王植銳, 王俊良
(1重慶科技學(xué)院 2斯倫貝謝公司沙特阿拉伯達蘭基地)
國外從20世紀(jì)80年代末期開始進行旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的研發(fā),20世紀(jì)90年代進入商業(yè)化使用,并逐漸改進、升級、完善。目前,以斯倫貝謝、貝克GE、哈里伯頓、威德福為代表的石油技術(shù)服務(wù)公司分別擁有自己先進的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)序列,大規(guī)模應(yīng)用在油田技術(shù)服務(wù)中,已經(jīng)成為了一種主要的定向井、水平井鉆井工具。國內(nèi)一些研究機構(gòu)和技術(shù)服務(wù)公司也在同期開始了自主研發(fā),取得了一些技術(shù)上的突破,但與國外服務(wù)公司水平相比,還存在著較大的差距。通過調(diào)研,尚未發(fā)現(xiàn)有文章全面系統(tǒng)介紹國外旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)。斯倫貝謝公司的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)占據(jù)了大部分的服務(wù)市場,具有一定的代表性,因此本文主要以斯倫貝謝公司的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)為例介紹國外旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、研發(fā)機制,力爭能夠有所借鑒,有利于國內(nèi)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的不斷改進、升級、完善,以期盡快大規(guī)模地投入商業(yè)化應(yīng)用。
斯倫貝謝的推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)由最開初的PowerDrive Xtra,升級到PowerDrive X5、PowerDrive X6,目前升級到PowerDrive Orbit。PowerDrive Orbit系統(tǒng)主要由偏置短節(jié)和電子控制短節(jié)構(gòu)成,結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 PowerDrive Orbit結(jié)構(gòu)示意圖
1.1 工作原理
電子控制短節(jié)是 PowerDrive Orbit的指揮中樞,它內(nèi)部有鉆井液驅(qū)動的發(fā)電機,還有陀螺、鉆柱轉(zhuǎn)速傳感器、流量變化傳感器、震動傳感器、溫度傳感器以及電池控制的時鐘等等,它可以獨立于外面的鉆鋌而旋轉(zhuǎn)或者靜止不轉(zhuǎn)。當(dāng)PowerDrive Orbit接收到地面定向井工程師的指令后,電子控制短節(jié)按照地面工程師的要求把其內(nèi)部的電子控制部分固定在某一個高邊工具面上,從而實現(xiàn)無論鉆柱如何旋轉(zhuǎn),控制單元內(nèi)部的控制軸始終對準(zhǔn)在需要的方位上。如果需要調(diào)整這個控制軸的方位角,可以由地面工程師給PowerDrive Orbit發(fā)送需要的指令,從而達到控制軌跡的目的。 具體的工作原理見參考文獻[1]。
1.2 工具特點
推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)在斯倫貝謝的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向家族中,造斜能力是相對較弱的。其狗腿嚴(yán)重度通常在(0~3°)/30 m范圍內(nèi),少部分地層可以達到(4°~5°)/30 m的造斜能力,但是需要選擇造斜能力強的鉆頭和簡單的鉆具組合才能實現(xiàn)(4°~5°)/30 m的造斜能力,因為側(cè)向切削和井下鉆具的不均勻轉(zhuǎn)動引起的振動對PowerDrive Orbit的造斜能力影響很大。PowerDrive Orbit系統(tǒng)應(yīng)用過程中全部部件全程旋轉(zhuǎn),能提供近鉆頭實時井斜和方位,提供近鉆頭伽馬、方位伽馬、近鉆頭伽馬成像等參數(shù)及曲線,便于精確控制井眼軌跡,判斷巖性及地層走向,實現(xiàn)在薄油層導(dǎo)向鉆進。這種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具適合在不需要大狗腿角的水平段使用,工具耐高溫150℃。目前,通過不斷改進,用改變泥漿泵的排量和改變頂驅(qū)轉(zhuǎn)速來發(fā)送指令,這極大地提高了發(fā)送指令的成功率,解決了部分鉆機設(shè)備缺陷及超深井和大位移井面臨發(fā)送指令難的問題,提高了PowerDrive Orbit的應(yīng)用范圍和鉆井效率。
指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)—PowerDrive Xceed由發(fā)電總成(CRSPA)、電子元器件總成(CRSEM)、導(dǎo)向控制總成(CRSSA)組成,結(jié)構(gòu)見圖2。
圖2 PowerDrive Xceed結(jié)構(gòu)示意圖
2.1 工作原理
指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)不是通過滑動扶正器或外在調(diào)節(jié)機理來實現(xiàn)鉆頭指向式導(dǎo)向,而是由一個內(nèi)部伺服馬達對鉆頭驅(qū)動軸的工具面進行連續(xù)地控制而實現(xiàn)指向式導(dǎo)向鉆進。這樣就可以實現(xiàn)在多種復(fù)雜井下工況條件下進行高質(zhì)量的導(dǎo)向控制,同時使得工具本體的磨損最小化,從而降低工程費用。定向井工程師通過改變泥漿泵的排量,向井下的PowerDrive Xceed發(fā)出所需的工具面和造斜速率的指令,來實現(xiàn)對井斜和方位的有效控制。該指令擁有高達256種不同的組合。PowerDrive Xceed 工作原理如圖3所示。
圖3 PowerDrive Xceed 工作原理示意圖
2.2 PowerDrive Xceed 工具特點
PowerDrive Xceed 是鉆頭指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng),可實現(xiàn)在鉆具轉(zhuǎn)動時的全方位導(dǎo)向鉆進,也可以放置于PowerPak螺桿鉆具之下,共同組成附加動力旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)(VorteX Xceed)。指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)Xceed具有近鉆頭的井斜方位測量,暫時沒有近鉆頭伽馬測量。其獨特的指向式定向方式和固定的鉆頭軸向夾角使指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)在保留了推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)所具有的優(yōu)勢之外,還提供了更高的造斜能力,其造斜能力可以達到(5°~8°)/30 m。這種中等強度造斜能力使得在一些高狗腿的三維定向井、水平井中能較好地發(fā)揮旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的優(yōu)勢。工具耐高溫150℃,最大允許轉(zhuǎn)速350 r/min,最大允許堵漏液濃度為142.6 kg/m3,該工具目前只能通過改變泥漿泵的排量來發(fā)送指令,但可以通過MWD接收指令并轉(zhuǎn)發(fā)給Xceed,因為MWD具有更加靈敏、范圍更大的排量識別,對于超深井和大位移井的指令接收很有幫助。
PowerDrive Archer是斯倫貝謝開發(fā)的一種具有高造斜能力的混合式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng),最大狗腿嚴(yán)重度可以達到(15°~17°)/30 m。
3.1 工作原理
PowerDrive Archer系統(tǒng)主要由導(dǎo)向組塊和控制組塊組成。控制組塊與PowerDrive X6型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本相同,其上部旋轉(zhuǎn)控制閥保持不動,鉆井液通過推動內(nèi)部推靠塊,4個推靠塊推動導(dǎo)向扶正套內(nèi)壁使鉆頭發(fā)生軸向偏移,以萬向聯(lián)軸節(jié)為支點,可以實現(xiàn)360°的自由指向。與 PowerDrive X6(以下簡稱X6)系統(tǒng)不同的是伸縮翼置于工具內(nèi)部,而非推靠井壁。此外,驅(qū)動頭在調(diào)節(jié)環(huán)的控制下可實現(xiàn)類似彎角馬達的本體偏移量,有0.6°、0.7°、0.8°、0.9°和1.0°五個彎角度供選擇、調(diào)節(jié),具有泥漿馬達彎角導(dǎo)向和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的復(fù)合功能。原理如圖4。
3.2 工具特性
PowerDrive Archer主要優(yōu)點是可以實現(xiàn)高造斜率要求,通過 “推靠式”和“指向式”的優(yōu)點結(jié)合,PowerDrive Archer系統(tǒng)可以達到高達(15°~17°)/30 m的造斜率,工具耐高溫150℃。此外,基于PowerDrive X6系統(tǒng)精確控制單元的使用,可在鉆井過程中有更大的排量選擇范圍。該系統(tǒng)保持了斯倫貝謝工具一貫的全旋轉(zhuǎn)特性,同時,具有用改變排量和頂驅(qū)轉(zhuǎn)速兩種方法發(fā)送指令的功能。
圖4 PowerDrive Archer 工作原理示意圖
附加動力旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)PowerDrive VorteX是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)與大功率螺桿鉆具和通訊短節(jié)CLINK組合在一起的的復(fù)合體。即在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)和MWD之間,增加一根大功率螺桿鉆具和一根通訊短節(jié)CLINK,這樣,鉆頭就獲得了來自頂驅(qū)轉(zhuǎn)速和螺桿鉆具轉(zhuǎn)速疊加的高轉(zhuǎn)速,通訊短節(jié)把旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)測得的參數(shù)和曲線傳遞給MWD,MWD把獲得的數(shù)據(jù)傳遞到地面計算機。這樣,不但可以獲得因鉆頭轉(zhuǎn)速增高帶來機械鉆速提高,還解決了實時獲得旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)近鉆頭數(shù)據(jù)的通訊問題。
目前斯倫貝謝PowerDrive VorteX主要包括Vortex PV[3]、VorteX Orbit、VorteX Xceed和VorteX Archer。
典型的PowerDrive VorteX鉆具組合為:MWD+大功率螺桿鉆具+ CLINK短節(jié)+ PowerDrive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)+鉆頭。
VorteX 系統(tǒng)主要原理均為通過附加大功率螺桿鉆具使鉆頭獲得高轉(zhuǎn)速,減少頂驅(qū)負(fù)荷;在研磨性地層,減少鉆具與地層、BHA與地層之間的磨損。由于鉆頭轉(zhuǎn)速大幅提高,從而提高機械鉆速,減少鉆具、BHA和套管磨損,提高綜合經(jīng)濟效益。
自旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)在上世紀(jì)90年代進入商業(yè)化應(yīng)用以來,應(yīng)用范圍逐步擴大,市場占有率越來越高,由于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)具有安全、高效鉆井的特點,綜合經(jīng)濟效益突出等優(yōu)點,目前幾乎大部分井的斜井段和水平段都用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)鉆進完成。以某國Fayetteville油田在2007年至2011年使用斯倫貝謝的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)鉆探情況為例,鉆井周期、水平段長度、單井成本、產(chǎn)量、儲量統(tǒng)計曲線圖如圖5。
圖5 鉆井周期、水平段長度、單井成本、產(chǎn)量、儲量統(tǒng)計圖
在全部使用斯倫貝謝的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)鉆進情況下,水平段的平均長度從2007年的810 m,到2011年增加到1 509 m,增幅達86%;鉆井周期從2007年的17 d,下降到2011年的8 d,降幅達53%;單井鉆井成本基本維持在2.9×106美元左右,保持不變;年產(chǎn)量從2007年的151.4×107m3, 至2010年增至990.1×107m3,增幅達554%;儲量從2007年的2 026×107m3,至2010年增至12 296×107m3,增幅達到507%。由此可見,使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)后,在保持一定單井鉆井成本的情況下,水平段長度大幅增加,鉆井周期大幅縮短,產(chǎn)量和儲量均成倍增長,經(jīng)濟效益十分明顯。
2.1 在研磨性極強的砂巖儲層中應(yīng)用Vortex
針對四川某構(gòu)造研磨性砂巖儲層,使用 VorteX X6技術(shù)[2],使用結(jié)果統(tǒng)計見圖6。從圖6左側(cè)曲線看出,機械鉆速比使用螺桿鉆具的鉆速提高75%~38%;在另一碳酸鹽堅硬儲層(圖6右側(cè)),機械鉆速提高119%。
2.2 VorteX 技術(shù)在頁巖氣井鉆探中的應(yīng)用
統(tǒng)計了某構(gòu)造兩口頁巖氣井,水平段長均為1 000 m,分別使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)和VorteX系統(tǒng)鉆進對比的情況,圖7為統(tǒng)計結(jié)果,圖中的伽馬曲線表明2口井的地層巖性幾乎相同,但使用Vortex Orbit鉆進機械鉆速平均達到15 m/h,比使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向Orbit的機械鉆速提高50%。平均日進尺250 m,4 d時間完成水平段鉆進,綜合經(jīng)濟效益明顯。
圖6 VorteX 技術(shù)在研磨性地層使用效果統(tǒng)計
圖7 VorteX 技術(shù)在頁巖氣水平段使用效果統(tǒng)計圖
2.3 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用
在產(chǎn)油大國中東國家,旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)已經(jīng)得到了大規(guī)模的使用,幾乎成為了一項常規(guī)的定向井、水平井技術(shù),螺桿鉆具只是作為零星的補充。根據(jù)不同的需求組合使用不同的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng),在可鉆性較差的碳酸鹽巖層或頁巖層段的斜井段,根據(jù)地質(zhì)需求和工程特點,選擇PowerDrive Xceed 或者Archer鉆達儲層著陸點,然后再向前鉆進一定距離,起鉆換成PowerDrive Orbit鉆完余下的水平段。在可鉆性較好的地區(qū),用一套PowerDrive Xceed從造斜點開始造斜、增斜、著陸,直到完成整個水平段鉆進,一套鉆具組合、一個鉆頭、一趟鉆共計約4~5 d時間完成斜井段和水平井的鉆探,幾乎成為了所有井的套路。對于一些耗時較長的井,VorteX 技術(shù)也廣泛采用,機械鉆速大幅提高。
在國內(nèi)的川渝頁巖氣鉆探中,針對鉆井液密度高達2.1 g/cm3、 容易卡鉆、常規(guī)鉆井鉆速慢的特點, 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)PowerDrive Archer、Orbit和VorteX技術(shù)分別在斜井段和水平段使用,機械鉆速大幅提高,鉆井周期從開初使用螺桿鉆具鉆進的40多天以上,使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)后降低到了20 d以內(nèi),個別井降到了15 d以內(nèi)。個別井創(chuàng)造了多項頁巖氣水平井紀(jì)錄。技術(shù)經(jīng)濟效益突出,顯示了良好的應(yīng)用前景,帶來了目前規(guī)?;厥褂眯D(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)。
國內(nèi)開展旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)的研究工作起步于20世紀(jì)90年代中期,多家研究機構(gòu)和大學(xué)都涉及了這一技術(shù)的研發(fā)。進入21世紀(jì),在國家“863”項目的支持下,由中國石化集團公司勝利石油管理局鉆井院、中國海洋石油總公司等科研單位和相關(guān)大專院校分別對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)進行了系統(tǒng)的研究攻關(guān),并在關(guān)鍵技術(shù)方面取得了突破,先后分別研制出了樣機,在現(xiàn)場試驗中也有一些不錯的表現(xiàn),同時也存在一些問題。經(jīng)過不斷改進和持續(xù)攻關(guān),目前,某一款旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)已經(jīng)入井?dāng)?shù)十井次了,有一些令人鼓舞的表現(xiàn),但故障率還較高,還有一些亟待解決的技術(shù)問題,如可靠性、穩(wěn)定性等方面,還需要不斷加大力度研究改進,對于大規(guī)模推廣應(yīng)用國產(chǎn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng),任重而道遠。
斯倫貝謝一直持續(xù)不斷地研發(fā)、改進每一個序列的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng),不斷升級。PowerDrive 推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng),前后形成四個大的革新版本,共計數(shù)十次完善和升級。無論從可靠性、穩(wěn)定性,還是從智能性等方面,都達到了一個近乎極限的地步,但依然還在完善中。
指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)Xceed投入使用后又不斷改進,相繼開發(fā)出了許多新功能,已經(jīng)升級了四個大的版本。如果包含軟件的改進升級在內(nèi)的話,已經(jīng)升級了近40多個版本。
混合式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)五年前才剛剛推出,由于要滿足客戶要求的大狗腿度鉆進,在使用初期,存在著不少技術(shù)問題,故障時有發(fā)生,經(jīng)過不斷改進,現(xiàn)在已經(jīng)相當(dāng)成熟穩(wěn)定,已經(jīng)升級了三個版本,解決了許多關(guān)鍵性的技術(shù)難題,目前正在大規(guī)模應(yīng)用,市場反應(yīng)良好。
附加動力旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)-CLINK 技術(shù),也進行了持續(xù)不斷的研發(fā)和改進,目前已經(jīng)達到了低故障率階段,在中東地區(qū)等許多油氣田正在大規(guī)模使用。
斯倫貝謝即將推出一種新的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)PowerDrive-Xcel,這種新型的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的主要特點是:具有更高的造斜能力和井眼光滑度;大位移井中更高的機械鉆速和更少的起下鉆次數(shù);更先進的近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向;基于軌跡優(yōu)化和可靠性設(shè)計的軌跡累贅控制技術(shù)。主要技術(shù)創(chuàng)新:速率陀螺傳感器,近鉆頭伽馬傳感器;指令快速識別接收技術(shù);先進的穩(wěn)斜穩(wěn)方位功能;三軸振動和不均勻轉(zhuǎn)動控制器;定制式彎曲短節(jié)等模塊。 該PowerDrive Xcel系統(tǒng)正在研發(fā)階段,目前已經(jīng)在沙特阿拉伯進行了現(xiàn)場試驗,效果較好,很快會進入現(xiàn)場大規(guī)模應(yīng)用。
斯倫貝謝的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向進入現(xiàn)場使用后,不可避免地要出現(xiàn)各種問題,一旦出現(xiàn)問題,按照問題的嚴(yán)重程度,在一定的時間范圍內(nèi)(24 h、36 h、48 h)寫出事故報告,上傳到公司內(nèi)部管理系統(tǒng)網(wǎng)站上。從施工層面、管理層面、設(shè)計層面、維修層面總結(jié)事故,得出教訓(xùn),采取應(yīng)對的措施。按照一套標(biāo)準(zhǔn)的事故調(diào)查、分析、處理流程完成對整個事故的調(diào)查處理。任何一項事故報告都會直接送到研發(fā)團隊而當(dāng)做改進完善的內(nèi)容。對于一些帶有普遍性的典型技術(shù)問題,研發(fā)團隊甚至?xí)降谝痪€坐鎮(zhèn)聽取細(xì)節(jié)描述,獲取更加詳盡的技術(shù)細(xì)節(jié),進而加以研究,在規(guī)定的時間內(nèi)拿出方案予以解決。
(1)國外旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)經(jīng)過20余年的發(fā)展,已經(jīng)進行了四次大的更新?lián)Q代,目前已經(jīng)發(fā)展到了可靠性高、使用時間長、性能穩(wěn)定性好、適用性好的階段。研制出了滿足不同地質(zhì)需求的高可靠性和穩(wěn)定性的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)。
(2)國內(nèi)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)已經(jīng)在技術(shù)上有重大突破,樣機已經(jīng)經(jīng)歷了現(xiàn)場試驗,也在一些井上進行了現(xiàn)場應(yīng)用,取得了初步的成效。但還需要針對現(xiàn)場使用中的問題進行持續(xù)不斷的科研攻關(guān),以期盡快滿足現(xiàn)場需求。
(3)隨著勘探程度的深入,旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)是鉆探作業(yè)中必不可少的工具和技術(shù)手段,發(fā)展、完善具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)十分迫切。建議在現(xiàn)有基礎(chǔ)上,加大科研投入,堅持可持續(xù)的研發(fā)、改進、維護旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng),力爭盡快解決施工中出現(xiàn)的問題,并在油田大規(guī)模使用。
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