與傳 統(tǒng) 油 氣 資 源 不同，非傳統(tǒng)資源如頁(yè) 巖 氣 和 煤 層 氣大 都 為 水 平 地 質(zhì)構(gòu)造。為了開(kāi)采這些資源，需要采用定向鉆井和水力壓裂技術(shù)。定 向 鉆 井 過(guò) 程 中， 全 角 變 化 率（DLS，俗稱(chēng)造斜率）指的是每鉆 進(jìn) 100ft（30m） 井 眼 方 向 角變化有多大，這是一個(gè)至關(guān)鉆井成本和鉆井周期的大問(wèn)題。本文簡(jiǎn)要介紹幾種不同的定向鉆井方法和一種新推出的混合式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)（hybrid-type RSS）。
向非常規(guī)油氣進(jìn)軍
由于非傳統(tǒng)資源儲(chǔ)量巨大，且開(kāi)采需求急劇上升。然而，成功 實(shí) 現(xiàn) 定 向 鉆 井 非 常 具 有 挑 戰(zhàn)性。定向鉆井系統(tǒng)面臨的關(guān)鍵問(wèn)題之一就是 DLS。DLS 表示鉆進(jìn)100ft（30m）井深井眼的角度（井斜和方位）變化有多大，如圖 1所 示， 隨 著 DLS 的 增 大，KOP則變得更深，這會(huì)對(duì)鉆井周期、成本和生產(chǎn)效率產(chǎn)生很大影響，因 為 使 用 鉆 機(jī) 的 頂 驅(qū) 垂 直 鉆 進(jìn)要比用 BHA 中的泥漿馬達(dá)水平鉆進(jìn)快得多，而且暴露的儲(chǔ)層也更長(zhǎng)。2013 年， 斯 倫 貝 謝 公 司 開(kāi)發(fā) 出 一 種 被 稱(chēng) 作 PowerDriveArcher 的 混 合 型 RSS。
它 是 一種全鉆具旋轉(zhuǎn)的 RSS，這種 RSS通過(guò)結(jié)合推靠式和指向式各自的優(yōu)勢(shì)，內(nèi)部的襯墊用來(lái)推動(dòng)工具外筒，實(shí)現(xiàn)定向鉆進(jìn)。該型 RSS可 打 出 18 °/100ft 的 DLS， 表明這是一種在常規(guī) RSS 工具中最具導(dǎo)向能力的一型 RSS 系統(tǒng)。該系統(tǒng)還能將襯墊推向工具外筒的中心，讓導(dǎo)向獲得更大的凈力，內(nèi)部的推靠式和指向式結(jié)構(gòu)幾乎類(lèi)似，利用這一特性，通過(guò)結(jié)合這些系統(tǒng)的機(jī)理，推出了一種新型的 RSS 組件結(jié)構(gòu)，這種混合式RSS 不僅能同時(shí)操控導(dǎo)向裝置，為造斜提供更大的導(dǎo)向角度，而且只需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)部件為其服務(wù)。
接下來(lái)，我們將這種新型 RSS 與那些采用三點(diǎn)幾何學(xué)方式的常規(guī)RSS 進(jìn) 行 了 最 大 DLS 的 對(duì) 比。對(duì) 于 171.5mm 和 216mm 的 井眼尺寸，大多數(shù)定向鉆井公司能夠獲得的最大 DLS 大約為 6.5 度/100ft 左右。研發(fā)期間，開(kāi)發(fā)出兩套新型RSS 樣機(jī)；一套采用電馬達(dá)方式在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)；另一套采用液壓缸方式，采用一個(gè)實(shí)際尺寸的工具樣機(jī)，在一組水泥塊中進(jìn)行鉆井試驗(yàn)。所做的兩個(gè)試驗(yàn)證明了已開(kāi)發(fā)的 RSS 系統(tǒng)的導(dǎo)向能力，圖 3 給出了所研發(fā)的定向鉆井系統(tǒng)的簡(jiǎn)單示意圖，BHA 由五 部分組成，鉆桿、一個(gè)感應(yīng)和控制模塊、一個(gè)泥漿馬達(dá)、一個(gè)導(dǎo)向裝置和一只鉆頭。本文主要提出并開(kāi)發(fā)一種新型的混合式 RSS系統(tǒng)，相比常規(guī)鉆井系統(tǒng)，該型RSS 能獲得更高的 DLS。
混合式 RSS 的投入
定向鉆井其中一個(gè)主要問(wèn)題是 DLS，采用頂驅(qū)鉆機(jī)進(jìn)行垂直鉆進(jìn)比在井下采用泥漿馬達(dá)快得多，因此高 DLS 可以減小無(wú)意義的水平位移和縮短總的鉆井周期。我們推出的混合式 RSS 將推靠式和指向式相結(jié)合，通過(guò)采用混合襯墊能夠提供更高的導(dǎo)向能力，從而打出更高 DLS 的造斜段。該系統(tǒng)配有三塊混合襯墊，襯墊能使工具筒內(nèi)的鉆具傾斜或使其偏離中心軸線，襯墊對(duì)井壁施加推力，由于結(jié)合了兩種類(lèi)型RSS 的操控結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)上述動(dòng)作是可能的。
對(duì)于這兩種類(lèi)型，當(dāng)RSS 鉆進(jìn)期間進(jìn)行導(dǎo)向時(shí)，必須對(duì)工具側(cè)面施加一個(gè)與鉆頭航向相反的力，考慮到這一因素，我們?cè)O(shè)計(jì)出能使推靠式和指向式兩種系統(tǒng)同時(shí)動(dòng)作的新襯墊。如圖 4（a）所示，每個(gè)襯墊都有一個(gè)液壓缸，液壓缸與鉆具平行移動(dòng)，由于襯墊與一個(gè)固定在工具殼體的導(dǎo)軌相連，襯墊只做垂直移動(dòng)。襯墊體內(nèi)有一個(gè)斜面，軸承支座連接在活塞桿的末端，將平行運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪边\(yùn)動(dòng)。這些襯墊同時(shí)推井壁和鉆具，移動(dòng) RSS 使其轉(zhuǎn)向。圖 4 給出了新型 RSS 的 詳 細(xì) 說(shuō) 明： 圖 4（a）為新推出的 RSS 的概念設(shè)計(jì)；圖4（b）為 RSS 導(dǎo)向裝置的 CAD設(shè) 計(jì) 模 型； 圖 4（c） 為 RSS 一個(gè)混合襯墊和液壓缸原理示意圖；圖 4（d）為壓力生成器和泥漿通道的結(jié)構(gòu)圖（泥漿通道 1：泥漿流進(jìn)驅(qū)動(dòng)器總成，泥漿通道 2：壓力生成后，泥漿流進(jìn)鉆具殼體或管柱內(nèi)）。
新推出的 RSS 還有一些設(shè)計(jì)上的考慮，每種鉆井技術(shù)泥漿都被用來(lái)冷卻鉆頭、將鉆進(jìn)產(chǎn)生的巖屑循環(huán)出井筒、驅(qū)動(dòng)泥漿馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，因此整個(gè)鉆具必須有一個(gè)能讓泥漿流通的泥漿通道，如圖4（b）和 4（d）所示，泥漿穿過(guò)馬達(dá)后立刻進(jìn)入導(dǎo)向裝置，首先泥漿進(jìn)入缸室，產(chǎn)生泥漿壓力，通過(guò)壓力閥激活液壓缸，壓力閥由一個(gè)螺絲、墊片和彈簧組成，通過(guò)阻流泥漿來(lái)控制導(dǎo)向裝置內(nèi)的壓力，直到壓力達(dá)到一個(gè)設(shè)定值，Dc 為 給 定 的 缸 室 內(nèi) 徑，ks為彈簧系數(shù)，阻流塞與缸室出口之間的距離為 Δd，彈簧的初始張力為 Ti，所產(chǎn)生的壓力 Pc 可表示為：其 中 A 為 內(nèi) 缸 室 的 橫 截 面積，F(xiàn)s 為彈簧產(chǎn)生的力，通過(guò)調(diào)整壓力值可以改變距離 Δd。
鉆具被兩個(gè)萬(wàn)向節(jié)分成三個(gè)鏈接，從而使旋轉(zhuǎn)的鉆具向著期望方位彎曲而不會(huì)使其損壞。不過(guò)，泥漿不能通過(guò)萬(wàn)向節(jié)流動(dòng)，因此缸圖 473新技術(shù) Overview of New Technologies·New Technology 新技術(shù)縱覽室內(nèi)的泥漿會(huì)流進(jìn)了導(dǎo)向裝置的殼體內(nèi)，直到泥漿到達(dá)鉆頭盒。當(dāng)泥漿到達(dá)鉆頭盒時(shí)，泥漿流進(jìn)鉆頭盒，然后噴出鉆頭，由于導(dǎo)向裝置內(nèi)有許多軸承，所以使用橡膠密封來(lái)防止軸承磨損。
混合式 RSS 優(yōu)勢(shì)突出
為 了 驗(yàn) 證 新 推 出 的 混 合 式RSS 的優(yōu)勢(shì)，有必要對(duì)比一下推靠式、指向式和混合式三種 RSS結(jié)構(gòu)的 DLS。圖 5（a）展示了當(dāng)三種工具的總長(zhǎng)度都為 3m 時(shí)，DLS 是如何隨著這三種 RSS 工具導(dǎo)向裝置的位置而變化的；圖 5（a）是不同導(dǎo)向部件位置（L1）獲得的 DLS 變化的對(duì)比；由于鉆頭和扶正器的尺寸，導(dǎo)向裝置安裝的位置（L1）距離鉆頭從 2ft到 8ft（0.61~2.44m） 不 等， 導(dǎo)向角、液壓缸沖程、鉆具殼體半徑、扶正器半徑和鉆頭半徑分別為 1.7 度、10.4mm、85.7mm、102.5mm 和 111mm；在這種情況下，推靠式系統(tǒng)的導(dǎo)向角度應(yīng)為 0 度，而指向式系統(tǒng)的液壓缸沖程應(yīng)被視為 0mm；對(duì)于指向式系統(tǒng)和混合式 RSS，DLS 的值與鉆頭和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)之間的距離成正比。圖 5（b）展示了混合式 RSS的導(dǎo)向效率優(yōu)于最大 DLS 的其它RSS 系統(tǒng)。
鉆井試驗(yàn)驗(yàn)證成功
我們開(kāi)發(fā)出一套原型工具，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)這種新型 RSS 的 DLS能力進(jìn)行了測(cè)試，用長(zhǎng)、寬、高分 別 為 7.2m、1m 和 0.9m 的 高密 度 絕 緣 泡 沫 進(jìn) 行 了 一 次 鉆 井試驗(yàn)，絕緣泡沫的耐壓強(qiáng)度約為0.5MPa。圖 6（a）給出了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的設(shè)備配置；（b）為新型RSS 縮小 1/3 尺寸的原型工具；（c）為小規(guī)模鉆井試驗(yàn)與具有最高 DLS 的常規(guī) RSS 偏移距離的對(duì)比；（d）為小規(guī)模鉆井試驗(yàn)的DLS 走勢(shì)。在圖 6（a）鉆井試驗(yàn)所用的原型工具的配置中，我們使用了一個(gè)剪式千斤頂，用來(lái)向RSS 提 供 鉆 壓（WOB）， 并 制作了幾個(gè)臺(tái)架用來(lái)保持鉆進(jìn)點(diǎn)位；原型 RSS 工具的原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)與 實(shí) 際 規(guī) 格 的 RSS 工 具 相 似，但尺寸縮小了 1/3，用電來(lái)驅(qū)動(dòng)襯 墊 和 鉆 頭， 為 了 預(yù) 測(cè) 工 具 的DLS，需要為原型 RSS 制定幾項(xiàng)規(guī)格，表 1 和圖 6（b）給出了相關(guān)規(guī)格和所設(shè)計(jì)的原型 RSS 工具的圖片；通過(guò)將這些參數(shù)值，預(yù)測(cè)的 DLS 約為 67.9 度 /100ft。
試驗(yàn)步驟如下：將臺(tái)架與希望的鉆進(jìn)方向?qū)R排成一條直線；將 RSS 工具放在臺(tái)架上；用 RSS鉆進(jìn)，直到襯墊的中部到達(dá)絕緣泡沫的孔壁面為止；移動(dòng)襯墊至所需方向的最大點(diǎn)；繼續(xù)鉆進(jìn)、接入管線，直到鉆頭到達(dá)絕緣泡沫的末端為止；拔出 RSS 工具，拆開(kāi)泡沫塊，檢查泡沫塊之間的孔眼方位。圖 6（c）和（d）展示了鉆進(jìn)試驗(yàn)結(jié)果，每個(gè)泡沫塊長(zhǎng) 1.8m，原型 RSS 工具獲得了最 大 約 43.7 度 /100ft 的 DLS。我們將鉆進(jìn)方向設(shè)置為向著 RSS的左方向，但結(jié)果表明，RSS 從底部泡沫的左下角鉆出，造成這一差異的原因是：當(dāng)絕緣泡沫與鉆頭之間的摩擦力超過(guò)絕緣泡沫與 RSS 工具其它部件之間的摩擦力時(shí)，RSS 工具內(nèi)部電機(jī)的扭矩使 RSS 工具本體出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)所致。
水泥塊鉆井試驗(yàn)
新 開(kāi) 發(fā) 的 實(shí) 際 尺 寸 的 RSS設(shè) 計(jì) 用 來(lái) 鉆 立 方 形 水 泥 塊， 每個(gè) 水 泥 塊 長(zhǎng)、 寬、 高 的 尺 寸 為1m×1m×1m。10 個(gè) 水 泥 塊 采用兩種不同的抗壓強(qiáng)度：5 塊為40MPa，5 塊 為 55MPa。 見(jiàn) 圖7，（a）為水泥塊鉆井試驗(yàn)的試驗(yàn)臺(tái)和配置；（b）為已開(kāi)發(fā)的導(dǎo)向裝置圖示；（c）是水泥塊鉆井試驗(yàn)與常規(guī) RSS 中所能獲得的最高 DLS 的偏移距離的對(duì)比；（d）為水泥塊鉆井試驗(yàn) DLS 的變化。圖 7（a）給出了試驗(yàn)期間使用的其它設(shè)備，包括一部臥式鉆機(jī)、一臺(tái)泥漿泵和一個(gè)泥漿馬達(dá)。
我們將一部普通的垂直式鉆機(jī)改為一部臥式或水平式鉆機(jī)，鉆機(jī)能向 BHA 施加最大 20MPa的壓力，還包括一個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán)，為的是接入或拆卸管線；泥漿泵以高達(dá) 2MPa 的 壓 力 和 1,500 升 /min 的排量向泥漿馬達(dá)提供泥漿，我們使用了一個(gè)與定向裝置殼體外徑（172mm）相同的常規(guī)泥漿馬達(dá)，轉(zhuǎn)速為 112~163rpm，額定壓耗為 4.2MPa，排量要求在1,324~1,930 升 /min；從泥漿泵和泥漿馬達(dá)的規(guī)格可以看出，泥漿馬達(dá)的性能優(yōu)于泥漿泵的性能，沒(méi)有更好的泥漿泵可用，馬達(dá)的性能也會(huì)隨之降低。
此外，由于缸室內(nèi)沒(méi)有足夠的泥漿壓力，液壓缸無(wú)法為鉆頭提供足夠的側(cè)向力，泥漿穿越馬達(dá)后，泥漿壓力幾乎降為零。表2 給出了所設(shè)計(jì)的 RSS 的主要規(guī)格參數(shù)，圖 7（b）給出了所設(shè)計(jì)的 RSS 導(dǎo)向裝置的圖示，可以預(yù)計(jì) DLS 約 為 38.96 度 /100ft，這個(gè)值差不多是常規(guī) RSS 系統(tǒng)導(dǎo)向能力的兩倍。圖 7（c） 和（d） 給 出 了 水泥塊鉆進(jìn)得到的結(jié)果，組裝的水泥塊總共有 10m 長(zhǎng)，從 1m 的位置開(kāi)始造斜，不過(guò)鉆完 9m 后，鉆頭鉆到了固定底座的頂部。
當(dāng)從第二塊水泥開(kāi)始造斜時(shí)，RSS鉆出了一個(gè)大約 32 度 /100ft 的最大 DLS；我們將鉆進(jìn)的方向設(shè)置在 RSS 的右側(cè)，但結(jié)果顯示，由于重力以及鉆頭與水泥塊之間摩擦力的原因，RSS 鉆到了右下角，這與實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的結(jié)果相類(lèi)似。另外，隨著鉆進(jìn)深度的增加，DLS 出現(xiàn)明顯下降，這是由于泥漿馬達(dá)中泥漿的流量不足，水泥塊的抗壓強(qiáng)度和孔眼內(nèi)的沉積物或水泥殘?jiān)l(fā)生變化所致；這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)調(diào)整泥漿泵至最佳參數(shù)得到改善。不過(guò)，盡管存在這一問(wèn)題，試驗(yàn)結(jié)果仍顯示出良好的 DLS 指標(biāo)。
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