為了從復(fù)雜的儲(chǔ)層中開采出所有可能的碳?xì)浠衔?，先進(jìn)的RSS和LWD技術(shù)提高了整體鉆井效率，降低了油井整個(gè)生命周期內(nèi)的建井成本。盡管傳統(tǒng)的定向鉆井方法看起來較為良好，但這種方法仍然缺乏鉆大位移井，以及實(shí)現(xiàn)一個(gè)儲(chǔ)層真正開采潛力所需的精度和可靠性。這些長(zhǎng)而扭曲的水平井通常需要曲折的井眼軌跡來鉆穿復(fù)雜的地層并與目標(biāo)碳?xì)浠衔镉兴佑|。為了應(yīng)對(duì)這些新的挑戰(zhàn)，Weatherford公司創(chuàng)新并開發(fā)了一種適合用途的工具，一種專門用于延續(xù)油氣田開采能力，以更可靠的方式做到這一點(diǎn)，最終達(dá)到這一目的的專用工具。
全方向控制和高性能鉆井的RSS
Weatherford公司開發(fā)了Magnus® RSS（rotary-steerable system旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)），見圖1（三個(gè)獨(dú)立的推靠襯墊主動(dòng)控制整個(gè)井筒的方向，優(yōu)化井眼軌跡，提高井筒質(zhì)量）。RSS采用了一種推靠式的設(shè)計(jì)，將可靠的、高性能的鉆井與精確的方向控制相結(jié)合，使石油公司能夠增加每次下井的鉆井進(jìn)尺，提供更快的鉆井速度、更好的井眼質(zhì)量，以及更高質(zhì)量的測(cè)量數(shù)據(jù)。
圖1
Magnus RSS的堅(jiān)固設(shè)計(jì)使其能在井下滯留更長(zhǎng)的時(shí)間，盡可能地減少起下鉆次數(shù)，降低鉆井成本。通常，大多數(shù)鉆井作業(yè)可以一次鉆頭下井完成指定井段的鉆進(jìn)深度。RSS采用一種簡(jiǎn)化且高度集成的優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有最小的BHA（bottomhole assembly井底鉆具組合）的穩(wěn)定性、全旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)向裝置，以及一個(gè)優(yōu)化的泥漿導(dǎo)流區(qū)域，可降低卡鉆事故的風(fēng)險(xiǎn)。泥漿驅(qū)動(dòng)的推靠襯墊、金屬對(duì)金屬發(fā)令槍式的密封件，增強(qiáng)了高壓、惡劣鉆井環(huán)境下機(jī)械組件、電子組件的完美組合，提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
三個(gè)獨(dú)立的推靠襯墊和閥門組件能提供均衡和成比例的控制，使襯墊能在推靠后完全縮回，可用于小井眼鉆井、劃眼鉆進(jìn)、鉆水泥塞或鉆套管鞋。三個(gè)推靠襯墊能在整個(gè)鉆進(jìn)過程中主動(dòng)控制鉆頭方向，而且，只在需要時(shí)才被觸發(fā)，推靠井壁，保持井眼的鉆進(jìn)軌跡。這種選擇性地襯墊觸發(fā)可實(shí)現(xiàn)比例式的導(dǎo)向，通過消除不必要的襯墊觸發(fā)來大幅提高井眼質(zhì)量。這種獨(dú)立式的觸發(fā)可作為在襯墊或閥門件發(fā)生故障時(shí)的冗余系統(tǒng)，以提高RSS的可靠性。
Magnus RSS可使用標(biāo)準(zhǔn)的鉆頭設(shè)計(jì)，這使得任何運(yùn)營(yíng)商在任何地方都能避免冗長(zhǎng)的交貨時(shí)間，減少對(duì)額外庫(kù)存的需求。RSS的比例控制系統(tǒng)可進(jìn)行有效的鉆進(jìn)調(diào)整，以最大程度地減少井眼扭曲，從而提供一個(gè)圓潤(rùn)、平滑的高質(zhì)量井筒，降低未來建井作業(yè)的成本。此外，RSS具有高達(dá) 10°/100ft的高狗腿度造斜率，可以鉆進(jìn)整個(gè)曲線段井眼，不需要糾斜鉆進(jìn)，可更快地鉆至油藏。電子組件組成的電控系統(tǒng)可快速采集數(shù)據(jù)，以確認(rèn)鉆進(jìn)方向和提供近乎實(shí)時(shí)的完全控制。
由先進(jìn)的LWD（logging while drilling隨鉆測(cè)井）工具提供的準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的信息有助于通過實(shí)時(shí)的近鉆頭數(shù)據(jù)來控制RSS，從而提高整體的鉆進(jìn)效率。連續(xù)的方位伽馬射線和井斜測(cè)量數(shù)據(jù)，在鉆頭上方1.8m的位置進(jìn)行采集，使井眼軌跡定位和地質(zhì)導(dǎo)向的變化能夠保持在目標(biāo)范圍內(nèi)。創(chuàng)新的電子組件系統(tǒng)和自動(dòng)導(dǎo)向功能，包括自調(diào)節(jié)功能，為鉆進(jìn)期間的方向、方位校正提供了閉環(huán)控制。實(shí)時(shí)雙向通信系統(tǒng)在不中斷鉆進(jìn)的情況下正常運(yùn)行，向RSS發(fā)送控制信號(hào)，然后驗(yàn)證信息，使導(dǎo)向調(diào)整立刻生效。
為了準(zhǔn)備好井筒，以便安裝應(yīng)急尾管和套管或完井設(shè)備，運(yùn)營(yíng)商需要進(jìn)行擴(kuò)眼作業(yè)。最佳的方法是，為了保持低成本，擴(kuò)眼和定向鉆進(jìn)應(yīng)在同一只鉆頭下井一次進(jìn)行。為了滿足運(yùn)營(yíng)商對(duì)隨鉆擴(kuò)眼的需求，Weatherford公司的工程師們開發(fā)了 RipTide 鉆井?dāng)U眼器。通常與RSS結(jié)合使用，RipTide擴(kuò)眼器一次下井就可向著設(shè)計(jì)井深鉆出一個(gè)圓滑的擴(kuò)眼井筒，見圖2（RipTide鉆井?dāng)U眼器是一種同心質(zhì)量平衡的擴(kuò)眼器，能在套管孔徑以下的裸眼地層進(jìn)行擴(kuò)眼作業(yè)，也就是擴(kuò)出的井筒直徑可以大于套管的內(nèi)徑。多功能的擴(kuò)眼器與RSS或旋轉(zhuǎn)的BHA結(jié)合使用時(shí)可以同時(shí)鉆進(jìn)并進(jìn)行擴(kuò)眼，又稱作“隨鉆擴(kuò)眼”）。鉆井?dāng)U眼器能將井眼擴(kuò)大到超過鉆頭直徑44%的程度，而且能鉆出一個(gè)高質(zhì)量的、完井就緒的井眼。
圖2
Riptide擴(kuò)眼器采用一種質(zhì)量平衡的三刀座布置，可與RSS配合使用，以最大限度地減小鉆進(jìn)時(shí)的振動(dòng)，可擴(kuò)眼器通過多種方法激活：機(jī)械球滴系統(tǒng)、壓力循環(huán)激活，或電子射頻識(shí)別標(biāo)簽。射頻識(shí)別系統(tǒng)在提供無限井下激活周期、全通孔內(nèi)徑方面處于行業(yè)領(lǐng)先地位，使運(yùn)營(yíng)商能在BHA中布置多個(gè)擴(kuò)眼器。
應(yīng)用案例分析
射頻識(shí)別系統(tǒng)證明了自己是在墨西哥成功運(yùn)用的一個(gè)關(guān)鍵組件。在海上油田作業(yè)時(shí)，一家運(yùn)營(yíng)商需要從套管鞋的位置向下擴(kuò)眼鉆進(jìn)，擴(kuò)眼鉆穿一個(gè)810m厚的鹽丘。讓該運(yùn)營(yíng)商頗為擔(dān)心的是該區(qū)塊頻發(fā)的卡鉆問題，尤其是12¼-in.至14¾-in.這個(gè)孔徑的井眼，在以往的鄰井作業(yè)時(shí)，運(yùn)營(yíng)商需要兩次起下鉆鉆進(jìn)這個(gè)井徑的井段才能獲得期望的效果。
工程師們建議將RipTide擴(kuò)眼器整合到BHA中部署到井下。利用射頻識(shí)別標(biāo)簽，鉆井?dāng)U眼器在套管鞋下方被激活，擴(kuò)眼鉆進(jìn)了這個(gè)鹽丘井段。隨著擴(kuò)眼鉆進(jìn)的完成，向下擴(kuò)眼的鉸刀通過射頻識(shí)別標(biāo)簽的方法被停用。這使得運(yùn)營(yíng)商能在常規(guī)鉆井到目標(biāo)井深擴(kuò)眼鉆進(jìn)完成后隨鉆停止擴(kuò)眼作業(yè)，無需額外的起下鉆作業(yè)，從而顯著降低了鉆井成本。通過選擇射頻識(shí)別擴(kuò)眼器無限的、按需激活和停用的功能，該運(yùn)營(yíng)商使鉆井進(jìn)度得到了明顯加快，優(yōu)化了鉆井周期，縮短了鹽層的暴露時(shí)間。這項(xiàng)任務(wù)設(shè)備一次下井就完成了作業(yè)，節(jié)省了4天的鉆井周期，假設(shè)每天日費(fèi)成本為170000 美元，4天折合約 680000 美元。
另一個(gè)應(yīng)用是在墨西哥，一家運(yùn)營(yíng)商需要鉆一個(gè)新井眼穿過鹽丘，采用的是2.19 g/cc的重油基泥漿。鉆井液具有高固體含量（40%以上），主要設(shè)計(jì)用于鹽層鉆進(jìn)，盡管會(huì)反復(fù)出現(xiàn)乳化液不穩(wěn)定的問題。運(yùn)營(yíng)商通常會(huì)遇到與高濃度固體含量、鹽層卡鉆、以及高鉆進(jìn)扭矩和扭力振動(dòng)有關(guān)的工具故障。最好的做法是部署一個(gè)配有電池的RSS電源，用來克服以往與高固體含量有關(guān)的故障。此外，多重激活的鉆井?dāng)U眼器不僅可以擴(kuò)大鹽層鉆進(jìn)的井徑，降低卡鉆風(fēng)險(xiǎn)，還能在鉆完鹽層后停止擴(kuò)眼，從而最大限度地提高機(jī)械鉆速。
RSS滿足了這項(xiàng)任務(wù)的要求，特別是具有靈活的可用功率，使該工具能夠僅使用電池電源供電實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行，以增強(qiáng)工具內(nèi)的流量，而不受渦輪旋片的限制，一種通常由鄰井中高固體含量所導(dǎo)致的工具過早失效的原因。此外，RSS可以設(shè)置為“導(dǎo)向關(guān)閉”模式，使運(yùn)營(yíng)商能夠鉆穿高振動(dòng)地層，同時(shí)最大限度地減小工具磨損，提高井眼質(zhì)量。這次作業(yè)成功的一個(gè)關(guān)鍵因素是采用了Centro™ 井建優(yōu)化平臺(tái)，該平臺(tái)實(shí)時(shí)收集所有的鉆井?dāng)?shù)據(jù)，鉆井參數(shù)由位于實(shí)時(shí)作業(yè)中心的工程師們進(jìn)行監(jiān)控和優(yōu)化。
Weatherford公司此次提供的服務(wù)一次工具下井就完成了該井段的鉆井作業(yè)，鉆井周期節(jié)省了4天，約合 165000美元。RSS有效克服了與橫向振動(dòng)以及高鉆井液固體含量相關(guān)的所有挑戰(zhàn)，包括曾經(jīng)導(dǎo)致過其它RSS工具渦輪機(jī)葉輪脫落或旋轉(zhuǎn)受阻這類挑戰(zhàn)。RipTide擴(kuò)眼器以20.63 m/hr.的機(jī)械鉆速擴(kuò)眼鉆進(jìn)了這部分井段，比預(yù)期的機(jī)械鉆速高出了126%。鹽層段的擴(kuò)眼防止了所有卡鉆事件的發(fā)生，這些挑戰(zhàn)曾經(jīng)讓運(yùn)營(yíng)商在以前的井的鉆井周期上損失了數(shù)十萬美元。
對(duì)于土耳其的運(yùn)營(yíng)商來說，挑戰(zhàn)集中在測(cè)井方面。由于石灰?guī)r地層的鉆井條件，傳統(tǒng)的電測(cè)工具無法測(cè)得2821m至3212m垂直截面的地層數(shù)據(jù)。因此，運(yùn)營(yíng)商無法獲得高分辨率井眼圖像數(shù)據(jù)來識(shí)別充滿了1.78 g/cc油基泥漿的井筒裂縫。
Weatherford公司的工程師們推薦了一套由UltraWave®超聲波成像儀錨定的LWD工具
。見圖3（兩個(gè)井段的振幅和行程時(shí)間的測(cè)井成像，顯示了自然裂縫和鉆井誘發(fā)的裂縫，以及存在的爆裂情況）。成像儀可在油基或水基泥漿體系的鉆井環(huán)境下提供高分辨率井眼圖像和井徑測(cè)量數(shù)據(jù)。記錄從井壁反射的超聲波的振幅和行程時(shí)間。這些測(cè)量數(shù)據(jù)被記錄在井眼圓周周圍的128個(gè)方位扇區(qū)中，鉆進(jìn)時(shí)即可提供360°環(huán)繞井眼圓周的高分辨率測(cè)井圖像。
圖3
隨鉆測(cè)井套件還包括一個(gè)實(shí)時(shí)遙測(cè)系統(tǒng)、一個(gè)MWD（measurement while drilling隨鉆測(cè)量）惡劣環(huán)境測(cè)井系統(tǒng)、一個(gè)方位伽馬射線傳感器、一個(gè)電阻率測(cè)量工具和一個(gè)聲波測(cè)井工具。LWD工具部署到井筒中，UltraWave成像儀獲取高分辨率振幅圖像，用于油藏評(píng)價(jià)。其他LWD工具收集伽馬射線，電阻率和聲波數(shù)據(jù)，所有這些組件及其功能都使得直接識(shí)別井筒惡劣環(huán)境中的裂縫和其他特征成為可能。
先進(jìn)的技術(shù)產(chǎn)生持久的效果。為了從儲(chǔ)層中獲取所有可能的碳?xì)浠衔铮\(yùn)營(yíng)商必須克服復(fù)雜井眼的幾何形狀，以完成非傳統(tǒng)、大位移水平井的鉆井任務(wù)。定向鉆井技術(shù)，如創(chuàng)新的Magnus RSS和RipTide鉆井?dāng)U眼器，伴隨著先進(jìn)的LWD技術(shù)的定向控制，可以提高整體的鉆井效率，降低建井成本。這些工具及服務(wù)使得運(yùn)營(yíng)商能在惡劣鉆井環(huán)境下讓井底鉆具及工具在井下鉆進(jìn)更長(zhǎng)的時(shí)間，降低鉆井成本，在井的整個(gè)生命周期內(nèi)提供持久的生產(chǎn)效果。
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