“一趟钻”是指用一只钻头和一套井下钻具组合，一次入井钻完一个开次或一个井段全部进尺的钻井技术，具有提高机械钻速、缩短钻井周期、降低钻井成本、减少或避免井下复杂情况等优点，有效促进了北美地区非常规油气资源的高效开发。近年来随着我国页岩气、致密油气资源的勘探开发和高效率、高效益钻井对“一趟钻”技术提出了迫切需求。目前我国非常规油气水平井“一趟钻”技术整体上还处于试验阶段，在高效破岩钻头、长寿命螺杆钻具、MWD供电技术和变径稳定器等方面虽然取得了一定进展，基本具备了自主服务能力，但是在关键工具使用寿命、技术性能和旋转导向系统等方面还不能完全满足“一趟钻”需求。因此开展相关的研究和分析，对于我国正在实施的非常规油气水平井“一趟钻”研究具有一定的借鉴和促进作用。
1 国内外“一趟钻”技术发展简介
国外“一趟钻”钻井技术主要是为了满足北美地区页岩气和致密油气的经济高效开发而提出的，是2016年国际石油十大科技进展之一。目前在北美页岩油气钻井中，集成应用旋转导向、高效钻头和优质钻井液等技术的“一趟钻”日趋成熟，水平井单一井段的“一趟钻”渐成常态，双井段和多井段的“一趟钻”完成率不断增加。水平井单次“一趟钻”完成的进尺，陆上和海上均已超过5 500 m。“一趟钻”的推广应用，促进了美国页岩油气水平井钻井周期的持续缩短，甚至达到了难以置信的程度，如2017年贝克休斯公司在美国DJ盆地仅用3.5 d就钻成一口井深5 405 m的页岩水平井。随着技术发展和进一步降本增效的需求，北美地区“一趟钻”应用规模不断扩大，已从非常规油气扩大到常规油气、从陆上扩大到海上，涵盖了包括直井、定向井和水平井等多种井型，并计划2025年在页岩油气开发中推广应用水平井“超级一趟钻”技术。
我国早在2006年就提出并随之推广应用的“四合一”钻具，使定向井二开“一趟钻”完成成为可能、两趟钻完成成为主流，随后在川渝、新疆等地区的常规直井、定向井和浅层水平井中开展了“一趟钻”技术的研究与应用。但是以上研究主要通过井眼剖面和钻具组合优化、钻头与螺杆优选以及钻井液性能提升等来实现“一趟钻”，对相关专用钻井工具的研发和应用很少。2010年以来，随着国内页岩气、致密油气资源的开发和“一趟钻”理念的提出，开展了相关工具的引进试验和自主研发工作，但整体技术水平还与国外存在较大差距。受此影响，目前国内各页岩气、致密油气井区的水平井“一趟钻”总体实现率还较低。
2 非常规油气水平井“一趟钻”技术难点
(1)对钻头、螺杆和MWD的工作寿命提出了更高要求，且三者要有较好的等寿命匹配性，避免因其中之一损坏或达到工作寿命而被迫起钻，造成“一趟钻”失败。
(2) 一个开次涉及多个井段，如直井段、斜井段(造斜、稳斜、降斜)和水平段，一套钻具组合要满足不同井段轨迹控制要求，因此对钻具组合适应性提出了更高要求。
(3) 由于工厂化钻井和体积压裂开发等原因，非常规油气水平井普遍具有井身结构简单、井眼轨迹复杂和水平段较长等特点，且多个井段可能处于同时存在塌、漏、喷等复杂地层的一个裸眼段内。为了避免因井下异常造成中途起下钻，对钻井工具安全可靠性及井下事故预防提出了更高的要求。
(4) 相对于北美，我国的致密油气、页岩气储层普遍埋藏更深、物性更差、层厚更薄，且存在旋转导向系统严重依赖国外、主要工具性能和国外产品相比存在差距以及技术配套不完善等问题，增加了我国“一趟钻”技术的实施难度。
3 “一趟钻”关键工具技术现状
3.1 旋转导向钻井系统
目前国内外页岩气、致密油气水平井“一趟钻”使用的钻具主要有“弯螺杆+MWD”常规导向钻具和旋转导向钻具两种类型。与常规“弯螺杆+MWD”井眼轨迹控制方法相比，旋转导向系统不但取消了滑动钻进方式，而且不需要起下钻即可改变钻具组合特性，一套钻具组合就可以完成造斜、增斜、稳斜和水平段施工，同时具有摩阻扭矩低、钻井时效高、井眼轨迹控制精度高、井身质量好以及井眼净化效果好等优点。
近5年来，为了满足“一趟钻”的技术要求，特别是为了满足长水平段水平井、三维水平井“一趟钻”的技术要求，国外在常规旋转导向钻井系统的基础上，还研发使用了造斜能力更强、造斜率可控范围更宽的高造斜率旋转导向系统，如斯伦贝谢公司的Power Drive Archer和贝克休斯公司的AutoTrack Curve，每30 m井段造斜率达到10°~18°。目前在北美页岩气水平井中，常规旋转导向工具让单一井段“一趟钻”渐成常态，而高造斜率旋转导向工具则实现了双井段甚至三井段的“一趟钻”。近年来虽然国内已经开展了常规旋转导向钻井系统的研制与现场试验，但总体上还没有进行商业化应用，目前在涪陵、长宁-威远和长庆等多个非常规油气资源区块应用的旋转导向系统主要是国外产品，从以上工区的实钻情况来看，旋转导向钻井系统不但可以减少起下钻趟数，有效提高非常规油气水平井“一趟钻”的完成率, 而且能够提高水平段的延伸能力和钻井安全。以鄂尔多斯盆地陇东致密油区同目的层、同井身结构、施工难度相当的两口邻近二开三维水平井为例，NP8井采用旋转导向钻井系统，成功实现了二开“直井段+斜井段”“一趟钻”和“水平段”“一趟钻”，与使用常规“弯螺杆+MWD”钻具组合的GP76-73井相比，不但减少了2趟起下钻，而且在提高机械钻速、缩短钻井周期以及降低摩阻扭矩等方面效果显著。NP8与GP76-73井主要钻井参数对比如表 1所示。
表 1 NP8和GP76-73井主要钻井参数对比
3.2 高效钻头
“一趟钻”不仅要求使用的钻头钻速快、寿命长、进尺多，而且还要可导向性好和地层适应性强。2010年以来国外主要针对页岩气“一趟钻”技术需求，以切削齿和混合钻头为主要技术创新方向，研制出了种类繁多、性能优异的新型高效优质钻头供“一趟钻”选用，如斯伦贝谢公司的ONYXⅡ矛式PDC钻头、贝克休斯公司的Talon 3D矢量系列PDC钻头和Kymera组合式钻头、NOV公司的Seeker导向PDC钻头等，单只钻头可以有效保障一个开次多井段的“一趟钻”。从技术指标来看，单只钻头一次入井钻进进尺纪录已突破5 000 m、单只钻头累计进尺纪录已突破17 900 m；钻头寿命延长1~5倍，钻进效率提高10%~90%。国内“一趟钻”前期试验主要采用国外进口PDC钻头，近5年来，随着国内钻头设计制造水平的不断提高，国内“一趟钻”施工中已主要采用国产新型优质高效钻头，且取得了较好的应用效果，其中川渝页岩气区单只钻头“一趟钻”的最大进尺已超过2 500 m，鄂尔多斯盆地致密油区单只钻头“一趟钻”的最大进尺已超过3 600 m，较好地满足了目前所在井区分井段“一趟钻”的技术需求。
3.3 长寿命螺杆
为了满足“一趟钻”对螺杆钻具长寿命、高效率、高可靠性的技术要求，国内外主要开展了三方面的工作：一是通过对常规螺杆的改进或优选，延长其使用寿命，提高技术性能或针对性，使螺杆钻具可以满足“一趟钻”施工的要求。二是开展了等壁厚螺杆的试验应用, 和常规螺杆相比，等壁厚螺杆具有单级密封压力高、转速低、扭矩大、曲率半径小、使用寿命长、耐高温和安全可靠等技术优势。经过近20年的发展，目前国外已经生产出成熟的产品系列，其在美国、加拿大的使用比例在50%以上，平均使用寿命达1 000 h以上。国内在这方面的研究起步较晚，目前虽然已生产出系列产品，但总体上还处于试验应用阶段，现场实钻使用比例还比较低。三是国外针对旋转导向系统研制了与之相配套的专用螺杆钻具，如DTU、X-treme、Ultra等，不但具有信号传输功能，而且还提高了旋转导向系统的钻进效率和施工能力，国内由于受旋转导向系统研发进度的限制，还没有开展相关的研究。
3.4 串联双电池组合和涡轮发电机
从长庆致密油、长宁-威远页岩气等多个工区的数据统计来看，在现有技术和水平段长度条件下要实现“一趟钻”，“直井段+斜井段”一般要求钻具单趟入井时间100~250 h，水平段一般要求钻具单趟入井时间150~350 h。目前国产MWD多为单电池供电设计，由于电量限制，单趟入井工作时间一般不超过200 h，国外主要采用涡轮发电技术来满足“一趟钻”对MWD和LWD长时间工作的要求。近年来国内研发了钻井液发电机和串联双电池组供电技术，可使现用MWD仪器单趟钻的工作时间大幅延长，有效避免了因MWD电池耗尽而被迫进行起下钻，促进了“一趟钻”技术的推广应用。
3.4.1 涡轮发电机
MWD涡轮发电机通过井下循环钻井液冲刷涡轮带动发电机旋转发电，为电子测量总成及钻井液脉冲发生器执行机构提供电能。与常规锂电池供电方式相比，这种方式理论上使用时间无限，维修时只需更换少数易损件，具有井下工作时间长、安全环保和节能降耗等诸多优点。目前国外MWD和LWD产品大部分都已经将钻井液涡轮发电机作为标准配置，国内的无线随钻测量产品仍然以使用电池供电为主，近几年为了满足“一趟钻”技术的需要，开展了相关的研发和应用试验。以长庆油田应用的某型MWD涡轮发电机为例，该发电机在现有常规MWD的基础上进行研发，替代了电池供电电池筒，井下探管和脉冲发生器连接位置和组装均没有发生改变；从现场90多口井的统计情况来看，每个涡轮发电机平均使用时间738 h，最长无故障使用时间超过了900 h，较好地解决了“一趟钻”对MWD长时间连续工作的要求。涡轮发电机供电MWD连接示意图。
3.4.2 串联双电池组
国内北京六合伟业科技有限公司和长城钻探工程有限公司等多家单位研发了串联MWD双电池组供电技术，该技术主要是通过对现有MWD的技术升级，在仪器串中加接双电池控制短节，实现双电池供电时的电压电量监测及切换管理。以在长庆致密油水平井中应用的某型串联MWD双电池组合为例，系统工作时，通过软件设置，电池控制短节可使两组电池交替供电或依次单一供电(即先消耗主电池电量，当主电池电量耗尽，再自动转化为消耗副电池电量)。从现场使用情况来看，双电池技术可使MWD单次入井时间延长至300 h以上，不但较好地满足了长庆区域致密油水平井“一趟钻”对MWD电池使用寿命的要求，且提高了电池的利用率，降低了电池消耗成本。串联双电池供电MWD连接示意图所示。
3.5 变径稳定器
水平井一般使用增斜钻具组合完成斜井段施工，入窗后需要起下钻将BHA更换为稳斜组合，其关键点是变换钻具稳定器的外径。变径稳定器以一定的控制方式(地面遥控或井下自控), 在不起钻的情况下，通过调整稳定器的外径来改变BHA的力学特性。国外从20世纪80年代末即开始研制和应用，经过不断的发展完善，已有多种结构形式的变径稳定器进入商业化应用阶段。由于国产旋转导向系统目前还没能实现商业化应用，租用国外的旋转导向费用高，因此近几年国内进一步开展了变径稳定器的研究与应用, 并在“一趟钻”技术中进行了矿场试验。以长庆油田为例，根据区域油井水平井的施工特点，通过变径稳定器和螺杆钻具的配套使用，一套钻具组合可以满足不同井段轨迹控制要求, 成功实现了“一趟钻”完成二开“直井段+斜井段+水平段”的钻进。变径稳定器在GP25-29井使用井段810~2 775 m，其中直井段+斜井段(810~1 940 m)使用98 h，水平段(1 940~2 775 m)使用75 h。变径稳定器的基本参数见表。GP25-29井的基础数据。
4 发展建议
“一趟钻”技术虽然是一项系统工程, 要从地质、井身结构、井眼剖面、钻井液和工具装备等多方面综合考虑，但先进高效的专用工具是保障“一趟钻”实施效果的基础。从长宁页岩气、长庆致密油和苏里格致密气等井区的情况来看，虽然个别井区已有少数短水平段水平井实现了开次“一趟钻”，但与国外相比，国内非常规油气水平井“一趟钻”相关技术指标还有较大差距，主要原因就在于关键工具的性能差异与配套应用，因此提出如下建议。
(1) 斯伦贝谢和贝克休斯为代表的国外石油技术服务公司分别拥有自己先进、成熟的旋转导向系统序列，已经作为一种主要的水平井、定向井钻井工具而进行大规模推广应用。国产旋转导向钻井系统还处于研制试验阶段，导致我国在页岩气和致密油等非常规油气资源开发中严重依赖国外，使用费用昂贵，因此建议加快国产旋转导向钻井系统及配套工具的技术攻关，尽早实现商业化应用，以便打破国外垄断。
(2) 优质高效钻头是目前实现“一趟钻”的基础利器之一，国外主要针对页岩气“一趟钻”技术需求，开发出了多种性能优异的高效钻头。近年来国内钻头设计制造水平已取得明显进步，国产钻头已在“一趟钻”中进行推广应用，但存在种类相对较少、单只钻头进尺和使用寿命与国外还有一定差距等问题，总体上离分开次“一趟钻”还有较大差距。建议继续开展相关攻关，进一步提高钻头综合性能，并加强钻头与不同导向钻井方式的匹配研究与个性化设计。
(3) 目前国内主要通过国产常规螺杆的改进或优选，来满足分井段“一趟钻”对螺杆钻具长寿命、高性能的施工需求，多井段“一趟钻”或高难度井还主要依赖国外高端常规螺杆或等壁厚螺杆。随着我国“一趟钻”技术的发展和对螺杆钻具使用性能的进一步提高，建议尽快开展等壁厚螺杆的技术完善和推广应用，并有效降低产品价格，提高性价比。
(4) 从现场试验来看，变径稳定器是低成本实现“一趟钻”的有效手段之一，但是国内开展的矿场试验及应用还较少，产品性能还有待进一步提升。
(5) 各种工具在不同井区和储层有一定的工作性能差异，现场施工要针对具体实钻条件，优选“一趟钻”关键工具及配套。
5 结束语
“一趟钻”技术是实现非常规油气资源钻井作业降本增效的重要途径，实施中不仅要考虑井身结构、井眼剖面和钻井液等因素，还需要集成应用先进高效的专用钻井工具。经过不断的发展和改进，目前北美地区已经形成了包括高造斜率旋转导向系统、高效破岩PDC钻头和长寿命螺杆等成熟的“一趟钻”工具配套，为“一趟钻”技术的实施提供了有力的硬件支撑。近年来随着非常规油气资源的开发和“一趟钻”工程理念的提出，国内积极开展了“一趟钻”相关工具的研究与应用，但总体上还与国外同类产品存在较大差距，国内页岩气和致密油气水平井还处于分井段“一趟钻”试验阶段，建议进一步加强相关工具研究和优选，以促进国内分开次“一趟钻”和钻井全面提速目标的实现。
来源：《石油机械》，作者，刘克强