在開發(fā)阿根廷Vaca Muerta頁巖資源的過程中，采用先進(jìn)的鉆具加壓設(shè)備提高了完井和修井效率。新的液壓完井裝置提高了作業(yè)績(jī)效，使石油公司能夠突破大位移水平井完井的技術(shù)極限。2017年，YPF（阿根廷國家石油公司）的高管要求工程師們?cè)谌蚴袌?chǎng)上采購最先進(jìn)的鉆具加壓設(shè)備，以協(xié)助開發(fā)他們的Vaca Muerta頁巖油氣資源。2022年，該公司使用了新的HCU（hydraulic completion unit液壓完井裝置，見圖1）技術(shù)在阿根廷成功進(jìn)行了45口井的完井作業(yè)。
圖1
阿根廷的頁巖油氣開發(fā)
Vaca Muerta 頁巖地層位于阿根廷的內(nèi)烏肯盆地，被認(rèn)為是世界上最大的可采頁巖油和頁巖氣資源之一。Vaca Muerta頁巖儲(chǔ)層的深度為3000米左右，面積超過30000平方千米，儲(chǔ)層質(zhì)量非常高，與美國的幾個(gè)頁巖地層，如Eagle Ford，Marcellus和Bakken的儲(chǔ)量相當(dāng)。大范圍Vaca Muerta頁巖油氣的發(fā)現(xiàn)和開發(fā)始于2010年，由阿根廷國家石油公司YPF統(tǒng)領(lǐng)。盡管最初的鉆井會(huì)戰(zhàn)是以打直井來進(jìn)行的，但石油公司在2014年轉(zhuǎn)向打水平井，對(duì)水平段實(shí)施完井。
為了提高非傳統(tǒng)儲(chǔ)層的生產(chǎn)效率，油井設(shè)計(jì)的越來越深，水平段設(shè)計(jì)越來越長(zhǎng)，見圖2（Vaca Muerta頁巖井的數(shù)量按年分布和水平段長(zhǎng)度的情形展示）?；镜那疤崾牵L(zhǎng)的水平段能讓石油公司安排更多壓裂級(jí)，最終能夠帶來更高的油井產(chǎn)量和相應(yīng)的投資回報(bào)。這一技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的綜合體由美國頁巖行業(yè)開創(chuàng)，而被阿根廷的非常規(guī)油氣行業(yè)進(jìn)行了良好的復(fù)制。
圖2
YPF公司副總裁Juan Manuel Ardito解釋說，“為了降低項(xiàng)目的開發(fā)成本，在YPF公司我們的主要驅(qū)動(dòng)力之一就是向著更長(zhǎng)的水平段進(jìn)發(fā)。2022年，我們達(dá)到了自Vaca Muerta頁巖開發(fā)以來平均水平段長(zhǎng)度最長(zhǎng)的開發(fā)水平，包括一口水平段長(zhǎng)度4420m的井，它是該盆地中水平段最長(zhǎng)的一口井，見圖3（YPF的主管第一次出現(xiàn)在AESA子公司HCU鉆機(jī)的完井施工現(xiàn)場(chǎng)）。”
他指出，“每天，我們都在試圖攻克鉆井極限，但我們也需要應(yīng)對(duì)完井帶來的挑戰(zhàn)。由我們的全資子公司AESA合并組成的鉆具加壓設(shè)備是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵所在。在YPF公司的運(yùn)營中，我們正在努力將阿根廷打造成全球能源供應(yīng)商，我們?cè)赩aca Muerta頁巖開發(fā)中的表現(xiàn)為我們提供了這一獨(dú)特的機(jī)遇。”新技術(shù)的引入，如鉆具加壓設(shè)備，將引領(lǐng)我們提高當(dāng)?shù)氐挠蜌忏@探能力，改善我們?cè)诒泵酪酝馕ㄒ坏姆莻鹘y(tǒng)資源開發(fā)的成效。
圖3
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Vaca Muerta 頁巖挑戰(zhàn)
在水平段施工過程中，鉆具彎曲是一種常見的現(xiàn)象，它是一種在下鉆過程中鉆具與套管壁（或井壁）之間因摩擦接觸力所產(chǎn)生的屈曲現(xiàn)象，這種現(xiàn)象限制了機(jī)械鉆速。隨著水平段的延長(zhǎng)，這種摩擦接觸力會(huì)自然增大，因而就會(huì)限制連續(xù)油管設(shè)備延續(xù)下入油管的能力。為了減輕這種影響，各公司已經(jīng)探索了幾種方法，包括加入潤滑液、剛硬的鉆具設(shè)計(jì)和BHA（井底鉆具組合）振動(dòng)工具等。所有先前采用的方法都是為了使各公司大幅突破技術(shù)極限，力爭(zhēng)施工更長(zhǎng)的水平段。不過，上述工藝都存在著一個(gè)機(jī)械上和經(jīng)濟(jì)上的邊界，對(duì)此，阿根廷的石油公司并不陌生。
為了促成阿根廷CTU向HCU的過渡，YPF公司和AESA子公司組建了一個(gè)多學(xué)科技術(shù)團(tuán)隊(duì)，設(shè)計(jì)并執(zhí)行了一項(xiàng)國際評(píng)估流程。該流程將確定所展示的技術(shù)，使兩家公司能夠在大位移水平井完井和修井市場(chǎng)中有效地保持領(lǐng)先地位。
鉆具加壓被定義為：在鉆具下井過程中，井眼內(nèi)有足夠的上推壓力，阻止鉆具下入，或?qū)⒐苤e出井眼，如果不施加限制力或外力，鉆具就無法繼續(xù)下井，此時(shí)，需要對(duì)鉆具下入施加向下的壓力。自上世紀(jì)50年代以來，鉆具加壓設(shè)備一直存在于該行業(yè)中，鑒于這種設(shè)備對(duì)正在生產(chǎn)的油井具有的干預(yù)能力，通常主要涉及井身結(jié)構(gòu)、井眼軌跡完好性問題、操作突發(fā)事件和井控險(xiǎn)情等工況。這就是很久以前，在過去十年中，該技術(shù)已被升級(jí)為一種能進(jìn)行更長(zhǎng)井段頁巖銑削操作、具有先進(jìn)安全機(jī)制、且具備工廠化生產(chǎn)模式的完井工具。
液壓動(dòng)力鉆機(jī)設(shè)備HCU
這種設(shè)備能夠執(zhí)行各種油井干預(yù)作業(yè)，包括鉆具加壓，但它們具有的獨(dú)特的效率和安全組件設(shè)計(jì)，使其與傳統(tǒng)的HWO/HWU（液壓修井）加壓裝置有所區(qū)別。使用連接或粘連的油管有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：完井管柱可旋轉(zhuǎn)；可施加更大的力（拉力、擠壓力或緩沖力）；允許更大的排量；允許更高的扭矩；可單獨(dú)質(zhì)檢和更換完井管具或接頭（相對(duì)于CTU裝置，如果處理不當(dāng)，卷筒會(huì)受損或加速損壞）
當(dāng)HCU技術(shù)在阿根廷本地進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，需要解決的一些大的挑戰(zhàn)如下：在大位移水平井完井施工中，完井管柱抵達(dá)井底或有效研磨壓裂塞問題；研磨壓裂塞期間，井眼清洗效率僅限于泵容量；研磨完壓裂塞后無法帶壓下入生產(chǎn)油管；固完油套后，油套內(nèi)留有水泥和泥漿殘余物；生產(chǎn)封隔器卡在水平段；壓裂塞研磨時(shí)磨掉或損壞油管BHA（井底鉆具組合），包括井下馬達(dá)卡在水平段；油管卡在水平段，以及液壓斷開故障。
在評(píng)估這些挑戰(zhàn)時(shí)，結(jié)合YPF公司曾設(shè)想的油井設(shè)計(jì)前景和美國之前的先例，很明顯將需要HCU設(shè)備。這就意味著能夠突破當(dāng)前的技術(shù)極限，但通過研究現(xiàn)有數(shù)據(jù)，還旨在HCU設(shè)備能在某些環(huán)節(jié)優(yōu)于目前的CTU技術(shù)，并為從未探索過的其它優(yōu)化造斜角度的問題開辟一個(gè)窗口。見圖4（鉆具加壓與連續(xù)油管之間不同應(yīng)用的性能標(biāo)準(zhǔn)比較）。
圖4
一項(xiàng)新的旨在完成正在生產(chǎn)的大位移井的著陸技術(shù)自然非常具有挑戰(zhàn)性。在一個(gè)幾乎沒有鉆具加壓先例的國家，這樣做意味著尋找和培訓(xùn)合適的人員將成為最為關(guān)鍵的安全和績(jī)效驅(qū)動(dòng)因素。考慮到這一可變因素，經(jīng)過國際評(píng)估過程后，AESA決定與DWS合作。DWS的總部位于美國賓夕法尼亞州，專門從事長(zhǎng)水平段、高壓、多井完井技術(shù)，最重要的是專業(yè)培訓(xùn)。憑借IADC認(rèn)可的能力計(jì)劃，一項(xiàng)具有API Q2 / ISO-9001認(rèn)證的質(zhì)量管理體系程序以及一個(gè)具有豐富鉆具加壓經(jīng)驗(yàn)的管理團(tuán)隊(duì)，非常適合介入Vaca Muerta頁巖開發(fā)項(xiàng)目。
攻克多項(xiàng)挑戰(zhàn)技術(shù)
在阿根廷，HCU技術(shù)成功實(shí)施了不同的、前所未有的完井作業(yè)，攻克了多項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)，為簡(jiǎn)化完井契機(jī)奠定了基礎(chǔ)。
單選修井鉆機(jī)。AESA S-01 HCU搭載在一臺(tái)帶有起重機(jī)的卡車上，能夠從一口井?dāng)[越到另一口井，顯著提高了多井平臺(tái)的施工效率。這需要在第一口井進(jìn)行常規(guī)的設(shè)備安裝，而從該點(diǎn)位到后續(xù)的井，作業(yè)人員只需從該井口拆下主防噴器法蘭，然后移動(dòng)整個(gè)鉆機(jī)，擺到下一口井的位置，同時(shí)保持所有的支持設(shè)備處于原先的位置。使用這種方法和技術(shù)，每口井的設(shè)備安裝和拆卸時(shí)間可節(jié)省約50%。
自流井的干預(yù)措施。在一口正在生產(chǎn)的井下入管柱有著諸多好處，當(dāng)出現(xiàn)地層受損時(shí)，因?yàn)闆]有流體嵌入儲(chǔ)層或向儲(chǔ)層補(bǔ)充。因此，地層狀況保持原封不動(dòng)的狀態(tài)。但如果生產(chǎn)井處于自流狀態(tài)時(shí)進(jìn)行作業(yè)，那么加壓技術(shù)的這些自然優(yōu)勢(shì)就會(huì)進(jìn)一步顯現(xiàn)出來。AESA將井口與生產(chǎn)管線相連接，對(duì)45口井中的11口實(shí)施了完井作業(yè)，因此省去了生產(chǎn)過程中的非生產(chǎn)時(shí)間，降低了石油公司的總成本。同時(shí)，一口正在生產(chǎn)的自流井還降低了工作壓力，也減少了管柱的光暴露，而且，作業(yè)時(shí)還能實(shí)現(xiàn)更高的起下速度。
單只鉆頭一次下井實(shí)施大位移井段鉆塞作業(yè)。使用連接起來油管能讓石油公司旋轉(zhuǎn)整個(gè)管柱、增大環(huán)空循環(huán)流速、還能緩解鉆壓堆積問題。從上述方面來看，井眼凈化和旋轉(zhuǎn)技術(shù)的改善，也使HCU鉆機(jī)在美國95%的作業(yè)中達(dá)到了總井深，水平段長(zhǎng)度超過3660m，僅一只鉆頭一次下井就完成了施工作業(yè)。見圖5（AESA的HCU鉆機(jī)和支持設(shè)備）。
圖5
這與CTU設(shè)備有很大不同，CTU在大位移水平完井井段施工時(shí)需要兩次、三次甚至四次下井實(shí)施完井作業(yè)。AESA S-01鉆機(jī)在總計(jì)45口井的完井作業(yè)中完成了8口，水平段長(zhǎng)度在2839m至3915m之間，都是一只鉆頭一次下井實(shí)施了完井作業(yè)。這8口井中的兩口還出現(xiàn)了套管變形的情形，但這并沒有給實(shí)施HCU技術(shù)帶來任何困難。
初步的鉆塞結(jié)果和優(yōu)化機(jī)遇。從第一口井到第八口井的鉆塞作業(yè)，時(shí)間縮短了40%。這是通過與YPF和DWS攜手合作獲得的一個(gè)更為清潔的井眼所實(shí)現(xiàn)的，井眼清潔與否對(duì)機(jī)械鉆速有著很大影響。相關(guān)的升級(jí)內(nèi)容如下：
作業(yè)流體和化學(xué)品管理：由于沒有關(guān)于HCU研磨壓裂塞的本地?cái)?shù)據(jù)，作業(yè)開始復(fù)制一些常用的二疊紀(jì)流體配方和泵送方案。根據(jù)測(cè)量的機(jī)械鉆速結(jié)果，對(duì)減摩劑和黃原膠（用于產(chǎn)生粘性掃描的化學(xué)物質(zhì)）的用量進(jìn)行了校準(zhǔn)。同時(shí)，調(diào)整了循環(huán)方案和掃描頻率。
HCU的操作與回流的協(xié)調(diào)：當(dāng)下入管柱遇卡時(shí)，添加一根管具時(shí)，保持正確的井壓至關(guān)重要。這就意味著HCU操作員，泵操作員和回流操作員必須進(jìn)行實(shí)時(shí)溝通，以完美的協(xié)調(diào)動(dòng)作執(zhí)行操作。這在進(jìn)行CTU操作時(shí)是不需要的，因此，要求回流操作員有一個(gè)簡(jiǎn)短的學(xué)習(xí)曲線。一旦達(dá)到這一點(diǎn)，就會(huì)做到更少的返砂和更平穩(wěn)的操作。
起出管具：最初，起出管具或稱起鉆，是在循環(huán)過程中完成的。一旦總體的井眼凈化得到了改善，這意味著無需開泵就能進(jìn)行起鉆作業(yè)，這樣就能更快的操控管具。
但經(jīng)過八次延伸研磨干預(yù)，以及仍在經(jīng)歷一個(gè)學(xué)習(xí)曲線后，改進(jìn)操作仍有一定空間。主要包括以下方面是：
更快的鉆具起下：由于本地人員依照學(xué)習(xí)曲線進(jìn)行作業(yè)，起下鉆速度自然不太理想。DWS展示了美國東北部和二疊紀(jì)盆地每小時(shí)超過60根鉆具起下速度的關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)（KPI），這是阿根廷作業(yè)人員的中短期目標(biāo)。
更快速的水平段銑削：盡管井的平均銑削速度為每小時(shí)7.5個(gè)單根的KPI，但整體的鉆井參數(shù)仍然可以調(diào)整，以進(jìn)一步推進(jìn)水平段的機(jī)械鉆速。
實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的流體管理：由于涉及如此多的變量，因此能夠根據(jù)機(jī)械鉆速以及現(xiàn)場(chǎng)回流碎屑的質(zhì)量和數(shù)量來優(yōu)化化學(xué)品的使用至關(guān)重要。這需要一個(gè)操作和流體參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)快速和高頻次的校準(zhǔn)。
隨著水平段越來越長(zhǎng)，本地人員獲得了所需的能力，隨著AESA的S-01 HCU鉆機(jī)和未來更多設(shè)備的到來，預(yù)計(jì)完井工作量將繼續(xù)保持增長(zhǎng)。在短期內(nèi)，計(jì)劃要對(duì)YPF的293個(gè)平臺(tái)井進(jìn)行完井施工，其中包括阿根廷歷史上最深的水平井LLL-1677，總井深7962m，水平段長(zhǎng)4398m）。AESA和DWS正在集合兩家公司的經(jīng)驗(yàn)和資源，以釋放HCU技術(shù)在阿根廷的全部潛力，復(fù)制在美國所產(chǎn)生的出色成果的演進(jìn)模式。
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