钻机与井下工具新进展

杨利，郭先敏

（中国石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东 东营 257017）

复杂断块油藏具有构造系统复杂、断块断层多、断块小、含油层位多、油藏类型多等特点，需要利用先进的复杂结构井来适应这类油藏的高效开发［1］。钻机与井下工具的优劣直接影响复杂结构井的钻井速度、安全和经济效益［2-6］。总体来看，我国钻井技术水平与国外先进水平相比尚有较大差距，而制约钻井技术发展的关键因素就是钻机与井下工具的落后。为实现“十二五”钻井技术发展目标，全面了解国外钻井装备与工具的最新发展动态，对比我国钻井装备与工具现状，找出差距，以尽快提高我国装备与工具水平，无疑是缩短与国外钻井技术差距、进一步拓展国际市场的必备条件。

1 陆地钻机技术

1.1 可快速拆卸和安装的“火箭”型钻机

“火箭”型钻机由美国 Veristic 技术公司设计［7］，其设计理念基于“简单、高效、安全、经济”4原则。该钻机结构紧凑，运输时不需要拆卸。桅杆式井架的静钩载为3 628 kN，井架内能排立φ127.0 mm钻杆180柱（约5 103 m）、φ215.9 mm钻铤8柱。其最大特点为整个井架、底座和钻台可以在地面上水平安装，不需要使用吊车。利用配置在钻机底座内、享有专利的提升系统（配有液压绞车、滑轮和钢绳），能把井架和钻台一步起升到工作高度。该钻机的其他特点包括：

1）运输过程中，钻台上的机械设备保留在原位，游车和顶驱保持在井架顶部位置，内装的导轨能调整游车和顶驱（顶驱型号Varco TDS-11SA）。

2）井架的每个基座都置于钻台底下、钻机底座之内，接近地面位置，使钻台部位的稳定性好，振动小。

3）钻台的结构允许用户将钻井设备（如转盘、司钻控制室及其他钻台设备）集成化，使钻机的拆卸、装配、搬运简便易行。

4）司钻控制室配有从美国 NOV（National Oilwell Varco）公司购置的、完全集成化的电子控制器和仪器仪表。

第一台钻机由Cactus钻井公司用来在陆地平台上钻井。“火箭”型钻机的底座可向前移动，而把其他设备留在原处。该钻机可立着井架从一口井滑移到另一个井位，节约了大量时间。

1.2 轻便、安全、高效的“理想”型钻机

由NOV公司研制的“理想”型钻机（商标为IDEAL）是最新一代的轻便、安全、高效钻机，总钻井效率显著提高。由于从运移性、设备配置到结构设计各个环节的广泛改进，在最大程度保证安全性的同时，安装、拆卸、运输钻机所需要的时间和付出的劳动降到最低。桅杆式井架的高度是43.3 m，额定钩载3 402 kN，井架内能排立φ139.7 mm钻杆208柱、φ203.2mm钻铤10柱（每柱长27.4 m）。该钻机的主要特点包括：

1）钻机控制自动化。钻机控制系统为标准型，配有IDEAL自动钻进与刹车控制系统（IABC），用单个操纵杆即可控制盘式刹车和辅助刹车。该系统具备NOV公司市场领先的动能监控系统（KEMS）的所有安全功能，以限制游车的行程和速度，避免与钻台和天车碰撞。一体化自动钻进系统以机械钻速方式或钻压方式工作，能显著提高钻井效率。

2）起升操作安全。井架的液压提升系统采用遥控操作，不需要发电机提供的动力，使操作人员处于安全区域。

3）环境作业灵活。采用标准的DC/SCR（直流/可控硅）电源或可选择的DC电源及其控制系统；大容积钻井泵可扩展到用2台马达驱动，以提高泵送能力。

4）搬家简化高效。减少了设备运输的件数，简化了组装程序；钻机模块或钻井液循环系统的组装不需要吊车；在运输和组装时，游车、转盘、顶驱保持在井架和底座内；模块化钻井液循环系统减少了运输及安装、拆卸时间。

1.3 适用于页岩钻井的新型移动式钻机

近年来，美国的页岩油气藏钻井活动日益活跃，钻井承包商或对钻机进行改进，或建造专门的移动式钻机［8-9］，以最大限度减少钻井周期，降低钻井成本，从而促进了页岩油气藏的开发。

1.3.1 改进的UNIT钻机

UNIT钻井公司对旗下的122台钻机进行了改进，使其适用于页岩钻井。钻机的应用范围几乎涉及美国所有的页岩储层。

改进后的钻机均配备了顶驱和大功率钻井泵，并使用了性能优良的钻井液体系，以满足高速水平钻井携岩的需要，同时均具有撬装能力。专门的防喷器移动系统可以将防喷器组整体从一个井口提起，钻机移动时将其悬挂在钻机底座下，然后使用液压绞车将其下放至下一口井。

1.3.2 FlexRigs钻机

2011年，Helmerich&Payne公司拥有 200台FlexRigs钻机，大多用于页岩钻井。该钻机是一种交流变频驱动钻机，可以高效应用于复杂的定向井和水平井。

FlexRigs钻机的设计理念是更加安全和高效。该钻机在下套管作业、防喷器操作、起下管柱及钻机搬家等方面均有改善，此外还能利用钻井实时数据完成高性能钻进。大多数FlexRigs钻机能够实现在多井井场的整体滑动移位，其滑移系统由公司自行生产。2006年，在Corolado的Piceace盆地首次使用了FlexRigs钻机，通过整体滑移，钻井22口。

1.3.3 八向移动钻机

八向移动钻机由全球能源服务公司2010年推出。该钻机综合了该公司QuickSilver和Pioneer Class钻机的主要特点，钻台高7.92 m，井架内排立钻杆5 940 m，同时具有独特的4轴移动钻机设计，使钻机可以在8个方向移动，移动速度最高可以达到12 m/h，省去了拆解钻机和下口井重新组装的时间，同时还减少了钻机整体结构的磨损。钻机装卸不需起重机，在地面上应用液压缸组装和拆卸钻机，提高了安全性。

1.3.4 PACE钻机

Nabors钻井公司专门设计了B系列PACE钻机。为了提高在滑道上的快速移动能力，钻机配备了哥伦比亚工业公司的移动系统，在滑道区域内可以钻8～32口井，极大节省了移动钻机的时间和成本。钻机还配备了CanRig公司的技术，如自动猫道、扭矩自动调整扳手、配备软扭矩软件以缓解卡滑及井下振动的顶驱钻井系统，以及在水平井钻井期间旋转钻柱、减少井下摩擦的Rockit系统。

2 井下工具

2.1 新型防憋钻工具（AST）

新型防憋钻工具（AST）由挪威Tomax AS公司2008年研制［10］，其主要理念是提供一种能通过转换钻井过程中的能量而主动控制岩石切削过程的装置，并利用它来防止井下动态力达到具有破坏性的级别，进而保护钻柱的各个组件、优化岩石切削效率。

AST工具的机械部件较少，如图1所示：①为预加载内弹簧；②为上部主工具体，内置一母螺旋花键；③为伸缩式的下部主工具体，配有一公螺旋花键与上部工具体的母螺旋花键配合；④为上部和下部主工具体之间的压力密封；⑤为限制伸缩式延伸的止动台阶；⑥为密封底部的抛光面。

图1 AST工具样机的截面

AST工具的工作原理：克服压缩弹簧的扭力，使配有内置母螺旋花键的上部主工具体以旋转方式进入与之配对的下部主工具体；以伸缩方式收缩，且钻柱变短，结果是钻头被逐渐从井底上提，直到在全转速下返回；随着施加到工具上的扭力减小，弹簧按比例伸长，钻头则将稳定钻进。

在挪威斯塔万格国际研究院（IRIS）进行了2轮室内实验的基础上，AST工具作为旋转导向系统+PDC钻头钻具组合的一部分，首次在挪威Oseberg南部油田的Hydro F-27井使用。该钻具组合要进入一口水平井，同时将井眼用装有PDC切削齿的扩眼器扩大到φ241.3 mm。尽管井深超过3 000 m，井斜90°，但AST工具工作性能良好，使钻井扭矩保持稳定，并提高了机械钻速。

2.2 扭转冲击辅助破岩工具

PDC钻头在井下的运动极其无序，包括横向、纵向和扭向的振动以及这几种振动的组合，而井下振动会导致单个PDC切削齿损坏，缩短钻头寿命，并产生不规则井眼，降低井身质量［11］。扭转冲击辅助破岩工具利用钻井液驱动产生一定频率的扭转冲击，并直接作用在PDC钻头上，给钻头施加一个额外的高频冲击能量，辅助钻头破岩，解决了PDC钻头的卡滑问题，提高了难钻地层的机械钻速，同时减少钻柱的扭转振荡，使钻进过程更趋于平稳，延长了钻头等钻具的使用寿命。

2012年2月，在胜利油田樊55井3 198～3 430 m和高946井3 265～3 515 m井段，使用了胜利油田钻井院研发的扭转冲击辅助破岩工具+PDC钻头，平均机械钻速分别为5.68，5.75 m/h，分别是邻井相同地层单纯使用PDC钻头时的2.27，1.99倍。

2.3 轴向振荡工具（AGT）

2009年NOV公司研发出轴向振荡工具［12］，可以周期性、温和地振荡钻柱，减少滑动钻进和旋转钻进时井壁与钻杆之间的摩擦，改善钻压传递，拓宽马达导向系统的应用范围，极大地改善了滑动钻进及连续管作业性能。轴向振荡工具在工作状态下产生的振动不会损坏MWD，LWD工具，或干扰信号传递。

轴向振荡工具由动力系统、脉冲系统和振荡系统3部分组成：动力系统是1个1∶2的正容积式钻井液马达，脉冲系统是由动力部分驱动的一系列阀组，振荡系统是1个碟状弹簧驱动的振动工具。

脉冲系统包含1个振荡阀组和1个固定阀组，振荡阀组与正容积式钻井液马达的转子相连，固定阀组固定在接头的底部。由于1∶2的定转子比配置，当转子转动时，振荡阀组作所谓的章动，即近线性的前后扫动，振荡阀组在固定盘上方扫动的过程中会周期性地对流道产生限制，总的流道面积将在最大与最小之间变化，从而在钻柱内产生希望的压力脉冲（见图2）。

图2 转子运动与阀组示意

轴向振荡工具可以接在MWD工具上方或下方。在一次现场试验中，轴向振荡工具连接到马达导向底部钻具组合中下入井内，距离钻头262.13 m。工具使用井段对应的井眼剖面为从15°的稳斜段非常缓慢地降斜到垂直井眼，“S”井眼剖面在稳斜段后期与降斜井段采用滑动钻进模式，通常会遭遇摩阻较大的问题。

第1趟钻没有使用轴向振荡工具，采用滑动与旋转钻进模式，成功地从869.90 m钻至1 209.44 m。在井深1 209.44 m起钻至262.74 m，接上轴向振荡工具，下钻到底，继续钻进到井深1 948.89 m。现场试验表明，使用轴向振荡工具时，只需要施加不带轴向振荡工具时大约63%的地面钻压，便可获得与不带轴向振荡工具相当的机械钻速。

迄今为止，轴向振荡工具已经下井使用5 000多次，可以使作业者以更高的机械钻速钻出更长的水平井段。

2.4 主动减振器（AVD）

主动减振器（AVD）由美国 APS技术公司开发［13］，可监测底部钻具组合内的振动，并调整工具的阻尼系数以减小振动。

AVD工具下端是常规减振装置，带有一个盘形弹

簧、径向轴承及扭力轴承。上端装有电子仪器，用于测量心轴运动，并根据心轴运动改变减振装置内的电流大小。AVD工具中部是电磁减振装置（见图3），它被一组电磁线圈环绕的扼流圈分割成2个腔。电磁流变流体用作减振液。随着线圈内电流的增加，减振器内的磁场会不断增强，从而增加电磁流变流体的黏度，由此增加工具的动态刚度。室内实验表明，工具的有效动态刚度在2.6～17.3 kN/mm范围内变化。

图3 电磁减振装置

2008年6月，在Teapot Dome油田的落基山油田测试中心（RMOTC）进行了现场试验。试验结果表明，AVD工具能够监测钻柱振动并对钻柱振动作出反应，通过保持钻头和岩石面更均匀地接触提高机械钻速，通过消除冲击和振动的破坏延长钻头寿命。机械钻速在页岩中提高了73%，在粉砂岩中提高了29%。

2.5 新型超高强度钻杆

大位移井、超深井和深水井对钻杆性能的要求已经超出了常规S-135钻杆的能力，业界正在对一些可替代材料和先进技术进行研究，以满足大位移钻井等的需求。目前开发了最低屈服强度为1 138 MPa的新型超高强度钢材，并用此钢材制造了较常规钢钻杆壁厚更薄、重量更轻的 UD-165 钻杆［14］。

UD-165钻杆的强度/质量比超过铝合金钻杆，较S-135钻杆提高22%，仅次于钛合金钻杆，但成本远低于钛合金钻杆。UD-165钻杆具有内径大的特点，水力性能得到了极大地改善，这对提高大位移井和超深井的机械钻速、井眼清洁和钻井效率至关重要。

实验制造了50根壁厚为12.7 mm的φ127 mm UD-165钻杆，与φ127 mm的NC50连接扣S-135钻杆（29 kg/m）联合使用，在南德克萨斯的2口井上取得了成功，该地区井深大都在2 438～3 658 m。

用于UD-165超高强度钻杆的第3代双台阶连接扣已经研制成功，增加了双头螺纹，减少上/卸圈数50%，采用双半径扣型，降低了连接应力峰值，并增强了扣的连接疲劳寿命。采用第3代双台阶连接扣的轻型超高强度钻杆，可用于大位移井、深水钻井、超深井钻井。

3 结束语

钻井费用在油气勘探开发中占有很大比例，钻井新装备和新工具在降本、增效等方面发挥越来越重要的作用，为石油勘探开发提供了强有力的支持。建议借鉴国外成熟经验，对现有钻机进行改造，或者开发专用移动式钻机，最大限度降低页岩油气藏钻井成本；积极研发新型井下工具如防憋钻工具（AST）、轴向振荡工具（AGT），加强扭转冲击辅助破岩工具的推广和应用力度，为我国钻井提速提效工作提供全新的技术保障；加强基于超高强度钢材的薄壁高强度钻杆的研发，提早做好技术储备，满足未来深水钻井、大位移钻井和超深井钻井的需求。

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