黄懿强
摘 要：【目的】为满足南海东部勘探钻井数量和完钻深度逐年增加情况下，垂直钻井和定向钻井对井眼轨迹控制高的要求，确保钻井井眼轨迹质量，解决前期定向井工具定向能力不足的问题，积极推动“一趟钻”工程。【方法】通过对非动力及动力定向井工具的技术原理和作业优缺点进行比较和分析，结合作业需求和工具特点，优选了智能推靠式旋转导向工具iCruise，该工具系统定向能力强、耐高温，坚固的机械设计和高强度材料使其可在恶劣环境中使用。【结果】优选的旋转导向工具iCruise在南海东部十余口探井进行了成功应用，不仅满足复杂结构井的精准定向要求，而且大幅度提高了效率。【结论】本研究为定向钻井作业积累了经验，也为旋转导向工具的国产化提供了建议。
关键词：定向钻井；
旋转导向；
井斜角；
推靠式
中图分类号：TE243 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2023）09-0065-04
Abstract：[Purposes] In order to meet the increasing number of exploration drilling and completion drilling depth in the eastern of South China Sea year by year， vertical drilling and directional drilling have high requirements on the control of well trajectory， ensure the quality of well trajectory， solve the problem of insufficient directional ability of directional drilling tools in the early stage， and actively promote the "one trip drilling" project. [Methods] Combining operation requirements and tool characteristics，through the comparison and analysis of the technical principles and advantages and disadvantages of non-dynamic and dynamic directional drilling tools， the intelligent push-back rotary steerable tool iCruise was selected. The tool system has strong directional capability， high temperature resistance， strong mechanical design and high strength materials for using in harsh environments. [Findings] The preferred rotary steerable tool iCruise has been successfully applied to more than 10 exploration Wells in the eastern of South China Sea， which not only meets the orientation requirements of complex structural Wells， but also greatly improves the operational efficiency. [Conclusions] This study has accumulated valuable experience for directional drilling operations and provided suggestions for the localization of rotary steering tools.
Keywords：directional drilling; rotary steerable; inclination angle; push the bit
0 引言
南海東部积极践行油气勘探开发“七年行动计划”，勘探钻井井数和完钻井深度逐年增加。2022年完钻43口探井，创历史最高水平，平均钻井深度3 735.4 m，刷新历年探井平均井深纪录，其中A井完钻井深达5 470 m，为井深最大的井。随着直探井和定向探井数量及钻井深度的增加，对定向井工具的性能提出了新的要求［1］，在作业者不断追求提速提效的情况下，不仅要求工具定向作业能力优异，而且需要具备出色的作业稳定性和智能辅助决策能力。
1 常见定向井工具
定向井工具用于井眼轨迹控制，主要包括非动力防斜打直钻具组合、螺杆马达和旋转导向工具等，海上作业中常用的定向井工具为钟摆钻具、螺杆马达和旋转导向工具。
防斜打直钻具组合主要用于直探井，控制井眼在软硬交错或高陡构造和多期构造运动叠加的地层中垂直钻进。非动力防斜打直钻具组合主要有钟摆钻具组合和刚性满眼钻具组合。在易斜地区，钟摆钻具组合是重要的防斜纠斜技术，其防斜理论较简单，如图1所示，通过钻具钟摆力G产生纠斜力GC，达到防斜打直的目的。钟摆钻具存在的主要问题是一般采用轻压吊打，影响机械钻速；
钟摆钻具可能形成螺旋形井眼或微台阶。此外，由于钻井深度的增加和钻探层位加深，直井中存在的断层与含倾角层位使得钟摆钻具难以保证轨迹保持垂直。
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图1 钟摆钻具组合纠斜原理
螺杆马达是最常用的井下动力导向钻具。马达可根据设计造斜率的要求在地面调好一定的弯角，定向时通过随钻测斜仪（MWD）提供的信号确定螺杆钻具的弯接头方向，钻具不旋转，螺杆钻具驱动钻头旋转，使钻头沿螺杆钻具弯接头弯曲方向钻进，进行滑动定向造斜，如不需要造斜或造斜率过高，可旋转钻具，不进行滑动。随着井身结构瘦化技术的推荐，使得螺杆马达钻具在长裸眼井段中的滑动变得困难，为了保证中靶常需要通过不断地长时间滑动来对轨迹进行调整，钻具长时间不旋转增加了井下安全风险，也降低了钻井时效。
旋转导向技术是目前最为先进的井眼轨迹控制技术，该技术可在旋转钻进中控制井眼轨迹，钻进时可通过钻井液压力脉冲从地面向井下工具发出指令，对井眼轨迹进行实时调整［2］。旋转导向比常规导向钻具有明显优势，旋转导向工具能更精确地控制井眼轨迹，并克服了传统井下动力导向钻具因井下摩阻大滑动困难、定向作业时效低等缺点，同时旋转导向钻进利于井眼清洁，钻出的井眼光滑且作业效率高，工程实施定向工作简单，井眼延伸钻进能力更强。
自20世纪90年代全球首款旋转导向正式商业化开始至今工具不断更迭，现如今市场上比较成熟的有中海油服Welleader，哈里伯顿Geo-Pilot、iCruise，贝克休斯，斯伦贝谢PowerDrive Orbit、Xceed。贝克休斯公司的AutoTrack系统以及斯伦贝谢公司的PowerDrive系统已迭代至第三代旋转导向系统，耐井下高温175 ℃、造斜率达（15°～17°）/30 m。2015年，中海油服通过自主攻关，打破了国外长期技术垄断，推出了旋转导向系统Welleader，在渤海油田成功进行海上作业，最小靶心距2.1m ［3］。川庆钻探公司CG Steer系统迭代至第二代，页岩气井实际造斜率10.5°／30 m（最大12°／30 m），目前已在四川页岩气、长庆页岩油和长庆致密气等地区使用数十口井次，累计进尺超3万m［4］。
按照工作原理，目前旋转导向工具可分为推靠式（Push the Bit）及指向式（Point the Bit）［5］。推靠式旋转导向钻具利用推靠方式提供钻头定向侧向力实现导向。工具结构由执行单元和控制单元两部分组成，代表工具有AutoTrack和PowerDrive。从钻具特性考虑，旋转导向工具第二稳定器离钻头方向越近，其后的钻具柔性越强，旋转钻具造斜能力越强。指向式旋转导向钻具通过为钻头提供了一个与井眼轴线不一致的倾角，产生导向作用，代表工具有Geo-Pilot，与推靠式旋转导向工具不同，它是靠不旋转外筒与旋转心轴之间的一套偏置机构使旋转心轴弯曲，从而为钻头提供了一个与井眼轴线不一致的倾角，产生导向作用。其偏置机构是一套由两个可控制的偏心圆环组合形成的偏心机构，可始终将钻头指向预定方向实现导向。指向式旋转导向工具工作原理如图2所示。指向式旋转导向钻具有导向螺杆钻具和常规钻具组合双重特点，第一稳定器位置离钻头位置越近，造斜能力越强。部分旋轉导向含有不旋转外筒部分在钻井过程中易发生托压，若井眼环境较差发生井壁垮塌等容易造成卡钻等井下事故；
另外随着井深的增加和井下时间的增加，旋转导向工具的使用寿命会不断减少，探井中需要的随钻测井工具种类繁多，参考木桶效应，若某一工具发生失效或失联，极有可能导致旋转导向无法继续工作。在钻井更深更远、提质增效的目标下使用更智能、更稳定易用的旋转导向工具成为新的需求。
2 新型智能旋转导向工具
2018年，哈里伯顿公司发布了全球首款智能推靠式旋转导向系统iCruise，该系统集成了先进的传感器、电子设备及高速处理器（包含高频工具面，近钻头井斜、方位，连续井斜、自带方位伽马及环空压力监测等），具备了400 r/min 转速和最高18°/30 m的造斜能力，结合独有的自动轨迹控制系统可实现高至L4级别的自动定向钻进。相比以往的导向系统，该系统可以在高温环境下为钻头转向提供更多的动力，在更高的井斜处，可以更好地抵抗扭转振荡和周期性弯曲，延长了钻铤的使用寿命。
iCruise工具外侧有3个活塞，每个活塞对应一个两位三通电磁阀，起到切换工具内部钻井液分流的作用，工作原理如图3所示。当需要造斜时，电磁
磁阀将工具内部钻井液与活塞内侧高压流体贯通，此时活塞外侧是较低压力的环空流体，在内外压力
差作用下推动活塞动作，使钻头产生导向力。当不需要工具造斜时，电磁阀关闭工具内钻井液与活塞内侧流体通道，此时，活塞内侧与环空液体连通，活塞的内外不存在压差，不对钻头产生导向力。
iCruise基于创新设计，具有以下特点与优势：①6个高速处理器、三刀面测量、测量速度可达1 000次/s、精确的刀具面控制、高强度材料和高强度连接；
②搭配GeoSpan地面指令发生器可实现最快1 min指令发生时间；
③工具执行指令无需停泵、停转、提离井底、改变钻井参数等，实现正常钻进过程中即执行指令；
④三组井斜方位高精度测量配合1 000 Hz工具面测量确保轨迹精准，最小井斜误差0.09°；
⑤通过Logix软件中对于误差阈值、目标井斜方位、狗腿度等设定以实现井斜、方位以及工具力度输出自动调整，减少人为干预；
⑥iCruise也可通过Logix进行自我学习及井眼轨迹向前预测，减小地层变化等参数对轨迹的影响；
⑦多组井下传感器将井下实时震动，ECD等上传至地面，利于作业者及时调整钻井参数，在保证井下安全的前提下延长井下工具作业时间、提高钻井有效能效输出；
⑧模块化设计可根据不同作业需求在车间对工具进行快速配置；
⑨通过在车间提前设置可满足与第三方随钻工具搭配，可实现无须互通的情况下完成垂钻及稳斜段钻进作业。
3 现场应用分析
自2020年哈里伯顿全新一代智能旋转导向iCruise首次成功作业后，中国在2021年就将此工具引入南海东部进行作业，至今取得了优异的成绩，为探井项目钻井作业的快速安全开辟了新的思路。
自iCruise进入南海东部探井市场至今，该系列不同尺寸工具共完成直探井及定向探井17井次、311.15 mm及215.9 mm共31井段、总进尺47 445 m、总井下时间5 030 h、总纯钻时间1 702 h、平均机械钻速27.87 m/h，iCruise入井成功率100%，单趟钻最长进尺2 795 m，最高机械钻速91.5 m/h。iCruise以其稳定的作业表现及长井下作业时间将以往单尺寸井段至少需要2趟钻的作业理念缩短为1趟钻，极大减少了钻进时间，提高了钻井时效。
3.1 iCruise结合Logix智能精准轨迹控制
现如今的探井作业中，由于地层因素制约，井眼轨迹必须穿过断层或需钻穿不同层位不同位置的靶点，在保证中靶的同时减少轨迹调整利于后续电测及完井作业，进一步提高作业效率。
在南海东部某直探井作业中使用iCruise进行垂钻作业，单趟钻进尺2 190 m，提前2 d完钻，机械钻速对比临井提高50%，仅利用一个指令工具通过自我钻进控制完成直井段井斜控制在0.1°以内。
多传感器及高速工具面测量引领iCruise精确有效定向，高造斜率减少了浅层软地层造斜控时的情况，在保证轨迹质量的情况下再次提速。在某定向探井311.15 mm井段作业前，哈里伯顿技术支持及工程师提前对地层情况进行分析、对工具进行配置，在浅层定向造斜施工中采用大排量快速钻进。该井平均机械钻速接近100 m/h，最大“狗腿”输出能力达到4°/30 m，平均机械钻速及“狗腿”输出能力均能达到临井其他全旋转推靠式旋转导向工具的2倍，极大提高时效的同时，又保证了作业质量。
3.2 后续应用分析
随着惠州26-6油气田在南海东部海域古潜山新领域获得的重大勘探突破，一举打破了南海东部海域在潜山领域40余年无商业发现的历史，开启了古潜山、古近系“双古”立体勘探新局面，展示出该领域巨大的勘探前景，为南海东部油田找到了储量接替的新方向。
随着钻进加深，地层可钻性差，如何降低井下震动传递有效钻井能量来加速破岩快速钻进成为“探山”的一大难关。目前，可行的方案有使用马达提高底部钻具转速以避开共振临界转速，同时搭配井下扭冲工具进一步提高破岩效率。由于iCruise自帶涡轮发电机且能按照预定设置进行巡航钻进，无须与上部随钻工具连通即可完成稳斜钻进，即iCruise与LWD间使用常规马达成了降本提速的突破口，iCruise最高转速为400 r/min，在钻机的承受范围内提高顶驱转速，增加排量带动底部钻具、马达及钻头的转速，能有效降低震动，使钻压更高效地传递至井底破岩。同时iCruise也可适配扭冲工具达到提高机械钻速的目的，iCruise搭配常规马达、提速工具已在国内陆地与其他海域施工中得到了应用与验证。
4 结论及建议
旋转导向技术在钻探作业中的比重逐渐加大，是实现钻井井眼轨迹精准控制的重要手段。随着油气勘探钻井难度的增加，旋转导向工具也有了长足的发展和进步，定向能力更强，耐温更高，随钻测量及数据反馈也更加丰富和智能化，智能旋转导向iCruise即是其中的代表。发展和完善国产化旋转导向系统已经成为行业技术发展的重中之重。
虽然国内的旋转导向技术近几年取得了重大进展，但与国外成熟技术仍存在一定差距。未来应加大研究力度，密切关注先进旋转导向技术发展，持续研发、优化和维护具有自主知识产权的创新技术，针对现存的核心技术难题进行重点攻关，大力推动国产化旋转导向技术在油田现场的大规模应用。
参考文献：
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