國外鉆井工具與儀器新進展及國內(nèi)發(fā)展建議

李 垚，梁升平，居迎軍，李凱凱

（中國石油長慶油田分公司第六采油廠，陜西 定邊 718600）

隨著頁巖氣、致密油氣、深井超深井油氣和深水油氣勘探開發(fā)力度的加大，地質(zhì)條件更加復雜惡劣，在鉆井工具與儀器方面將面臨許多挑戰(zhàn)，如硬地層、研磨性地層及非均質(zhì)地層機械鉆速慢、鉆井效率低；水平井摩阻扭矩大，托壓嚴重，軌跡控制困難；儲層預測難度大，優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率制約單井產(chǎn)量等。為解決上述問題、應對上述挑戰(zhàn)，近年來國外在鉆井工具與儀器方面取得了不少新進展，從一定程度上代表了今后鉆井工具與儀器的發(fā)展方向。目前，我國的鉆井工具與儀器同國外先進水平相比尚有較大差距，因此應追蹤國外近年來出現(xiàn)的新型鉆井工具與儀器，對于及時調(diào)整和優(yōu)化鉆井工具與儀器的研發(fā)方向，提前做好技術儲備，縮短與國外的差距，實現(xiàn)國際化發(fā)展目標具有重要意義。

1 鉆井工具

1.1 高效破巖鉆頭

1.1.1 Aegis鎧裝合金鉆頭

Aegis鎧裝合金（圖1）是由斯倫貝謝公司研發(fā)的一種新型防護層技術，采用特殊的碳化鎢材料制成，可顯著提高鉆頭的抗腐蝕、穿透和耐磨性能。Aegis鎧裝合金防護層采用電子束增材制造工藝敷設到鉆頭表面。與常規(guī)胎體PDC鉆頭相比，球狀碳化物顆粒呈高度均勻分布，消除了傳統(tǒng)堆焊方式形成的空隙，進而使鉆頭的抗腐蝕性能提高400%，強度提高40%。Aegis鎧裝合金防護層有助于刀翼設計和噴嘴位置優(yōu)化，提高排屑效率和機械鉆速。作業(yè)者可根據(jù)區(qū)塊地質(zhì)特征定制個性化鉆頭，以提高整體鉆井性能［1］。

這種鎧裝合金鉆頭已在北美、歐洲、中東和南美陸地和海上進行了現(xiàn)場測試。BP公司在俄克拉荷馬州阿納達科盆地8口井中應用了兩只鎧裝合金鉆頭，與鄰井常規(guī)胎體PDC鉆頭相比，平均機械鉆速提高36%，8趟鉆共縮短施工時間179 h［2］。

1.1.2 Crush＆Shear?混合式鉆頭

Crush＆Shear?混合式鉆頭（圖2）由哈里伯頓公司研發(fā)，采用優(yōu)化的切削齒布置設計，其中心位置布設牙輪錐體以有效地壓碎巖石，鉆頭端面布設PDC切削齒以剪切破碎巖石。這種優(yōu)化結(jié)構(gòu)結(jié)合了傳統(tǒng)PDC切削齒的高效率與滾動元件的降低扭矩功能，增加了鉆頭可控性、耐用性，顯著提高了鉆頭穩(wěn)定性和鉆進速度。

圖2 Crush＆Shear?混合式鉆頭Fig.2 Crush & Shear?hybrid bit

技術優(yōu)勢：（1）采用硬質(zhì)合金牙輪錐體可減少扭矩波動；（2）可根據(jù)特定目的設計優(yōu)化PDC切削齒布設；（3）采用淺中心結(jié)構(gòu)可以增加鉆頭橫向穩(wěn)定性并降低扭矩；（4）可承受高鉆壓的同時降低扭矩波動，改善工具面控制；（5）降低鉆頭橫向振動，延長PDC切削齒使用壽命，提高鉆進效率。

Crush＆Shear?混合式鉆頭適用于硬質(zhì)、易跳鉆地層，有助于在造斜段鉆進中更好地控制工具面，從而提高機械鉆速。俄克拉荷馬州斯蒂芬斯縣某井?222.25 mm井眼造斜段因鉆遇具有不同巖石強度的地層，易導致鉆頭切削結(jié)構(gòu)損壞，不利于控制工具面，需更換鉆頭才能完成鉆進。作業(yè)者采用Crush＆Shear?鉆頭一趟鉆完成造斜段鉆進，造斜率14°/30.5 m，機械鉆速達7.6 m/h，約為鄰井（1.5 m/h）的5倍，節(jié)約成本超過12萬美元［3］。

1.1.3 智能自適應鉆頭

國民油井華高公司研發(fā)的智能自適應鉆頭（圖3），采用智能化切深控制機構(gòu)利用鉆頭或近鉆頭測量數(shù)據(jù)，可根據(jù)不斷變化的動態(tài)環(huán)境、地層特征、鉆進方向自行優(yōu)化調(diào)整，實現(xiàn)部分刀翼軸向伸縮閉環(huán)控制，從而提高機械鉆速、井眼質(zhì)量和定向性能。

圖3 智能自適應鉆頭Fig.3 Adjustable smart-bit

針對上部較軟地層，可使用相對固定的六刀翼鉆頭；而針對下部研磨性極強的地層，通過在鉆頭上安裝更多可伸縮的刀翼，借助智能自適應鉆頭技術，可在不起鉆的情況下使用軸向伸縮刀翼，從而提高鉆頭耐用性。

技術優(yōu)勢：（1）減少扭矩波動，利于工具面控制；（2）對于造斜段，結(jié)合單彎螺桿對鉆頭進行切削深度控制，可以確保平穩(wěn)的扭矩波動；（3）對于水平段，切削深度控制機構(gòu)縮回刀翼，與造斜段相比平均機械鉆速可提高3～4倍［4］。

1.1.4 StrataBlade*凹面金剛石元件鉆頭

StrataBlade*凹面金剛石元件鉆頭（圖4）由斯倫貝謝公司研發(fā)，其耐沖擊性能出色，可提高多種巖石類型的機械鉆速，提升整體鉆井效率并降低建井成本。

圖4 StrataBlade*凹面金剛石元件鉆頭Fig.4 StrataBlade concave diamond element bit

該鉆頭采用StrataBlade*凹面金剛石元件，該元件為錐形脊，采用切削刃尖端較厚的金剛石層提高了抗沖擊性，可通過點載荷破巖，中心部位的凹形減小了有效切削刃的背前角，有助于鉆進更大的深度，適用于中等強度（無側(cè)限抗壓強度35～140 MPa）夾層［5］。

該鉆頭已在北美海恩斯維爾頁巖和阿巴拉契亞盆地等區(qū)域進行了現(xiàn)場測試。在東得克薩斯Travis Peak和Cotton Valley地層，使用該鉆頭一趟鉆完成3048 m水平段，與鄰井相比，平均機械轉(zhuǎn)速提高28%。在賓夕法尼亞州東北部馬塞勒斯地層中，使用該鉆頭鉆進?222.25 mm井眼12 h進尺959.8 m，平均機械轉(zhuǎn)速79.9 m/h，與鄰井相比提高15%［6］。

1.1.5 HyperBlade*雙曲面金剛石元件鉆頭

HyperBlade*雙曲面金剛石元件鉆頭（圖5）由斯倫貝謝公司研發(fā)，其獨特的雙曲面金剛石元件精密成型的厚金剛石層及鎧裝切削刃提高了抗沖擊性和耐用性，中心的雙曲面形狀和斷屑剖面有助于產(chǎn)生小的鉆屑，可緩解泥包，提高鉆屑清除效率。與常規(guī)PDC切削齒相比，切削刃的正前角增大，在軟塑性地層中無需較大的軸向載荷和周向力穿透、剪切巖石，利于定向控制，切削深度提高20%，平均機械鉆速提高21%［7］。

圖5 HyperBlade*雙曲面金剛石元件鉆頭Fig.5 HyperBlade hyperbolic diamond element bit

在挪威北海非膠結(jié)砂巖和綠泥石中使用HyperBlade*元件鉆頭鉆進?406.4 mm井眼，進尺1183 m，機械鉆速101 m/h，與鄰井相比提高167%［8］。在泰國墨西哥灣頁巖和砂巖互層的8?in（1 in=25.4 mm，下同）井眼段，使用HyperBlade*元件鉆頭鉆進，平均機械鉆速390.75 m/h，與鄰井相比提高了17%［9］。

1.2 輔助破巖工具

1.2.1 Navi-Drill DuraMax井下馬達

Navi-Drill DuraMax井下馬達由貝克休斯公司研發(fā)，該馬達具有卓越的定向鉆井性能，可為鉆頭提供更大動力，大幅提高機械鉆速。

該馬達采用先進的建模技術進行設計，新的改進包括外形設計、轉(zhuǎn)子和定子組合、馬達功率優(yōu)化、扭矩控制。優(yōu)化后鉆頭至彎頭連接距離更短，可提供更高的造斜率和鉆壓，滑動鉆進過程中工具面控制良好。與常規(guī)馬達相比，彎頭強度高，動力裝置可多輸出15%的扭矩。該馬達能夠承受更大的泵速和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，提供給鉆頭的動力增加40%。

該馬達可一趟鉆完成造斜段和水平段作業(yè)，仿真驅(qū)動設計還可實現(xiàn)預測性維護，減少馬達故障并減少非生產(chǎn)時間。

該馬達在美國北達科他州威林斯頓盆地進行了應用。首次作業(yè)中，僅用46.3 h鉆進6 in水平段3138 m，與之前的鄰井相比縮短40%，機械鉆速提高了35%［10］。

1.2.2 NitroForce?高性能螺桿

哈里伯頓公司研發(fā)的全新高性能螺桿鉆具NitroForce?動力強、轉(zhuǎn)速高、壽命長，能精準控制井眼軌跡并完成長水平井段鉆進，大大節(jié)省了作業(yè)時間和鉆井成本。

技術優(yōu)勢：（1）該螺桿采用哈里伯頓公司專利化產(chǎn)品Charge?橡膠材料，動力部分可承受井下高扭矩和高摩阻，耐磨性強，適合長水平段鉆進；（2）大排量利于提高井眼清潔效率，有助于提高機械鉆速，縮短建井周期；（3）性能優(yōu)異，可靠性高，可“一趟鉆”完成造斜段和水平段鉆進，并通過延長水平段長度，大幅增加了儲層泄油面積。

在美國中部大陸某區(qū)塊，應用NitroForce?螺桿一趟鉆鉆完3048 m，創(chuàng)該區(qū)塊鉆進井段最長紀錄，與常規(guī)螺桿相比，水平段長度增加40%，平均機械鉆速提高了30%［11］。

1.2.3 耐溫300℃螺桿鉆具

美國能源部（DOE）資助貝克休斯研發(fā)了一種能夠在300℃高溫條件下工作的定向螺桿鉆具（圖6），要求能完成總工時50 h的鉆進任務，以滿足300℃地熱井鉆井需要。目前貝克休斯已完成螺桿鉆具的實驗研究和現(xiàn)場測試。

圖6 耐溫300℃螺桿鉆具Fig.6300℃resistant positive displacement motor

新型螺桿的轉(zhuǎn)子和定子均由金屬材料制成，因此，提高轉(zhuǎn)子和定子的耐磨性非常重要。貝克休斯從40多種涂層材料中優(yōu)選出10種在高溫試驗臺對其粘附性能和抗磨損性能進行了測試，并對螺桿鉆具的轉(zhuǎn)子和定子的磨損程度及磨損后的電機性能進行了檢測。流動回路測試的流量范圍0.95～2.84 m3/min，扭矩9.49 kN·m（遠超預估的5.42 kN·m），附加流動回路測試50 h，流量2.5 m3/min，結(jié)果表明，涂層性能以及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨著時間的延長而降低。此外，還觀察到了一些轉(zhuǎn)子涂層的碎屑。

現(xiàn)場測試兩口井，一口井耗時17.5 h鉆進57.9 m，另一口井耗時5 h鉆進12.5 m，盡管在鉆進過程中發(fā)現(xiàn)了一些涂層碎屑，但測試比較成功，實現(xiàn)了造斜率19.69°/100 m，驗證了螺桿鉆具在花崗巖鉆進過程中的定向能力。下一步，將在地熱井中配套使用該螺桿鉆具、高溫鉆井液和耐高溫鉆頭進行測試［12］。

1.3 循環(huán)短節(jié)

1.3.1 iCWD智能循環(huán)短節(jié)

MIT Technologies公司成功研發(fā)出業(yè)內(nèi)首個iCWD智能循環(huán)短節(jié)，可用于處理漏失、打水泥塞和清潔井眼，減少了起下鉆次數(shù)，節(jié)約了時間。

iCWD有4種工作模式，其核心是通過轉(zhuǎn)速、壓力和流量遠程控制的三通球閥。iCWD可置于鉆柱中的任意位置，無需投球操作；在一趟管柱中可根據(jù)需要下入多個iCWD，每個iCWD均可單獨操作，靈活調(diào)整工作模式（圖7）。

圖7 iCWD循環(huán)短節(jié)工具原理Fig.7 Tool principle iCWD cirulation sub

旁通模式：對堵漏材料無特殊要求；通過正壓密封允許打水泥塞或擠水泥作業(yè)；大旁通口允許大排量泥漿通過，下部無泥漿殘留；與下部BHA完全隔離。

清潔模式：通過下部的BHA和旁通口同時循環(huán)；提高環(huán)空流速，減少巖屑堆積；旁通口噴嘴大小可根據(jù)需要調(diào)整；連續(xù)循環(huán)有利于LWD/MWD實時監(jiān)測。

隔離模式：一個井下隔板隔離工具以上的鉆柱，上下兩端的最大壓差達35 MPa。

默認模式：iCWD作為全通徑接頭，通過機械力持續(xù)推靠旁通口，防止內(nèi)流通道和環(huán)空之間的流體流通。

iCWD在馬來西亞某井進行了首次現(xiàn)場試驗，實現(xiàn)了4種工作模式的切換和驗證［13］。

1.3.2 iDisc智能循環(huán)和丟手工具

為了解決井眼清潔和卡鉆難題，降低成本，IDT（Intelligent Drilling Tools）公司研發(fā)了iDisc智能循環(huán)和丟手工具，適合于直井、斜井、大位移井、水平井和高溫高壓井。

iDisc主要由斷開系統(tǒng)、循環(huán)閥和電子服務模塊三部分組成。斷開系統(tǒng)主要承擔丟手操作，主要包括工作、聆聽、倒計時和斷開4種模式，工作原理為：當工具位于轉(zhuǎn)盤以下約15 m的時候，靜水壓力開關切換工具至工作模式，在該模式下，通過電子服務模塊中的加速度計、壓力傳感器和近位傳感器等感知井下環(huán)境，判斷BHA是否遇卡，并反饋數(shù)據(jù)至處理器。如果BHA遇卡，傳感器接收到異常信號，下放鉆柱，經(jīng)過一段時間，進入聆聽模式，傳感器繼續(xù)感知BHA狀況，如果信號恢復正常，則返回到正常模式，否則，15 min以后，進入倒計時模式，倒計時長度根據(jù)需求而定，一般推薦為2 h。此段時間鉆柱必須是靜止的，只要傳感器感知到任何移動，都會中斷倒計時。2 h后，進入斷開模式，準備接收最終信號以進行丟手操作。丟手操作必須在預先確定的時間內(nèi)完成，一般推薦為20 min。在這段時間內(nèi)，上提下壓鉆柱3次，線性霍爾傳感器接收到鉆柱運動信號，完成丟手的最終確認。傳遞動力至斷開馬達，啟動丟手機構(gòu)，完成丟手操作。

循環(huán)閥提高了井眼清洗能力，有關閉、中間和全開3個位置。鉆進過程中，通過鉆柱特定旋轉(zhuǎn)的時間序列完成設定。而BHA遇卡后，鉆柱不能旋轉(zhuǎn)，因此不能通過鉆柱特定旋轉(zhuǎn)的時間序列實現(xiàn)循環(huán)閥3個不同位置的設置，但在倒計時模式下，通過上提下放鉆柱實現(xiàn)3短、3長和3短的壓縮能夠使循環(huán)閥完全打開，并通過感知循環(huán)閥處于全開位置的近位傳感器發(fā)送一個信號序列，自動中斷倒計時，通過循環(huán)閥循環(huán)鉆井液嘗試解卡［14］。

1.3.3 MOCS G2循環(huán)短節(jié)

國民油井華高公司對第一代MOCS工具進行了改進和升級，推出了新一代MOCS G2循環(huán)短節(jié)。該工具可快速、有效地處理多種鉆井液/流體漏失，實現(xiàn)井眼凈化，減少非生產(chǎn)時間，提高鉆井效率，降低鉆井成本，提高作業(yè)安全性。

工作模式：（1）非激活模式。投球前，正常鉆進，作用類似于鉆鋌。在該模式下，工具外徑上間隔180°布置的通向環(huán)空的兩個旁通孔關閉，流體直接流向鉆頭。（2）旁通模式。投球后，泵送球至球座，立管壓力明顯上升，活塞下行，打開旁通口。在該模式下，流體通過旁通口流向環(huán)空，而流向鉆頭的通道關閉。（3）停泵重置模式。停泵，活塞上行，工具進入重置模式（旁通和非旁通位置之間轉(zhuǎn)換時的中間位置）；在該模式下，即使球在球座上，也允許起鉆時排空鉆桿內(nèi)的流體。（4）非旁通模式。開泵，提高泵排量，立管壓力上升，確保工具進入非旁通模式。在該模式下，旁通孔關閉，流體通過BHA流向鉆頭繼續(xù)循環(huán)（圖8）。

圖8 MOCS G2循環(huán)短節(jié)工作原理Fig.8 Tool principle of MOCS G2 circulagion sub

技術優(yōu)勢：（1）操作簡單，僅需一個球，無需任何起下鉆清空球捕捉器。（2）旁通模式和非旁通模式之間的轉(zhuǎn)換，僅需10 s。（3）可安裝在鉆柱中的任意位置，投球前，可對工具之下應被回收的MWD組件實施打撈；投球后，可用鋼絲繩輸送磁力打撈器回收小球，為工具之下的打撈作業(yè)提供通道。（4）泵排量明顯降低時，旁通口自動關閉，確保井控安全［15］。

1.3.4 JetStream?RFID循環(huán)短節(jié)

JetStream?RFID循環(huán)短節(jié)（見圖9）由威德福公司研發(fā)，可通過射頻識別RFID標簽控制或者傳統(tǒng)的泵壓控制兩種方式對工具進行開關操作。該工具克服了傳統(tǒng)循環(huán)短節(jié)因內(nèi)徑小影響正常鉆進排量、傳統(tǒng)投球控制影響其他工具工作的缺點，特別適用于小井眼作業(yè)、隨鉆堵漏作業(yè)。

圖9 JetStream?RFID鉆井循環(huán)短節(jié)結(jié)構(gòu)Fig.9 JetStream?RFID circulation sub

JetStream?短節(jié)受射頻識別標簽控制，有關閉、開啟和分流3種工作模式，正常鉆進情況下處于關閉模式，開啟模式用于堵漏、壓井和井底產(chǎn)生湍流以提高清潔效率，分流模式可解決尾管鉆井和小井眼鉆井井眼清潔問題。

該短節(jié)具有如下技術特征：（1）相比傳統(tǒng)循環(huán)短節(jié)，其內(nèi)徑大，不影響下部的工具通過投球進行開關，也不影響正常鉆進時的排量。（2）使用RFID技術開啟、關閉循環(huán)閥不受堵漏液大顆粒固相影響。使用循環(huán)短節(jié)進行堵漏可提高堵漏、壓井成功率且不損傷底部儀器。（3）內(nèi)置存儲器，能有效記錄井下環(huán)境信息和工具狀況。（4）當射頻識別控件出故障時，其后備方式為通過調(diào)整井筒壓力控制循環(huán)短節(jié)［16］。

在里海某平臺，使用RFID標簽，將JetStream?短節(jié)調(diào)整為分流模式，有效地進行套管鞋處的井眼清潔。然后在?165.1 mm導眼段，再次用RFID標簽控制循環(huán)短節(jié)進行井眼清潔。最后，投球控制循環(huán)短節(jié)底下的井下擴眼工具。安裝在循環(huán)短節(jié)的傳感器記錄了井下溫度壓力變化和工具的運轉(zhuǎn)情況，為后續(xù)數(shù)據(jù)分析提供了原始數(shù)據(jù)。JetStream?短節(jié)的應用為作業(yè)者縮短時間1.5 d，節(jié)約成本35萬美元［17］。北海某井漏失嚴重，3100 m處漏失量達48 m3/h。使用JetStream?短節(jié)，以RFID標簽開啟關閉共16次，完成29次隨鉆堵漏作業(yè)，最終使漏失速率降至2 m3/h，并順利鉆至井深4282 m［18］。

2 鉆井儀器

2.1 旋轉(zhuǎn)導向工具

2.1.1 Lucida高端旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)

貝克休斯公司將井眼軌跡自動控制模塊和連續(xù)比例轉(zhuǎn)向模塊相結(jié)合，推出Lucida高端旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成在底部鉆具組合中，利用近鉆頭方位伽馬測井數(shù)據(jù)可實現(xiàn)精確的井眼軌跡控制，結(jié)合貝克休斯遠程專家系統(tǒng)進行作業(yè)，有助于作業(yè)者優(yōu)化井眼軌跡、提高井眼質(zhì)量和鉆探效率。

技術優(yōu)勢：（1）近鉆頭動態(tài)傳感器能夠測量井下鉆壓、扭矩、彎矩和方向，加速度計能夠測量軸向、橫向振動以及扭轉(zhuǎn)振動，這些井下測量數(shù)據(jù)可以實時傳送至地面；（2）高質(zhì)量的16扇區(qū)伽馬射線傳感器位于鉆頭附近，可實時獲取地層數(shù)據(jù)，傳遞給井眼軌跡自動控制模塊，從而能夠快速做出地質(zhì)導向或停止導向的決定；（3）井眼軌跡自動控制模塊每毫秒檢查一次方位和傾角，自動、逐秒調(diào)整轉(zhuǎn)向力，即使在高鉆速下也能實現(xiàn)精確控制；（4）連續(xù)比例轉(zhuǎn)向模塊使用3個精確控制的墊塊，以保持連續(xù)的比例轉(zhuǎn)向力，不受鉆壓、排量和鉆井液性能的影響［19］。

該系統(tǒng)已在接近204℃的溫度下進行了廣泛測試。在得克薩斯州特拉華州盆地某井，采用Lucida高端旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)，耗時12.6天鉆完2909.3 m的? 171.45 mm水平段，與鄰井的15.3天相比，鉆井效率提高17%，且平均“狗腿”度降低39%［20］。

2.1.2 RST旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)

D-Tech公司研發(fā)的RST是目前市面上最短、最精簡的旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)，該系統(tǒng)長度3.66～3.96 m，僅有10個活動部件，性能可靠、導向準確，適用于直井、斜井、水平井鉆進。

技術優(yōu)勢：（1）采用全旋轉(zhuǎn)推靠式設計，抗振動和沖擊能力強，造斜能力高，能夠以較高的造斜率快速造斜并鉆達水平段；（2）通過連續(xù)測量井斜角和方位角以保持方向控制，能夠使鉆頭始終在目標層中鉆進；（3）與高性能底部鉆具組合配套使用，可快速鉆達設計井深，減少非生產(chǎn)時間；（4）高精度定向裝置位于距鉆頭只有1.22 m處，這種靈活的近鉆頭設計允許系統(tǒng)配套MWD系統(tǒng)和其他底部鉆進工具；（5）該系統(tǒng)易于安裝，可預先裝配，以減少操作誤差，提高井下性能；（6）技術專家可進行遠程監(jiān)視［21］。

RST旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)已在美國二疊紀盆地Wolfcamp地層使用，在57 h內(nèi)一趟鉆鉆完2096.7 m的? 215.9 mm水平段，平均機械鉆速36.58 m/h，井眼軌跡均保持在目標油層內(nèi)鉆進［22］。在落基山，作業(yè)者使用RST鉆進?215.9 mm井眼，一趟鉆鉆完直井段、斜井段和水平段，鉆進進尺4955.13 m，機械鉆速41.15 m/h［23］。

2.1.3 VectorEDGE旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)

自2018年初以來，國民油井華高公司即將其指向式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)改為推靠式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)VectorEDGE。2020年，針對北美非常規(guī)油氣田的? 149.225～161.925 mm水平井，公司開始著手研發(fā)新一代旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)VectorEDGE 500。

VectorEDGE 500旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)控制工具面的主要組件保持不變，主要改進包括：（1）導向能力可調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)向范圍0～100%；（2）提高了造斜能力，達到5°/30.5 m，可以滿足非常規(guī)水平井鉆進的需求；（3）轉(zhuǎn)速高達250 r/min，下一步可能會提高至300 r/min。

VectorEDGE 500旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)采用自動化閉環(huán)設計，能根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)自動調(diào)整其定向作業(yè)。假設鉆89.5°的水平井，技術人員從地面將89.5°導向指令通過下行鏈路發(fā)送給井下工具，井下工具識別并確認下行指令。通過不斷讀取鉆頭的傾斜度，并根據(jù)需要進行校正，即自動保持89.5°鉆進，無需從地面進行人工干預［24］。

2.1.4 HALO高性能旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)

HALO高性能旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)由Scientific Drilling公司研發(fā)，集成了先進的3D方向控制技術，由一個集成式轉(zhuǎn)向裝置與MWD測量組件組成，具有方位伽馬射線地質(zhì)導向與隨鉆測壓功能，可一趟鉆完成垂直段、造斜段以及水平井段作業(yè)，能夠高效地鉆出平滑的井筒，有助于減少非生產(chǎn)時間，提高機械鉆速，降低作業(yè)風險，是復雜油氣藏鉆探作業(yè)的利器。

技術優(yōu)勢：（1）可一趟鉆完成直井段、斜井段和水平段，減少了起下鉆次數(shù)；（2）造斜率高達15°/30 m，系統(tǒng)的3D自動導向功能大幅提高水平段鉆進的精準性，有助于增大目標儲層的泄油面積；（3）與傳統(tǒng)泥漿馬達配套使用，最高轉(zhuǎn)速可達350 r/min，大幅提高了機械鉆速；（4）系統(tǒng)提前完成組裝測試，減少了底部鉆具組合裝配時間，降低了HSE風險；（5）MWD/LWD數(shù)據(jù)通過高速泥漿脈沖遙測系統(tǒng)傳輸?shù)降孛妗?/p>

HALO高性能旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)適用于非常規(guī)頁巖氣長水平段鉆進，目前已在北美陸地鉆探中得到應用，效果顯著［25］。特拉華盆地wolfcamp頁巖儲層鉆進使用了該系統(tǒng)，在7口井中連續(xù)下入并成功鉆進6個水平段和1個斜井段，總進尺14779.26 m，平均機械鉆速43.9 m/h，非生產(chǎn)時間0 h［26］。

2.1.5 NeoSteer@bit導向系統(tǒng)

NeoSteer@bit導向系統(tǒng)（圖10）由斯倫貝謝公司研發(fā)，將導向系統(tǒng)與切削結(jié)構(gòu)集成，采用最新的軌跡控制算法、機器學習和數(shù)據(jù)分析技術，造斜率高，可提高鉆速，能夠鉆出更高質(zhì)量的分支井，降低成本。

圖10 NeoSteer@bit導向系統(tǒng)Fig.10 NeoSteer@bit steerable system

NeoSteer@bit導向系統(tǒng)外徑171.45 mm，長度4.16 m，最大造斜率16°/30 m，最大扭矩21700 N·m，最高轉(zhuǎn)速500 r/min，最高作業(yè)溫度150℃，最大工作壓力138 MPa［27］。

NeoSteer@bit導向系統(tǒng)已在北美和阿根廷的非常規(guī)儲層累計進尺超過792.5 km。其中，鉆探速度最快的井位于DJ盆地，29 h一趟鉆完成4609.5 m的造斜段、水平段，平均機械鉆速158.94 m/h。在馬塞勒斯頁巖段，NeoSteer CLx系統(tǒng)一趟鉆完成了3個分支井段的高速鉆進，進尺總計4212 m，而傳統(tǒng)鉆井方法通常需要兩套BHA才能完成這種高研磨性砂巖地層。DJ盆地一個12口井的井組施工中，SRC能源公司采用了NeoSteer CLx系統(tǒng)。所有井均一趟鉆完成直井段、斜井段和水平段，平均機械鉆速提高40%。在尼布拉拉非常規(guī)頁巖地層，采用NeoSteer系統(tǒng)單井可節(jié)省21 h。在Vaca Muerta盆地，Pluspetrol公司82.53 h一趟鉆完成2621 m高造斜率增斜段和長水平段，與鄰井相比節(jié)省一趟鉆，機械鉆速55 m/h，創(chuàng)區(qū)塊新紀錄［28］。

2.2 隨鉆測量儀器

2.2.1 TruLink*高分辨率動態(tài)MWD

TruLink*高分辨率動態(tài)MWD（圖11）由斯倫貝謝公司研發(fā)，可在鉆進過程中實施高精度的動態(tài)測量，以識別和降低潛在的鉆探風險，有助于提高鉆井效率并降低總鉆探成本。

圖11 TruLink*高分辨率動態(tài)MWDFig.11 TruLink high definitive dynamic MWD

TruLink*MWD以業(yè)內(nèi)領先的TeleScope*隨鉆高速遙測技術為基礎，使用可連續(xù)測量的六軸方位傳感器和井斜傳感器結(jié)合伽馬射線來提高測量精度，動態(tài)測量速度高達20 bit/s。常規(guī)MWD每次測量需要9～12 min，而TruLink*MWD將所有與測量相關的鉆機時間減少至零，無需停鉆即可實現(xiàn)隨底部鉆具組合（BHA）的連續(xù)測量，及時提供BHA位置和巖性識別的連續(xù)測量數(shù)據(jù)。

鉆井時，巖屑堆積會降低機械鉆速甚至導致鉆具粘卡，尤其是在停鉆測量過程中。TruLink*MWD可有效降低該風險，適用于垂直段、造斜段和水平段的測量，可減少鉆具靜止時間，并通過連續(xù)實時地測量提供更多的井眼軌跡控制數(shù)據(jù)，使復雜的三維井剖面中的曲線更精確，大幅減少井眼“狗腿”彎曲；TruLink*MWD提供的三軸實時沖擊和振動數(shù)據(jù)有助于作業(yè)者及時調(diào)整鉆壓、扭矩和鉆井液性能等參數(shù)，以降低鉆井風險并快速達到總深度［29］。

TruLink*MWD已在中東、北海和南美地區(qū)70多口井得到應用。例如，在中東某井中，TruLink*MWD提高了?215.9 mm井眼造斜段的方向控制精度，動態(tài)測量精度可與鉆具靜止時的測量精度相媲美。另一口井中，在垂直段、造斜段和水平段鉆進中完成1041次測量，節(jié)約鉆機時間41 h［30］。

2.2.2 IriSphere*隨鉆前視LWD

IriSphere*隨鉆前視LWD由斯倫貝謝公司研發(fā)，是業(yè)內(nèi)首次應用電磁波探測鉆頭前方地層特征的LWD。IriSphere*LWD采用多頻發(fā)射器與多接收器的定向工具，電磁信號從發(fā)送器發(fā)送至地層中，并由接收器接收，基于EM電阻率測量，將深部定向測量與先進的自動反演技術結(jié)合起來，可探測鉆頭前超過30 m的地層信息，然后將其與包含偏移和其他數(shù)據(jù)的三維模型進行比較，在鉆井作業(yè)期間顯示井筒周邊地層的真實情況，有助于作業(yè)人員及時做出地質(zhì)導向決策，從而降低作業(yè)風險、提高鉆井效率、優(yōu)化套管下入深度、優(yōu)選取心位置、減少不確定性鉆井成本［31］。

IriSphere*LWD適用于?142.875～406.4 mm井眼，目前已在亞洲、澳大利亞、拉丁美洲和歐洲等地區(qū)進行了25次現(xiàn)場試驗，包括成功檢測儲層和鹽層、識別薄層等，避免了鉆井風險（如可能導致井壁失穩(wěn)的高壓地層等）。在澳大利亞西海岸某油田未開發(fā)區(qū)域使用IriSphere*LWD，隨鉆探測出鉆頭前方19 m處存在儲層，確定油藏厚度為25 m，并基于鉆頭前獲取的數(shù)據(jù)優(yōu)化了隨后的取心作業(yè)，避免了鉆導向孔［32-33］。

2.2.3 HEX200℃高溫LWD

針對泰國海域極端高溫環(huán)境，雪佛龍和威德福合作開發(fā)了HEX200℃高溫LWD。該儀器集成了方位、自然伽馬、井筒/環(huán)空壓力和中子孔隙度傳感器，可在200℃高溫和210 MPa高壓條件下連續(xù)工作超過200 h。

技術優(yōu)勢：

（1）該儀器采用泥漿脈沖遙測技術傳輸工具面數(shù)據(jù)，測量精度：工具面±1.5°，井斜±0.1°，5°以上井斜方位角±0.5°。

（2）壓力傳感器能夠?qū)崟r測量井筒和環(huán)空壓力，數(shù)據(jù)可以通過當量循環(huán)密度進行深度或時間成像顯示。

（3）自然伽馬傳感器可實時測量地層粘土體積含量數(shù)據(jù)。

（4）密度和熱中子孔隙度傳感器可實時測量地層孔隙度、巖性和流體等參數(shù)，孔隙度傳感器使用氦-3管測量基質(zhì)和孔隙流體，镅-241/鈹測量地層孔隙度，密度傳感器測量地層巖石密度。

（5）多頻電阻率傳感器可實時獲取地層多頻電阻率參數(shù)。

目前，該儀器已在71口高溫高壓井中成功應用，累計鉆進進尺145579 m，井底最高溫度199℃，超過175℃溫度下鉆進31141 m，作業(yè)時間超過1750 h。采用HEX200℃高溫LWD后，平均鉆井時間由12天/井縮短至6天/井。此外，該儀器應用的最大井深達5338 m，生產(chǎn)段一趟鉆最大進尺達2721 m［34］。

2.2.4 QuestTM隨鉆陀螺測斜儀（GWD）

QuestTM隨鉆陀螺測斜儀（GWD）由Gyrodata公司研發(fā)，其采用不受沖擊、振動或磁干擾影響的SPEAR?固態(tài)封裝傳感器可顯著減少不確定性，實時提供全方位、高精度、高質(zhì)量的三軸科里奧利振動速率陀螺儀、三軸加速度儀和三軸磁力計測量，從而提高井眼軌跡的精度與準確性。QuestTMGWD與MWD以及遙測系統(tǒng)相結(jié)合，可在直井與水平井中高速提供陀螺儀的轉(zhuǎn)向與測量數(shù)據(jù)。

QuestTMGWD是基于Gyrodata公司創(chuàng)新型SPEARTM固態(tài)傳感器技術的第二代產(chǎn)品。憑借該技術，司鉆能夠安全地繞過鋼制套管與磁性異常區(qū)域。QuestTMGWD還提供透明、實時的質(zhì)量控制與總誤差檢測，大幅縮短測量時間，有助于作業(yè)者經(jīng)濟高效地獲得更穩(wěn)定、更精確的井眼軌跡。

QuestTMGWD最大工作壓力137.9 MPa，最大作業(yè)溫度150℃，2塊鋰電池可續(xù)航300 h。與MEMS GWD相 比，QuestTMGWD將井眼不確定橢圓減少41%，而測量速度卻可提高2倍［35］。在安哥拉的?558.8 mm和431.8 mm井眼使用該儀器進行了測斜，鉆后評價證實所有測斜數(shù)據(jù)均符合誤差模型，且非生產(chǎn)時間為0 h，測斜時間短，與之前的儀器相比，平均節(jié)省鉆機時間3 h［36］。

3 對國內(nèi)鉆井工具與儀器發(fā)展的建議

近些年來，國外鉆井工具與儀器發(fā)展很快，在很大程度上推動了鉆井的實時化、信息化、數(shù)字化、可視化、自動化和智能化。但國內(nèi)鉆井工具與儀器發(fā)展相對緩慢，特提出以下發(fā)展建議：

（1）PDC鉆頭切削齒幾何形狀、材料優(yōu)選、制造工藝等方面的持續(xù)創(chuàng)新提高了鉆頭的抗磨蝕性、抗沖擊性、熱穩(wěn)定性和韌性，極大推動了PDC鉆頭技術的進步，為提高不同硬度、強研磨性及非均質(zhì)地層巖石的破巖效率提供了有效的技術手段［37-39］。建議深入開展常規(guī)圓柱狀切削齒和各種異形切削齒混合式個性化PDC鉆頭的研發(fā)，對鉆頭的切削結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，合理布置各種切削齒，充分發(fā)揮他們各自的優(yōu)勢，以解決深部地層可鉆性差導致的機械鉆速慢、鉆井效率低的難題。

（2）井下馬達/螺桿鉆具亦稱井下動力鉆具，可以將鉆井液的能量轉(zhuǎn)換為鉆井破巖動力。井下動力鉆具具有高轉(zhuǎn)速，可以顯著提高機械鉆速，與PDC鉆頭配合使用，將大大提高鉆井速度。當前，提高井下動力鉆具的性能成為鉆井提速的關鍵。因此，耐高溫、輸出更高功率、更大扭矩、長壽命的井下動力學鉆具是未來發(fā)展的主要方向［40］。

（3）循環(huán)短節(jié)可快速、有效地處理多種鉆井液/流體漏失，實現(xiàn)井眼凈化，目前國內(nèi)的循環(huán)短節(jié)的開關主要采用投球方式，需要多次投球開啟和關閉，存在內(nèi)徑小影響正常鉆進排量及其他工具工作的缺點，適用范圍小。因此，射頻識別標簽、轉(zhuǎn)速、壓力或排量控制的循環(huán)短節(jié)是未來發(fā)展的主要方向，無需起下鉆清空球捕捉器，可有效縮短施工時間，提高施工效率。

（4）目前國外推出的新型旋轉(zhuǎn)導向工具主要為推靠式和復合式旋轉(zhuǎn)導向工具。而國內(nèi)中石油、中海海和中石化都推出了不同型號的對推靠式工具，長江大學、中國地質(zhì)大學和西安石油大學對指向式工具進行了大量研究，只有西安石油大學的劉江民等［41］提出了一種復合式旋轉(zhuǎn)導向工具。由于復合式旋轉(zhuǎn)導向工具兼具指向式和推靠式旋轉(zhuǎn)導向工具的優(yōu)點，所以它將成為未來我國旋轉(zhuǎn)導向工具發(fā)展的主要方向。

（5）隨著油氣勘探開發(fā)程度的不斷深入，勘探的地理環(huán)境和地質(zhì)條件越來越復雜，海洋、非常規(guī)、深層超深層以及沙漠、沼澤、極地等惡劣環(huán)境地區(qū)勘探比重增加，巖性油氣藏、隱蔽油氣藏比重增加。低品位、難動用、非常規(guī)以及復雜地表條件和海上油氣資源逐步成為開發(fā)的主要對象，因此對隨鉆測量儀器提出了更高的要求。目前國外的M/LWD儀器品種多，耐溫已達到230℃，而國內(nèi)儀器的進展緩慢，雖耐溫可達175℃，但與國外相比仍相距甚遠，因此，耐溫高、多測量參數(shù)和隨鉆前探是我國M/LWD儀器發(fā)展的主要方向。

4 結(jié)語

近年來，新材料、通訊和計算機技術的飛速發(fā)展、鉆井的遠程控制和自動化操作使得鉆井區(qū)域不斷擴大，信息化、實時化、自動化、智能化正成為未來鉆井工具與儀器發(fā)展的主要方向。國外在高效鉆頭、旋轉(zhuǎn)導向工具、地質(zhì)導向工具、動力學測量工具和循環(huán)短節(jié)等鉆井工具與儀器方面仍然處于壟斷地位，這是國內(nèi)頁巖氣、致密油氣、深井超深井油氣和深水油氣開發(fā)必須跨越的“大山”，應盡快通過“引進、吸收、改進、創(chuàng)新”的方法，完成核心鉆井工具與儀器的國產(chǎn)化，這是實現(xiàn)頁巖氣、致密油氣、深井超深井油氣和深水油氣經(jīng)濟有效開發(fā)的根本；另一方面還要繼續(xù)加大低成本替代技術的比例和研究試驗力度，解決當前實際開發(fā)成本問題。