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與傳 統 油 氣 資 源 不同，非傳統資源如頁 巖 氣 和 煤 層 氣大 都 為 水 平 地 質構造。為了開采這些資源，需要采用定向鉆井和水力壓裂技術。定 向 鉆 井 過 程 中， 全 角 變 化 率（DLS，俗稱造斜率）指的是每鉆 進 100ft（30m） 井 眼 方 向 角變化有多大，這是一個至關鉆井成本和鉆井周期的大問題。本文簡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導向系統（hybrid-type RSS）。
 
向非常規油氣進軍
 
由于非傳統資源儲量巨大，且開采需求急劇上升。然而，成功 實 現 定 向 鉆 井 非 常 具 有 挑 戰性。定向鉆井系統面臨的關鍵問題之一就是 DLS。DLS 表示鉆進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，這會對鉆井周期、成本和生產效率產生很大影響，因 為 使 用 鉆 機 的 頂 驅 垂 直 鉆 進要比用 BHA 中的泥漿馬達水平鉆進快得多，而且暴露的儲層也更長。2013 年， 斯 倫 貝 謝 公 司 開發 出 一 種 被 稱 作 PowerDriveArcher 的 混 合 型 RSS。
 
它 是 一種全鉆具旋轉的 RSS，這種 RSS通過結合推靠式和指向式各自的優勢，內部的襯墊用來推動工具外筒，實現定向鉆進。該型 RSS可 打 出 18 °/100ft 的 DLS， 表明這是一種在常規 RSS 工具中最具導向能力的一型 RSS 系統。該系統還能將襯墊推向工具外筒的中心，讓導向獲得更大的凈力，內部的推靠式和指向式結構幾乎類似，利用這一特性，通過結合這些系統的機理，推出了一種新型的 RSS 組件結構，這種混合式RSS 不僅能同時操控導向裝置，為造斜提供更大的導向角度，而且只需要一個驅動部件為其服務。
 
接下來，我們將這種新型 RSS 與那些采用三點幾何學方式的常規RSS 進 行 了 最 大 DLS 的 對 比。對 于 171.5mm 和 216mm 的 井眼尺寸，大多數定向鉆井公司能夠獲得的最大 DLS 大約為 6.5 度/100ft 左右。研發期間，開發出兩套新型RSS 樣機；一套采用電馬達方式在實驗室進行試驗；另一套采用液壓缸方式，采用一個實際尺寸的工具樣機，在一組水泥塊中進行鉆井試驗。所做的兩個試驗證明了已開發的 RSS 系統的導向能力，圖 3 給出了所研發的定向鉆井系統的簡單示意圖，BHA 由五 部分組成，鉆桿、一個感應和控制模塊、一個泥漿馬達、一個導向裝置和一只鉆頭。本文主要提出并開發一種新型的混合式 RSS系統，相比常規鉆井系統，該型RSS 能獲得更高的 DLS。
 
混合式 RSS 的投入
 
定向鉆井其中一個主要問題是 DLS，采用頂驅鉆機進行垂直鉆進比在井下采用泥漿馬達快得多，因此高 DLS 可以減小無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合，通過采用混合襯墊能夠提供更高的導向能力，從而打出更高 DLS 的造斜段。該系統配有三塊混合襯墊，襯墊能使工具筒內的鉆具傾斜或使其偏離中心軸線，襯墊對井壁施加推力，由于結合了兩種類型RSS 的操控結構，實現上述動作是可能的。
 
對于這兩種類型，當RSS 鉆進期間進行導向時，必須對工具側面施加一個與鉆頭航向相反的力，考慮到這一因素，我們設計出能使推靠式和指向式兩種系統同時動作的新襯墊。如圖 4（a）所示，每個襯墊都有一個液壓缸，液壓缸與鉆具平行移動，由于襯墊與一個固定在工具殼體的導軌相連，襯墊只做垂直移動。襯墊體內有一個斜面，軸承支座連接在活塞桿的末端，將平行運動轉變為垂直運動。這些襯墊同時推井壁和鉆具，移動 RSS 使其轉向。圖 4 給出了新型 RSS 的 詳 細 說 明： 圖 4（a）為新推出的 RSS 的概念設計；圖4（b）為 RSS 導向裝置的 CAD設 計 模 型； 圖 4（c） 為 RSS 一個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構圖（泥漿通道 1：泥漿流進驅動器總成，泥漿通道 2：壓力生成后，泥漿流進鉆具殼體或管柱內）。
 
新推出的 RSS 還有一些設計上的考慮，每種鉆井技術泥漿都被用來冷卻鉆頭、將鉆進產生的巖屑循環出井筒、驅動泥漿馬達旋轉，因此整個鉆具必須有一個能讓泥漿流通的泥漿通道，如圖4（b）和 4（d）所示，泥漿穿過馬達后立刻進入導向裝置，首先泥漿進入缸室，產生泥漿壓力，通過壓力閥激活液壓缸，壓力閥由一個螺絲、墊片和彈簧組成，通過阻流泥漿來控制導向裝置內的壓力，直到壓力達到一個設定值，Dc 為 給 定 的 缸 室 內 徑，ks為彈簧系數，阻流塞與缸室出口之間的距離為 Δd，彈簧的初始張力為 Ti，所產生的壓力 Pc 可表示為：其 中 A 為 內 缸 室 的 橫 截 面積，Fs 為彈簧產生的力，通過調整壓力值可以改變距離 Δd。
 
鉆具被兩個萬向節分成三個鏈接，從而使旋轉的鉆具向著期望方位彎曲而不會使其損壞。不過，泥漿不能通過萬向節流動，因此缸圖 473新技術 Overview of New Technologies·New Technology 新技術縱覽室內的泥漿會流進了導向裝置的殼體內，直到泥漿到達鉆頭盒。當泥漿到達鉆頭盒時，泥漿流進鉆頭盒，然后噴出鉆頭，由于導向裝置內有許多軸承，所以使用橡膠密封來防止軸承磨損。
 
混合式 RSS 優勢突出
 
為 了 驗 證 新 推 出 的 混 合 式RSS 的優勢，有必要對比一下推靠式、指向式和混合式三種 RSS結構的 DLS。圖 5（a）展示了當三種工具的總長度都為 3m 時，DLS 是如何隨著這三種 RSS 工具導向裝置的位置而變化的；圖 5（a）是不同導向部件位置（L1）獲得的 DLS 變化的對比；由于鉆頭和扶正器的尺寸，導向裝置安裝的位置（L1）距離鉆頭從 2ft到 8ft（0.61~2.44m） 不 等， 導向角、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，推靠式系統的導向角度應為 0 度，而指向式系統的液壓缸沖程應被視為 0mm；對于指向式系統和混合式 RSS，DLS 的值與鉆頭和導向機構之間的距離成正比。圖 5（b）展示了混合式 RSS的導向效率優于最大 DLS 的其它RSS 系統。
 
鉆井試驗驗證成功
 
我們開發出一套原型工具，在實驗室對這種新型 RSS 的 DLS能力進行了測試，用長、寬、高分 別 為 7.2m、1m 和 0.9m 的 高密 度 絕 緣 泡 沫 進 行 了 一 次 鉆 井試驗，絕緣泡沫的耐壓強度約為0.5MPa。圖 6（a）給出了實驗室試驗的設備配置；（b）為新型RSS 縮小 1/3 尺寸的原型工具；（c）為小規模鉆井試驗與具有最高 DLS 的常規 RSS 偏移距離的對比；（d）為小規模鉆井試驗的DLS 走勢。在圖 6（a）鉆井試驗所用的原型工具的配置中，我們使用了一個剪式千斤頂，用來向RSS 提 供 鉆 壓（WOB）， 并 制作了幾個臺架用來保持鉆進點位；原型 RSS 工具的原理和機械結構與 實 際 規 格 的 RSS 工 具 相 似，但尺寸縮小了 1/3，用電來驅動襯 墊 和 鉆 頭， 為 了 預 測 工 具 的DLS，需要為原型 RSS 制定幾項規格，表 1 和圖 6（b）給出了相關規格和所設計的原型 RSS 工具的圖片；通過將這些參數值，預測的 DLS 約為 67.9 度 /100ft。
 
試驗步驟如下：將臺架與希望的鉆進方向對齊排成一條直線；將 RSS 工具放在臺架上；用 RSS鉆進，直到襯墊的中部到達絕緣泡沫的孔壁面為止；移動襯墊至所需方向的最大點；繼續鉆進、接入管線，直到鉆頭到達絕緣泡沫的末端為止；拔出 RSS 工具，拆開泡沫塊，檢查泡沫塊之間的孔眼方位。圖 6（c）和（d）展示了鉆進試驗結果，每個泡沫塊長 1.8m，原型 RSS 工具獲得了最 大 約 43.7 度 /100ft 的 DLS。我們將鉆進方向設置為向著 RSS的左方向，但結果表明，RSS 從底部泡沫的左下角鉆出，造成這一差異的原因是：當絕緣泡沫與鉆頭之間的摩擦力超過絕緣泡沫與 RSS 工具其它部件之間的摩擦力時，RSS 工具內部電機的扭矩使 RSS 工具本體出現轉動所致。
 
水泥塊鉆井試驗
 
新 開 發 的 實 際 尺 寸 的 RSS設 計 用 來 鉆 立 方 形 水 泥 塊， 每個 水 泥 塊 長、 寬、 高 的 尺 寸 為1m×1m×1m。10 個 水 泥 塊 采用兩種不同的抗壓強度：5 塊為40MPa，5 塊 為 55MPa。 見 圖7，（a）為水泥塊鉆井試驗的試驗臺和配置；（b）為已開發的導向裝置圖示；（c）是水泥塊鉆井試驗與常規 RSS 中所能獲得的最高 DLS 的偏移距離的對比；（d）為水泥塊鉆井試驗 DLS 的變化。圖 7（a）給出了試驗期間使用的其它設備，包括一部臥式鉆機、一臺泥漿泵和一個泥漿馬達。
 
我們將一部普通的垂直式鉆機改為一部臥式或水平式鉆機，鉆機能向 BHA 施加最大 20MPa的壓力，還包括一個轉盤，為的是接入或拆卸管線；泥漿泵以高達 2MPa 的 壓 力 和 1,500 升 /min 的排量向泥漿馬達提供泥漿，我們使用了一個與定向裝置殼體外徑（172mm）相同的常規泥漿馬達，轉速為 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的規格可以看出，泥漿馬達的性能優于泥漿泵的性能，沒有更好的泥漿泵可用，馬達的性能也會隨之降低。
 
此外，由于缸室內沒有足夠的泥漿壓力，液壓缸無法為鉆頭提供足夠的側向力，泥漿穿越馬達后，泥漿壓力幾乎降為零。表2 給出了所設計的 RSS 的主要規格參數，圖 7（b）給出了所設計的 RSS 導向裝置的圖示，可以預計 DLS 約 為 38.96 度 /100ft，這個值差不多是常規 RSS 系統導向能力的兩倍。圖 7（c） 和（d） 給 出 了 水泥塊鉆進得到的結果，組裝的水泥塊總共有 10m 長，從 1m 的位置開始造斜，不過鉆完 9m 后，鉆頭鉆到了固定底座的頂部。
 
當從第二塊水泥開始造斜時，RSS鉆出了一個大約 32 度 /100ft 的最大 DLS；我們將鉆進的方向設置在 RSS 的右側，但結果顯示，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，這與實驗室試驗的結果相類似。另外，隨著鉆進深度的增加，DLS 出現明顯下降，這是由于泥漿馬達中泥漿的流量不足，水泥塊的抗壓強度和孔眼內的沉積物或水泥殘渣發生變化所致；這個問題可以通過調整泥漿泵至最佳參數得到改善。不過，盡管存在這一問題，試驗結果仍顯示出良好的 DLS 指標。