论文部分内容阅读
[摘要] 地质导向钻井是国际钻井界近10多年发展起来的一项高新技术，其定义是"用近钻头地质 、工程参数 测量和随钻 控制手段来 保证实际井眼 穿过储层并取得最佳位置"，体现了现代钻井技术与测井 、油藏工程技术的结合。本文笔者探讨了现代导向钻井技术的进展，并且指明现代导向钻井技术的发展方向。
[关键字] 钻井 地质导向 进展
[中图分类号] TD163 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-1-74-1
为现代油气勘探开发而快速发展的复杂结构井是21 世纪国际石油工业的前沿与关键性技术。现代导向钻井技术正是适应复杂结构井的需要而在近10 年有了很大进展， 被誉为"钻井导弹与制导技术"的旋转导向钻井工具与技术， 是一项涉及多学科的高新科技尖端技术。现代导向钻井技术从20 世纪90 年代初开始形成， 至今已得到不断完善和发展。在这方面，我国与国际有10 多年的差距， 建议我国加大这个项目的研究力度， 形成有自主知识产权的创新工程。
1 地质导向钻井技术的进展
1.1 转盘钻井经验预测定向钻井法
20 世纪20 年代末， 钻井工作人员开始用转盘钻井的经验预测定向钻井法钻出救灾灭火定向井。钻井者利用地层自然造斜选择地面井位， 而主要依靠钻井者的经验和下部钻具组合（ BHA） 结构及变化钻压转速参数来预测钻头造斜效果， 即每钻进一段之后， 再改变BHA 结构和变更钻压、转速； 再钻进一段， 再起钻测斜， 乃至多次凭经验来预测造斜定向效果。
1.2 井底动力钻井经验预测定向钻井法
1873 年就有了第一个涡轮钻具专利。到20世纪40至50年代，应用涡轮钻具钻出定向斜井， 随着磁性单（多）点测斜仪和有线陀螺测斜仪的发展及定向下钻技术的进步， 钻定向井水平有了很大提高。但是，由于井身轨迹的信息仍然是钻后的信息， 所以称为井底动力钻井经验预测定向钻井法。
1.3 滑动导向钻井法
伴随着井底动力钻具的继续发展， 特别是1979 年无线随钻泥浆脉冲测量技术（MWD）的成功应用， 是钻井技术的一项重大革命。几乎与此同时， 前苏联在应用电动钻具的基础上也初步成功地实现了有线随钻测量技术。随钻测量系统能够随钻将描述井身几何轨迹的重要参数：井斜角、方位角等信息实时地传送到地面， 因而能供钻井人员调控钻头方向。至此， 产生并形成了导向钻井这一新概念，并随着导向马达调控导向能力的不断提高， 发展并形成了滑动导向钻井法。它从1980 年至今， 一直是导向钻井的主力技术。
1.4 旋转导向钻井法
旋转导向钻井法是在用转盘旋转钻柱钻进时， 随钻实时完成导向功能， 钻进时的摩阻与扭阻小、钻速高、钻头进尺多、钻井时效高、建井周期短、井身轨迹平滑易调控。极限井深可达15km、钻进成本低， 是现代导向钻井的发展方向。随着水平井、大位移井、多分支井等复杂结构井和"海油陆采"的迅速发展， 从20 世纪90 年代初国际上就开始研究这项技术， 到20 世纪90年代中期， 已有美、英、德、意、日5 个国家8 家大公司掌握并垄断了其工程应用和商业化技术服务市场。但这项技术总体上仍处于快速发展之中， 国际竞争十分激烈。它的先进性、优越性、方向性足以表明它是当今世界钻井技术的重大革命。我国在本领域起步较晚，近年已开始立项投资研究， 但与国际大公司相比差距很大， 这一关键技术在近期若干年内仍将由国外大公司垄断。我国必须迎接挑战， 加大投入力度， 加速发展。
2 现代地质导向钻井技术的发展方向
2.1 继续深化旋转导向钻井控制理论
发展现代导向钻井技术应从以下几方面入手：用旋转导向矢量控制理论调控已钻井身与待钻井身之间的偏差矢量； 用旋转导向智能控制理论来解决不确定性因素、大滞后特征和超调等复杂性问题；用地面向井下发送下行控制指令的原理来设计控制指令， 使旋转导向工具按指令动作； 用自主制导理论来设计自主式旋转导向钻井系统； 研究旋转导向钻井时的钻柱力学理论、模型及其求解方法； 特别是在复杂条件下， 钻柱动力学模型的研究是一个国际性的新课题。
2.2 旋转导向钻井技术
地质导向钻井技术在高效开发复杂油藏方面具有极大的优势， 但是它也有自身的不足， 那就是在必要的时候该钻井技术仍然需要采用弯壳体马达滑动钻进， 这样会造成轨迹过度扭曲。同时， 滑动钻进不利于井眼清洁和有效克服摩阻， 轨迹控制难度增加，井眼轨迹在达到一定的程度后难以继续向前延伸，使地质导向钻井技术在现代钻井工业中的应用受到极大限制。
旋转导向钻井技术就是为了克服上述缺陷而产生的， 其目的就是为了取消滑动钻进工作方式、使钻具在旋转钻进的同时， 实现轨迹的控制， 在有效克服地质导向钻井技术的一些缺陷、提高油藏开发的整体效益、有效避免钻井风险方面有重要意义。
2.3 旋转地质导向钻井技术
目前， 由于投入应用的旋转导向工具都不具有地质评价功能， 旋转地质导向钻井技术因此并未完全成熟， 旋转地质导向钻井技术只能和地质评价仪器配合使用， 利用地质评价仪器测量的地质参数进行地质导向。现在， 世界上有多家钻井服务公司或仪器/ 工具开发的公司， 正致力于带地质导向功能的旋转导向工具的研究， 并且取得了很大的进展。相信在不久的将来， 旋转地质导向鉆井技术一定会成为现代钻井工业的主流技术， 并将进一步推动自动闭环钻井技术的更进一步的成熟。
3 结论
地质导向钻井技术能在钻井施工过程中通过井下地质评价仪器或地质导向工具获取地层被污染前的参数， 使得地质评价结果更加真实、可靠。地质导向钻井技术在国外已经发展成为一项成熟的核心技术， 在大位移定向井、水平井及特殊工艺井中获得了广泛应用， 是开发复杂油藏的有效工具。
[关键字] 钻井 地质导向 进展
[中图分类号] TD163 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-1-74-1
为现代油气勘探开发而快速发展的复杂结构井是21 世纪国际石油工业的前沿与关键性技术。现代导向钻井技术正是适应复杂结构井的需要而在近10 年有了很大进展， 被誉为"钻井导弹与制导技术"的旋转导向钻井工具与技术， 是一项涉及多学科的高新科技尖端技术。现代导向钻井技术从20 世纪90 年代初开始形成， 至今已得到不断完善和发展。在这方面，我国与国际有10 多年的差距， 建议我国加大这个项目的研究力度， 形成有自主知识产权的创新工程。
1 地质导向钻井技术的进展
1.1 转盘钻井经验预测定向钻井法
20 世纪20 年代末， 钻井工作人员开始用转盘钻井的经验预测定向钻井法钻出救灾灭火定向井。钻井者利用地层自然造斜选择地面井位， 而主要依靠钻井者的经验和下部钻具组合（ BHA） 结构及变化钻压转速参数来预测钻头造斜效果， 即每钻进一段之后， 再改变BHA 结构和变更钻压、转速； 再钻进一段， 再起钻测斜， 乃至多次凭经验来预测造斜定向效果。
1.2 井底动力钻井经验预测定向钻井法
1873 年就有了第一个涡轮钻具专利。到20世纪40至50年代，应用涡轮钻具钻出定向斜井， 随着磁性单（多）点测斜仪和有线陀螺测斜仪的发展及定向下钻技术的进步， 钻定向井水平有了很大提高。但是，由于井身轨迹的信息仍然是钻后的信息， 所以称为井底动力钻井经验预测定向钻井法。
1.3 滑动导向钻井法
伴随着井底动力钻具的继续发展， 特别是1979 年无线随钻泥浆脉冲测量技术（MWD）的成功应用， 是钻井技术的一项重大革命。几乎与此同时， 前苏联在应用电动钻具的基础上也初步成功地实现了有线随钻测量技术。随钻测量系统能够随钻将描述井身几何轨迹的重要参数：井斜角、方位角等信息实时地传送到地面， 因而能供钻井人员调控钻头方向。至此， 产生并形成了导向钻井这一新概念，并随着导向马达调控导向能力的不断提高， 发展并形成了滑动导向钻井法。它从1980 年至今， 一直是导向钻井的主力技术。
1.4 旋转导向钻井法
旋转导向钻井法是在用转盘旋转钻柱钻进时， 随钻实时完成导向功能， 钻进时的摩阻与扭阻小、钻速高、钻头进尺多、钻井时效高、建井周期短、井身轨迹平滑易调控。极限井深可达15km、钻进成本低， 是现代导向钻井的发展方向。随着水平井、大位移井、多分支井等复杂结构井和"海油陆采"的迅速发展， 从20 世纪90 年代初国际上就开始研究这项技术， 到20 世纪90年代中期， 已有美、英、德、意、日5 个国家8 家大公司掌握并垄断了其工程应用和商业化技术服务市场。但这项技术总体上仍处于快速发展之中， 国际竞争十分激烈。它的先进性、优越性、方向性足以表明它是当今世界钻井技术的重大革命。我国在本领域起步较晚，近年已开始立项投资研究， 但与国际大公司相比差距很大， 这一关键技术在近期若干年内仍将由国外大公司垄断。我国必须迎接挑战， 加大投入力度， 加速发展。
2 现代地质导向钻井技术的发展方向
2.1 继续深化旋转导向钻井控制理论
发展现代导向钻井技术应从以下几方面入手：用旋转导向矢量控制理论调控已钻井身与待钻井身之间的偏差矢量； 用旋转导向智能控制理论来解决不确定性因素、大滞后特征和超调等复杂性问题；用地面向井下发送下行控制指令的原理来设计控制指令， 使旋转导向工具按指令动作； 用自主制导理论来设计自主式旋转导向钻井系统； 研究旋转导向钻井时的钻柱力学理论、模型及其求解方法； 特别是在复杂条件下， 钻柱动力学模型的研究是一个国际性的新课题。
2.2 旋转导向钻井技术
地质导向钻井技术在高效开发复杂油藏方面具有极大的优势， 但是它也有自身的不足， 那就是在必要的时候该钻井技术仍然需要采用弯壳体马达滑动钻进， 这样会造成轨迹过度扭曲。同时， 滑动钻进不利于井眼清洁和有效克服摩阻， 轨迹控制难度增加，井眼轨迹在达到一定的程度后难以继续向前延伸，使地质导向钻井技术在现代钻井工业中的应用受到极大限制。
旋转导向钻井技术就是为了克服上述缺陷而产生的， 其目的就是为了取消滑动钻进工作方式、使钻具在旋转钻进的同时， 实现轨迹的控制， 在有效克服地质导向钻井技术的一些缺陷、提高油藏开发的整体效益、有效避免钻井风险方面有重要意义。
2.3 旋转地质导向钻井技术
目前， 由于投入应用的旋转导向工具都不具有地质评价功能， 旋转地质导向钻井技术因此并未完全成熟， 旋转地质导向钻井技术只能和地质评价仪器配合使用， 利用地质评价仪器测量的地质参数进行地质导向。现在， 世界上有多家钻井服务公司或仪器/ 工具开发的公司， 正致力于带地质导向功能的旋转导向工具的研究， 并且取得了很大的进展。相信在不久的将来， 旋转地质导向鉆井技术一定会成为现代钻井工业的主流技术， 并将进一步推动自动闭环钻井技术的更进一步的成熟。
3 结论
地质导向钻井技术能在钻井施工过程中通过井下地质评价仪器或地质导向工具获取地层被污染前的参数， 使得地质评价结果更加真实、可靠。地质导向钻井技术在国外已经发展成为一项成熟的核心技术， 在大位移定向井、水平井及特殊工艺井中获得了广泛应用， 是开发复杂油藏的有效工具。