可以通过地面向井底的通讯来控制，其方向与钻具旋转的方向相反。当需要调整轨迹时，控制该外壳的旋转速度与钻具一致，但由于其旋转方向与钻具转动的方向相反，从而使该外壳相对于井壁来说是相对不动的，也就使偏心稳定器偏心方向相对于井壁保持不动，最终实现钻头的偏心方向不变，从而达到轨迹控制的目的。当轨迹不需要大量调整时，控制非旋转外壳的旋转速度，使之与钻具的旋转速度不一致，就可达到轨迹稳定钻进的目的。
电子和传感器部分是检测和控制导向工具状态的核心。一方面传感器不断检测导向工具的工具面位置（导向工具的方向位置），另一方面，该部分还根据设计的工具面数据，对导向工具在钻进过程中产生的偏移进行补偿，使导向工具的偏心稳定块始终处于稳定的位置。 GEO-PILOT旋转导向系统地面与井下工具间的通讯是通过改变泥浆的排量来实现的。由于改变泥浆的排量不需要停止钻具，因而可以在不影响钻井的条件下实现工具位置的改变，实现快速钻进。
GEO-PILOT旋转导向系统通过改变造斜段/稳斜段钻进的时间（井段）来实现全井轨迹的控制，同时该系统的导向趋势还可以随地层和钻井参数的改变而改变。
GEO-PILOT旋转导向系统可与SPERRY-SUN公司的INSITE系统和MWD/LWD组合施工，实现实时几何导向和地质导向。
169
图5-5是GEO-PILOT旋转导向系统的整体结构图，表5-1是该系统的主要技术参数。 图5-5 GEO-PILOT旋转导向系统整体结构图 表5-1 GEO-PILOT旋转导向系统主要技术参数
系统本体外径 系统最大外径 系统长度 扣型 上部 下部 上扣扭矩 6 3/4 in (171 mm) 7 5/8 in (194 mm) 20.00 ft (6.1 m) 29.2 ft (8.9 m) 带柔性接头 4 1/2 in IF box 4 1/2 in REG (box or pin) 30,000 ft-lb 5° 5°/100 ft (30 m) 10°/100 ft 20,000 ft-lb (27,115 Nm) 250 RPM 10,000 lb (4,545 kg) 55,000 lb (25,000 kg) 水基、油基、混合基 2% 67 psi @ 350 gpm 40 lb/bbl med nut plug 302°F (150°C) 75,000 lb (34,015 kg) Pumps and rotary MWD/LWD INSITE?系统 ±0.1 @ 2σ, 0-180° 56.8 ft (17.3 m) 45.2 ft (13.8 m) 45.2 ft (13.8 m) 38.3 ft (13.8 m) 3.0 ft (0.9 m) 锂电池 随钻施工200小时以上 最小造斜角度 设计造斜率 最大狗腿度 偏心轴最大扭矩 允许最大转速 允许最大排量 允许最大钻压 泥浆类型 允许最大含砂量 清水中产生的压降 允许最大LCM含量 最高工作温度 允许上提最大拉力 工具连接 下部 上部 地面软件 井斜测量精度及范围 测量点至钻头距离 测点至钻头DDS测量点至钻头距离 距离 EWR测量点至钻头距离 ABI测量点至钻头距离 供电类型 最长连续运行时间 DGR测量点至钻头距离 BAKER-HUGHES INTEQ公司的AutoTrak RCLS旋转导向钻井系统简介
AutoTrak RCLS旋转导向钻井系统是由BAKER-HUGHES INTEQ公司和Agip 公司联合研制
170