与传 统 油 气 资 源 不同，非传统资源如页 岩 气 和 煤 层 气大 都 为 水 平 地 质构造。为了开采这些资源，需要采用定向钻井和水力压裂技术。定 向 钻 井 过 程 中， 全 角 变 化 率（DLS，俗称造斜率）指的是每钻 进 100ft（30m） 井 眼 方 向 角变化有多大，这是一个至关钻井成本和钻井周期的大问题。本文简要介绍几种不同的定向钻井方法和一种新推出的混合式旋转导向系统（hybrid-type RSS）。
 
向非常规油气进军
 
由于非传统资源储量巨大，且开采需求急剧上升。然而，成功 实 现 定 向 钻 井 非 常 具 有 挑 战性。定向钻井系统面临的关键问题之一就是 DLS。DLS 表示钻进100ft（30m）井深井眼的角度（井斜和方位）变化有多大，如图 1所 示， 随 着 DLS 的 增 大，KOP则变得更深，这会对钻井周期、成本和生产效率产生很大影响，因 为 使 用 钻 机 的 顶 驱 垂 直 钻 进要比用 BHA 中的泥浆马达水平钻进快得多，而且暴露的储层也更长。2013 年， 斯 伦 贝 谢 公 司 开发 出 一 种 被 称 作 PowerDriveArcher 的 混 合 型 RSS。
 
它 是 一种全钻具旋转的 RSS，这种 RSS通过结合推靠式和指向式各自的优势，内部的衬垫用来推动工具外筒，实现定向钻进。该型 RSS可 打 出 18 °/100ft 的 DLS， 表明这是一种在常规 RSS 工具中最具导向能力的一型 RSS 系统。该系统还能将衬垫推向工具外筒的中心，让导向获得更大的净力，内部的推靠式和指向式结构几乎类似，利用这一特性，通过结合这些系统的机理，推出了一种新型的 RSS 组件结构，这种混合式RSS 不仅能同时操控导向装置，为造斜提供更大的导向角度，而且只需要一个驱动部件为其服务。
 
接下来，我们将这种新型 RSS 与那些采用三点几何学方式的常规RSS 进 行 了 最 大 DLS 的 对 比。对 于 171.5mm 和 216mm 的 井眼尺寸，大多数定向钻井公司能够获得的最大 DLS 大约为 6.5 度/100ft 左右。研发期间，开发出两套新型RSS 样机；一套采用电马达方式在实验室进行试验；另一套采用液压缸方式，采用一个实际尺寸的工具样机，在一组水泥块中进行钻井试验。所做的两个试验证明了已开发的 RSS 系统的导向能力，图 3 给出了所研发的定向钻井系统的简单示意图，BHA 由五 部分组成，钻杆、一个感应和控制模块、一个泥浆马达、一个导向装置和一只钻头。本文主要提出并开发一种新型的混合式 RSS系统，相比常规钻井系统，该型RSS 能获得更高的 DLS。
 
混合式 RSS 的投入
 
定向钻井其中一个主要问题是 DLS，采用顶驱钻机进行垂直钻进比在井下采用泥浆马达快得多，因此高 DLS 可以减小无意义的水平位移和缩短总的钻井周期。我们推出的混合式 RSS 将推靠式和指向式相结合，通过采用混合衬垫能够提供更高的导向能力，从而打出更高 DLS 的造斜段。该系统配有三块混合衬垫，衬垫能使工具筒内的钻具倾斜或使其偏离中心轴线，衬垫对井壁施加推力，由于结合了两种类型RSS 的操控结构，实现上述动作是可能的。
 
对于这两种类型，当RSS 钻进期间进行导向时，必须对工具侧面施加一个与钻头航向相反的力，考虑到这一因素，我们设计出能使推靠式和指向式两种系统同时动作的新衬垫。如图 4（a）所示，每个衬垫都有一个液压缸，液压缸与钻具平行移动，由于衬垫与一个固定在工具壳体的导轨相连，衬垫只做垂直移动。衬垫体内有一个斜面，轴承支座连接在活塞杆的末端，将平行运动转变为垂直运动。这些衬垫同时推井壁和钻具，移动 RSS 使其转向。图 4 给出了新型 RSS 的 详 细 说 明： 图 4（a）为新推出的 RSS 的概念设计；图4（b）为 RSS 导向装置的 CAD设 计 模 型； 图 4（c） 为 RSS 一个混合衬垫和液压缸原理示意图；图 4（d）为压力生成器和泥浆通道的结构图（泥浆通道 1：泥浆流进驱动器总成，泥浆通道 2：压力生成后，泥浆流进钻具壳体或管柱内）。
 
新推出的 RSS 还有一些设计上的考虑，每种钻井技术泥浆都被用来冷却钻头、将钻进产生的岩屑循环出井筒、驱动泥浆马达旋转，因此整个钻具必须有一个能让泥浆流通的泥浆通道，如图4（b）和 4（d）所示，泥浆穿过马达后立刻进入导向装置，首先泥浆进入缸室，产生泥浆压力，通过压力阀激活液压缸，压力阀由一个螺丝、垫片和弹簧组成，通过阻流泥浆来控制导向装置内的压力，直到压力达到一个设定值，Dc 为 给 定 的 缸 室 内 径，ks为弹簧系数，阻流塞与缸室出口之间的距离为 Δd，弹簧的初始张力为 Ti，所产生的压力 Pc 可表示为：其 中 A 为 内 缸 室 的 横 截 面积，Fs 为弹簧产生的力，通过调整压力值可以改变距离 Δd。
 
钻具被两个万向节分成三个链接，从而使旋转的钻具向着期望方位弯曲而不会使其损坏。不过，泥浆不能通过万向节流动，因此缸图 473新技术 Overview of New Technologies·New Technology 新技术纵览室内的泥浆会流进了导向装置的壳体内，直到泥浆到达钻头盒。当泥浆到达钻头盒时，泥浆流进钻头盒，然后喷出钻头，由于导向装置内有许多轴承，所以使用橡胶密封来防止轴承磨损。
 
混合式 RSS 优势突出
 
为 了 验 证 新 推 出 的 混 合 式RSS 的优势，有必要对比一下推靠式、指向式和混合式三种 RSS结构的 DLS。图 5（a）展示了当三种工具的总长度都为 3m 时，DLS 是如何随着这三种 RSS 工具导向装置的位置而变化的；图 5（a）是不同导向部件位置（L1）获得的 DLS 变化的对比；由于钻头和扶正器的尺寸，导向装置安装的位置（L1）距离钻头从 2ft到 8ft（0.61~2.44m） 不 等， 导向角、液压缸冲程、钻具壳体半径、扶正器半径和钻头半径分别为 1.7 度、10.4mm、85.7mm、102.5mm 和 111mm；在这种情况下，推靠式系统的导向角度应为 0 度，而指向式系统的液压缸冲程应被视为 0mm；对于指向式系统和混合式 RSS，DLS 的值与钻头和导向机构之间的距离成正比。图 5（b）展示了混合式 RSS的导向效率优于最大 DLS 的其它RSS 系统。
 
钻井试验验证成功
 
我们开发出一套原型工具，在实验室对这种新型 RSS 的 DLS能力进行了测试，用长、宽、高分 别 为 7.2m、1m 和 0.9m 的 高密 度 绝 缘 泡 沫 进 行 了 一 次 钻 井试验，绝缘泡沫的耐压强度约为0.5MPa。图 6（a）给出了实验室试验的设备配置；（b）为新型RSS 缩小 1/3 尺寸的原型工具；（c）为小规模钻井试验与具有最高 DLS 的常规 RSS 偏移距离的对比；（d）为小规模钻井试验的DLS 走势。在图 6（a）钻井试验所用的原型工具的配置中，我们使用了一个剪式千斤顶，用来向RSS 提 供 钻 压（WOB）， 并 制作了几个台架用来保持钻进点位；原型 RSS 工具的原理和机械结构与 实 际 规 格 的 RSS 工 具 相 似，但尺寸缩小了 1/3，用电来驱动衬 垫 和 钻 头， 为 了 预 测 工 具 的DLS，需要为原型 RSS 制定几项规格，表 1 和图 6（b）给出了相关规格和所设计的原型 RSS 工具的图片；通过将这些参数值，预测的 DLS 约为 67.9 度 /100ft。
 
试验步骤如下：将台架与希望的钻进方向对齐排成一条直线；将 RSS 工具放在台架上；用 RSS钻进，直到衬垫的中部到达绝缘泡沫的孔壁面为止；移动衬垫至所需方向的最大点；继续钻进、接入管线，直到钻头到达绝缘泡沫的末端为止；拔出 RSS 工具，拆开泡沫块，检查泡沫块之间的孔眼方位。图 6（c）和（d）展示了钻进试验结果，每个泡沫块长 1.8m，原型 RSS 工具获得了最 大 约 43.7 度 /100ft 的 DLS。我们将钻进方向设置为向着 RSS的左方向，但结果表明，RSS 从底部泡沫的左下角钻出，造成这一差异的原因是：当绝缘泡沫与钻头之间的摩擦力超过绝缘泡沫与 RSS 工具其它部件之间的摩擦力时，RSS 工具内部电机的扭矩使 RSS 工具本体出现转动所致。
 
水泥块钻井试验
 
新 开 发 的 实 际 尺 寸 的 RSS设 计 用 来 钻 立 方 形 水 泥 块， 每个 水 泥 块 长、 宽、 高 的 尺 寸 为1m×1m×1m。10 个 水 泥 块 采用两种不同的抗压强度：5 块为40MPa，5 块 为 55MPa。 见 图7，（a）为水泥块钻井试验的试验台和配置；（b）为已开发的导向装置图示；（c）是水泥块钻井试验与常规 RSS 中所能获得的最高 DLS 的偏移距离的对比；（d）为水泥块钻井试验 DLS 的变化。图 7（a）给出了试验期间使用的其它设备，包括一部卧式钻机、一台泥浆泵和一个泥浆马达。
 
我们将一部普通的垂直式钻机改为一部卧式或水平式钻机，钻机能向 BHA 施加最大 20MPa的压力，还包括一个转盘，为的是接入或拆卸管线；泥浆泵以高达 2MPa 的 压 力 和 1,500 升 /min 的排量向泥浆马达提供泥浆，我们使用了一个与定向装置壳体外径（172mm）相同的常规泥浆马达，转速为 112~163rpm，额定压耗为 4.2MPa，排量要求在1,324~1,930 升 /min；从泥浆泵和泥浆马达的规格可以看出，泥浆马达的性能优于泥浆泵的性能，没有更好的泥浆泵可用，马达的性能也会随之降低。
 
此外，由于缸室内没有足够的泥浆压力，液压缸无法为钻头提供足够的侧向力，泥浆穿越马达后，泥浆压力几乎降为零。表2 给出了所设计的 RSS 的主要规格参数，图 7（b）给出了所设计的 RSS 导向装置的图示，可以预计 DLS 约 为 38.96 度 /100ft，这个值差不多是常规 RSS 系统导向能力的两倍。图 7（c） 和（d） 给 出 了 水泥块钻进得到的结果，组装的水泥块总共有 10m 长，从 1m 的位置开始造斜，不过钻完 9m 后，钻头钻到了固定底座的顶部。
 
当从第二块水泥开始造斜时，RSS钻出了一个大约 32 度 /100ft 的最大 DLS；我们将钻进的方向设置在 RSS 的右侧，但结果显示，由于重力以及钻头与水泥块之间摩擦力的原因，RSS 钻到了右下角，这与实验室试验的结果相类似。另外，随着钻进深度的增加，DLS 出现明显下降，这是由于泥浆马达中泥浆的流量不足，水泥块的抗压强度和孔眼内的沉积物或水泥残渣发生变化所致；这个问题可以通过调整泥浆泵至最佳参数得到改善。不过，尽管存在这一问题，试验结果仍显示出良好的 DLS 指标。