中海油大尺寸标准型旋转导向在渤海油田的应用

侯得景 韩东东 邱小华 秦天宝 孟宪伟

（1、中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300452 2、中海石油（中国）有限公司，天津300452 3、中海石油（中国）有限公司蓬勃作业公司，天津300452）

在定向井钻井中常用的定向钻进工具主要是马达和旋转导向，在井眼较浅、井眼轨迹简单的井段马达具有使用成本低、机械钻速快等特点，但是在深部地层和大斜度、大位移井中马达通常因为托压、滑动钻进工具面不稳、综合机械钻速慢而无法满足钻井作业需求，而在这类井中旋转导向具有明显优势。长期以来旋转导向钻井工具主要掌握在哈里伯顿、贝克休斯、斯伦贝谢国外石油公司中。为顺应科技强国、在关键领域突破卡脖子技术目标，特别是在2014 年国际油价进入低油价时期，国内公司近些年加快旋转导向工具的研发力度，以中海油研发的旋转导向为例，2015 年小尺寸Welleader 旋转导向钻井工具开始在海上油田小规模应用，打破国际垄断，成为国际上第四家掌握这项技术的公司，2020 年大尺寸标准型旋转导向开始在渤海某油田实际应用，第一批几口井的成功应用，为后续作业开了一个好头，也为该工具的全国推广普及打响了第一枪，提升了自研工具的信赖度，为油田增储上产、降本增效提供更多措施。

1 Welleader 推靠式旋转导向工具的结构及工作原理

1.1 工具结构

Welleader 推靠式旋转导向工具结构包含导向短节和柔性短节两部分，上部与Drilog 测井系统连接，由BCPM（双向通讯供电短节）供电。钻具组合连接示意图、旋转导向结构示意图如图1、2 所示。

1.2 工作原理

Welleader 旋转导向钻井系统通过精准导向力矢量实时控制钻头姿态，优异的定向造斜、轨迹控制，井斜全自动闭环控制达到精准控制轨迹的目的，并可与Drilog 随钻测井系统无缝对接实现精准地质导向。

地面实时控制分流装置将控制指令下传给旋转导向，通过检测泥浆排量的变化解析具体指令并执行。导向短节通过液压驱动闭环控制，精确控制三个导向翼肋的导向力，稳定控制导向合力的大小和方向。通过近钻头测量模块第一时间将井底井斜上传至地面，为导向控制提供精确导航。

图1 钻具组合示意图

图2 旋转导向结构示意图

导向短节关键组成部分分为：旋转驱动轴、不旋转导向套筒、导向肋板、近钻头测量模块、导向力控制电子元件、液压控制系统。通过工具内部的微处理系统计算出必须向每个肋板施加压力的大小，由液压系统提供动力推动工具内部高压流体，精准施加控制压力。

根据作用力反作用力的原理，工具内部微处理系统根据不同的指令实时计算合力的大小和方向，通过液压系统精准控制三个肋板的合力大小及方向，达到精准导向的目的。

2 在渤海某油田的应用

2.1 渤海某油田地质特征

该油田钻井主要揭示了新生界和中生界地层，自上而下可划分为新近系平原组、明化镇组、馆陶组及古近系东营组。主力含油层系发育于新近系明化镇组下段及馆陶组。明化镇上部及以上地层以泥岩为主加薄层砂岩，泥岩性软；明化镇下部至馆陶组下部为砂岩与泥岩不等厚互层，地层越深砂岩越多。

2.2 使用大尺寸标准型Welleader 旋转导向所钻首批井基本情况

该油田三期开发井多为大斜度井或者水平井，表层钻进使用马达，在此之前二开钻进使用哈里伯顿的GeoPilot 旋转导向一趟钻进至完钻井深，2020 年6 月中海油大尺寸标准型Welleader 在渤海油田中首次应用，本批次中海油大尺寸标准型Welleader 在该油田共计完成3 口水平井作业。

本批次3 口水平井二开造斜点浅、地层松软、不利于造斜钻进；稳斜角度大、稳斜段长，稳斜角65～68°、稳斜段长750～1200米，另外稳斜段地层变化大，地层漂移无规律；目的层埋深浅，渗透率高，地层疏松不利于造斜。

G48H 井为该工具成功完成的第一口井，其为水平井，12-1/4"井段裸眼长2289m，设计出管鞋开始，以3～3.5 度造斜率钻进至井深900m 增斜至69°稳斜，稳斜1200 米，以造斜率3°/30 钻进至2846 米着陆中完。另外2 口井也是水平井，井型与G48H 井相同，井眼轨迹及地质走向相似，稳斜角分别是66度和65 度，稳斜段均较长，其中G50H 井目的层埋深较浅，十分不利于增斜作业。钻井液体系为PEM。

2.3 现场应用结果

大尺寸标准型Welleader 旋转导向能够满足该油田定向井作业，实钻井眼轨迹与设计轨迹吻合，钻井时效与使用哈里伯顿的GeoPilot 旋转导向相当。（表1）

表1 2020 年不同工具时效对比

本批次中海油大尺寸标准型Welleader 旋转导向工具共计入井3 次，均为一趟钻完成造斜、稳斜、增斜着陆作业。配合参数控制，浅层造斜段Welleader 旋转导向可达到3.5～4.5°/30m 造斜率；稳斜控制良好，稳斜、稳方位效果良好，稳斜段内增斜、扭方位表现良好；增斜着陆井段造斜稳定，使用40%～80%导向力钻进，平均造斜率可达3.5～5.8°/30m，表现良好。

2.4应用中存在的问题及技术展望

2.4.1 Welleader 钻进期间出现托压、憋压现象

2.4.1.1 随着钻压的增加，进尺变慢，泵压升高。泵压升高幅度与进尺相关性高，进尺快，泵压上升快且憋压高。

2.4.1.2 泵压憋起的同时，司钻不再下放顶驱，泵压憋至一定值（150～320PSI）后可能不再上涨。

2.4.1.3 泵压稳定后，提示司钻继续加压2～5 吨钻进，加压过程中大多数情况下泵压释放，钻压快速减小3～8 吨。

贝克休斯的AutoTrak 在钻进期间也出现托压现象，平均托压3～7 吨，泵压比较平稳，很少出现憋压现象。

2.4.2 钻进期间出现憋扭矩现象

在本批3 口井，大尺寸标准型工具钻进期间，在各项参数正常的情况下出现过3 次突然憋停顶驱情况。后经分析发现，这三次憋停顶驱有两个共同点，钻压比较高，在16T 以上，都发生在砂泥岩交接面，该油田泥岩性软，在高钻压高机械钻速时翼肋插入软泥岩地层所致。出现这种情况释放扭矩、上提钻具即能提活钻具。在钻压低于13T 时未曾发生过憋停顶驱险情，该油田地层在钻压13T 以内时基本满足钻进要求。

2.4.3 原因分析

现场分析可能与工具的机械结构相关，与ATK 相比：

2.4.3.1 Welleader950 翼肋宽15cm，ATK950 翼肋宽12cm，Welleader950 翼肋与井壁接触面积更大。

2.4.3.2 Welleader950 排屑槽宽11cm，ATK950 排屑槽15cm左右（以上数据为粗略测量结果），Welleader950 排屑槽面积更小。

2.4.3.3 ATK950 驱动头设计为抛物线形状，Welleader950 驱动头设计导角角度稍大，ATK950 驱动头设计更符合实际需求。

2.4.4 Welleader950 造斜率个体差异

在钻进中06 号Welleader950，100%导向力控速钻进，局部狗 腿 可 以 达 到 7° /30m； 而 16 号Welleader950，100%导向力控速钻进，局部狗 腿 只 能 达 到 5.5° /30m。 06 号Welleader950 造斜率更高。

原因分析：工具构造上有略微差异。旋转导向由导向单元和柔性短节2 部分构成，两根工具的导向单元部分长度一致，但是06 号柔性短节上的扶正器更短更接近钻头，距离钻头长度为3.58 米，距离柔性短节上端为3.29 米；16 号旋转导向扶正器距离钻头长度为4.32 米，距离柔性短节上端为2.99 米。06 号刚性强的地方，长度较短，柔性强的地方，长度较长，造斜率相对更高。（图3）

图3 06 号和16 号工具对比

针对造斜率要求高、特别是方位变化比较大的井，选着长柔性短接或者双柔性短接的旋转导向，更能满足该油田的井眼轨迹控制需求。

2.4.5 技术展望

随着国内石油的开发和发展，各种钻井工具及技术正在迅速发展和完善，以中海油大尺寸旋转导向为样本的国内旋转导向技术必将在一段时间内取得更大的发展和技术进步，继续以市场需求为导向不断改进、完善和提高现有旋转导向性能，推出更适合现场应用的旋转导向工具。