井下作業(yè)創(chuàng)新給標準技術(shù)帶來了新的轉(zhuǎn)變。油井作業(yè)施工在一定程度上保持不變，必要時，工程師要探尋提高與改進現(xiàn)有技術(shù)，因為這有助于降低鉆探成本并減少鉆井過程中的風險。從開鉆到實現(xiàn)增產(chǎn)，許多能源公司正在考慮開發(fā)整個鉆井周期工具，因為這些工具對油井作業(yè)施工過程具有更深遠的意義。
旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)
提高鉆井效率
對任何水平井來說，曲線確立后產(chǎn)油氣帶開始形成，便可成功得到高效的井眼曲率(DLS)以提高單口井的成效。高造斜率的限制包括不斷增加的摩擦、工具的混合及常規(guī)鉆井鉆具組合的成本壓力。當通過旋轉(zhuǎn)這些含油層高的剖面時，常規(guī)鉆井鉆具組合BHAs要經(jīng)歷巨大的彎曲，隨著速度的增加，其疲勞壽命也在成倍縮減，甚至會把BHAs的疲勞壽命減少到幾小時內(nèi)。如果沒有一個建模與測定疲勞壽命的方法，BHA組件將可能發(fā)生嚴重失效及扭斷。
斯倫貝謝的PowerDrive Archer旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)(RSS)通過高全角變化率提供了鉆井剖面方法，這能夠使油藏曝光率達最大值，并增加油氣開采潛力，同時結(jié)合常規(guī)旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)優(yōu)勢與優(yōu)質(zhì)井筒，能夠大幅度提高鉆井效率。
2008年，該系統(tǒng)開始現(xiàn)場測試，其服務(wù)功能被證明是非常可靠穩(wěn)定的。鑒于此系統(tǒng)獨特的能力，對它進行全方位第二階段測試是必要的，這主要是確定使用底部鉆井組合(BHA)不會影響到PowerDrive Archer系統(tǒng)的效果，使旋轉(zhuǎn)鉆柱過程中的疲勞壽命得到恰當處理。
斯倫貝謝產(chǎn)品經(jīng)理Richard Hawkins表示，這是他們首次實現(xiàn)底部鉆井組合(BHA)高效運作，具有重要的意義。
PowerDrive Archer旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)(RSS)為每個相關(guān)部件提供了全程旋轉(zhuǎn)。Richard Hawkins說：“由于有整個PowerDrive RSS系統(tǒng)，面臨井筒旋轉(zhuǎn)可以使鉆柱每分鐘都保持最低轉(zhuǎn)數(shù)。這旋轉(zhuǎn)降低了阻力，提高了機械鉆速(ROP)，減少了壓差卡鉆，從而實現(xiàn)良好的井眼凈化和井眼調(diào)整。當水平鉆孔時，減少摩擦尤為重要，否則，將會延長鉆井時間。平滑、清潔的井筒使下套管很大程度上減少了問題的發(fā)生。”
對于優(yōu)化鉆井而言，確保鉆孔質(zhì)量是最基本的。這包括井眼凈化、扭曲和清除。平滑井筒用于裸眼完井，能夠減少鉆孔和鍵槽卡鉆問題的幾率。
在套管井完井方面，平滑井眼結(jié)合持續(xù)的井眼曲率(DLS)，與電機帶動的常規(guī)扭曲側(cè)轉(zhuǎn)相比，可以使完井裝備部署更容易。Hawkins說：“在Eagle Ford，我們已經(jīng)實現(xiàn)了井眼曲折率減少20%。”現(xiàn)在，斯倫貝謝已經(jīng)完成全面的有限元分析和有關(guān)PowerDrive Archer BHA所有組件的詳細應(yīng)變疲勞壽命研究，對此，Hawkins表示，斯倫貝謝使用了抗疲勞材料，可以預(yù)見底部鉆具組合組件疲勞壽命。一般，預(yù)測并跟蹤疲勞壽命是比較復(fù)雜的，斯倫貝謝的預(yù)制工具包提供了自動跟蹤疲勞工具，這降低了鉆井失效的風險。
此外，全程旋轉(zhuǎn)是服務(wù)的關(guān)鍵，這是通過先進的控制系統(tǒng)實現(xiàn)的，當面臨井筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)時，允許工具內(nèi)的電子組裝保持相對不變。Hawkins說：“實際上，我們測量外置鉆鋌的精準轉(zhuǎn)數(shù)(rpm)，然后使用一個控制系統(tǒng)使內(nèi)置閘閥保持在一個恒定的Toolface，我們通過閘閥轉(zhuǎn)移一小部分泥石流激活所需的 Toolface系統(tǒng)。”
在現(xiàn)場測試中，PowerDrive Archer無論從垂直還是其它任何傾斜度可以達到17 deg/100 ft。Hawkins說：“我們也精準測量了磁性前刃面，因此井眼軌跡可以在期望的方位角上啟動。”
該工具能夠鉆出套管鞋，成功獲得水泥塞，保持完全垂直擴眼，可以實現(xiàn)精準有效在方位上啟動，接著繼續(xù)鉆向井的任何需要鉆探的剖面。事實上，PowerDrive Archer是一個鉆井系統(tǒng)，其是將鉆頭與底部鉆井組合(BHA)合并。
混合工具提供最佳效果
高端旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)(RSS)系統(tǒng)在現(xiàn)場的應(yīng)用證明了其在減少鉆井時間及進入油藏方面具有很強的優(yōu)勢。
然而，對于常規(guī)定向鉆井使用泥漿馬達進行滑動常常需要作業(yè)者造斜水平井段，這些工具是可靠的，通過現(xiàn)場試驗表明，由于功能不全，導致造斜井眼曲率低。但是，這些附加的時間還是比由于卡鉆導致浪費時間更可取。
威德福國際公司已經(jīng)研發(fā)了MotarySteerable工具，在泥漿馬達、旋轉(zhuǎn)導向和MWD之間建起一架橋梁。此混合系統(tǒng)明顯優(yōu)于單獨一個馬達的作業(yè)方式，同時也比一個先進旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)(RSS)存在的風險更小。威德福國際公司新產(chǎn)品部經(jīng)理Chris Maranuk說：“在工具箱(toolbox)的低端是常規(guī)泥漿馬達工具和定向控制系統(tǒng)，高端部分包括常規(guī)旋轉(zhuǎn)導向工具。”“MotarySteerable實質(zhì)上是聯(lián)合MWD和泥漿馬達技術(shù)，形成一個低角度輔助工具。”
據(jù)Maranuk介紹，MWD、鉆井馬達和旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)(RSS)的結(jié)合是多個工程師構(gòu)思成的產(chǎn)品，最大的挑戰(zhàn)是克服每個鉆井產(chǎn)品之間的障礙，并屏除個人目標支持更大目標，成功實現(xiàn)MotarySteerable。
在傳統(tǒng)定向鉆井中，一個彎接頭用于定向鉆頭，然后通過鉆井馬達定向鉆孔。兩個旋轉(zhuǎn)源是有效的，一個被積極控制定向彎頭，另一個通過鉆井馬達經(jīng)由流體鉆孔。威德福的MotarySteerable工具采用指定速度鉆頭逆轉(zhuǎn)這種方式，直接控制鉆井馬達代替控制彎頭定向。彎頭隨著鉆柱持續(xù)旋轉(zhuǎn)，同時鉆井馬達作為彎頭定向的一個功能不斷發(fā)生變化，改變彎頭的機械鉆速。Maranuk說：“這與定位鉆井是相同的方式，定向鉆井馬達和鉆頭，除此之外就是每次在鉆柱方面的創(chuàng)新革命。”
MotarySteerable系統(tǒng)的主要特征是更換從指定鉆頭速度(TBS)到調(diào)整的能力，這不要鉆孔的斷開。“使用TBS的能力改變定向控制已成為 MotarySteerable這個特殊系統(tǒng)的關(guān)鍵要求。”Maranuk說。該系統(tǒng)已經(jīng)通過了測試，威德福仍在選擇不斷更新提高工具的功能。
Maranuk說：“更引人關(guān)注的能力之一是‘auto inc’特征，這允許用戶下載自己期望的傾斜，從而讓系統(tǒng)自動調(diào)整井下作業(yè)。該工具自動開啟時，傾斜偏離預(yù)訂限度，當不需要時，自動關(guān)閉。此工具通過一個變化的方式或開啟或關(guān)閉，這包括下行鏈路常規(guī)面啟動壓力脈沖或使用變化的旋轉(zhuǎn)序列。當然，提供從調(diào)整定向鉆柱到一個完整3- D定向旋轉(zhuǎn)鉆柱的變化能力的關(guān)鍵益處是作業(yè)者鉆井實踐的靈活性。”Maranuk說。
MotarySteerable系統(tǒng)充分利用兩個成熟的技術(shù)即泥漿馬達和MWD創(chuàng)造出一個更可靠穩(wěn)定的系統(tǒng)。在系統(tǒng)無法獲得所需的造斜的鉆井環(huán)境中，一旦停止，然后使用常規(guī)定位鉆井技術(shù)定位和調(diào)整，這樣就提供了一個低風險的技術(shù)。人們一直期望比使用傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)導向工具的成本更低的工具出現(xiàn)。與傳統(tǒng)定向鉆井技術(shù)結(jié)合具有優(yōu)勢的關(guān)鍵是當連續(xù)旋轉(zhuǎn)時，該系統(tǒng)能夠提供完整3-D定向控制能力。
“在美國，并不是所有的鉆井作業(yè)者都需要高彎曲旋轉(zhuǎn)導向工具及聯(lián)合體LWD鉆井并評估他們的油井。”Maranuk說，“我們看到了這種服務(wù)的需求，幫助那些客戶，他們不需要太多的系統(tǒng)性能，只需要比較經(jīng)濟可行的解決方案。”
分支井眼越長
分段壓裂越多
當鉆井作業(yè)結(jié)束時，完井作業(yè)開始生效。近年來，壓裂技術(shù)已經(jīng)取得了較大的進步。據(jù)悉，貝克休斯在北美Williston盆地最近完成了40級分段壓裂作業(yè)，創(chuàng)造了新的記錄，該盆地以超長分支井而聞名，其中一些超過了9000英尺(2743米)。
通常，貝克休斯的FracPoint完井在美國是19級分段壓裂，這在2006年僅是5級分段壓裂。“我們預(yù)計年底這個數(shù)字達到30級。”貝克休斯產(chǎn)品線副總裁Matthew Kebodeaux說。貝克休斯的最新成果是FracPoint EX-C系統(tǒng)。作業(yè)者完成堵塞和PERF作業(yè)獲得他們期望的壓裂級數(shù)現(xiàn)在已經(jīng)轉(zhuǎn)換為裸眼多層壓裂，其是經(jīng)濟又高效的，因為它節(jié)約了更多的鉆井時間。
“ 盡管每個頁巖層不同，但在行業(yè)內(nèi)已逐漸形成共識，壓裂層越多相當于生產(chǎn)越大，因此我們的客戶不斷要求增加每口井的壓裂層數(shù)，縮短壓裂分布間隔，提高壓裂效率，增加每口井的生產(chǎn)。”Kebodeaux說。
貝克休斯最新的FracPoint EX-C通過與1/16-in 增量單流閥連續(xù)泵送作業(yè)相連，提供達40級分段壓裂。同時，該系統(tǒng)不僅增加有效的壓裂層數(shù)，也能夠允許較大的單流閥用于井作業(yè)，這并不需要完整40級壓裂系統(tǒng)，只要求在壓裂過程中增加泵量，在生產(chǎn)過程中減少壓力損失。
FracPoint EX-C系統(tǒng)聯(lián)合體專利特點在于包括雙管閥座和可折球閥座。前者有兩個平行孔，當部署小尺寸球閥座時，這允許在單一球閥座上增加流量，而后者允許閥座接觸面改變試驗球，依次增加閥座的負載，允許系統(tǒng)滿足所要求的壓力定值。
采用40-stage FracPoint EX-C完成首個完井作業(yè)非常順利。貝克休斯正著手對該系統(tǒng)進行改進，使用它的IN-tallic Frac Balls和控制電位電解材料技術(shù)，此材料在鹽鹵水和酸中分裂時，提供較高強度的工程材料。
貝克休斯期望FracPoint EX-C技術(shù)應(yīng)用于高質(zhì)量裸眼多級完井的盆地。隨著石油天然氣行業(yè)趨向多分支井，在較短的時間內(nèi)提供更多的分段壓裂已經(jīng)成為如貝克休斯等石油服務(wù)公司的目標。“ 這些初始40分段FracPoint作業(yè)節(jié)約了較多的時間，而更關(guān)鍵的是為客戶提供了真正的價值即通過增加分支井和提高壓裂效率，減少井之間的間隔。”Kebodeaux說。
超越現(xiàn)狀
據(jù)Packers Plus公司總裁Dan Themig介紹，2001年，Packers Plus已開始裸眼壓裂，業(yè)內(nèi)人士認為，5~8級壓裂措施能夠有效排放一口1000米(4000英尺)的水平井。該公司的StackFRAC HD采用了創(chuàng)新的方式，挑戰(zhàn)油氣產(chǎn)業(yè)現(xiàn)在發(fā)展所需的如何有效排放致密油氣資源。油氣產(chǎn)業(yè)很快應(yīng)用此技術(shù)轉(zhuǎn)向每口井20級壓裂措施，但Packers Plus HD系統(tǒng)包括其最新推出的QuickFRAC系統(tǒng)現(xiàn)在已達到30~60 fracs，這在4年前還是未知的。“我們相信這將是頁巖氣和石油勘探開發(fā)的未來。”Themig說。
該技術(shù)也適用于常規(guī)油氣層開發(fā)，據(jù)記載，其已成為從640 Acres到10 Acres的鉆井“downspacing”模式，StackFRAC HD允許10 Acre的排放模式，這大大提高了鉆井效益，同時也減少了水的使用和環(huán)境污染。
與常規(guī)注水泥套管完井不同，StackFRAC HD系統(tǒng)的天然裂縫插塞旨在恢復(fù)地層與壓裂的連接它的設(shè)計適用于裸眼水平井的增產(chǎn)。這使巖石產(chǎn)生天然裂縫和誘導裂縫。“兩種生產(chǎn)方式的對比表明，裸眼完井 (StackFRAC)優(yōu)于注水泥完井25%~70%，不僅僅是表現(xiàn)在初始的生產(chǎn)中，而應(yīng)該是提高了最終的采收率。”Themig說。
在注水泥完井中，裂縫被迫形成于射孔，而不是允許它們由巖體的自然弱化引起。因此，它使裂縫形成與分布在同一點，大大減少了彎曲。此外，在沒有后置液注入時， StackFRAC HD要求支撐劑準確位移。“我們正在經(jīng)歷一個巨大的變化，裸眼壓裂取得了更好的資源采收率，在很多情況下，它可以每段壓裂水使用率較少50%。” Themig進一步說。
StackFRAC HD也大大縮減刺激一口井所需的時間，取代使用電纜泵入橋塞和連續(xù)油管，這會使執(zhí)行壓裂用過多的時間。StackFRAC HD允許快速發(fā)射一個球及井下抽油，并且各個分段無縫壓裂。QuickFRAC采用地面單一壓裂措施壓裂多個隔離的段，節(jié)約了大量的時間。“我們使用 QuickFRAC技術(shù)見證了23個分段、不足10小時的抽油。”Themig說，“常規(guī)方法每天處理2~3個分段，需要7~10天的時間。”
從各個方面看，井下技術(shù)的新進展充滿更多的機會。通過觀察提高鉆井效益的新舊方法，石油天然氣產(chǎn)業(yè)將繼續(xù)期待現(xiàn)有的技術(shù)，提高勘探開發(fā)工藝，很好地應(yīng)用于世界石油和天然氣產(chǎn)區(qū)。
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