定向钻井技术进展研究

李 旭

（大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江大庆163413）

原油和天然气由碳氢化合物、非碳氢化合物和其他微量元素的混合物组成，它们埋藏在深部地层的沉积岩中。根据岩石破碎原理，破岩可以使用冲击式钻井法和旋转式钻井法，其中旋转式钻井法是使用最广泛的方法。截止目前，钻井技术已经取得了非常大的突破。为了满足不断增长的对油气资源的开采需求，定向钻井和水平钻井已经成为油气开采的主要技术之一[1-2]。本文回顾和介绍了定向钻井技术的发展进程，调研了定向钻进工具（旋转导向钻井系统和垂直钻井系统）的发展情况，讨论了定向钻井技术面临的挑战。最后，对定向钻井技术进行了总结和展望。

1 定向钻井技术发展

1.1 第一代定向钻井技术

第一代钻井技术分为被动定向技术和主动定向技术。

被动定向技术：井眼轨迹处于地层的自然挠度中，钻柱屈曲和钻头情况会影响井眼轨迹，但井眼轨迹无法得到精确控制[3]。

主动定向技术：利用一些特殊的设备、工具和技术措施来主动控制井眼轨迹，主要方法是通过改变钻具组合和使用造斜器来改变工具轴与井眼轴的偏离程度。钻具组合可分为造斜、降斜和刚性钻具组合，通过改变钻具组合可以帮助井眼清洁、减小钻柱阻力、减小狗腿角、节约钻井成本，但这种方法对方位的控制能力不足。早期的造斜器是一种专用工具，主要用于引导钻头偏离井眼轴线及设定所需方向，造斜器可以控制方位角，解决了钻具组合控制能力不足的问题，但其也有很多缺点：需要多次起下钻、浪费时间、操作复杂、准确度差等。但在超高温深井钻井，因为井下动力钻具因高温失效时，造斜器仍是一种有效的替代办法。

1.2 第二代定向钻井技术

第二代定向技术以涡轮钻具、螺杆钻具及测斜仪等工具的发明和使用为代表[4-5]。螺杆钻具和涡轮钻具通过钻井液的动能配合其他工具（弯钻杆、弯接头、偏心接头等）来达到改变井眼轨迹的效果。主要的监测工具是测斜仪。与第一代定向钻井技术相比，第二代技术的井眼轨迹更为平滑和准确，钻速也大幅度提高。

1.3 第三代定向钻井技术

第三代定向钻井技术是更为先进的监控和钻进工具发展的结果。主要特征是随钻测量工具（MWD）的出现，进一步提高了控制的精度，可以随钻进行定向操作[6-7]。此外，为了进一步提高定向效率，弯曲率螺杆也得到了广泛使用。第三代定向工具的使用使定向操作的技术难度大幅度简化。到目前为止，第三代定向技术仍是定向井和水平井施工的主要技术。

1.4 第四代定向钻井技术

第四代定向技术的典型代表是旋转导向钻井系统（RSDS）的发明。在之前的定向技术中，由于必须人工调整工具面，因此在定向钻进时必须固定钻柱，即所谓的滑动钻进。由于钻柱阻力总是与运动方向相反，这使钻柱阻力增大，并且对钻孔效率、井眼清洁度、井眼质量等产生影响。因此，为了提高钻进效率、控制精度并减少钻柱阻力，斯伦贝谢于1999 年首次开发了旋转导向钻井系统。RSDS 使钻柱在连续旋转的情况下仍然可以精确控制井眼轨迹。

2 定向工具发展情况

大多数定向井和水平钻井使用的井下设备与直井相同，例如钻杆、加重钻杆、钻铤、短接、钻头和扶正器等[8]。先进的定向工具的应用是定向钻井的基础。定向技术的发展是由定向工具的发展推进的。

2.1 导向工具

目前最为常用导向工具主要有可拆卸造斜器和永久造斜器。其中可拆卸造斜器通过剪切销固定在钻柱上。钻入井眼后，旋转钻柱，使造斜器的工具面对应正确方位。通过从地面施加钻压，将其固定在地层或水泥塞中，随后剪断固定销，即可开始钻井作业。永久性造斜器主要用在套管中，用于落鱼的侧向跟踪或绕过损坏的井眼：首先将造斜器沿所需方向放置并剪断固定销后，开始铣削操作；切割完窗口后，将铣刨头从钻孔中拉出，并在底部钻一个小直径的导向钻头。随后将导向孔扩孔至全尺寸，然后继续进行定向作业。

2.2 井下马达

目前广泛使用的井下马达主要有螺杆钻具和涡轮钻具。

2.2.1 螺杆钻具

20世纪40年代，史密斯钻探公司设计了第一个螺杆工具。1950 左右，螺杆钻具开始商业化应用于定向钻井服务中。1970左右，Smith公司、Dyna公司等一大批公司均开展了相关设备的研制和生产。目前，螺杆钻具已经全尺寸化，但最常见的是6-3/4″和8-1/2″，螺杆工具的速度范围也很广，为100～800r/min，最常见的运行速度为150～300r/min。另外，定子的材料也是螺杆工具抗温性的关键，因为其中使用的弹性成分容易受到高温和油基泥浆的腐蚀影响，从而引起膨胀和脱落。但目前通过改进弹性体，螺杆钻具已经可以承受高达200°C的温度。

2.2.2 涡轮钻具

1873 年，单级涡轮钻具在美国的芝加哥获得了专利，但并没有进行现场应用。直到1920年左右，涡轮钻具在美国和前苏联得到了再次发展。20世纪40年代，前苏联进行了涡轮钻具的进一步开发，并在钻井作业中进行了广泛应用。涡轮钻具由一系列转子和定子组成，每个转子—定子对称为“级”，级数取决于要求。涡轮钻具的转速高于螺杆钻具，可以达到2000r/min。但由于其构成较为复杂，因此不适合在过小的井眼中使用，其最小的尺寸是2-7/8″，最大的尺寸为9″。涡轮钻具的主要缺点是高转速、低扭矩、轴承寿命短、快速磨损零件过多以及钻头寿命短等。为了克服普通涡轮钻具的缺点，目前已经开发了许多特殊的涡轮钻具，例如低转速高扭矩的涡轮钻具、带齿轮箱的涡轮钻具、带螺旋壳体的涡轮钻具。另外涡轮钻具还解决了螺杆钻具因为橡胶内衬抗温性差而无法在超高温条件下应用的难题，目前涡轮钻具的最高使用记录已经达到260℃。

2.3 旋转导向钻井系统

由于钻进过程中钻柱全程旋转，可以减少由于钻柱滑动而产生的阻力，提高钻压的传输效率，从而降低了卡钻的风险，并大幅度提高井眼清洁效果。旋转导向工具可以根据预期的井眼轨迹进行预编程，当需要更改指令时，钻井液中的脉冲序列可以向井下传输新指令。通常将旋转导向分为两类，较普遍的“狗腿控制”系统和较不成熟的“偏差控制”系统。由于旋转导向是基于电子控制系统进行控制的，因此有最大工作温度的要求。当前，PowerDrive 系统、AutoTrak 系统和Geo-Pilot 系统可以在200°C 的高温下工作。在地热井钻探中，当底部温度高于旋转导向系统的最大抗温能力时，需要控制钻进参数并增加井下循环量，以保护旋转导向系统的电路板在高温下不被损坏。

2.4 垂直钻井系统

垂直钻井系统也是一种先进的定向工具，主要用于纠斜和提高钻速。因为使用常规技术（例如偏心轴组件、偏心刚柔组件、可转向组件、防摆组件等），往往需要起钻更换钻具，浪费时间，所以，垂直钻井系统在深井和超深井提速方面有着重大的优势。

1988年贝克休斯公司开发了垂直钻井系统并用于德国KTB计划的大陆科学井钻探实验，成功将井斜角控制在1°以内，取得了巨大的成功，后续吸引了多家钻井公司对其进行研究开发。垂直钻井系统可以自动保持井眼垂直，而不会影响钻井液排量、钻压和转速等参数，可以维持较高的转速，并且避免了纠斜所耗费的时间。垂直钻井系统可以显著改善井眼质量，并实现精确的井眼轨迹，从而使后续的钻井施工操作得以简化，效率更高，并能降低修井成本。此外，垂直钻井系统在减少地面井口间距方面也很有用。

3 结论及认识

（1）在近一个世纪的钻井技术发展过程中，钻探技术已经从电缆工具钻井发展到先进的自动旋转钻井，先进的技术和工具是发展的主要动力。

（2）随着油气开发对垂深和水平位移要求的不断加大，要进一步解决因为井下高温、高压和长水平段井壁稳定引起的钻井问题。

（3）垂直钻井和定向钻井已经逐步发展到数字化、可视化、自动化、集成化和智能化程度。但是，现场作业过程中，自动化程度仍然不够。因此，更为先进的自动钻井技术仍然是最主要的研发方向。