自從RSS（旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)）引入鉆井以來，鉆井的技術(shù)人員和研究者一直在比較PDM（螺桿鉆具）和RSS在不同鉆井環(huán)境下的有效性。PDM和RSS操作原理的不同之處在于，PDM通過彎殼體使鉆頭偏移或傾斜而產(chǎn)生側(cè)向力，在鉆柱不旋轉(zhuǎn)時(shí)改變井眼軌跡，而RSS分為兩個(gè)類型：推靠式和指向式。推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)通過三個(gè)推靠塊在井底鉆具組合（BHA）上產(chǎn)生彎曲力，該彎曲力與所產(chǎn)生的曲率近似成比例，而指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)是在被稱為導(dǎo)向離合器的殼體內(nèi)通過樞軸或凸輪使導(dǎo)向軸偏心而使鉆頭偏移。
PDM和RSS技術(shù)的選擇
PDM和RSS技術(shù)還在不斷地發(fā)展，促進(jìn)鉆井性能不斷地提升。例如，HP-PDM（高性能PDM）在90年代開始進(jìn)入市場(chǎng)，其特征是定子橡膠厚度相等，與常規(guī)PDM定子變形正比于鉆頭扭矩而導(dǎo)致大扭矩時(shí)機(jī)械效率低的特性不同，HP-PDM可以在大扭矩工況下保持恒定的轉(zhuǎn)速，從而適應(yīng)攻擊性更強(qiáng)的鉆頭，獲得更高的機(jī)械鉆速。
PDM彎殼體的機(jī)械特性使之在最大狗腿度（DLS）方面比RSS有優(yōu)勢(shì)，因此在材料和尺寸相同即彎曲強(qiáng)度相同的情況下，PDM能夠得到更大的狗腿度。另外，RSS的成本遠(yuǎn)高于PDM，這歸因于其較好的控制性能、昂貴的電子元器件以及技術(shù)價(jià)值。
盡管高成本的RSS不適合有些鉆井場(chǎng)景使用，但在另一些場(chǎng)景，如鉆機(jī)運(yùn)行成本較高情況下的復(fù)雜軌跡井，RSS顯然是最優(yōu)的選擇。大多數(shù)情況下直接選擇定向工具是困難的。不要單獨(dú)對(duì)比定向鉆井工具，而要將其作為影響鉆井整體性能的鉆井系統(tǒng)的組成部分來考慮。
定向工具的選型依據(jù)
定向工具選型一般考慮幾個(gè)方面因素。
首先是與鉆井設(shè)備及鉆頭的匹配。使用PDM還是RSS，從一開鉆就對(duì)施工操作有主導(dǎo)影響。由于PDM依賴于井下泥漿液體動(dòng)力驅(qū)動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)，因此適用于弱頂驅(qū)系統(tǒng)（TDS）或轉(zhuǎn)盤鉆井，而上述鉆井系統(tǒng)不適合使用RSS，因?yàn)镽SS轉(zhuǎn)動(dòng)依賴地面動(dòng)力。由于PDM自身的壓耗是泥漿泵缸套尺寸選擇的一個(gè)因素，如果不做優(yōu)化，可能影響井眼清潔。RSS（推靠式或指向式）和PDM需要匹配不同的鉆頭性能參數(shù)。PDM在扭矩/轉(zhuǎn)速組合方面有更大的變化范圍，使其在鉆頭選型方面比RSS更靈活。有些地層需要使用特定的鉆頭型號(hào)，可能不適合使用RSS，另一些情況下則必須使用PDM。
鉆井參數(shù)和定向性能。鉆井過程中，鉆壓（WOB）對(duì)PDM和RSS的造斜能力有不同的影響。較高的鉆壓有助于提高PDM的造斜率（BUR），但對(duì)于推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，高鉆壓使鉆頭沒有足夠的時(shí)間側(cè)向切削，從而降低了井眼的狗腿度（DLS）。PDM的機(jī)械結(jié)構(gòu)雖然在滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)具有較高的造斜率優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也是限制其轉(zhuǎn)速的主要因素。殼體彎角越大，地面許用的轉(zhuǎn)速越低。
使用RSS，其轉(zhuǎn)速的效應(yīng)與PDM組合不同，增大轉(zhuǎn)速，可以增大其造斜率，因?yàn)閭?cè)向切削性能得到了改善。鉆井性能方面，在定向作業(yè)（造斜、降斜或扭方位）時(shí)使用RSS，鉆頭的機(jī)械鉆速（瞬時(shí)機(jī)械鉆速）通常要高于使用PDM，這主要是由于RSS不存在滑動(dòng)鉆進(jìn)，而滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)，PDM通常存在摩阻，盡管可以使用井下振蕩器（downhole agitator）消除摩阻影響。然而，也有使用PDM時(shí)平均機(jī)械鉆速比使用RSS時(shí)高69%的案例，這主要?dú)w因于使用PDM時(shí)鉆頭轉(zhuǎn)速的增加。
根據(jù)定義，平均機(jī)械鉆速總是小于井底機(jī)械鉆速。與使用PDM比較，使用RSS在大多數(shù)情況下定向作業(yè)較快，而在穩(wěn)斜段可能不快。PDM具有額外的井下轉(zhuǎn)速優(yōu)勢(shì)，而轉(zhuǎn)速是影響機(jī)械鉆速的一個(gè)正向因素，因此，平均機(jī)械鉆速的對(duì)比取決于定向段長度占總井段長度的比例。除了鉆進(jìn)時(shí)間外，還有其他作業(yè)時(shí)間，包括擺工具面、向井下發(fā)送指令（RSS）、軌跡測(cè)量、上卸扣、洗井和劃眼等。
值得注意的是，在向RSS發(fā)送指令時(shí)，司鉆可以選擇降低機(jī)械鉆速繼續(xù)鉆進(jìn)或停止鉆進(jìn)，這取決于工具響應(yīng)所發(fā)送指令需要的時(shí)間。在某些時(shí)候，使用RSS對(duì)于機(jī)械鉆速的總體提升與成本的增加不匹配，此時(shí)可考慮使用帶PDM的RSS改善鉆井性能，一些案例中機(jī)械鉆速提高達(dá)到39%。
井身質(zhì)量。井身質(zhì)量是鉆井最重要的要求之一。井身質(zhì)量影響鉆井深度、鉆井速度和鉆柱使用壽命，還影響下套管、測(cè)井和完井施工。井眼彎曲度能簡單描述井眼與設(shè)計(jì)軌跡的偏差，可以在宏觀尺度（標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量站之間）或微觀尺度（使用連續(xù)測(cè)量儀或高頻井眼成像工具）上測(cè)量。均勻軌跡曲線的彎曲度為零，改變?cè)煨甭驶蚍轿蛔兓剩瑥澢葧?huì)增加，因此，使用PDM的井眼彎曲度比使用RSS高。此外，對(duì)于PDM，宏觀測(cè)量的彎曲度比實(shí)際小，這是由于測(cè)量站可能會(huì)有移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致隱形的彎曲度較多。
RSS鉆出的井眼光滑均勻，而PDM鉆出的井眼不光滑，會(huì)出現(xiàn)井壁臺(tái)階，但必須強(qiáng)調(diào)的是，如果司鉆技術(shù)水平差，使用RSS同樣會(huì)使井眼出現(xiàn)臺(tái)階。假設(shè)下一個(gè)50ft從5000ft到5050ft，井斜要從63°變到65°，需要RSS調(diào)整側(cè)向力，使井斜變化梯度為每100ft增加4°，在井深5050ft處井斜達(dá)到65°。比如，司鉆不必使用更大的導(dǎo)向力，就在5035ft井深處井斜達(dá)到65°，然后穩(wěn)斜到5050ft，此時(shí)，在井身質(zhì)量方面使用RSS便沒有優(yōu)勢(shì)。
理論上，在使用PDM滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)，井眼直徑應(yīng)該達(dá)到規(guī)徑要求，但在復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)，鉆出的井眼會(huì)略大于規(guī)徑。雖然RSS在局部狗腿度上一般要優(yōu)于PDM，但操作模式和人的因素仍會(huì)影響井身質(zhì)量并產(chǎn)生一定的彎曲度。
與PDM相比，使用RSS鉆出的井眼彎曲度較小，使得摩阻較小，從而使水平延伸長度增加。在一些情況下，使用RSS時(shí)摩擦系數(shù)（FF）比使用PDM時(shí)小28.6%，表明井身質(zhì)量好且井眼彎曲度小。
另外，連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)--這是一個(gè)對(duì)井眼清潔影響很大的因素---使RSS比PDM有更大的優(yōu)勢(shì)。由于鉆柱持續(xù)旋轉(zhuǎn)且井眼清潔狀況好，使用RSS時(shí)卡鉆風(fēng)險(xiǎn)小。然后，盡管卡鉆風(fēng)險(xiǎn)小，但卡鉆的后果會(huì)更加嚴(yán)重。如果RSS發(fā)生卡鉆，打撈不成功的話，由于RSS與PDM的價(jià)差將導(dǎo)致落井（LIH）成本高得多。
鉆井力學(xué)和動(dòng)力學(xué)。振動(dòng)是鉆定向井應(yīng)關(guān)注的主要問題。振動(dòng)類型主要有：橫向振動(dòng)、軸向振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)（粘滑振動(dòng)）。軸向振動(dòng)在井深較淺時(shí)較明顯，可能導(dǎo)致地面設(shè)備損壞。該類振動(dòng)可以用安裝在鉆頭上方的減震器來消除。橫向振動(dòng)是最具破壞性的振動(dòng)類型，容易引起鉆柱扭斷。而扭轉(zhuǎn)振動(dòng)可能損壞井下傳感器和鉆柱。鉆柱與井眼的摩擦或鉆頭與地層的互作用可引發(fā)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。如果使用PDM，在復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)，它可以作為阻尼器或解耦裝置阻止振動(dòng)從鉆頭傳遞到鉆柱，而滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)不會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。在已知有粘滑風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域，高頻記錄振動(dòng)是必要的，以防止遺漏嚴(yán)重的微粘滑振動(dòng)現(xiàn)象。
一般來說，振動(dòng)對(duì)PDM會(huì)產(chǎn)生機(jī)械作用，而對(duì)于更容易發(fā)生粘滑振動(dòng)的推靠式RSS來說，振動(dòng)則可能導(dǎo)致RSS機(jī)械損壞（刺穿、疲勞破壞或扭斷）或推靠塊液壓腔損壞。有些時(shí)候，降低地面轉(zhuǎn)速，有助于減輕井下橫向振動(dòng)，這就是此時(shí)采用PDM要優(yōu)于RSS的原因。
除了來自服務(wù)公司的建議外，研究者也發(fā)現(xiàn)了一些共性的問題。建議鉆井過程中，橫向振動(dòng)加速度均方根（RMS）不要超過5g，以降低鉆具扭斷的風(fēng)險(xiǎn)。降低井下振動(dòng)有助于鉆井參數(shù)的優(yōu)化，獲得更高的鉆進(jìn)速度。
在討論鉆柱應(yīng)力時(shí)，詳盡描述是需要的。影響應(yīng)力的因素之一是轉(zhuǎn)速。在某個(gè)角度上，使用PDM會(huì)因?yàn)橐韵聝蓚€(gè)因素而降低轉(zhuǎn)速。殼體彎角會(huì)使轉(zhuǎn)速受限，以避免薄弱部位應(yīng)力過大；由于PDM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)固有的井下轉(zhuǎn)速，達(dá)到相同的鉆井性能只需要較小的地面轉(zhuǎn)速。在這方面，PDM產(chǎn)生的應(yīng)力比RSS小，但RSS鉆出的井眼更光滑，因而摩擦力（主要是摩阻扭矩）較小，此外，滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)最易引發(fā)螺旋屈曲，而RSS通過消除滑動(dòng)鉆進(jìn)而減小了屈曲的發(fā)生。無論使用何種定向工具，BHA設(shè)計(jì)會(huì)極大地影響其振動(dòng)趨勢(shì)。
井眼軌跡設(shè)計(jì)和地質(zhì)設(shè)計(jì)。一般來說，RSS由于其在鉆進(jìn)時(shí)鉆壓傳遞效果好而在長水平段井鉆進(jìn)具有優(yōu)勢(shì)。如果由于固有的微彎曲度和調(diào)整井眼軌跡需要花費(fèi)較長的時(shí)間而規(guī)劃了地質(zhì)導(dǎo)向作業(yè)，就不能優(yōu)先選用PDM。
RSS相對(duì)PDM的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是其能對(duì)近鉆頭井斜（NBI）進(jìn)行連續(xù)的閉環(huán)控制，從而獲得更可靠的井眼軌跡。另外，盡管運(yùn)營商采用了定制方案，在一些情況下，如地層預(yù)期會(huì)沖壞、地層軟或地層UCS（無限壓抗壓強(qiáng)度）過高或過低時(shí)，RSS（推靠式）都不是最佳選項(xiàng)。在上述情況下，指向式RSS比推靠式更好，因?yàn)樗鼘?duì)井壁沖刷的敏感度較低，并且能達(dá)到要求的狗腿度。必須指出的是，盡管定向工具（PDM或RSS）理論上能達(dá)到一定的狗腿度，但實(shí)際上能達(dá)到的最大狗腿度通常要小于其理論值。
特定應(yīng)用。在類似帶套管定向鉆井等特定應(yīng)用中，由于小尺寸PDM鉆具組合的定向能力較低，RSS在小井眼井更具優(yōu)勢(shì)。在垂直鉆井中，優(yōu)選具備垂直鉆井功能的RSS，因?yàn)槠渚哂兴矔r(shí)修正井斜的能力。另外，盡管RSS被證實(shí)某些情況下成功應(yīng)用于開窗側(cè)鉆，但PDM的效率更高。
機(jī)器學(xué)習(xí)與數(shù)字驅(qū)動(dòng)
盡管上述研究廣泛探索了定向工具的選擇，但大多數(shù)研究仍然是定性的，僅依賴于專家的判斷和描述性分析。許多研究基于案例、定性指出每種工具的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，最接近應(yīng)用的是圖1所示的流程圖。但是，該流程圖僅在特定區(qū)域環(huán)境下有定性指導(dǎo)作用，通用性有限。定量分析，特別是數(shù)字驅(qū)動(dòng)和機(jī)器學(xué)習(xí)，客觀評(píng)估和預(yù)測(cè)特定油氣井條件下定向工具優(yōu)選方面，上述研究還存在很大差距。
盡管機(jī)器學(xué)習(xí)在勘探開發(fā)和鉆進(jìn)行業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域不斷整合發(fā)展，但還沒有應(yīng)用這些技術(shù)系統(tǒng)預(yù)測(cè)和對(duì)比定向鉆井工具在成本和效率方面的性能。因此，本研究是該領(lǐng)域開創(chuàng)性的成果，提供了一個(gè)新型的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)框架，以彌合定性決策和定量預(yù)測(cè)之間的差距。通過利用井的歷史數(shù)據(jù)和先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，本研究將傳統(tǒng)的主觀決策過程轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)有科學(xué)基礎(chǔ)的、自動(dòng)化的工具選型模型。通過定性和定量差距的彌合，本研究旨在推動(dòng)現(xiàn)有知識(shí)體系的進(jìn)步，并為定向工具選型提供一個(gè)更穩(wěn)健的框架。
(未完待續(xù))
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