石油鉆井應(yīng)用旋沖鉆進(jìn)技術(shù)的可行性探索

尚東鋒

摘 要：近十幾年來(lái)，水平井、大位移井、多分支井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井和“海油陸采”的迅速發(fā)展。為了節(jié)約開(kāi)發(fā)成本和提高石油產(chǎn)量，對(duì)那些受地理位置限制或開(kāi)發(fā)后期的油田，通常通過(guò)開(kāi)發(fā)深井、超深井、大位移井和長(zhǎng)距離水平井來(lái)實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而造成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的井不斷增多。因此，本文對(duì)石油鉆井應(yīng)用旋沖鉆進(jìn)技術(shù)的可行性探索分析，提出了一些作者自己的意見(jiàn)和看法。

關(guān)鍵詞：石油鉆井；旋沖鉆進(jìn)技術(shù)；可行性探索

1 旋沖鉆井技術(shù)原理

旋沖鉆井原理是在普通旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的基礎(chǔ)上，在鉆頭上部安裝一個(gè)液動(dòng)沖擊器，將鉆井液壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l沖擊能，使鉆頭在一定鉆壓下隨鉆柱旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，受到?jīng)_擊器高頻沖擊力的作用，在旋轉(zhuǎn)和沖擊共同作用下破碎巖石，提高破巖效率。旋沖鉆井技術(shù)是一項(xiàng)全新的鉆井技術(shù)，其全新的思路、良好的性能將有助于把深井鉆井技術(shù)提高到一個(gè)新高度，石油旋沖鉆井技術(shù)發(fā)展前景廣闊。

2 旋轉(zhuǎn)自動(dòng)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)組成

2.1 地面監(jiān)控系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的地面監(jiān)控系統(tǒng)包括信號(hào)接收和傳輸子系統(tǒng)及地面計(jì)算存儲(chǔ)分析模擬系統(tǒng)，有的還具有智能決策支持系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的主要功能通過(guò)閉環(huán)信息流監(jiān)視并隨鉆調(diào)控井身軌跡，其關(guān)鍵技術(shù)是從地面發(fā)送到井下的下行控制指令系統(tǒng)。

2.2 地面與井下雙向傳輸通訊系統(tǒng)

目前已提出的信號(hào)傳輸方式有4種，即鉆井液脈沖、絕緣導(dǎo)線(xiàn)、電磁波和聲波。通過(guò)比較分析，筆者發(fā)現(xiàn)這4種傳輸方式各有優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用局限，如表1所示。

2.3 井下旋轉(zhuǎn)自動(dòng)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)

井下旋轉(zhuǎn)自動(dòng)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)是旋轉(zhuǎn)自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)的核心，它主要由3部分構(gòu)成，即測(cè)量系統(tǒng)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、CPU和控制系統(tǒng)。

2.3.1 測(cè)量系統(tǒng)

測(cè)量系統(tǒng)主要用于監(jiān)測(cè)井眼軌跡的井斜、方位及地層情況等基本參數(shù)，使鉆井過(guò)程中井下地質(zhì)參數(shù)、鉆井參數(shù)和井眼參數(shù)能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量、傳輸、分析和控制。它經(jīng)歷了隨鉆測(cè)量（MWD）、隨鉆測(cè)井（LWD）、隨鉆地震（SWD）、隨鉆地層評(píng)價(jià)測(cè)試技術(shù)（FEMWD）和地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)（GST）幾個(gè)階段。

2.3.2 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

導(dǎo)向機(jī)構(gòu)代表了目前導(dǎo)向技術(shù)的先進(jìn)水平。按原理不同，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)原理可分為：

2.3.2.1 導(dǎo)向力原理。推力式（或稱(chēng)偏置式）旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具和指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具。推力式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具是通過(guò)側(cè)向力推靠鉆頭來(lái)改變鉆頭的井斜和方位。而指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具是預(yù)先定向給鉆頭一個(gè)角位移，通過(guò)為鉆頭提供一個(gè)與井眼軸線(xiàn)不一致的傾角來(lái)使鉆頭定向造斜。

2.3.2.2 控制原理。可變徑穩(wěn)定器式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具和調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具。前者是先通過(guò)電磁閥調(diào)節(jié)在伸縮塊上的液壓，以使導(dǎo)向力矢量滿(mǎn)足所需導(dǎo)向目標(biāo)；再通過(guò)定向控制系統(tǒng)進(jìn)行方位與井斜的控制。而后者是通過(guò)調(diào)節(jié)渦輪發(fā)電機(jī)負(fù)載電流改變渦輪發(fā)電機(jī)繞組回路阻抗，以使攜帶高強(qiáng)度永磁鐵的渦輪葉片與穩(wěn)定平臺(tái)內(nèi)的扭矩線(xiàn)圈耦合產(chǎn)生不同的電磁轉(zhuǎn)矩和加速度，進(jìn)而使旋轉(zhuǎn)換向閥保持一個(gè)相對(duì)于井壁的固定角度，即工具面角，最終實(shí)現(xiàn)控制軸在受控狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變。

3 石油鉆井中旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的核心，決定了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的工作特色和工作能力。

3.1 典型井下閉環(huán)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具

3.1.1 MRST的組成及工作原理

調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具（MRST）屬于推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具。由于其鉆柱與井壁之間不存在靜止點(diǎn)，因此，在鉆井過(guò)程中更可體現(xiàn)旋轉(zhuǎn)鉆井的優(yōu)越性。調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)導(dǎo)向力的大小和方向主要是由穩(wěn)定平臺(tái)控制的。

當(dāng)需要最大導(dǎo)向力時(shí)，穩(wěn)定平臺(tái)控制軸就帶動(dòng)上盤(pán)閥旋轉(zhuǎn)，使上盤(pán)閥穩(wěn)定在預(yù)定方向，控制上盤(pán)閥高壓孔方向恒定。在鉆柱旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，每個(gè)“巴掌”依次在該方向附近伸出拍打井壁，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)對(duì)井壁的作用力就是這些拍打力的合力。這個(gè)合力的反力就是鉆柱受到的導(dǎo)向力，方向沿著上盤(pán)閥預(yù)定方向的反方向。當(dāng)不需要導(dǎo)向時(shí)，穩(wěn)定平臺(tái)帶動(dòng)上盤(pán)閥以和鉆柱具有不同的某一轉(zhuǎn)速勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)“巴掌”均勻拍打井壁四周，導(dǎo)向工具可控制的液壓導(dǎo)向力的合力就等于零，此時(shí)導(dǎo)向工具呈中性工作狀態(tài)，達(dá)到穩(wěn)斜效果。MRST液壓控制閥采用上、下盤(pán)閥結(jié)構(gòu)，上盤(pán)閥與穩(wěn)定平臺(tái)控制軸相連接，它只有一個(gè)弧形長(zhǎng)孔形狀的高壓閥孔。下盤(pán)閥與鉆柱本體連接，隨MRST外殼及鉆柱一起旋轉(zhuǎn)，它有3個(gè)互成120°圓心角的等直徑低壓孔（泄流孔）。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了發(fā)揮旋沖鉆井技術(shù)加快深部復(fù)雜地層鉆井速度的優(yōu)勢(shì)，降低鉆井成本，提高井身質(zhì)量，有必要對(duì)石油鉆井中旋沖鉆井技術(shù)進(jìn)行深入研究，研制與旋沖鉆井相匹配的鉆頭，開(kāi)發(fā)沖擊器井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，建立旋沖鉆井模擬試驗(yàn)裝置，形成成熟的旋沖鉆井工藝。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄧元洲.旋沖鉆進(jìn)技術(shù)在石油鉆井中應(yīng)用的可行性研究與探索[J].化工管理，2016（17）.