當(dāng)今的儲(chǔ)層越來(lái)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(gè)石油公司都在進(jìn)行技術(shù)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(shí)還要有效的控制成本。一般來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)方式下鉆水平井和定向井現(xiàn)用的方法有兩種——常規(guī)泥漿馬達(dá)和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)(RSS)。
泥漿馬達(dá)是一種已得到驗(yàn)證的可靠技術(shù)，這種技術(shù)以其低風(fēng)險(xiǎn)已獲得商業(yè)化應(yīng)用，在近幾年已經(jīng)獲得相當(dāng)大的發(fā)展，但泥漿馬達(dá)常常無(wú)法使鉆井效率最優(yōu)化，而且，泥漿馬達(dá)鉆大位移井的能力較差，無(wú)法與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)相媲美;旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)能夠提供精確的定向控制，因此，能大大提高鉆井效率和機(jī)械鉆速，現(xiàn)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(yīng)用，但旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)使用起來(lái)非常昂貴，如果工具落入井內(nèi)不能取出，費(fèi)用損失難以彌補(bǔ)。
全新的導(dǎo)向技術(shù)
一項(xiàng)新技術(shù)正在彌補(bǔ)這兩種方法的不足，以第三種具有經(jīng)濟(jì)吸引力的方法為該行業(yè)提供服務(wù)，該方法設(shè)計(jì)用來(lái)解決低造斜率井的定向鉆進(jìn)，可以提高機(jī)械鉆速和減少滑動(dòng)時(shí)間。作為世界知名專(zhuān)業(yè)石油機(jī)械生產(chǎn)供應(yīng)商的威德福公司研發(fā)的MotarySteerable定向控制系統(tǒng)結(jié)合容積式泥漿馬達(dá)的水馬力和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的定向控制能力，在旋轉(zhuǎn)時(shí)提供連續(xù)的三維定向控制，創(chuàng)建一個(gè)高質(zhì)量平滑的井眼。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)和泥漿馬達(dá)特性的技術(shù)融合使低造斜率井獲得最優(yōu)化鉆井。
該設(shè)計(jì)采用了一種被稱作“目標(biāo)鉆頭速度(TBS)”的新導(dǎo)向技術(shù)，使一個(gè)帶彎接頭的泥漿馬達(dá)和專(zhuān)用的隨鉆測(cè)量(MWD)工具發(fā)揮了獨(dú)特作用。目標(biāo)鉆頭速度(TBS)技術(shù)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(zhǎng)穩(wěn)斜段和J型井眼設(shè)計(jì)的鉆井。
目標(biāo)鉆頭速度(TBS)技術(shù)通過(guò)調(diào)整鉆柱內(nèi)鉆井液的流速提高導(dǎo)向能力，使穿過(guò)泥漿馬達(dá)的流速產(chǎn)生微振蕩，這會(huì)使鉆井參數(shù)產(chǎn)生高頻變化，控制鉆頭速度，提供任何目標(biāo)方位的井眼導(dǎo)向。TBS技術(shù)還能克服滑動(dòng)問(wèn)題，滑動(dòng)是泥漿馬達(dá)關(guān)鍵限制的其中一個(gè)，滑動(dòng)要求鉆柱停止旋轉(zhuǎn)而鉆頭旋轉(zhuǎn)向下鉆進(jìn)，這會(huì)導(dǎo)致鉆進(jìn)效率下降，特別是在打大斜度井時(shí);當(dāng)采用TBS技術(shù)時(shí)，鉆柱旋轉(zhuǎn)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(yīng)用。
有效應(yīng)對(duì)低造斜率井
設(shè)計(jì)這項(xiàng)技術(shù)可以用于泥漿馬達(dá)鉆井的任何應(yīng)用，包括：鉆一口井的垂直控制、長(zhǎng)水平段鉆進(jìn)以及保持一個(gè)角度的切線段鉆進(jìn)。在鉆S型井的過(guò)程中，使用該工具可以朝著一個(gè)希望的傾斜方向創(chuàng)建造斜角，鉆一個(gè)切線段，保持這個(gè)角度，再重新定向井底鉆具組合(BHA)，保持垂直度。
當(dāng)造斜率較低時(shí)，0°～3°/30m，作為一種成本有效的替代旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的新技術(shù)，該系統(tǒng)對(duì)于優(yōu)化水平鉆井特別有效。如果需要一個(gè)更高的造斜率，該系統(tǒng)可以靈活使用，它能從連續(xù)旋轉(zhuǎn)的模式下轉(zhuǎn)換為滑動(dòng)模式或常規(guī)鉆進(jìn)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(yè)巖氣開(kāi)發(fā)
該系統(tǒng)于2008至2009年開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)用在6"至12 1/4"井眼尺寸，包括7 7/8"井眼，這類(lèi)尺寸的井在北美很普遍，但很少由旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)提供服務(wù)。繼2010年在尤因塔盆地、巴內(nèi)特和鷹福特頁(yè)巖地層成功現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后，該技術(shù) 2011年被商業(yè)化引入美國(guó)的頁(yè)巖氣資源開(kāi)發(fā)，此后被應(yīng)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(shù)已在各種應(yīng)用中得到使用，在近50口井的鉆井作業(yè)中打了超過(guò)76200米(250000英尺)。
該系統(tǒng)特別適合于美國(guó)非傳統(tǒng)市場(chǎng)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的低成本應(yīng)用，用于垂直控制和水平鉆井。在美國(guó)北達(dá)科他州巴肯頁(yè)巖的一口長(zhǎng)水平段油井的鉆井作業(yè)中，作為一種替代旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的技術(shù)，該系統(tǒng)在一個(gè)6"井眼中得到應(yīng)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(dòng)時(shí)間，鉆一個(gè)平滑的井眼;鉆進(jìn)從2870m(9415英尺)開(kāi)始，連續(xù)鉆進(jìn)至5984m(19632英尺)，鉆井進(jìn)尺超過(guò)3,000m(10,000英尺);該系統(tǒng)讓作業(yè)者獲得了精確的導(dǎo)向控制，滑動(dòng)時(shí)間從30%減少至8%，使鉆井時(shí)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(shí)間和其它相關(guān)費(fèi)用超過(guò) 520000美元。
挑戰(zhàn)地層和鉆井設(shè)計(jì)
目標(biāo)鉆頭速度(TBS)技術(shù)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(dá)的馬力更高，使用時(shí)間更長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)的后勤保障問(wèn)題帶來(lái)了成本上的挑戰(zhàn)，維護(hù)維修復(fù)雜，昂貴的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)被禁止使用。使用該公司的系統(tǒng)加12 1/4"鉆頭成功地在波蘭鉆進(jìn)了一段直井眼，這段地層非常硬，從1700m(5577英尺)鉆進(jìn)至3200m(10498英尺)，由于地層特性的原因，花費(fèi)了45天鉆進(jìn)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(dá)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(shù)還在俄羅斯Buzuluk地區(qū)的一家大石油公司的一個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)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(yuǎn)偏僻，給設(shè)備搬遷和安裝帶來(lái)極大的作業(yè)挑戰(zhàn)，并且地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在這種情況下，使用該系統(tǒng)很好的使4口S型井鉆到達(dá)了目標(biāo)儲(chǔ)層。
在墨西哥，使用該系統(tǒng)鉆了7口S型和J型井，都是8 1/2"井眼。通常這類(lèi)井型的設(shè)計(jì)用常規(guī)井底鉆具組合鉆進(jìn)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(jìn)至總深度。使用該系統(tǒng)很好的解決了技術(shù)難題，完成了鉆井任務(wù)。
目標(biāo)鉆頭速度(TBS)技術(shù)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(zhuǎn)方式對(duì)這些井實(shí)施鉆進(jìn)，這些井大部分井段的鉆進(jìn)鉆桿旋轉(zhuǎn)超過(guò)95%，其中幾口井造斜和穩(wěn)斜鉆進(jìn)超過(guò)60°，由于井底鉆具組合常常要造斜、降斜、或根據(jù)地層和井底鉆具組合的依賴關(guān)系進(jìn)行鉆進(jìn)，高角度穩(wěn)斜鉆進(jìn)保持方向而不進(jìn)行大的修正則變的非常困難。
目標(biāo)鉆頭速度(TBS)技術(shù)的成功應(yīng)用使機(jī)械鉆速得到了提高，相比旋轉(zhuǎn)時(shí)間滑動(dòng)時(shí)間得到了減少，在許多地區(qū)的鉆井現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)天數(shù)變的更少，這些應(yīng)用已經(jīng)打開(kāi)了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)一步擴(kuò)大全球應(yīng)用的機(jī)會(huì)。威德福公司的Motary Steerable定向控制系統(tǒng)被美國(guó)《E&P》雜志評(píng)出2012年世界18項(xiàng)工程技術(shù)創(chuàng)新特別貢獻(xiàn)獎(jiǎng)——鉆井工具獎(jiǎng)。在不久的將來(lái)，公司將計(jì)劃部署該技術(shù)在哥倫比亞、中東和中國(guó)推廣使用，可以預(yù)見(jiàn)該技術(shù)的發(fā)展前景非常廣闊。
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