當(dāng)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(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，同時還要有效的控制成本。一般來說，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)是一種已得到驗證的可靠技術(shù)，這種技術(shù)以其低風(fēng)險已獲得商業(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)使用起來非常昂貴，如果工具落入井內(nèi)不能取出，費用損失難以彌補。
全新的導(dǎo)向技術(shù)
一項新技術(shù)正在彌補這兩種方法的不足，以第三種具有經(jīng)濟吸引力的方法為該行業(yè)提供服務(wù)，該方法設(shè)計用來解決低造斜率井的定向鉆進(jìn)，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(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)時提供連續(xù)的三維定向控制，創(chuàng)建一個高質(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)，使一個帶彎接頭的泥漿馬達(dá)和專用的隨鉆測量(MWD)工具發(fā)揮了獨特作用。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型井眼長穩(wěn)斜段和J型井眼設(shè)計的鉆井。
目標(biāo)鉆頭速度(TBS)技術(shù)通過調(diào)整鉆柱內(nèi)鉆井液的流速提高導(dǎo)向能力，使穿過泥漿馬達(dá)的流速產(chǎn)生微振蕩，這會使鉆井參數(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)還能克服滑動問題，滑動是泥漿馬達(dá)關(guān)鍵限制的其中一個，滑動要求鉆柱停止旋轉(zhuǎn)而鉆頭旋轉(zhuǎn)向下鉆進(jìn)，這會導(dǎo)致鉆進(jìn)效率下降，特別是在打大斜度井時;當(dāng)采用TBS技術(shù)時，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)對低造斜率井
設(shè)計這項技術(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、長水平段鉆進(jìn)以及保持一個角度的切線段鉆進(jìn)。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(dāng)造斜率較低時，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(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。
適用于頁巖氣開發(fā)
該系統(tǒng)于2008至2009年開發(fā)，設(shè)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(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)提供服務(wù)。繼2010年在尤因塔盆地、巴內(nèi)特和鷹福特頁巖地層成功現(xiàn)場試驗后，該技術(shù) 2011年被商業(yè)化引入美國的頁巖氣資源開發(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76200米(250000英尺)。
該系統(tǒng)特別適合于美國非傳統(tǒng)市場頁巖氣開發(fā)的低成本應(yīng)用，用于垂直控制和水平鉆井。在美國北達(dá)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(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的技術(shù)，該系統(tǒng)在一個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)，目的是減少滑動時間，鉆一個平滑的井眼;鉆進(jìn)從2870m(9415英尺)開始，連續(xù)鉆進(jìn)至5984m(19632英尺)，鉆井進(jìn)尺超過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(guān)費用超過 520000美元。
挑戰(zhàn)地層和鉆井設(shè)計
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，使用時間更長，現(xiàn)場的后勤保障問題帶來了成本上的挑戰(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(yuǎn)偏僻，給設(shè)備搬遷和安裝帶來極大的作業(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。通常這類井型的設(shè)計用常規(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)方式對這些井實施鉆進(jìn)，這些井大部分井段的鉆進(jìn)鉆桿旋轉(zhuǎn)超過95%，其中幾口井造斜和穩(wěn)斜鉆進(jìn)超過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)用使機械鉆速得到了提高，相比旋轉(zhuǎn)時間滑動時間得到了減少，在許多地區(qū)的鉆井現(xiàn)場作業(yè)天數(shù)變的更少，這些應(yīng)用已經(jīng)打開了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)一步擴大全球應(yīng)用的機會。威德福公司的Motary Steerable定向控制系統(tǒng)被美國《E&P》雜志評出2012年世界18項工程技術(shù)創(chuàng)新特別貢獻(xiàn)獎——鉆井工具獎。在不久的將來，公司將計劃部署該技術(shù)在哥倫比亞、中東和中國推廣使用，可以預(yù)見該技術(shù)的發(fā)展前景非常廣闊。
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