深井鉆進時井底鉆頭造斜導向系統(tǒng)的分析與建議

湯鳳林，НескоромныхB.B.，趙榮欣，周 欣，段隆臣

（1.上海市建筑科學研究院有限公司，上海 200032；2.中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院，湖北 武漢 430074；3.СибирскийФедеративныйуниверситет，г.Красноярск，660095，Россия；4.湖北省地震局，湖北 武漢 430064）

1 概述

何謂深井？如何界定？國家標準《石油天然氣鉆 井 工 程 術(shù) 語》（GB/T 28911—2012）將4500～6000 m深度的井定為深井，6000～9000 m的井定為超深井，大于9000 m的井稱為特深井；地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標準《地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程》（DZ/T 0227—2016）將1000～3000 m的鉆孔稱為深孔，超過3000 m的鉆孔稱為特深孔；大陸深部鉆探孔深劃分為淺鉆（深度＜2000 m）、中 深 鉆（深度2000～5000 m）、深鉆（5000～8000 m）和超深鉆（深度＞8000 m）和超萬米的特深鉆井［1-9］。

但是無論如何劃分，其共同點皆是：隨著深度的增加，地層壓力變大，井壁穩(wěn)定性變差，溫度升高，井眼軌跡難以控制，鉆進遇到很多困難。井眼越深，井筒越長，哪怕開始時小的偏斜，也會造成井底“差之毫厘，失之千里”［1-9］。

在深井鉆進中，特別是超深井鉆進中，為了提高鉆井效率、保證鉆井質(zhì)量和降低井眼彎曲強度，一般都使用鉆柱下部組合裝置（КНБК）。在這種組合裝置中，常常使用滿眼鉆具，見圖1（a）。滿眼鉆具中，一般要用3～5個扶正器（穩(wěn)定器），上扶正器可以抵消由于其上鉆具彎曲產(chǎn)生的橫向力，使其下鉆具居中。中扶正器可以抵消其上一根鉆鋌一旦彎曲產(chǎn)生的橫向力，使其下部鉆鋌處于井眼中心，也可幫助下扶正器抵消橫向力。下扶正器的作用是抵消地層橫向力，限制鉆頭橫向移動。鉆具上至少要有3個穩(wěn)定點，通過三點直線性來保持井眼的直線性和限制鉆頭的橫向移動。俄羅斯科拉超深井SG-3使用的鉆柱井底下部組合鉆具，見圖1（b）。使用上述井底組合鉆具時，可以產(chǎn)生動力學分力，起動力學穩(wěn)定作用，有利于使鉆具圍繞井眼中心線回轉(zhuǎn)，減緩井筒彎曲，提高鉆井效率，保證鉆井質(zhì)量［1］。

圖1 井底鉆具組合Fig.1 Downhole drilling assembly

在井眼下部組合鉆具中常用的動力學穩(wěn)定裝置（扶正器），其主要類型及特點見表1［10］。

表1 動力學穩(wěn)定作用裝置（扶正器）類型Table 1 Types of dynamic stabilization devices

在鉆柱下部組合鉆具中，鉆鋌起著重要的作用，常用的鉆挺有偏心鉆鋌和主軸慣性矩不同的鉆鋌，見圖2。

圖2 偏心鉆鋌、主軸慣性矩不同鉆鋌的剖面Fig.2 Cross-section of the eccentric drilling collar and the drilling collar with different axial rigidity

2 回轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)（RSS）

在深部鉆井中，俄羅斯專家建議大力使用回轉(zhuǎn)導 向 系 統(tǒng)Роторныеуправляемыесистемы——РУС（Rotary Steerable System——RSS），其中破碎巖石是利用頂驅(qū)鉆桿驅(qū)動的鉆頭以回轉(zhuǎn)方式進行的，同時利用孔底鉆頭造斜系統(tǒng)進行造斜鉆進。在這種系統(tǒng)中，含有遙控系統(tǒng)和導航系統(tǒng)，可以控制井眼的方向，精度很高（±0.1°），鉆井深度可達13 km，回次長度可以達到1000 m。這是一套遠距離控制的電子機械設(shè)備智能導向系統(tǒng)，見圖3［10-21］。

圖3 井底鉆頭造斜系統(tǒng)框圖Fig.3 Block scheme of the downhole bit deflection system

從圖3可見，這種系統(tǒng)具有獨立的電源4，操作人員通過計算機10進行控制，形成信號，將其通過鉆井液或電磁輻射通道8傳到井底裝置，在此通過電子部件3和造斜器具1的驅(qū)動裝置2給出井眼方向需要改變的設(shè)計方向。同時，遙測系統(tǒng)5隨時監(jiān)測井眼彎曲角度參數(shù)，通過電子部件6和信號傳遞部件7，把信號傳遞給地面信號接收和放大部件9、計算機10、井場平臺目控鉆進情況的儀器11和操作人員。如此相互作用結(jié)果，可以相當準確地確定出修改井眼方向的方案。

使用這種回轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)的優(yōu)點是：

（1）不會使井筒變窄，有利于有效排除巖屑；

（2）由于可以有效排出巖屑，防止其沉淀，有利于巖石破碎過程，所以提高了鉆井速度；

（3）由于整個鉆柱都是回轉(zhuǎn)的，減少了鉆柱和井壁的摩擦力，增加了鉆井深度；

（4）由于回轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)沒有與套管柱、造斜器具和井壁接觸的活動零部件，所以降低了卡鉆的風險。

3 回轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)的形式

回轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)主要是利用鉆頭的偏置來進行造斜，它有3種形式，即推動鉆頭造斜（push-the-bit）方式、指點鉆頭造斜（point-the-bit）方式以及把二者結(jié)合起來的回轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)［10］。

3.1 利用推動鉆頭造斜（push-the-bit）方式的回轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)

這種方式主要是利用在造斜力POT的作用下銑切井壁，非對稱破碎井底巖石，以增加井眼彎曲強度。在鉆頭造斜系統(tǒng)中，依靠的是由于以壓力Pp向井壁施加壓力的切削塊2的伸出而使鉆頭產(chǎn)生的造斜力POT（見圖4和圖5）所致。

圖4 利用推動鉆頭造斜的回轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)Fig.4 RSS with bit deflection

圖5 利用鉆頭徑向位移回轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)彎曲半徑計算用圖Fig.5 Diagram for calculating the distortion radius of RSS with bit radial displacement

造斜力POT與沖洗液的壓力、從水力腔室方面看伸出切削塊的面積有關(guān)［10］，即：

式中：ρж——水力腔室中的沖洗液壓力，MPa；Sп——從水力腔室方面看伸出切削塊的面積，m2；L——RSS的長度，m；l2——伸出切削塊到穩(wěn)定器的距離，m。

如果鉆頭半徑Rд=147.65 mm，殼體半徑Rо=122 mm，穩(wěn)定器半徑Rц=140 mm，l1=0.7 m，l2=2.5 m，切削塊伸出高度H=30～26.75 mm，則按公式計算得曲率半徑R=152～350 m［10］。

切削塊2的驅(qū)動裝置是由水力（鉆井液）驅(qū)動的，是利用后來向相應(yīng)液壓室供給的鉆井液實現(xiàn)的。為了增加造斜角度，轉(zhuǎn)動切削塊，使其位于井筒的底部，壓向井筒的下幫。如果想減小造斜角度，則切削塊可以壓向井筒的上幫。利用遙測系統(tǒng)發(fā)出的指令，可以沿著水力脈沖通道或電磁聯(lián)系通道，決定鉆頭銑鞋啟動的時間和力度。位于造斜器部件5上方的控制部件，帶動轉(zhuǎn)動閥門（盤閥），根據(jù)鉆柱的轉(zhuǎn)動情況關(guān)閉或開啟向裝有切削具的腔室供給鉆井液的通道。Power Drive SRD系統(tǒng)盤閥控制結(jié)構(gòu)如圖6所示［8］。

圖6 Power Drive SRD系統(tǒng)盤閥控制結(jié)構(gòu)示意Fig.6 Plate valve control structure in Power Drive SRD

從圖6可見，鉆井過程中鉆柱內(nèi)、外的鉆井液壓力差是該系統(tǒng)支撐翼肋支出的動力?？刂戚S從控制平臺延伸到下部的翼肋支出控制機構(gòu)，底端固定有上盤閥，上盤閥的轉(zhuǎn)動角度由穩(wěn)定平臺控制。下盤閥固定在井下偏置工具內(nèi)部，隨鉆柱一起轉(zhuǎn)動，其上部的（鉆井液）壓力孔分別與翼肋支撐液壓腔體相通。導向系統(tǒng)進行工作時，穩(wěn)定平臺控制上盤閥相對穩(wěn)定，而隨鉆柱一起回轉(zhuǎn)的下盤閥上的液壓孔，將依次與上盤閥上的高壓孔接通，鉆柱內(nèi)部的高壓鉆井液通過該臨時接通的高壓通道進入相關(guān)的翼肋支撐液壓腔體，在鉆柱內(nèi)外壓力差的作用下，翼肋被支出。這樣，隨著鉆柱的回轉(zhuǎn)，每個支撐翼肋都將在相同位置支出，為鉆頭提供一個測向力，產(chǎn)生導向作用。

本系統(tǒng)可以同步測量切削具作用的部位和力度，對井壁施加作用，從而引導鉆頭的方向。鉆頭可以通過側(cè)部裝置以銑切井壁方式來保證井筒彎曲。所以，在RSS系統(tǒng)的彎曲過程中，鉆頭起著很大的作用，故對鉆頭有一定的要求［1-7］。

Schlumberger公司研發(fā)的大功率、進行強力彎曲的Power Drive Vortex控制系統(tǒng)，見圖7。該系統(tǒng)使用的是轉(zhuǎn)子-定子7×8的井底螺桿鉆具，沖洗液用量為77 L/s時的扭矩為24.4 kN·m。該系統(tǒng)鉆頭的直徑為279.4～120.7 mm，系統(tǒng)長度為15.42 m［10］。

圖7 鉆頭造斜的Power Drive Vortex控制系統(tǒng)Fig.7 Control system of Power Drive Vortex with bit deflection

控制系統(tǒng)使用的Control Collar（能源部件+電子部件），見圖8｛10｝。

圖8 控制系統(tǒng)用的Control Collar(能源部件+電子部件)Fig.8 Energy part and electronic part of Control Collar for the control system

Control Collar部件由鉆鋌和置于其中的Control Unit組件組成。Control Unit組件含有2個葉輪，這2個葉輪由沖鉆井液流驅(qū)動回轉(zhuǎn)，由2個磁矩發(fā)生器帶動，向2個彼此相反的方向回轉(zhuǎn)。這個Control Unit組件還裝有與遙測系統(tǒng)實時連接用的天線、與切削具控制閥門連接的軸，以及控制用傳感器和裝置的電子部件。

Control Unit的目的是保持鉆頭切削具造斜方向與儀器初始安裝的記錄程序或從地表聯(lián)系通道傳來的程序規(guī)定的方向一致。

從圖8可見，鉆井液通過鉆柱和本系統(tǒng)時，帶動葉輪和固定在其上的磁鐵回轉(zhuǎn)。從位于傳感器軟件包中的傳感器系統(tǒng)向Control Unit發(fā)出要求其圍繞自身軸線轉(zhuǎn)動的指令。根據(jù)要求Control Unit轉(zhuǎn)動方向的不同，如果向磁矩發(fā)生器供給相應(yīng)的電壓（電流），則反磁矩使儀器向某個方向轉(zhuǎn)動。例如，如果需要Control Unit逆時針方向回轉(zhuǎn)，則下面的磁矩發(fā)生器需要逆時針方向回轉(zhuǎn)。向下面的磁矩發(fā)生器供給相應(yīng)的電壓（電流），產(chǎn)生的電磁場與磁鐵相互作用，產(chǎn)生反磁矩，使Control Unit逆時針轉(zhuǎn)動。

傳感器組件中的儀器有：測量地磁場和與儀器軸線定向的地磁場（磁方位角）的三軸磁力儀、測量地球重力場和與儀器軸線定向的地磁場（頂角）三軸加速度計、2個互相垂直并測量回轉(zhuǎn)頻率和控制相對Control Collar位置的二軸磁力儀和控制儀器相對其軸線回轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)傳感器。

3.2 利用指點鉆頭（point-the-bit）造斜方式的回轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)

這種利用指點鉆頭（point-the-bit）造斜方式的回轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)是利用造斜器具的內(nèi)軸彎曲來指導鉆頭造斜鉆進的，例如利用Geopilot系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，內(nèi)軸彎曲點位于鉆頭上方的外殼內(nèi)部，見圖9。

圖9 利用指點鉆頭（point-the-bit）造斜方式的回轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)彎曲半徑計算用圖Fig.9 Diagram for calculating the distortion radius of RSS with point-the-bit deflection

對于Geopilot系統(tǒng)來說，其有關(guān)參數(shù)a=b=2.25 m，l1=0.8 m，l2=4.5 m，Dц=244 mm，在用直徑295.3 mm鉆頭鉆進時，經(jīng)過計算造斜器具內(nèi)軸的撓度等參數(shù)見表2［10］。

表2 Geopilot系統(tǒng)彎曲半徑等計算數(shù)據(jù)Table 2 Calculated data of distortion radius of Geopilot system

在Geopilot系統(tǒng)（見圖10）使用的控制用造斜裝置中，有置于鉆頭和鉆具上部的中空軸。在這個由不銹鋼制成的軸內(nèi)，有沖洗液流通用的內(nèi)部通道。置于外殼不回轉(zhuǎn)部分上部的造斜部件，通過2個轉(zhuǎn)動的偏心套把控制的造斜傳給軸，從上面和從下面與偏心套的聯(lián)系是用2個傳動系統(tǒng)實現(xiàn)的。

圖10 Geopilot系統(tǒng)造斜器具示意Fig.10 Deflecting tool of Geopilot system

用1個或2個傳動系統(tǒng)作用的結(jié)果是，偏心套組件可以一起轉(zhuǎn)動，也可單個轉(zhuǎn)動，把軸推向外殼軸線的一旁，迫使軸彎曲，把軸定向在造斜裝置設(shè)計安裝角的方向上。位于外殼內(nèi)的專門設(shè)計的回轉(zhuǎn)密封圈，使鉆井液不能進入造斜器具內(nèi)，潤滑液在造斜器外面流動，保證了系統(tǒng)的壽命和可靠性都非常高。

通過外殼的軸，靠在固定端的上部軸承、徑向支持軸承和下部游動軸承上。當偏心套組件使軸彎曲時，軸不讓軸彎曲高出自己的上部固定端、讓鉆頭在任意方向上偏斜，在自由回轉(zhuǎn)的下部支撐軸承之間彎曲。由于鉆頭的主要載荷是通過外殼傳遞的，因此軸要做成比較細的和容易控制的。

位于鉆頭部件上部的計算機控制的部件，對軸的偏斜進行控制。

在指點鉆頭造斜（point-the-bit）方式的回轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)中，可以使用1個或2個偏心套。

在使用1個偏心套的回轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)中，偏心套置于造斜器外殼的內(nèi)部，偏離造斜器外殼橫斷面幾何中心一定距離，這是為了保證在鉆進過程中井眼不偏斜，因為偏心套的偏心孔和造斜器外殼是同軸的，見圖11。工作情況如下。偏心套1可以在圍繞η方向上的自身軸線上回轉(zhuǎn)，也可在圍繞在τ方向上的外殼-定子2的軸線上回轉(zhuǎn)。裝有鉆頭5的軸-轉(zhuǎn)子3，在偏心套1內(nèi)以ω速度回轉(zhuǎn)。外殼-定子2被伸出式卡瓦4固定在井內(nèi)。偏心套1的轉(zhuǎn)動，是利用根據(jù)計算機控制過程電子部件指令進行工作的伺服機具完成的。偏心套1的轉(zhuǎn)動，帶動內(nèi)軸-轉(zhuǎn)子3的軸偏離外殼2的中心軸線，其數(shù)值為△，鉆頭根據(jù)偏心套1在外殼-定子中的位置向這個或那個方向偏斜。圖11（a）是鉆孔不彎曲，偏心套1內(nèi)孔和軸3同軸（Δ=0），鉆頭5不造斜的情況。圖11（b）、11（c）是偏心套1轉(zhuǎn)動、使軸3彎曲、鉆頭5造斜鉆進方向改變，井眼在圖內(nèi)所示6方向內(nèi)彎曲的情況。

圖11 鉆頭偏斜的回轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)工作示意Fig.11 Working scheme of RSS with bit deflection

在回轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)中，有帶2個偏心套的設(shè)計（見圖12），可以使這2個偏心套不偏離造斜器外殼的幾何中心。在這種情況下，因為有2個調(diào)整鉆頭偏斜角度的系統(tǒng)，所以可以更好地控制井眼曲率加大的過程。

圖12 偏心套不同位置示意Fig.12 Eccentric sleeves in different positions

圖13示出了另一種利用對稱圓環(huán)套橫向偏斜來使驅(qū)動軸彎曲的示意圖。這種方案是可能的，但是要有另外一個比較復(fù)雜的系統(tǒng)驅(qū)動裝置。如果造斜器外殼尺寸有限，要求圓環(huán)套和軸做橫向位移，則做到這一點是比較困難的。

圖13 造斜部件位置和曲率增大示意Fig.13 Deflecting tool position and increasing of distortion intensity

3.3 推動鉆頭造斜（push-the-bit）+指點鉆頭造斜（point-the-bit）的回轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)——Power Drive Archer

Power Drive Archer回轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)是把利用鉆頭造斜（push-the-bit）方式的回轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)的性能和把利用改變鉆頭偏斜方向（point-the-bit）方式的回轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)的性能結(jié)合起來的回轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)［10］。

利用這個系統(tǒng)可以自動保持井眼的空間位置（彎曲角度）。根據(jù)井眼直徑（406.4～660.4 mm）的不同，利用本系統(tǒng)可以使井眼的彎曲強度達到0.1°～0.3°/m［10］。

與前面討論的回轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)不同，本系統(tǒng)不是利用從外面伸出的切削塊對地層施加壓力，而是利用加重鉆桿內(nèi)部的4個驅(qū)動活塞，從內(nèi)部對在萬向接頭回轉(zhuǎn)的圓柱形轉(zhuǎn)動套施壓，把鉆頭定位在希望的方向上（見圖14和圖15）。此外，在接觸井壁時，位于萬向接頭上方套環(huán)外表面上的4個穩(wěn)定器切削塊，把側(cè)壓加到鉆頭上，使系統(tǒng)按照鉆頭造斜方式進行工作。在這種系統(tǒng)中，所有活動零件都置于內(nèi)部，可以防止井內(nèi)不良環(huán)境的作用，所以損壞的風險較小，可以增加使用壽命。

圖14 Power Drive Archer回轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)Fig.14 RSS combining push-the-bit RSS with point-the-bit RSS

圖15 Power Drive Archer回轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)萬向接頭和驅(qū)動軸的部件Fig.15 Universal joint and drive shaft parts in Power Drive Archer RSS

置于鉆頭端部附近、用于定位的內(nèi)閥，把一小部分鉆井液供給活塞，鉆井液帶動活塞對轉(zhuǎn)動套環(huán)施壓，保證鉆頭按設(shè)計方向定向和井眼彎曲。

鉆井液閥門在空檔情況下是連續(xù)回轉(zhuǎn)的，所以鉆頭對井壁的壓力是均勻分布的，鉆孔的方向是穩(wěn)定的。

利用這種系統(tǒng)可以實現(xiàn)穩(wěn)斜鉆進、增斜鉆進、降斜鉆進、左扭方位、右扭方位、降陡增方位等。

伽馬輻射強度、頂角和方位角等參數(shù)，在鉆頭的上方進行測量，可以幫助操作員有效控制鉆井過程。這些參數(shù)的實時數(shù)值，利用控制部件，通過水力脈沖聯(lián)系通道的遙測方法傳到地面。工作人員從地面將指令傳到導航部件，將其變成鉆井液供給速度的振蕩信號，對鉆進過程進行導航。

4 分析討論與建議

根據(jù)上述資料可做如下分析與討論。

（1）回轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)（RSS）是一種高度智能化和自動化的井眼軌跡控制系統(tǒng)，是由井下閉環(huán)控制的鉆頭偏置機構(gòu)與無線測量傳輸儀器（MWD/LWD）聯(lián)合組成的復(fù)雜器具系統(tǒng)組成的。回轉(zhuǎn)導向鉆井中，該系統(tǒng)可以實時測量實鉆軌跡與設(shè)計軌跡或地質(zhì)目標的偏差方向、距離，按照要求的造斜率和回轉(zhuǎn)導向鉆井工具造斜能力給出相應(yīng)的控制指令，改變導向偏置工具面向位置和造斜率，使實鉆軌跡盡量向設(shè)計軌跡或地質(zhì)目標靠近，并沿校正的設(shè)計軌跡鉆進，準確鉆到目標。

（2）這種系統(tǒng)是在鉆柱回轉(zhuǎn)情況下進行導向的，所以井眼凈化效果更好，延深能力更強；可以連續(xù)導向，井眼軌道更為光滑；工具設(shè)計制造模塊化、集成化，能夠連續(xù)、實時、準確監(jiān)測鉆頭的鉆進方向，引導鉆頭在最佳位置鉆進；具有雙向通信能力，可以自動調(diào)節(jié)鉆進方向，具有創(chuàng)新性。

（3）這種系統(tǒng)可以用于垂直井、斜井和水平井鉆進，使用范圍較寬，使用效果較好，具有積極使用和推廣價值。

（4）這種系統(tǒng)美國已經(jīng)研發(fā)多年，俄羅斯也在積極使用，我國石油天然氣集團公司等也在進行研究并取得一定效果。建議我國地質(zhì)深鉆有關(guān)單位對此引起重視，進行研究開發(fā)，確認其創(chuàng)新性、可用性和合理性，將其早日用于深鉆和超深鉆探工程中。