自上世紀(jì) 90 年代末以來，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)（RSS）已使鉆井技術(shù)實(shí)現(xiàn)了革命性突破，對(duì)定向鉆井能鉆多遠(yuǎn)（多長(zhǎng)的水平位移）給出了新的定義。大位移鉆井、分支井和深水鉆井已進(jìn)入新的高效能階段，井位布局更加密集，井眼軌跡更加接近，油層開發(fā)進(jìn)入到更高的凈增長(zhǎng)階段。然而，在目前普遍 6.5° /30m 造斜率的情況下，常常迫使油氣開發(fā)商因造斜率限制不得不改變計(jì)劃，更改設(shè)計(jì)以適應(yīng)受限的造斜率。
高造斜率旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)成功研發(fā)
頁巖鉆井的興起將旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)帶入一個(gè)更高水平的開發(fā)階段，在保持現(xiàn)有租賃價(jià)格的前提下，還要鉆出最長(zhǎng)的斜深，作為回應(yīng)這種需求，一種新的造斜率在 15° / 30m 的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)RSS 被研發(fā)成功。在一些井的鉆井作業(yè)中，新開發(fā)的 RSS 系統(tǒng)可一次下井鉆完垂直段、造斜段和水平段。新旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)（RSS）對(duì)筒體進(jìn)行了改進(jìn)，使其井壁接觸面更長(zhǎng)，其更短的三點(diǎn)幾何形體設(shè)計(jì)，能打出更短半徑或更高曲率的造斜井段。
石油公司在傳統(tǒng)定向作業(yè)的過程中已經(jīng)體會(huì)到了高造斜率的好處。在一些定向鉆井作業(yè)中，高造斜率鉆曲線段就意味著減少鉆井進(jìn)尺，避免某些復(fù)雜地層的定向作業(yè)，節(jié)省時(shí)間和成本。此外，高造斜率鉆井能力也意味著在地質(zhì)構(gòu)造或地層發(fā)生變化時(shí)也能取得更快的鉆井速度。
貝克休斯開發(fā)的 AutoTrakeXact 高造斜率旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)主要用于傳統(tǒng)的鉆井市場(chǎng)，在那些需要高造斜率同時(shí)還要采集 LWD 數(shù)據(jù)的區(qū)塊，一個(gè)高造斜率旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向與一個(gè)優(yōu)化的井底鉆具組合協(xié)同使用可讓石油公司打出造斜率達(dá) 12° / 30m 的曲線段。2014 年 9月，新 RSS 系統(tǒng)已在中東和北美多口井得到了應(yīng)用，包括在極軟和極疏松地層的鉆井作業(yè)中。貝克休斯的 AutoTrck eXact 在AutoTrck Curve 高 造 斜 率 旋 轉(zhuǎn) 導(dǎo)向的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)研發(fā)，是一種既能與LWD 兼容又能進(jìn)行地層評(píng)價(jià)（FE）的高造斜率旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)。
該系統(tǒng)研發(fā)過程遇到兩個(gè)挑戰(zhàn)，首先，要開發(fā)和整合一個(gè)超越 AutoTrck Curve 平臺(tái)，并能與 LWD/FE 設(shè)備通信的 RSS 導(dǎo)向裝置兼容。其次，由于設(shè)計(jì)和內(nèi)在物理特性因素，LWD/FE 設(shè)備通常能夠處理的狗腿度僅限于6.5° / 30m以內(nèi)。 此外，對(duì) AutoTrak Curve 的導(dǎo)向裝置進(jìn)行更深層次的研究與開發(fā)，使其能與貝克休斯各類 LWD/FE 產(chǎn)品完全兼容，研發(fā)包括通信系統(tǒng)的適應(yīng)性以及大范圍的平臺(tái)集成與測(cè)試。為了解決 LWD/FE 與更高狗腿度相互兼容問題，對(duì)各種井底鉆具組合進(jìn)行廣泛的有限元分析，得出一個(gè)經(jīng)優(yōu)化可用于更高造斜率和狗腿度的標(biāo)準(zhǔn)井底鉆具組合方案。
新 RSS 系統(tǒng)機(jī)械鉆速快造斜性能高
2014 年年末，新設(shè)計(jì)的 RSS 系統(tǒng)在中東進(jìn)行了一次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，這次試驗(yàn)的挑戰(zhàn)是驗(yàn)證從垂直井段向預(yù)定方向的造斜能力，打出一個(gè)連續(xù)一致的 7° / 30m 以上的造斜率曲線，直到井眼著陸在水平起始點(diǎn)。由于造斜段要穿過多個(gè)不同地層，包括一些非常軟的地層，要實(shí)現(xiàn)希望的造斜率是非常困難的。在過去，需采用限制機(jī)械鉆速的方法來達(dá)到希望的造斜率，而新系統(tǒng)擺脫了這種困擾，為每口井節(jié)省了兩天時(shí)間。
鉆開水泥塞是這次試驗(yàn)的目標(biāo)，向西開窗，保持一個(gè) 3°的切線段，用來安置一個(gè)電潛泵（ESP）系統(tǒng)，接著開始打造斜段，保持 7° / 30m 以上的造斜率，同時(shí)以平均機(jī)械鉆速 10.67m/hr 以上的速度造斜鉆進(jìn)。由于在使用RSS 時(shí)加入了扶正器，石油公司還能獲得一個(gè)縮短地層評(píng)價(jià)工具距離的好處，通過去除井底鉆具組合中額外的轉(zhuǎn)換短節(jié)，測(cè)量傳感器與 FE 傳感器也可移到距鉆頭更近的位置。所有的目標(biāo)都成功實(shí)現(xiàn)，工具按設(shè)計(jì)方位精確地保持3°的切線段，讓電潛泵設(shè)定在一個(gè)順暢或不受阻礙的套管段。除此之外，工具還保持了要求的 10.67m/hr. 的機(jī)械鉆速，一些地層的鉆進(jìn)甚至超過了這個(gè)機(jī)械鉆速，并在一些挑戰(zhàn)性地層保持了8° / 30m 以上的造斜率。
在其它一些地層，觀察到造斜率在10° / 30m 以上，有時(shí)要求減小施加在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具上的力矩，以避免出現(xiàn)超出設(shè)計(jì)的狗腿度，在使用貝克休斯旁路促動(dòng)器（Bypass Actuator system）鉆進(jìn)時(shí)調(diào)整了這個(gè)力矩的變化，因此不需要停下來調(diào)整工具的參數(shù)。提高造斜率會(huì)讓石油公司設(shè)計(jì)更短的造斜段和更長(zhǎng)的儲(chǔ)層暴露段， 預(yù)計(jì)會(huì)節(jié)省3天時(shí)間，包括一次預(yù)計(jì)的起下鉆，相當(dāng)于節(jié)省約12 萬美元的成本。另外，一個(gè)圓滑順暢的井筒也會(huì)帶來順利的起下鉆和下套管作業(yè)。
新 RSS 系統(tǒng)可精確穿過松軟地層
中東一家石油公司面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是要在一個(gè)極軟的疏松砂巖地層進(jìn)行鉆井作業(yè)。地質(zhì)要求的目標(biāo)井眼軌跡非常精確，會(huì)鉆遇不確定和潛在的斷層構(gòu)造。該公司的目標(biāo)是盡可能快速在一個(gè)很短的井段開窗造斜，且只允許井眼軌跡上下偏差為 0.9m 和 0.6m，向左或向右打出一個(gè) 10m 的造斜井段。石油公司還想用同樣的工具一次下井進(jìn)行裸眼側(cè)鉆，鉆出最大儲(chǔ)層接觸面的井眼軌跡。
這些井使用了新的 RSS 系統(tǒng)，并根據(jù)鉆井的設(shè)計(jì)對(duì)鉆頭和井底鉆具組合進(jìn)行了詳細(xì)分析和優(yōu)化。約 1,100m的水平段以兩次計(jì)劃的水平鉆進(jìn)完成鉆井作業(yè)，從地質(zhì)角度上看兩次定向水平鉆進(jìn)實(shí)現(xiàn)了 100% 的軌跡控制，精確地穿過目標(biāo)儲(chǔ)層，并保持井眼軌跡符合設(shè)計(jì)要求。 兩個(gè)井段鉆進(jìn)， 包括側(cè)鉆井段，鉆井時(shí)間少于 19 小時(shí)。裸眼側(cè)鉆期間沒有進(jìn)行起下鉆，僅用 50 分鐘就完成了。鉆遇極松軟的地層，RSS 增強(qiáng)的導(dǎo)向能力和優(yōu)化的軌跡控制能力都能得到充分驗(yàn)證。
之前該油田同樣的兩個(gè)井段需要兩天才能鉆完，常規(guī)的 RSS 在這樣一個(gè)地層已經(jīng)歷過類似的挑戰(zhàn)，就是以設(shè)計(jì)軌跡命中目標(biāo)油層。在貝克休斯鉆頭的協(xié)力下，新 RSS 系統(tǒng)能夠打出機(jī)械鉆速 244m/hr 的驕人成績(jī)。當(dāng)然，以這樣的機(jī)械鉆速鉆進(jìn)和短距離開窗造斜是有挑戰(zhàn)的，由于貝克休斯的 AutoTrak采用了閉環(huán)控制系統(tǒng)，這使得戰(zhàn)勝上述挑戰(zhàn)成為可能。除新設(shè)計(jì)的筒體和增強(qiáng)的導(dǎo)向力矩使新 RSS 系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性和連續(xù)的定向控制能力外，還創(chuàng)下了油田新的鉆井紀(jì)錄，改變了RSS 在這樣具有挑戰(zhàn)的環(huán)境下的鉆井能力及效率。
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