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混合系統——鉆井發(fā)展新方向

發(fā)布時間：2013-06-26 來源：石油與裝備雜志

【大中小】

　　當今的儲層越來越具有挑戰(zhàn)性，彎曲變化的井眼要求更精確的定向鉆井。各個石油公司都在進行技術研發(fā)，不斷探索提高鉆井效率和定向控制的創(chuàng)新方法，同時還要有效的控制成本。一般來說，傳統方式下鉆水平井和定向井現用的方法有兩種——常規(guī)泥漿馬達和旋轉導向系統(RSS)。

　　泥漿馬達是一種已得到驗證的可靠技術，這種技術以其低風險已獲得商業(yè)化應用，在近幾年已經獲得相當大的發(fā)展，但泥漿馬達常常無法使鉆井效率最優(yōu)化，而且，泥漿馬達鉆大位移井的能力較差，無法與旋轉導向系統相媲美;旋轉導向系統能夠提供精確的定向控制，因此，能大大提高鉆井效率和機械鉆速，現已在高難度條件下的鉆井作業(yè)特別是在海上大位移鉆井中獲得應用，但旋轉導向系統使用起來非常昂貴，如果工具落入井內不能取出，費用損失難以彌補。

　　全新的導向技術

　　一項新技術正在彌補這兩種方法的不足，以第三種具有經濟吸引力的方法為該行業(yè)提供服務，該方法設計用來解決低造斜率井的定向鉆進，可以提高機械鉆速和減少滑動時間。作為世界知名專業(yè)石油機械生產供應商的威德福公司研發(fā)的MotarySteerable定向控制系統結合容積式泥漿馬達的水馬力和旋轉導向系統的定向控制能力，在旋轉時提供連續(xù)的三維定向控制，創(chuàng)建一個高質量平滑的井眼。旋轉導向系統和泥漿馬達特性的技術融合使低造斜率井獲得最優(yōu)化鉆井。

　　該設計采用了一種被稱作“目標鉆頭速度(TBS)”的新導向技術，使一個帶彎接頭的泥漿馬達和專用的隨鉆測量(MWD)工具發(fā)揮了獨特作用。目標鉆頭速度(TBS)技術能夠在各種鉆井工況下提高鉆井效率，這些工況包括：垂直控制、水平S型井眼長穩(wěn)斜段和J型井眼設計的鉆井。

　　目標鉆頭速度(TBS)技術通過調整鉆柱內鉆井液的流速提高導向能力，使穿過泥漿馬達的流速產生微振蕩，這會使鉆井參數產生高頻變化，控制鉆頭速度，提供任何目標方位的井眼導向。TBS技術還能克服滑動問題，滑動是泥漿馬達關鍵限制的其中一個，滑動要求鉆柱停止旋轉而鉆頭旋轉向下鉆進，這會導致鉆進效率下降，特別是在打大斜度井時;當采用TBS技術時，鉆柱旋轉可以接近連續(xù)，從而降低井筒摩擦力，有助于大位移鉆井的應用。

　　有效應對低造斜率井

　　設計這項技術可以用于泥漿馬達鉆井的任何應用，包括：鉆一口井的垂直控制、長水平段鉆進以及保持一個角度的切線段鉆進。在鉆S型井的過程中，使用該工具可以朝著一個希望的傾斜方向創(chuàng)建造斜角，鉆一個切線段，保持這個角度，再重新定向井底鉆具組合(BHA)，保持垂直度。

　　當造斜率較低時，0°～3°/30m，作為一種成本有效的替代旋轉導向系統的新技術，該系統對于優(yōu)化水平鉆井特別有效。如果需要一個更高的造斜率，該系統可以靈活使用，它能從連續(xù)旋轉的模式下轉換為滑動模式或常規(guī)鉆進方式，直到獲得希望的造斜率而不改變其井底鉆具組合。

　　適用于頁巖氣開發(fā)

　　該系統于2008至2009年開發(fā)，設計用在6"至12 1/4"井眼尺寸，包括7 7/8"井眼，這類尺寸的井在北美很普遍，但很少由旋轉導向系統提供服務。繼2010年在尤因塔盆地、巴內特和鷹福特頁巖地層成功現場試驗后，該技術 2011年被商業(yè)化引入美國的頁巖氣資源開發(fā)，此后被應用到全球范圍。在加拿大、俄羅斯、墨西哥和東歐地區(qū)，該技術已在各種應用中得到使用，在近50口井的鉆井作業(yè)中打了超過76200米(250000英尺)。

　　該系統特別適合于美國非傳統市場頁巖氣開發(fā)的低成本應用，用于垂直控制和水平鉆井。在美國北達科他州巴肯頁巖的一口長水平段油井的鉆井作業(yè)中，作為一種替代旋轉導向系統的技術，該系統在一個6"井眼中得到應用，采用了4 3/4"的井底鉆具組合，91.23°的井眼最大狗腿度5.95°/30.5m(5.95°/100英尺)，目的是減少滑動時間，鉆一個平滑的井眼;鉆進從2870m(9415英尺)開始，連續(xù)鉆進至5984m(19632英尺)，鉆井進尺超過3,000m(10,000英尺);該系統讓作業(yè)者獲得了精確的導向控制，滑動時間從30%減少至8%，使鉆井時間減少了7天，鉆出的平滑井眼使作業(yè)者輕松完成了下套管作業(yè)，節(jié)省鉆井時間和其它相關費用超過 520000美元。

　　挑戰(zhàn)地層和鉆井設計

　　目標鉆頭速度(TBS)技術也很好地適用于硬地層如石灰?guī)r和白云巖的鉆井，這要求容積式馬達的馬力更高，使用時間更長，現場的后勤保障問題帶來了成本上的挑戰(zhàn)，維護維修復雜，昂貴的旋轉導向系統被禁止使用。使用該公司的系統加12 1/4"鉆頭成功地在波蘭鉆進了一段直井眼，這段地層非常硬，從1700m(5577英尺)鉆進至3200m(10498英尺)，由于地層特性的原因，花費了45天鉆進了約1500m(4921英尺)。

　　大部分井段的斜度保持在2°以下，一旦該工具在鉆達總深度之前從井底鉆具組合中被撤掉，最后的井段允許向上漂移至3.5°。鉆井作業(yè)中使用了兩種鉆頭，PDC鉆頭和較便宜的三牙輪鉆頭，然而，已得到證明，三牙輪鉆頭僅僅是PDC鉆頭效率的50%，PDC鉆頭能夠提供更好的方向控制。

　　該技術還在俄羅斯Buzuluk地區(qū)的一家大石油公司的一個試驗項目中被使用。該地區(qū)位于俄羅斯中西部的南烏拉爾山區(qū)，雖然擁有豐富的油氣藏，但該地區(qū)地域遙遠偏僻，給設備搬遷和安裝帶來極大的作業(yè)挑戰(zhàn)，并且地層結構復雜，在這種情況下，使用該系統很好的使4口S型井鉆到達了目標儲層。

　　在墨西哥，使用該系統鉆了7口S型和J型井，都是8 1/2"井眼。通常這類井型的設計用常規(guī)井底鉆具組合鉆進極為困難，原因是必須采用同樣的井底鉆具組合鉆垂直段、造斜段和穩(wěn)斜段，然后，再降斜讓井眼回到垂直方向，鉆進至總深度。使用該系統很好的解決了技術難題，完成了鉆井任務。

　　目標鉆頭速度(TBS)技術允許采用常規(guī)井底鉆具組合，伴隨著幾乎連續(xù)的鉆桿旋轉方式對這些井實施鉆進，這些井大部分井段的鉆進鉆桿旋轉超過95%，其中幾口井造斜和穩(wěn)斜鉆進超過60°，由于井底鉆具組合常常要造斜、降斜、或根據地層和井底鉆具組合的依賴關系進行鉆進，高角度穩(wěn)斜鉆進保持方向而不進行大的修正則變的非常困難。

　　目標鉆頭速度(TBS)技術的成功應用使機械鉆速得到了提高，相比旋轉時間滑動時間得到了減少，在許多地區(qū)的鉆井現場作業(yè)天數變的更少，這些應用已經打開了旋轉導向系統進一步擴大全球應用的機會。威德福公司的Motary Steerable定向控制系統被美國《E&P》雜志評出2012年世界18項工程技術創(chuàng)新特別貢獻獎——鉆井工具獎。在不久的將來，公司將計劃部署該技術在哥倫比亞、中東和中國推廣使用，可以預見該技術的發(fā)展前景非常廣闊。