By Julio Loreto，Aly Bassiouny，Onochie Michael Okorie，Brad Zukiwsky / Weatherford為了從復雜的儲層中提取所有可能的碳氫化合物，先進的RSS和LWD技術提高了整體鉆井效率，并降低了鉆井壽命內的施工成本。
當尋找額外的油氣資源迫使運營商重新考慮傳統(tǒng)的鉆井理念時，非垂直井眼應運而生。為了達到這些額外的沉積物，操作員需要一種在特定方向鉆孔的方法。傳統(tǒng)上，定向鉆井從單一地面位置和已建立的垂直井眼進行作業(yè)，早期版本的定向鉆井部署了非旋轉彎曲接頭，以轉移鉆頭，將其對準地層中未開發(fā)的資源。非常規(guī)水平井市場很快成為了如何在現(xiàn)代市場中保持能源行業(yè)需求的問題的答案。
盡管常規(guī)定向鉆井變得很好，但它仍然缺乏鉆大位移井和實現(xiàn)儲層真正潛力所需的精度和可靠性。這些長而曲折的水平井通常需要曲折的軌跡來鉆穿復雜地層并與目標碳氫化合物接觸。為了應對這些新的壓力，Weatherford創(chuàng)新并開發(fā)了一種適合用途的工具，專門用于延長油氣田的使用壽命，并以更可靠的方式實現(xiàn)這一目標。
RSS將高性能鉆井與全方位控制相結合。Weatherford開發(fā)了Magnus® rotary-steerable system(RSS)，見圖1。RSS采用推式鉆頭設計，將可靠、高性能的鉆井與精確的定向控制相結合，使操作員能夠延長每次鉆井的性能，從而提供更快的鉆井、更好的井筒和高質量的測量。
圖1 三個獨立的襯墊積極管理整個井眼的方向，優(yōu)化井眼軌跡，提高井眼質量。
Magnus RSS的堅固設計使其能夠長時間留在井筒中，并盡可能降低成本。通常大多數(shù)鉆井作業(yè)可以在一次進尺中進行。RSS采用流線型設計，具有最小的井底鉆具組合(BHA)穩(wěn)定性、全旋轉偏置裝置和優(yōu)化的垃圾槽面積，以降低昂貴的卡鉆事件風險。泥漿驅動墊中的金屬對金屬槍式密封件增強了高壓惡劣鉆井環(huán)境中的機械完整性，并提高了整體系統(tǒng)穩(wěn)定性。
三個獨立的襯墊和閥提供比例控制，使襯墊能夠完全縮回，用于緊孔應用、鉸孔或水泥/靴形鉆井。三個襯墊在整個鉆井過程中主動管理鉆頭的方向，并且僅在需要時激活以保持井軌跡。這種選擇性的襯墊激活能夠實現(xiàn)比例轉向，并通過消除不必要的襯墊激活來顯著改善井眼質量。這種獨立性在襯墊或閥門發(fā)生故障時用作冗余系統(tǒng)，以提高可靠性。
Magnus RSS可以使用標準鉆頭設計，使任何操作員都可以在任何地方避免長的交付周期，并減少對額外庫存的需求。RSS中的比例控制系統(tǒng)可進行有效的鉆井調整，以最大程度地減少彎曲，提供一個平滑、高質量的井眼，從而降低未來鉆井作業(yè)的成本。此外，RSS具有高達10°/100 ft的高折線能力，可以構建曲線段，消除校正運行，并更快地接觸產(chǎn)層。電子控制系統(tǒng)以快速速度對數(shù)據(jù)進行采樣，以確認刀面方向并提供完全控制。
由先進的LWD工具提供的準確、實時信息有助于利用實時近位數(shù)據(jù)指導RSS，從而提高整體生產(chǎn)率。在鉆頭后方僅6英尺處進行的連續(xù)方位伽馬射線和傾角測量，可使有效的井眼布置和地質導向變化保持在目標區(qū)域內。創(chuàng)新的電子系統(tǒng)和自動駕駛功能，包括自動調節(jié)調節(jié)能力，為鉆井過程中的航向修正提供閉環(huán)控制。實時雙向通信系統(tǒng)在不中斷鉆井的情況下運行，向RSS發(fā)送控制信號，然后驗證信息，以便轉向調整立即生效。
為了準備安裝應急襯管和套管或完井設備的井眼，操作員需要對井眼進行擴孔。最佳情況下，為了降低成本，鉸孔和定向鉆應同時進行。為了滿足操作員在鉆井過程中擴孔的需求，Weatherford工程師開發(fā)了RipTide鉆井鉸刀。RipTide擴孔器通常與RSS配合使用，在一次行程中鉆出一個光滑、同心的欠鉆孔至TD，如圖2所示。鉆孔鉸刀將鉆孔擴大至鉆頭直徑以上44%，并提供高質量的完井準備鉆孔。
圖2 RipTide鉆井擴眼器是一種同心質量平衡鉆下擴眼器，能夠在套管限制下擴大鉆孔。當與RSS或旋轉BHA一起使用時，多功能鉸刀可以同時鉆孔和放大。
Riptide鉸刀采用質量平衡的三刀塊布置，與RSS一起工作，以最大限度地減少鉆井時的振動，可通過多種方法激活：機械落球系統(tǒng)、壓力循環(huán)激活或電子射頻識別(RFID)標簽。RFID系統(tǒng)在提供無限井下激活周期、全通孔內徑方面處于行業(yè)領先地位，并使操作員能夠在鉆井組件中放置多個鉸刀。
案例研究
墨西哥近海。RFID系統(tǒng)被證明是墨西哥成功運營的關鍵組件。在海上油田，操作員需要從套管鞋上鉆取并擴大2657英尺厚的鹽穹。使操作更成問題的是該領域典型的頻繁卡管問題，尤其是孔徑為12¼英寸至14¾英寸的情況。在之前的偏置運行中，操作員需要兩次操作才能獲得預期結果。
工程師建議將RipTide鉸刀納入鉆井組件并部署到井筒中。使用RFID追蹤器，在套管鞋下方激活鉆井鉸刀，并擴大鹽丘層段。放大完成后，通過RFID追蹤器停用了擴孔器。這使得操作員能夠在常規(guī)鉆井至目標深度時關閉井段，而無需額外的起下鉆。
通過選擇RFID鉸刀的無限制的、按需激活和停用功能，操作員優(yōu)化了井下時間，減少了鹽地層的暴露時間。這項工作在一次運行中完成，節(jié)省了四天的鉆井時間和大約68萬美元(假設每日成本為17萬美元)。
墨西哥。在另一項墨西哥申請中，一名操作員要求在鹽丘中鉆一個新的鉆孔，鉆井液中含有2.19 gr/cc (18.3ppg)的重油基泥漿。鉆井液中固體含量高(超過40%)，盡管經(jīng)常出現(xiàn)乳化液不穩(wěn)定問題，但主要設計用于在鹽層中鉆井。操作員通常會遇到與鹽地層中高濃度的固體卡套管以及高鉆井扭矩和扭轉振動相關的工具故障。最好的行動方案是使用帶有電池的RSS電源以克服之前與高固體含量相關的故障。此外，多功能鉆井鉸刀不僅可以擴大鹽層并降低卡管風險，而且在鉆完鹽層后可以停用，以最大化鉆速(ROP)。
RSS滿足了這項工作的要求，特別是具有靈活的電源能力，使工具能夠僅使用電池電源來操作，以增強工具內部的流動，而不會受到渦輪螺旋槳的限制，這通常是由于偏移井中的固體而導致過早故障的原因。此外，RSS可設置為“轉向關閉”模式，使操作員能夠鉆過高振動區(qū)域，同時最大限度地減少刀具磨損并提高鉆孔質量。這次行動成功的一個關鍵因素是Centro™ 鉆井施工優(yōu)化平臺，實時收集所有鉆井數(shù)據(jù)，并由位于實時操作中心的工程師監(jiān)控和優(yōu)化鉆井參數(shù)。
Weatherford加速完成了這一部分，節(jié)省了四天時間，節(jié)省了大約165000美元。RSS有效地克服了與橫向振動和高泥漿固含量相關的所有挑戰(zhàn)，這些問題導致其他RSS工具上的渦輪葉輪堵塞。RipTide擴孔器以67.68英尺/小時的鉆速擴大了剖面，比預期高126%。鹽段的擴大防止了所有卡管事件，這些挑戰(zhàn)使運營商在之前的油井上損失了數(shù)十萬美元的時間。
土耳其。對于土耳其的一家運營商來說，挑戰(zhàn)集中在測井上。由于石灰?guī)r地層中的鉆孔條件，常規(guī)電纜工具無法記錄9255英尺至10541英尺的垂直剖面。因此，操作員無法獲得高分辨率鉆孔圖像數(shù)據(jù)，以識別填充14.84 ppg (1.78 g/cc) 油基泥漿的井中的裂縫。
Weatherford工程師推薦了一套由UltraWave®超聲波成像儀固定的LWD工具，見圖3。成像儀在石油或水基泥漿系統(tǒng)中鉆井時提供高分辨率鉆孔圖像和井徑測量。它記錄了從井壁反射的超聲波的振幅和傳播時間。這些測量值記錄在鉆孔周圍的128個方位角扇區(qū)中，在鉆孔時提供高分辨率的360°鉆孔圖像。
圖3 振幅和行程時間圖像的兩個井段顯示了天然裂縫和鉆井引起的裂縫以及存在的破裂。
測井套件還包括實時遙測系統(tǒng)、MWD惡劣環(huán)境測井系統(tǒng)、方位伽馬射線傳感器、電阻率工具和聲波工具。LWD工具被部署到井筒中，UltraWave成像儀采集了用于儲層和評價的高分辨率振幅圖像。其他隨鉆測井工具收集了伽馬射線、電阻率和聲波數(shù)據(jù)，所有這些數(shù)據(jù)都使得直接識別井眼惡劣環(huán)境中的裂縫和其他特征成為可能。
先進的技術能產(chǎn)生持久的效果。為了從儲層中提取所有可能的油氣資產(chǎn)，操作員必須克服復雜的井幾何結構，以鉆大范圍、非常規(guī)水平井。由先進LWD技術指導的創(chuàng)新Magnus RSS和RipTide鉆井鉸刀等定向鉆井技術可以提高整體鉆井效率，降低鉆井成本。這些工具和服務使操作員能夠在更惡劣的作業(yè)環(huán)境中在井下停留更長時間，并在油井的使用壽命內提供長期的生產(chǎn)成果。
