0 引 言

为了克服滑动导向的不足,20世纪80年代开始国外大型油服公司开始研发旋转导向系统,20世纪90年代开始投入商业化运营。旋转导向系统用于大位移水平井,在钻柱旋转状态下实现井眼轨迹控制,钻进时摩阻小、钻速高、井壁更光滑、能有效降低坍塌及卡钻等井下事故、井筒质量更优,井眼轨迹易控制,可有效提高储集层钻遇率。近年来,旋转导向系统已经成为大位移水平井钻井必备的工具,典型的有贝克休斯公司的Auto Track RCLS旋转闭环钻井系统、斯伦贝谢公司的Power Drive SRD旋转导向钻井系统、哈里伯顿公司的Geo-Pilot旋转导向自动钻井系统等。我国已启动了旋转导向系统的研发工作,典型的有中海油“贪吃蛇”旋转导向系统,中石油、中石化也相继开展研发工作并取得了较大进展。根据俄罗斯中央能源管理局资料,2014年,俄罗斯应用旋转导向系统共钻井210口,且逐年增加,预测2020年将达到2000口^[1]。俄罗斯主要应用贝克休斯、斯伦贝谢、哈里伯顿的旋转导向系统,同时俄罗斯国产旋转导向系统正在研发,其中乌法、圣彼得堡等石油公司研发的旋转导向系统进行了下井试验,秋明、彼尔姆等石油公司则刚刚起步,处于调研及设计阶段^[2]。

1 俄罗斯旋转导向系统研发现状

1.1 旋转导向8.75BC系统

2015年 6月,在俄罗斯圣彼得堡市举行了国际经济论坛,此次会议,俄罗斯电动仪表公司和俄罗斯钻井技术公司联合与俄气石油公司签署了合作协议,为俄气石油公司研发旋转导向系统^[3]。俄气石油公司为俄气公司的子公司,后者占其95.68%股份。俄罗斯电动仪表公司和俄罗斯钻井技术公司联合研发的旋转导向系统被命名为“旋转导向8.75BC系统”(图1)。俄罗斯电动仪表公司位于乌法市,主要研究海洋无线设备及声呐设备;俄罗斯钻井技术公司位于圣彼得堡市,主要研究随钻测量设备。旋转导向8.75BC系统为液压机械式,锂电池供电,主体采用一个主动导向肋板和两个被动导向肋板,适用钻头尺寸为215.9~222.3 mm,主要包括增斜和稳斜两种工作状态^[4]。

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图1   旋转导向8.75BC系统导向模块

   

2015年上半年,该旋转导向系统进行了实验室试验,测试指标包括抗高温、抗高压、抗载荷、抗震动等性能,钻具旋转时定向能力,降斜和增斜状态下定向能力,钻具震动发送控制指令能力,可靠性和耐磨性评价等(图2、图3)。室内试验证明,该旋转导向设备技术可行,已经达到下井试验要求^[5]。

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图2   旋转导向8.75BC系统模拟试验

   

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图3   旋转导向8.75BC系统室内试验

   

2015年9月6日至7日,该旋转导向设备进行了下井试验,试验在南普里鄂毕油田进行。该油田位于西西伯利亚,1982年发现,1988年大规模开发,年产量约4×10⁷ t,现归属俄油公司管理^[7]。试验井段1 742~1 958 m,进尺216 m,下井时间46 h,平均机械钻速29 m/h,最大机械钻速60 m/h,平均造斜率0.9°/10 m,最大造斜率2.0°/10 m(表1)^[6]。试验过程顺利,未发生遇阻及卡钻等机械事故,实现了钻具旋转状态下井眼轨迹测量与控制,顺利进行了指令发送及接收。但是该旋转导向系统还需要进一步完善,包括增强旋转导向与LWD之间电磁波传输的可靠性,缩短旋转导向肋板与钻头之间的距离,提高机械强度,创建导向数学算法等^[7,8]。

该项目已经花费7.248亿卢布,其中贷款3.0亿卢布,自筹资金4.248亿卢布,近期又追加投资1.39亿卢布。2018年第四季度,旋转导向系统研发工作扩大规模,增加了138个研发人员,研发经费累计达30亿卢布。

1.2 旋转导向GM195系统

俄罗斯电动仪表公司和俄罗斯钻井技术公司还联合研发了另一型号旋转导向系统,命名为“旋转导向GM195”,供电方式为钻井液涡轮发电。2016年1月26日至29日,该旋转导向系统在南普里鄂毕油田进行试验,试验条件与“旋转导向系统8.75BC”完全相同。试验井段1 410~1 545 m,进尺135 m,下井时间46 h,平均机械钻速18 m/h,最大机械钻速60 m/h,最大增斜率1.5°/10 m。该旋转导向设备在开动转盘状态下成功实现导向,并成功建立了信息传输,但也存在一些不足:一是机械设计不好导致稳定性欠佳;二是以0.16°/1 m导向时,工具面角不变的情况下出现了增斜;三是与随钻测量设备建立联系的状态下,导向工作状态不能监控甚至缺失;四是频繁开关情况下不能确定接收指令能力。下步工作重点:一是压降增加时进行机械性能测试,增加该系统的机械性能;二是加强肋板对井壁的支撑;三是缩小盲区(非测量区)的距离;四是加强该系统的导向及信息传输能力^[9]。

1.3 地质层位35旋转导向系统

位于乌法的地质层位电子设备公司和位于彼尔姆的彼尔姆石油机械制造公司联合研发了“地质层位35”系列产品,共有4项分别为:一是MWD设备,命名为“地质层位35定向”,测量参数为井斜角、方位角、工具面角;二是LWD设备,命名为“地质层位35.2”,测量参数为井斜角、方位角、工具面角、伽马等;三是LWD设备,命名为“地质层位35.4”,测量参数为井斜角、方位角、工具面角、伽马、电阻率等;四是旋转导向系统,命名为“地质层位35ruk”,工作参数见表2。其中MWD及LWD 已在俄罗斯的西伯利亚、科米共和国、北极地区等油田成功应用了12年^[10]。

2 对我国旋转导向系统研发的启示

2.1 有针对性开展旋转导向系统技术攻关

联系俄罗斯旋转导向系统研发过程中出现的问题,开展针对性的技术攻关,逐步解决我国旋转导向系统的技术难题。一是加强钻井液脉冲及电磁波传输系统研究,增强传输系统稳定性;二是加强稳定器在高温、高压、高腐蚀条件下的密封结构和密封材料研究,增加稳定器的密封性;三是加强肋板的推靠力,增加导向能力;四是缩小测量盲区距离;五是加强高温高压小井眼MWD、LWD研发,提升旋转导向系统整体能力。

加强核心技术的研发是实现科技强国的必由之路。建议重点研发随钻声波测量系统、随钻伽马成像系统、随钻方位电阻率测量系统、高速信息传输系统,形成集旋转导向、近钻头测量、地层边界探测于一体的主动式地质导向系统,实现随钻几何导向与地质导向的完美结合,形成随钻测井、储集层参数及含油气性定量评价技术系列。

2.2 加强随钻测控技术基础实验研究

根据当前随钻测控技术发展方向,面向随钻测控技术领域学科发展前沿,结合生产需求,围绕旋转导向、随钻测井、地质导向等技术开展随钻测控技术领域的基础理论、方法、工艺研究,建立随钻测量及井下信息高速传输实验室、井下工具实验室、井下控制实验室、仪器刻度及性能综合评估实验室以及随钻数据实时处理中心和配套加工中心;满足随钻测控技术方法及基础理论研究,电路测试及方法研究,定向仪器标定,电法测井仪器、放射性测井仪器、声波测井仪器、井下工程参数仪器实验与刻度,电子元器件老化与筛选,随钻测控仪器可靠性测试等关键实验测试需要。

2.3 整合研发资源

从俄罗斯旋转导向系统研发成本高的情况来看,国内研发成本同样高昂,鉴于国内不同科研机构正在研发不同的旋转导向系统,包括动态推进式旋转导向钻井工具、可控偏心器旋转导向钻井工具、基于旋转导向钻进方式的可控弯接头系统、动态指向式旋转导向钻井工具、指向式旋转导向钻井工具等。建议整合国内旋转导向设备研发资源联合进行技术攻关,包括石油石化公司、高校、科研院所、民营企业等,避免研发力量分散。坚持引进来与走出去相结合,主动融入全球创新网络,吸纳全球创新资源,搭建面向全球的研发平台,在更高层次上构建开放创新机制,以技术并购等方式开展国际合作,与国外知名科研机构建立技术战略联盟,加大海外技术人才引进力度。

3 结论与认识

旋转导向技术代表了当今钻井工程技术的最高水平,斯伦贝谢、哈里伯顿、贝克休斯、威德福等油服公司已实现商业化。俄罗斯也在自主研发旋转导向系统,并取得了一定进展。近几年,我国旋转导向研发取得重大进展,已经实现工业化应用,但仍有许多技术难题有待解决。建议我国加强实验室建设,加强随钻领域基础研究,整合国内研发资源,加大资金投入,加强人才的培养和引进,促进钻井技术的发展,实现钻井过程闭环反馈,提高产层钻遇率和油气采收率。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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