PowerDrive Archer+VorteX旋轉(zhuǎn)導向技術(shù)在頁巖氣開發(fā)中的應(yīng)用

霍陽

中石油渤海鉆探工程有限公司，天津 300280

朱艷

中石油大港油田分公司第四采油廠儲氣庫公司，天津 300280

魏凱，宋波凱

長江大學石油工程學院，湖北 武漢 430100

1 PowerDrive Archer系統(tǒng)

1.1 PowerDrive Archer系統(tǒng)工作原理

圖1 Archer高造斜率旋轉(zhuǎn)導向工具

斯倫貝謝公司新一代高造斜率旋轉(zhuǎn)導向PowerDrive Archer(以下簡稱Archer)系統(tǒng)是一種混合了傳統(tǒng)推靠式和指向式的旋轉(zhuǎn)導向工具(見圖1)，可在全旋轉(zhuǎn)模式下實現(xiàn)高造斜率安全鉆進[1]。工具主要由導向組塊(BU)和控制組塊(CU)組成，工具自身狀態(tài)信息通過C-Link無線電磁波模式傳至CLPS信號傳輸器，CLPS接受到信號后與隨鉆測量工具SlimPluse MWD連接，將工具信息轉(zhuǎn)化為脈沖信號上傳至地面接收裝置(壓力傳感器)后，由地面計算機進行識別[2]。鉆進中，旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)執(zhí)行地面指令并將CU單元測得的近鉆頭數(shù)據(jù)(含井斜角、方位角、方位伽馬和系統(tǒng)工作模式代碼等數(shù)據(jù))通過C-Link途徑傳遞給動力總成以上的MWD儀器，再由MWD儀器實時傳至地面處理儀器；當需要進行井眼軌跡調(diào)整時，由地面下達旋轉(zhuǎn)導向?qū)Ｓ弥噶?，實現(xiàn)增降斜、方位調(diào)整等軌跡控制措施。同時指令發(fā)送成功后，系統(tǒng)會通過C-Link發(fā)送一個代碼給MWD，用以確認指令正確[3]。Archer控制組塊與PowerDriveX6型旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本相同，其上部旋轉(zhuǎn)控制閥保持不動，鉆井液通過推動4個內(nèi)部推靠塊，進而推動導向扶正套內(nèi)壁使鉆頭發(fā)生軸向偏移，鉆頭指向施工要求的工具面(見圖1)，4個推靠塊利用泥漿泵排量的3%作為自身推靠的動力。與PowerDriveX6(以下簡稱X6)系統(tǒng)不同的是Archer推靠塊置于工具內(nèi)部，而非推靠井壁，不會受井下惡劣條件的影響，有助于延長工具的使用壽命。同時，為了實現(xiàn)更高的造斜率，可以選擇0.6～1.0°不同尺寸的調(diào)節(jié)環(huán)來控制鉆頭指向的偏移量，達到不同程度的造斜率[4]。

1.2 技術(shù)優(yōu)勢

Archer高造斜率旋轉(zhuǎn)導向在實鉆過程中有著很多優(yōu)勢[5]。

1)增大儲層接觸面積。高造斜率旋轉(zhuǎn)導向工具配合特殊設(shè)計的SmithMDI516鉆頭可實現(xiàn)高達15°/30m的造斜率，能以最小的曲率半徑進入儲層，從而在有限的鉆井井深中獲得更長的水平段和更大的儲層接觸面積，有助于提高產(chǎn)量[6]。

2)精確的井眼軌跡控制。高造斜率旋轉(zhuǎn)導向工具帶有近鉆頭井斜、方位、伽馬等地質(zhì)參數(shù)測量，其測量盲區(qū)僅有2.5m[7]。在頁巖氣“甜區(qū)”的鉆進過程中可以方便地質(zhì)導向?qū)＜乙罁?jù)實時地層數(shù)據(jù)控制鉆頭始終保持在優(yōu)質(zhì)頁巖地層中精確鉆進。

3)完善的井下檢測。工具自帶鉆頭轉(zhuǎn)速、井下震動、鉆具疲勞、工具狀態(tài)等參數(shù)的監(jiān)測，方便工程師實時對井下工具的狀態(tài)、黏滑指數(shù)等進行判斷；及時在工具出現(xiàn)故障之前進行預(yù)判，降低因井下工具損壞而造成井下事故的發(fā)生概率[8]。

4)豐富的指令發(fā)送方式。與以往單純的通過泵排量發(fā)送作業(yè)指令不同，Archer可通過頂驅(qū)(或轉(zhuǎn)盤)、泵排量、地面Downlink設(shè)備發(fā)送作業(yè)指令，并且指令有6min和12min 2種模式。當一種發(fā)送指令的傳感器損壞時可以依靠其他正常的傳感器繼續(xù)作業(yè)，可適應(yīng)機械鉆機、電動鉆機等不同的施工環(huán)境。

5)提高鉆井作業(yè)效率。高造斜率旋轉(zhuǎn)導向工具可實現(xiàn)一次完成垂直段、造斜段和水平段的鉆進，減少了起下鉆操作和滑動鉆進，加之設(shè)備本身設(shè)計巧妙，內(nèi)置推靠塊降低了設(shè)備磨損，增加了耐用性，節(jié)約了起下鉆時間[9]。常規(guī)螺桿鉆具鉆出的井眼屈曲度大、井壁粗糙，容易形成鋸齒形井眼，增加后期作業(yè)風險。

2 VorteX系統(tǒng)

2.1 工具結(jié)構(gòu)

VorteX型動力導向鉆井系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)、大扭矩井下動力總成、Filter+Flex總成等組成(圖2)。其中，動力總成是一種可靠性高、功率大的直螺桿鉆具，其動力由泵排量提供，可在井下產(chǎn)生額外動力帶動前段旋轉(zhuǎn)導向及鉆頭高速轉(zhuǎn)動并輸出能量；旋轉(zhuǎn)導向工具主要負責鉆具的全程旋轉(zhuǎn)和接收，執(zhí)行地面發(fā)出的指令，從而進行井眼軌跡調(diào)整。信號傳輸方面，通過C-Link途徑和鉆井液脈沖構(gòu)成信號雙向傳導，成為統(tǒng)一整體[10]。

2.2 技術(shù)優(yōu)勢

VorteX型動力導向鉆井系統(tǒng)結(jié)合了螺桿和旋轉(zhuǎn)導向2種鉆具的優(yōu)點，其優(yōu)勢在于將旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)和大扭矩井下螺桿鉆具進行結(jié)合，通過增加額外的井下動力，達到提高機械鉆速和擴大鉆機適應(yīng)性的目的。該系統(tǒng)利用螺桿鉆具的高轉(zhuǎn)速和高扭矩輸出實現(xiàn)快速鉆進，同時利用Archer旋轉(zhuǎn)導向技術(shù)控制井眼軌跡，實現(xiàn)高造斜率準確鉆進[11]。

1)加快機械鉆速。動力導向鉆井系統(tǒng)配備的高扭矩螺桿鉆具，可將鉆井液水力動能轉(zhuǎn)換為機械能，帶動鉆頭高速旋轉(zhuǎn)；在頂驅(qū)或轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)配合下，顯著提高了鉆頭轉(zhuǎn)速，使其達200r/min以上，加強了鉆壓傳遞的有效性，機械鉆速明顯提高[12]。此外，特殊合金制作的軸承和傳輸系統(tǒng)，以及等壁厚螺桿注橡膠技術(shù)等可使該系統(tǒng)承受更大的操作載荷、輸出更大扭矩，能確保安全地帶動旋轉(zhuǎn)導向和鉆頭，增大單趟進尺及機械鉆速。

圖2 VorteX型動力導向鉆井系統(tǒng)構(gòu)成

2)降低鉆機載荷。VorteX型附加動力旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)使底部動力大幅度提高，對鉆柱轉(zhuǎn)速及鉆機負荷的要求也隨之降低，頂驅(qū)或轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速可由120r/min降至60r/min，降低了對鉆機設(shè)備的要求；同時，由于上部鉆具轉(zhuǎn)速降低，可大大緩解上部套管的磨損狀況，保障了井下安全[13]。

3 設(shè)備工作參數(shù)

VorteX附加動力旋轉(zhuǎn)導向使用的直螺桿鉆具，為斯倫貝謝配套的Dyna drill 675783.4DTX螺桿鉆具。該鉆具為本體外徑171.5mm，馬達總成結(jié)構(gòu)為7/8頭，3.4級等壁厚的螺桿鉆具。為了適應(yīng)VorteX系統(tǒng)大扭矩、高負荷等特點，在驅(qū)動頭、傳動軸部分采用合金材料加工，確保在高轉(zhuǎn)速、高扭矩條件下工具的穩(wěn)定性及安全性。該螺桿鉆具可在油基鉆井液或水基鉆井液環(huán)境中使用，適用排量19～41L/s，并配備螺桿防掉裝置，最高可耐溫度150℃，最大輸出扭矩18500N·m，最高轉(zhuǎn)速175r/min。為了配套Archer工具高造斜率的要求，該螺桿可承受高彎矩，最大通過度為18°/30m。

VorteX井下動力實際輸出效果與鉆井泥漿泵排量有關(guān)，在設(shè)備要求的排量范圍內(nèi)，排量越大，鉆頭鉆速越高，扭矩越大。當排量為41L/s、井底壓力為80MPa時，鉆頭鉆速可達到150r/min，輸出扭矩為16500N·m，而當排量為30L/s、井底壓力為80MPa時，鉆頭鉆速僅為100r/min，輸出扭矩為11000N·m。所以，為了最大限度地實現(xiàn)附加動力旋轉(zhuǎn)導向效果，應(yīng)在鉆井機泵條件允許的情況下，在工具使用的排量范圍內(nèi)實現(xiàn)最大排量的鉆進。

表1是Archer+VorteX系統(tǒng)、Archer系統(tǒng)、普通螺桿鉆具使用參數(shù)。從表1中可以看出，Archer+VorteX與單獨使用Archer均需要使用專門設(shè)計的MDi516鉆頭，而常規(guī)螺桿鉆具則不限制鉆頭型號；3種造斜工具均可實現(xiàn)較高的造斜率，并可在各類型鉆井液中使用；最大工作溫度均可達到150°C。Archer工具受泥漿泵排量的影響更小，在排量為14.5L/s時即可驅(qū)動使用，其他2種設(shè)備排量則需達到19L/s。Archer+VorteX工具由于在Archer工具上增加了附加動力螺桿，造成該套設(shè)備施工時循環(huán)壓耗達到10MPa，循環(huán)壓耗更高，在鉆井作業(yè)后期對循環(huán)系統(tǒng)的要求比較高。

表1 Archer+VorteX、Archer、普通螺桿使用參數(shù)對比表

4 現(xiàn)場應(yīng)用情況

4.1 試驗平臺概況

長寧某平臺部署2排共6口龍馬溪組頁巖氣專層水平井，該平臺造斜點井眼尺寸215.9mm，造斜點井深在2700～2800m之間，目的層位龍馬溪組。該平臺軌跡特點為：①高造斜率。造斜扭方位段造斜率為6～9°/30m，較高的造斜率可有效減少靶前位移，增加實際水平段長度；②扭方位工作量大。為保證達到400m左右水平井巷道的距離，多數(shù)井在井斜70～80°處扭50～110°方位，工作量大；③水平段較長。該水平段長為1500～1900m，施工難度大，常規(guī)螺桿鉆具施工脫壓嚴重，調(diào)整軌跡困難[14]。介于以上特點，在該平臺試驗使用Archer+VorteX附加動力高造斜率旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)。

4.2 下井情況簡介

為了保證施工過程有參考意義，平臺所有使用旋轉(zhuǎn)導向工具井段均采用斯倫貝謝公司推薦使用的史密斯MDi516型鉆頭。該型鉆頭通過IDEAS軟件仿真模擬，根據(jù)每口井的軌跡、鉆具組合、鉆頭輪廓及巖性對鉆頭的工作進行模擬仿真(圖3)，得到鉆頭設(shè)計，甚至鉆具組合的黏滑現(xiàn)象、振動趨勢，進而判斷出不同鉆頭設(shè)計的造斜率趨勢。該PDC鉆頭采用5刀翼設(shè)計，面部切削齒16mm，保徑切削齒16mm，側(cè)面切削齒13mm，同時針對高造斜率工具采用Archer Gauge旋轉(zhuǎn)導向特殊熱穩(wěn)定聚晶金剛石齒保徑設(shè)計，在刀翼上部布有PDC復(fù)合片倒劃眼齒[15]。

圖3 史密斯公司MDi516型鉆頭示意圖

4.3 施工對比

為保證試驗結(jié)果具有對比性，選取使用附加動力螺桿的3#井作為標準井，未使用附加動力系統(tǒng)的5#、6#井作為參照井，由于對比井所鉆層位相同，配套鉆頭相同，使用鉆機相同，所以試驗具有一定的參考意義。

使用井段：2815.00～3504.71m；層位和巖性：龍馬溪組，灰質(zhì)泥巖、黑色頁巖。

鉆具組合：?215.9mmPDC 鉆頭+?171mm旋轉(zhuǎn)導向_Archer(0.8控制環(huán))+?171mmUBHO坐鍵接頭 +?171mmCLPS信號傳輸器+SlimPulse_MWD+Pony短無磁+?171mm井下濾網(wǎng)接頭+?171mmDTX馬達+?127mm無磁承壓鉆桿 +?171mm井下濾網(wǎng)接頭+?171mm回壓閥+?127mm加重桿×20m+?165mm震擊器+?127mm加重桿1根+?127mm鉆桿至井口。

鉆井參數(shù)：鉆壓為8～12t；排量為1600～1700L/min；轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為40～45r/min；泵壓為30～32MPa。

組合旋轉(zhuǎn)導向工具后下鉆，到井深2765m復(fù)測伽馬，劃眼到2795m發(fā)指令改變工具到磁性工具面，排量1300L/min、轉(zhuǎn)速20r/min。下鉆到底后開始以指令288/100%(工具面/造斜能力，下同)小參數(shù)磨合鉆頭后以鉆進參數(shù)為排量1683L/min，鉆壓6t鉆進。鉆進至2826m時，發(fā)指令288/60%繼續(xù)鉆進觀察。鉆進至2838m時，發(fā)指令348/50%，以重力工具面鉆進觀察，鉆進過程中夾層較多，比較影響鉆時，適當調(diào)整鉆進參數(shù)鉆進。鉆進至2845.5m時，觀察到50%力度造斜率在7°左右，發(fā)指令降力度10%鉆進觀察。鉆進至2854.5m時，方位持續(xù)右飄，同時造斜率略低，發(fā)指令342/75%鉆進觀察。鉆進過程中，75%力度造斜率偏高。適當控制造斜率鉆進。鉆進至繼續(xù)按設(shè)計增斜鉆進，鉆進參數(shù)為鉆壓8～10t，排量1683L/min，轉(zhuǎn)速45r/min，扭矩在7～15kN·m。鉆進到井深3130m開始調(diào)整方位，鉆進過程中扭矩明顯增大，適當控制鉆進參數(shù)鉆進。按地質(zhì)導向要求A靶點垂深調(diào)整到3091m保持井斜86°探儲層，同時按設(shè)計方位鉆進。鉆進至3433m時地質(zhì)導向通知進入目的層箱體頂部，地層2.5～3°上傾，以90°左右井斜下切地層繼續(xù)鉆進，同時繼續(xù)按設(shè)計調(diào)整方位。鉆進至3504.71m時，由于鉆時慢，決定起鉆更換鉆具組合，該趟鉆結(jié)束。起出鉆頭內(nèi)排齒磨損較為嚴重，螺桿傳動軸間隙在5mm。由于該施工循環(huán)壓耗已經(jīng)達到32MPa，達到循環(huán)系統(tǒng)極限，為了安全起見后續(xù)不再使用附加動力螺桿鉆具，單獨使用Archer工具鉆至完鉆。

表2 長寧某平臺旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)現(xiàn)場使用效果

表2是長寧某平臺旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)現(xiàn)場使用效果。從表2中可以看出，Archer+VorteX附加動力旋轉(zhuǎn)導向工具相對于其他2口對比井機械鉆速分別提高17%和47%，提速效果明顯；同時，由于井下螺桿鉆具增加實際鉆頭轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速由80r/min降為45r/min，可大幅度地降低鉆機負荷；使用螺桿鉆具的3#井不均勻轉(zhuǎn)速為190r/min，明顯低于2口未使用附加動力工具的參考井，表示井下黏滑指數(shù)較低，井眼較為光滑；3口井造斜率相近，表明使用井下動力鉆具并不影響工具造斜率。

雖然使用Archer+VorteX附加動力旋轉(zhuǎn)導向工具可在一定程度上加快機械鉆速，降低井下風險，但是該試驗仍然沒有完全發(fā)揮出該系統(tǒng)的全部能力，主要原因是由于循環(huán)系統(tǒng)承壓能力不足，即鉆井泵和地面高壓管匯能力不足的問題。隨著井深增加，泵壓最終達到 32MPa，已經(jīng)達到循環(huán)系統(tǒng)的極限，保險閥頻繁憋斷，以至于無法鉆進。只能采取降低排量方式繼續(xù)鉆進，實際排量為28L/s，而工具排量范圍為19～41L/s，更大的排量不僅可以增加鉆頭轉(zhuǎn)速，而且對清潔井眼都有很大的好處，為了進一步開發(fā)Archer+VorteX系統(tǒng)的潛力，后續(xù)施工應(yīng)改進循環(huán)系統(tǒng)的承壓能力[16，17]。

5 結(jié)論

1)Archer+VorteX附加動力旋轉(zhuǎn)導向工具集合了Archer旋轉(zhuǎn)導向工具的高造斜率以及VorteX井下動力系統(tǒng)的高轉(zhuǎn)速特點于一身，可在全旋轉(zhuǎn)的情況下，快速安全地完成鉆井進尺。通過自身的C-Link通訊系統(tǒng)可實現(xiàn)地面儀器與井下工具的雙向通訊，可實時根據(jù)隨鉆測井曲線調(diào)整井眼軌跡，大大提高優(yōu)質(zhì)頁巖鉆遇率。

2)Archer+VorteX附加動力旋轉(zhuǎn)導向工具雖然增加了井下動力部分，但是實鉆過程發(fā)現(xiàn)增加的動力部分并不影響原來Archer工具高造斜率的特點，實鉆中在相同作業(yè)指令下造斜率幾乎相同，方便地質(zhì)專家對井眼軌跡進行精細調(diào)整。

3)VorteX井下附加動力鉆具的使用增加了鉆頭轉(zhuǎn)速，降低了鉆井設(shè)備的負荷，降低了鉆具的不規(guī)則旋轉(zhuǎn)，減少了鉆具的疲勞損壞，極大地增加井下工具的安全系數(shù)以及鉆機的純鉆效率，為后續(xù)安全進行完井作業(yè)奠定了基礎(chǔ)。

4)Archer旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)雖然有著全旋轉(zhuǎn)、高造斜率、系統(tǒng)穩(wěn)定等特點，但是該工具只能匹配斯倫貝謝公司旗下的史密斯鉆頭才能發(fā)揮效果，影響了鉆頭選取的多樣性，建議將來可試驗使用其他公司造型類似的鉆頭，進一步降低使用成本。

5)Archer+VorteX附加動力旋轉(zhuǎn)導向工具在1#井施工過程中受泥漿泵泵壓過高的原因影響只能使用低排量鉆進，無法發(fā)揮出該系統(tǒng)的最大能力。最終由于泵壓達到極限無法鉆進，只能起鉆更換鉆具組合。為了進一步開發(fā)Archer+VorteX系統(tǒng)的潛力，后續(xù)施工應(yīng)改進循環(huán)系統(tǒng)的承壓能力。