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盡管面臨資金短缺和服務成本攀升的雙重壓力，美國鉆井市場的運營商和服務商仍在不斷突破井深、井眼軌跡和作業周期的極限。耐人尋味的是，這些突破大都依賴于近十多年來基本未變的傳統技術。這不禁讓人思考：在必須依賴更多電子元件的井下工具和承受更高成本的困境出現之前，這個行業還能實現多少的業績提升？
 
    本文介紹一種RST（Rotational Steering Tool旋轉導向工具）井下工具，一種創新的填補行業技術空白的鉆井方法。這種RST彌合了固定管柱組件與RSS（Rotary Steerable system旋轉導向系統）之間的性能差距，顯著提升了傳統可導向BHA（bottom hole assembly井底鉆具組合）的定向鉆井性能。RST可在保持鉆具持續旋轉的同時實現井眼軌跡的定向控制、降低井眼摩阻、優化鉆壓傳送。
 
    Bison Oil Gas IV油氣勘探開發公司與Drilling Tools International鉆井工具服務公司攜手合作，在美國中部的大型油氣產地丹佛-朱爾斯堡盆地成功實施了RST的應用，顯著提升了鉆井性能。本文詳細闡述了這種工具的開發過程、早期采用者的試用歷程，以及在多階段建井過程中實現鉆井績效顯著提升的非凡經歷。
 
RSS系統
 
當今采用的RSS系統是令人矚目的技術突破，幾乎能在所有的鉆井環境實現精確的井眼軌跡控制。但配備RSS系統的BHAs實施鉆井作業時會面臨經濟、物流和操作層面的諸多挑戰。從價值評估的角度來看，必須綜合考量多個關鍵因素，才能確保這些技術能夠真正地為鉆井項目帶來預期效益。
 
RSS技術采用了多種集成的傳感器和精確的導向機制，這種工具的制造和維護成本較高。這些因素自然會導致運營成本上升，運營商必須精打細算，確保通過鉆井性能的提升和鉆井周期的節省來抵消這方面的成本投入。
 
面臨的一個核心挑戰在于從首選的供應商處獲取必要的工具和專業的技術支持。這些資源的可用性可能有限，而且，并非所有的供應商都能為特定的鉆井應用和井眼規格提供配套的工具。更棘手的是，現有的人員可能缺乏有效操作和管理RSS系統的專業培訓。這種對供應商提供的工具和所需專家支持的雙重依賴，不僅會引發變更管理的難題，也會顯著增加各個環節的風險，特別是在考慮將RSS系統用于井下特定環境時，或為了完成更長水平段鉆進作為次級水平段鉆進選用BHA時，其挑戰更加嚴峻。
 
除了運營成本和供應方面的問題之外，還需對RSS系統部署時的整體風險工況進行嚴格的管控。隨著井深增加導致的鉆井復雜程度的增加，工具損壞和落入井下的風險始終需要仔細的評估和權衡。雖然最初的風險評估可能支持使用RSS系統，但還須充分考慮井深增加帶來的鉆井軌跡偏離的風險概率和成本的攀升。在需要多種BHAs才能鉆完一口井的情況下，選擇這些技術時風險與回報的平衡必須需占據優勢，但在某些井最深的井段鉆較短的進尺時，這種優勢可能并不總是成立。
 
傳統泥漿馬達的BHAs
 
傳統泥漿馬達的BHAs因其性能穩定且經過多年的使用驗證，長期以來備受推崇。然而，隨著鉆井環境越來越復雜，一些相互關聯的挑戰逐漸顯現出來，這些挑戰影響了其整體效率與一致性的充分發揮。
 
大位移水平段鉆井加劇了井筒的摩擦效應（摩阻增大），導致傳統泥漿馬達BHAs的鉆井性能顯著下降，見圖1：有效導向的ROP (rate of penetration機械鉆速）在2000英尺水平井段鉆進過程中匯集的數據表明，傳統泥漿馬達的BHAs在水平段較深井段的導向性能顯著下降。
 
 
圖1
 
    隨著井眼摩阻的增大，維持井眼軌跡滑動鉆進的效能會逐漸下降，這可能會導致井眼定向面臨困難，使鉆井周期延長。這種井眼摩阻增大導致的鉆井性能下降是運營商必須重點管控的關鍵問題，尤其是在鉆較長水平段的過程中，其累積的影響最為明顯。
 
    在傳統泥漿馬達BHAs的鉆井作業中，SOS（surface oscillation systems表面振動系統）和FRT（friction reduction tools減阻工具）常被用來緩解井眼摩阻問題，但它們的集成運用可能會增加井下工具的復雜性，導致運營成本也會相應地增加。圖2是簡化的、采用SOS與FRT后摩阻變化的示意圖，SOS和FRT可有效降低摩阻或減阻。
 
圖2
    SOSs通過操控頂驅使鉆桿以不同轉速和行程產生振動，以克服阻止鉆具旋轉時的靜摩擦力或靜摩阻。這種振動作用可縮短受軸向摩阻制約的鉆桿的有效長度，使鉆具在井筒內能平滑移動，同時還能提高傳統泥漿馬達BHAs調整彎殼體朝向的精度。雖然這類系統能提供高效且經濟的減阻方法，但隨著水平段長度的增加，鉆井性能會因物理和操作限制的制約而逐漸下降，如圖1所示。
 
圖3
    當僅僅依靠SOS無法有效降低鉆具摩阻、或需要提高導向性能時，可將FRTs集成到該系統中。這類工具利用鉆井液產生的能量，在鉆具特定區間內會產生有針對性的機械攪動，從而進一步降低井眼摩阻。但這樣的應用會帶來額外的資金投入和作業成本的增加。由于FRTs需要從流動的鉆井液中獲取能量，特別是在多井段鉆進中使用時會使泵壓顯著增高。這樣就可能需要在水平段的末端降低總的流量，進而削弱泥漿馬達的動力生成，甚至可能會造成 MWD（measurement while drilling隨鉆測量）系統無法正常工作，導致出現問題。
 
    采用傳統泥漿馬達的BHAs進行有效的定向鉆進，需要精確控制多個鉆井參數。滑動鉆進過程中平衡ROP并保持馬達工具面的取向，需要持續調整頂驅方位和自動鉆井系統的參數設置。
 
    圖3（采用SOS與FRT后的摩阻變化。隨著水平段鉆進長度的增加以及SOS達到其有效的極限值，經歷全井眼摩阻的鉆具比例也隨著鉆進進尺的增加而增加）展示了一個使用SOS實現井眼減阻的簡單的效果示意圖，表明振動與井眼減阻之間存在著一致的關系。實際上，減阻效果取決于多種動態因素，包括鉆具載荷、自動鉆井系統的參數設定以及振動參數設置的調整方式和順序。這些復雜因素使得傳統泥漿馬達BHA的導向操控高度依賴于操作人員的專業技能，因而導致作業效能存在很大的變數。
 
采用傳統泥漿馬達的BHAs進行滑動鉆進時，會因鉆桿屈曲、下坐效應以及上提高度的不確定性而面臨機械與操作方面的挑戰。井眼摩阻會加劇這些問題的復雜性，導致旋轉鉆進與滑動鉆進轉換過程中定向鉆進的NPT（non-productive time非生產時間）顯著增加，同時還大大增加了工具損壞的風險。
 
    滑動鉆進過程中，井眼摩阻的增大會導致鉆桿屈曲，從而增加鉆具的側向載荷，使鉆具的長度變短，需要施加更高的扭矩才能恢復鉆具旋轉。井深的不確定性與旋轉扭矩的增大，已被確認是井下工具失效的主要原因。此外，當上提鉆具使BHA脫離井底時，因鉆桿拉伸導致的位置的不確定性，常常需要過多的上提高度，以確保鉆頭不再吃入地層并脫離井底，上述過程耗時費力，也導致了定向鉆進的NPT進一步增加，同時還會帶來旋轉鉆進時因鉆頭吃入地層不足而引發渦動、旋流和扭轉振動的風險。
 
挑戰水平井鉆井的新方法
 
    今天的運營商在大位移水平井鉆井時面臨著兩個選擇：是采用RSS旋轉導向系統還是采用傳統泥漿馬達BHAs的井底鉆具組合？兩種方法各有挑戰。RSS雖然能實現精準的井眼軌跡控制，但租賃成本過高、供應受限且需要特殊的專業團隊支持等缺陷。此外，隨著水平段井眼的不斷延伸，工具損壞或發生故障的風險也在增大，成本大幅上升的問題日益突出，因此有效的風險管控至關重要。
 
    采用泥漿馬達實施定向鉆井的傳統BHAs雖然具有成本效益且應用廣泛的優勢，但因井眼摩阻不斷增大導致鉆進效能下降的問題，需要復雜的減阻策略，例如采用SOS系統和FRTs來降低井眼摩阻。這些方法雖然能緩解部分導向難題，但會帶來前文所述的操作限制，同時還會增加對操作人員技能與經驗的依賴，從而導致性能不穩定。
 
    為應對這些風險與局限性，人們研發出一種新型可操控的導向鉆井鉆具組合。該技術可提供類似于RSS的減阻效果，同時還可利用現有的、經過時間考驗的傳統泥漿馬達的BHA組件。通過彌合RSS與傳統泥漿馬達導向方法的差距，這項技術創新提供了兼顧成本效益與作業效率的替代方案，既能減少大位移水平段鉆進的性能波動，又能顯著提高水平段鉆進的鉆井效果。 
 
旋轉導向工具RST
 
    作為一種漸進腔式泵，俗稱“容積式馬達或泥漿馬達”，RST利用鉆頭與巖層接觸面產生的扭矩驅動馬達轉子旋轉，在馬達轉子與定子的接觸面產生壓力，實現扭矩的有效傳遞。當需要修正井眼軌跡時，司鉆會降低鉆具的右旋轉速度，直至這個轉速與鉆頭扭矩驅動泥漿馬達下部組件左旋的轉速相匹配，從而使BHAs的相對旋轉為零。這個過程類似于在*的自動人行道上朝著錯誤的方向行走一樣，如果你的行走速度與傳送帶的速度相同，那么相對于航站樓來說你就保持著靜止狀態。同樣地，通過平衡這些旋轉力，也就是平衡鉆具的旋轉扭矩與鉆頭產生的反扭距，RST就能精準修正鉆頭的鉆進方向，實現井眼軌跡按設計要求鉆進，與此同時，還能保持全鉆具旋轉帶來的降低摩阻的效果。圖4給出了RST與先前圖2和圖3摩阻變化的對比。RST與鉆頭之間的摩阻是一個已知且恒定的數值
 
 
圖4
    井眼方向修正后，司鉆只需在地面提高鉆具轉速，即可恢復BHAs的右旋轉速，恢復正常鉆井作業。再以機場自動人行道的比喻來描述一下，當你暫時調整步伐以匹配自動人行道的運動速度從而保持靜止后，加快行走的速度就能再次向前移動。同樣，隨著司鉆在地面提高鉆具轉速，BHA會重新開始旋轉，使鉆進連續進行。其結果是：RST上方的鉆具與BHA下方鉆頭之間形成了一個轉速差，就像你走在機場自動人行道上前進的速度是你的步速與傳送帶速度之差或差值一樣。 
 
    RST由四部分組件構成：軸承組件、傳動裝置、泥漿馬達部分和扭矩控制短節。見圖10（RST工具的井下端朝右。該工具的短節組件在頂部被拆分。輸入軸與底部短節之間標注了傳感器的位置）。泥漿馬達的核心部件是轉子和定子。RST采用全孔徑設計，僅產生微小的壓降，壓降基本相當于工具內孔徑縮減所產生的壓降值。 
 
    RST可直接組裝到井底鉆具組合BHA中，建議在該工具下方最大施加9噸的鉆壓，并將鉆壓控制在9噸之內。為了實現這一目標，通常建議采用加重鉆桿予以輔助，將RST安置在鉆頭上方60m至120m的位置。早期的工具設計將RST直接安置在了MWD（隨鉆測量）工具的上方，以便更靠近鉆頭；不過，這種布局會導致馬達工具面的控制出現難以駕馭的輸入反應。在該工具下方增加鉆壓可起到一個慣性阻尼器的作用，它能穩定并抑制泥漿馬達產生的反扭矩。這種設計減少了滑動鉆進期間為保持馬達工具面所需調整方位的次數和幅度。
 
    與傳統泥漿馬達鉆進相比，從旋轉模式切換至導向模式的操作流程得到了大幅度的簡化。滑動鉆進期間，ROP會略有下降，開始施加鉆壓/釋放鉆具。隨后將鉆具轉速降至目標值，確保在此過程中持續穩定地傳遞鉆壓至關重要。一旦建立了穩定的工具面，就可通過增加壓差的方法而使BHA向左轉動，或逐漸提高轉速來促使BHA移動。該過程簡化了執行滑動鉆進所需的參數輸入，因為轉速和持續松弛的下放控制更為便捷。
 
    要結束導向井段，就要確保鉆頭施加的鉆壓未向外傾斜，然后逐漸提高轉速。該操作步驟可遵循重新確定的從滑動鉆進轉換為旋轉鉆進的準則或操作指南，例如降低轉速、直至泥漿馬達的彎曲部分完全進入了新鉆出的井眼中。
 
    在鉆頭不離開井底的情況下由旋轉鉆進轉換為滑動導向鉆進，或完成導向井段滑動鉆進后再轉換為旋轉鉆進的過程可能是一個有爭議的話題，爭議的重點是鉆頭不離開井底。考慮到該工具在導向鉆進時有降低井眼摩阻的作用，以及其具有與BHA解耦的行為，所以相互轉換的過程通常不會產生劇烈的扭矩振蕩或沖擊。RST測試中，在工具兩端各安裝了一個高頻傳感器：一端與輸入軸連接，與鉆具的轉速一致，另一端與底部短節連接，與BHA的轉速一致。圖11（從旋轉切換至滑動、然后再切換回旋轉的1秒鐘的傳感數據。所有的三個圖在12分鐘的時間間隔內保持著時間的同步。第一個圖顯示的是兩個傳感器的井下轉速，頂驅轉速與頂部傳感器的數據高度吻合。其余兩張圖呈現的是工具兩端平均的振動數據）展示了一個從旋轉鉆進轉換為滑動鉆進、再轉回旋轉鉆進的典型示例。
 
早期的采納案例
 
    Bison IV Operating公司確定了一次使用RST的案例，在一個BHA中采用RST技術鉆至目標井深的場景，無需起鉆起出FRT，從而提高了水平段更深處滑動鉆進的效率。初步的論述始于2023年第四季度，但當時DTI（Drilling Tools International）公司不確定RST工具的庫存水平能否跟上Bison IV 公司的鉆井計劃。2024年第一季度末，在評估和擴大產能后，DTI公司重新與Bison IV公司接洽，商討決定加大推進力度，實施現場試用工作。
 
項目啟動初期，Bison IV公司從鉆穿套管鞋到鉆至總井深，平均用時5.5天，見圖5【采用RST之前，同區塊的8口井，鉆井周期（天數）與井深（英尺）的圖示】。幾口井的采樣數據大都在單井施工后期因普遍存在的滑動鉆進降速的問題而使鉆進速度減慢，從而延長的鉆井周期。
 
圖5
    在最初的試用中，RST僅專注于水平井段的鉆進，因為已知的滑動鉆進問題可通過該技術加以改進，因此，RST此前從未用于鉆垂直段、造斜段。鉆完造斜段后，為了安裝RST，采用了通常用于與FRT上提相同的操作方法，對BHA進行了短起下操作。前兩口井的試用結果表明，該工具顯著提高了水平井段滑動鉆進的效率，與傳統的同區塊井相比取得了預期的性能提高，見圖6（傳統泥漿馬達的BHA與帶有RST功能的BHA，在2000 ft長的水平段滑動鉆進ROPs的數據對比，紅色代表傳統泥漿馬達BHA導向所鉆的井的數據，藍色代表RST工具所鉆的井的數據）。隨著BHA向更深的水平段鉆進，ROP的下降幅度明顯小于典型的泥漿馬達BHAs的鉆進表現。這種ROP的下降趨勢在越來越深的水平段鉆進過程中變得并不那么明顯。
 
 
圖6
    下一個目標是采用RST從鉆穿套管鞋到鉆至總井深而不進行起下鉆的全程鉆進。試驗初期的挑戰之一是確保井下鉆鋌的RPMs始終在目標參數范圍內。為了解決這個問題，現場技術團隊通過MWD工具在預定的井段間隔對鉆鋌的RPMs進行了監測，確認其不超過限值。該方法被證明是有效的，隨著壓差的增加可實現實時的性能優化。通過相應地調整地面轉速，確保BHA在整個鉆進過程中保持所需的轉速。
 
    通過不斷的采用RST實施定向鉆井，以穩定的速度鉆進，在朝著目標井深鉆進過程中鉆井速度幾乎沒有因滑動性能變差、RST帶來的旋轉/滑動轉換段較少以及其它優勢使水平段末端滑動鉆進降速明顯，圖7是采用RST鉆的43口井，鉆井天數與所鉆井深的示意圖。
 
圖7
    另一個觀察到的有助于縮短鉆井周期的優勢是在水平段鉆進過程中非計劃的起下鉆次數得到了減少，見圖8（采樣井的數據匯總到了所鉆水平段的進尺中，包含非計劃的起下鉆小時數以及每一個非計劃的起下鉆小時對應所鉆的水平段的進尺）。在采用RST鉆的43口井，水平段鉆進期間非計劃起下鉆的總時間與8口采樣井的記錄的時間相當。這歸因于工具可靠性的提升，還可能得益于BHA與鉆具的解耦行為、滑動鉆進操作的一致性、FRT的消除、以及旋轉鉆進轉換為滑動鉆進或滑動鉆進轉換為旋轉鉆進的平滑操作。
 
 
圖8
結論
Bison Oil Gas IV油氣勘探開發公司率先在美國中部的丹佛-朱爾斯堡盆地采用了RST技術，奠定了該公司在鉆井創新領域的領軍地位。該公司對這項技術的早期投資不僅提高了作業效率，也為該地區的油氣鉆探樹立了新的業績標桿。其他運營商也隨之跟進紛紛效仿，開始采用RST技術復制Bison IV公司的成功經驗，這充分證明了該工具的卓越性能和行業價值。這種廣泛的應用與實踐，彰顯了Bison IV公司作為前瞻型企業的聲譽，他們始終擁抱前沿技術，通過創新方法不斷提高企業的運營效率和業績。
 
    通過工具的持續使用加上不斷地對其進行改進，從三開鉆穿套管鞋開始到完成總井深的鉆進，平均鉆井周期從用時5.5天降至3.5天，縮短了兩天，見圖9（傳統泥漿馬達與配有RST工具的BHAs所鉆井的數據對比，按100英尺深的間隔匯總的天數-深度曲線走勢，采樣的RST工具鉆的井為藍色，傳統泥漿馬達鉆的井為紅色）。大部分的性能提升出現在水平段的鉆進過程，其中水平段后半程的性能提升更為顯著。 
 
 
圖9
 
 
圖10
 
 
圖11
 
隨著行業技術的不斷進步，像RST這樣創新的井下工具，其應用將會對下一代鉆井技術的發展起到關鍵作用。通過突破傳統泥漿馬達BHA的鉆井極限并拓展其功能，石油公司或運營商能實現更高效率、更低成本的定向鉆井施工，并為復雜井的設計開辟了新機遇。