完成-混合旋转导向系统可产生更高造斜率与更平滑的井眼

混合旋转导向系统可产生更高造斜率与更平滑的井眼

每个钻井工程师都梦想在更短的时间内——理想的一趟钻内——排除起钻的必要，实现更复杂的井身剖面与更平滑、更连续的井眼。但是，传统的PDMs（容积式井下马达）和RSS（旋转导向系统）在钻井过程存在局限性。 行业的挑战与需求

例如井下马达，能产生可靠的、狗腿度很高的井身剖面。但是，由于在旋转钻进和滑动钻进中能更换钻杆，导致机械钻速低，井眼扭曲，并增加了卡钻的危险。

另外，相比PDMs，在高机械钻速下，完全旋转的RSS能产生更平滑的井眼，减少50%的钻进时间。但是，传统的RSS造斜率范围为6-8deg/100ft，并且钻遇软地层或者有夹层的薄岩层时。造斜率更低，井径扩大。为了得到高造斜率下的井身剖面，RSS用于直井和分支井，但是在造斜点和着陆点之间必须使用马达。该过程要求至少使用3套井底钻具组合以及多次起钻操作。

为了减少风险，节省钻进时间，降低费用，钻工更倾向于使用质量高并且带有PDM造斜与旋转功能的RSS。

图1通过提高井眼质量和减少扭曲，该系统减少了卡钻的风险，

良好的部署了套管、滑套以及完井设备

为了满足钻进非常规页岩和高难度地层的要求，斯伦贝谢公司开发了驱动射手（PowerDrive Archer）的高造斜率旋转导向系统（RSS）。在单趟下入中，该系

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统仅靠马达就能预先形成井身剖面。通过提高井眼质量和减少扭曲，该系统减少了卡钻的风险，良好的部署了套管、滑套以及完井设备（如图1）。相比其它RSS系统，在造斜前，该系统能够实现裸眼侧钻，并且钻进更深，最大限度的扩大油层的暴露面积，提高油气生产潜能。 描述发展与部署

高造斜率RSS在导向控制上有突破。RSS系统自1990年起开始使用,但是RSS系统不能在非常规页岩中产生造斜率范围为8-12deg/100ft的井身剖面。由于页岩钻井的快速发展，自2007年，斯伦贝谢公司开始开发新型RSS系统解决造斜率的问题。

图2新系统为混合系统，结合了先前RSS系统推靠式钻头技术与指向式钻头技术

新系统为混合系统，结合了先前RSS系统推靠式钻头技术与指向式钻头技术（如图2）。常规的推靠式钻头RSS系统，外部垫块反推井壁，迫使钻头沿着要求方向前进。常规的导向马达使用外部弯管，导向式钻头RSS系统使用内部弯管，校正工具相对于井眼轴线的偏斜。新型的RSS系统包含可靠地电子控制元件和机械导向元件。所有外部构件组成随着钻柱完全旋转。在导向模式中，电子元件保持了与地球相对位置不变的旋转值，将4%-5%的泥浆分流到一套内部垫块上，垫块被稳定套筒推动，而并不是原先的井壁推动。套筒铰接在接头上，

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将钻头指向所要求的方向。通过机械指向环控制角度的偏移，通过电子方式保持方向。

2008年开始现场试验，到目前已经经过两个阶段的测试。初始阶段，现场试验专注于产生更高的造斜率。当混合导向系统出现特殊钻头要求与井下钻组组合的疲劳管理要求时，随后的实验也是必要的。混合RSS系统不能被简单处理成一件“工具”，而应当被设计成组头与井下钻具组合“系统”；否则，该系统就不能保证在不同地层和井眼状况下的持续稳定性与优化性能。

使用史密斯钻头设计平台，工程师模拟了钻柱、井下钻具组合与RSS系统，即实际变化的钻进条件下的钻头行为。为高造斜率RSS系统设计的工程钻头也能够被优化，从而提高机械钻速以及在耐久性。当通过具有大挑战性的曲线阶段时，为了避免旋转是扭断或者磨损井下钻具组合要进行精细原件分析和应变疲劳性分析预测在高造斜率下的元件寿命。疲劳管理系统能够实时监测实际的造斜率，并与疲劳模式相比较，从而减少减少风险延长井下钻具组合寿命。

在现场试验中，新型RSS产生的造斜率能够高达17deg/100ft。四年后，达到了6,000hr,138,000ft,并在北美、非洲、亚洲和中东试验了100口井，2011年3月正式商业化应用。 应用及案例

新型RSS系统的主要应用于相对于井下马达，对造斜率要求更高的井眼。比如非常规储层的水平井、侧钻的裸眼井段以及不稳固地层的裸眼井段。在窄区域的不稳定地层，通过减少倾斜性，该系统可以重新设计井身剖面，将造斜点向深度推进，减少钻井风险，降低费用。这是因为单趟钻完成了井身剖面从而减少了设备操作以及多次起钻涉及的HSE方面的风险。 案例分析：非常规页岩储层，美国

使用PDMs,, Cimarex Energy在Woodford页岩中钻了4口水平井。为了减少井眼扭转，节省时间，操作者使用了全旋转系统，高造斜率RSS系统钻进8.75in井段，狗腿度为8deg/100ft，在一趟钻内，从4,353ft分支钻到了全井深度。扭转降低了20%，机械钻速提高了80%，与使用马达相比，节省了10天的操作时间。在Eagle Ford页岩使用中，机械钻速提高了85%。Cotton Valley的使用者节省的时间从4-8天，Marcellus的使用者，机械钻速提高了170%。

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案例分析：深水油田非常规砂岩，亚洲

亚洲的使用者在深水油田使用常规的RSS系统钻分支井，在通过不稳定区域时，由于砂岩的极端不稳定性，不能确保长水平段轨迹地质要求上到达指定的井斜。定向侧钻和使用马达就十分必要。使用工程钻头以及专门设计的井下钻具组合，新型混合RSS成功钻完6个分支，方向控制在1-2m内，机械钻速达到1,000ft/hr，节省了4天的施工时间、450万美元。这是使用者首次在（bypassed attic oil,）完成有效侧钻，增加了价值几百万美元的产量。 案例分析：井眼剖面重新设计，中东

中东的使用者原计划在12.25in直井段内开始造斜。但是，这要求在不稳定地层内倾斜钻进。使用高造斜率的RSS，使用者重新设计该井，在12.25in井段减少了倾角，将造斜点向下推进，在8.5in井段产生更高的狗腿度。钻第一口井时，使用者应用了保守的造斜率7.6ft/100ft钻进846ft，钻进时间25.8hr到达总深度。第二口井在一趟钻内，造斜率11.2ft/100ft钻进8.5in井段742ft，钻进时间15hr，缩短了700ft的尾管长度，2.5天的钻机时间，节省费用125,000美元。 案例分析：海上复杂井身剖面，泰国

为了增加Bualuang油田的产量，Salamander Energy 需要钻比常规的水平井段复杂的更长的定向井段，由于初始造斜点浅，狗腿度高，地层软，先前钻井使用了PDMs。但是，扭矩与阻力剖面表明，2000m之后，滑动下入马达时期望中靶，下放时无钻具重量。为了提高井眼质量，减少摩擦力，达到狗腿度要求，Salamander使用了新型混合型RSS系统以及多功能随钻录井工具。造斜从13-90deg，随后为124-355deg，着陆于上部油层边界1.5m以下，一趟钻钻至总井深，机械钻速提高了50%。 未来发展

高造斜率RSS系统能钻83/8in和834in井眼。目前，系统开发和现场试验在不同的井眼尺寸内进行，每口井具有不同的要求。

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