油氣行業(yè)一直在尋找提高井下鉆井和完井工具性能的方法。隨著數(shù)字化的出現(xiàn)，智能系統(tǒng)已經(jīng)成為一個熱門領(lǐng)域，原始設(shè)備制造商（oem）為運營商和鉆井公司提供越來越復(fù)雜的解決方案，以獲取盡可能多的有關(guān)工具健康和性能的數(shù)據(jù)。有線鉆桿仍然是一種有價值的系統(tǒng)，可以提供分布式的實時井下壓力、振動和溫度數(shù)據(jù)，使鉆井人員和操作人員能夠立即做出重要決策。
開發(fā)新的智能工具和添加第三方解決方案，可以連接有線鉆桿和相關(guān)的寬帶遙測網(wǎng)絡(luò)，一直是NOV的優(yōu)先事項。國民油井華高公司井下寬帶解決方案全球銷售副總裁MatsAndersen表示：“我們能夠提供更大的帶寬，讓鉆井工人和定向鉆井服務(wù)提供商能夠獲取更多的井下數(shù)據(jù)。對高分辨率、實時井下數(shù)據(jù)的掌握，正在幫助我們的客戶減少作業(yè)天數(shù)，降低作業(yè)風險，并開采出更多的油氣資源。”基于光纜的系統(tǒng)使作業(yè)方能夠?qū)ν昃闆r和油藏有新的認識，幫助他們提高油井性能。
貝克休斯公司不斷擴充其智能完井工具產(chǎn)品系列，最近推出了一種水下連接系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以將光纖連接到下部完井裝置，從而在生產(chǎn)過程中實現(xiàn)對油藏的實時監(jiān)測，這有助于提高作業(yè)效率并增光纖與有線鉆桿助力洞察油藏及井筒，創(chuàng)新設(shè)計簡化套管井二次作業(yè)加最終采收率。貝克休斯公司智能生產(chǎn)系統(tǒng)全球總監(jiān)里卡多?蒂拉多表示：“既然我們擁有了能幫助我們更好地了解油藏的工具，那么我們就能更智能地管理生產(chǎn)階段。以前，這就好比在沒有儀表盤的情況下駕駛飛機或汽車。而現(xiàn)在，我們有了能顯示所有相關(guān)信息的工具，這樣一來，采收率就能得到提高。”雖然智能系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)是提高井下性能的關(guān)鍵工具，但原始設(shè)備制造商（oem）廠商也在努力改進硬件本身。威德福關(guān)注的一個領(lǐng)域是降低套管井側(cè)鉆的風險。新型單起下鉆套管出口系統(tǒng)消除了井中下入時過早剪切的根源，這是傳統(tǒng)斜向器系統(tǒng)的固有危險。
威德福公司全球產(chǎn)品線負責人雅各布?賴特說：“從以往情況來看，在使用傳統(tǒng)斜向器系統(tǒng)進行起下鉆作業(yè)時，我們必須格外小心謹慎。但如今我們擁有的這項技術(shù)有助于改變這種思維模式。就如同起下鉆桿或套管一樣，我們現(xiàn)在能夠在推動、旋轉(zhuǎn)并處理井下障礙物時毫無顧慮。”
套管出口無需剪切
斜向器系統(tǒng)是套管井再入作業(yè)中的常用工具，可以幫助作業(yè)者和鉆井人員進入新的井段或不同的儲層，而無需從地面鉆新井。然而，它們通常需要多次起下鉆——一次起下鉆為側(cè)鉆做準備，一次起下鉆坐封和磨銑窗口，然后鉆側(cè)鉆井。雖然與鉆一口新井相比，這些起下鉆通常更節(jié)省時間和成本，但原始設(shè)備制造商一直致力于開發(fā)技術(shù)，通過減少起下鉆次數(shù)來幫助進一步縮短作業(yè)時間。威德福公司于2023年推出了AlphaV單趟套管出口系統(tǒng)，該工具旨在消除對專用井眼準備作業(yè)的需求，同時將起下鉆速度提高一倍。見圖1。通常情況下，對于傳統(tǒng)的斜向器系統(tǒng)，斜向器和磨銑底部鉆具組合（BHA）是作為兩個獨立的管柱部件下入井內(nèi)的，它們通過一根具有預(yù)設(shè)剪切值的螺栓連接在一起。一旦斜向器系統(tǒng)到達預(yù)期的坐封深度，錨定裝置就會坐封，螺栓會被剪斷，從而使磨銑鉆具組合與斜向器分離。
正如賴特先生所說，這種裝置要求鉆井工人“小心謹慎地起下鉆”。這是因為井下的任何障礙物，或者任何不可預(yù)見的情況，如惡劣天氣或鉆機晃動，都有可能導(dǎo)致螺栓提前被剪斷，這可能會造成斜向器的完全丟失，進而引發(fā)代價更高的修井作業(yè)。AlphaV與其他斜向器系統(tǒng)的不同之處在于消除了剪切事件。相反，威德福開發(fā)了一種專利的液壓磨機釋放裝置（HMR），該裝置由裝在鉛磨機內(nèi)的可伸縮銷和裝在斜向器內(nèi)的液壓釋放裝置組成。該系統(tǒng)不是通過剪切螺栓連接兩個BHA組件，而是作為一個單元運行，并內(nèi)置磨銑釋放機構(gòu)。一旦系統(tǒng)到達所需深度并錨定，液壓活塞激活HMR，將磨銑組件從斜向器上釋放出來。該系統(tǒng)還包含一個集成的規(guī)磨機和一體式刮管器組件，位于斜向器錨點下方。傳統(tǒng)的斜向器系統(tǒng)沒有連接刮管器，因此在錨定斜向器之前，司鉆必須單獨下入清潔井筒。當系統(tǒng)達到所需的井下坐封深度時，內(nèi)部的磨尺和刮管器組件可以清潔和刮擦套管的內(nèi)徑，從而消除了這種下入。
賴特先生表示，液壓磨銑釋放（HMR）裝置與一體式刮管器組合能夠大幅節(jié)省時間。賴特先生說：“清理井筒的起下鉆作業(yè)是在部署斜向器組合裝置之前單獨進行的一趟作業(yè)。我們已經(jīng)找到了一種省去這趟作業(yè)的方法，這能極大地節(jié)省時間。在北海的一口典型油井中，一次起下鉆的行程將近20000英尺，要徹底清理和刮削套管內(nèi)徑可能需要一天時間。那么，我們能在哪些方面節(jié)省時間呢？首先，我們通過將集成規(guī)磨機和刮管器組合集成到斜向器底部鉆具組合（BHA）中，完全省去了井筒準備起下鉆作業(yè)。其次，由于采用了液壓磨銑釋放系統(tǒng)，我們起下鉆的速度是傳統(tǒng)系統(tǒng)的兩倍。”見圖2。目前，AlphaV系統(tǒng)已在印度尼西亞、挪威、科威特和墨西哥運行，威德福公司表示，其客戶在安裝斜向器方面節(jié)省了大量時間。
在2024年，該工具幫助科威特的一家未命名的運營商節(jié)省了30小時的相關(guān)鉆機時間，省去了套管出口序列的一次往返作業(yè)。威德福公司的任務(wù)是通過將刮削和清洗過程與套管出口作業(yè)相結(jié)合，消除專門的井筒準備作業(yè)。在對井的參數(shù)進行測試后，該井的坐封深度為6126英尺（井眼尺寸8.5英寸）?？紤]到井眼尺寸和作業(yè)需求，威德福公司推薦使用AlphaV，該工具可以移動到井場并下入目標深度。一旦設(shè)置好斜向器并釋放銑削組件，就可以成功銑削側(cè)鉆窗。在安裝斜向器之前，AlphaV工具中的一體式刮管器允許作業(yè)者在同一趟起下鉆中清潔和刮擦坐封區(qū)域。HMR系統(tǒng)內(nèi)的可伸縮銷通過提供在同一趟井中進行清理作業(yè)所需的高扭矩和承載能力，使作業(yè)者能夠安全地下入井中達到目標深度。
鉆井底部鉆具組合順利通過窗口，沒有任何限制或干擾，確保了側(cè)鉆的質(zhì)量和可靠性。賴特先生說：“當你看到我們在科威特所做的事情時，客戶意識到AlphaV系統(tǒng)將為該地區(qū)的其他井提供總體年度運營成本和無形的時間節(jié)省潛力。”在北海的另一口油井中，去年完工的Alpha系統(tǒng)通過一趟鉆實現(xiàn)雙層套管開窗，幫助作業(yè)方節(jié)省了14小時的鉆機時間。該工具在一口斜井中完成了一趟鉆雙層套管開窗作業(yè)，以適應(yīng)8.5英寸的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)（RSS）鉆井組合。時間的節(jié)省有助于作業(yè)方減少人員在危險區(qū)域的暴露，同時也減少了現(xiàn)場處理的底部鉆具組合（BHA）的數(shù)量。通過在一趟鉆中成功磨銑出全尺寸窗口和鼠洞，作業(yè)方能夠立即部署剛性旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)組合，無需泥漿馬達組合和任何額外的起下鉆作業(yè)。
利用井下寬帶網(wǎng)絡(luò)提高效率
過去20年來，國民油井華高（NOV）公司一直通過其IntelliServ寬帶網(wǎng)絡(luò)提供高速鉆柱遙測服務(wù)。為了提升與高帶寬相關(guān)的性能并應(yīng)對不斷變化的客戶挑戰(zhàn)，該公司目前正在開發(fā)幾款借助該網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的新工具，以進一步提高井下作業(yè)效率。井下寬帶網(wǎng)絡(luò)通過有線鉆桿運行，有線鉆桿中沿著鉆柱長度方向安裝有同軸電纜，連接著底部鉆具組合（BHA）和安裝在鉆頭附近的傳感器。分布在鉆柱中的信號增強器構(gòu)成了一個遙測網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)雙向傳輸，同時還能對地面與井下工具之間的壓力、振動、溫度和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進行多項沿鉆柱測量，傳輸速度高達每秒57600比特，而傳統(tǒng)的泥漿脈沖遙測系統(tǒng)的速度僅為每秒48比特。這些高速傳輸使得與井下的通信幾乎能夠瞬間完成。國民油井華高公司的安德森先生指出，使用有線鉆桿以及相關(guān)的井下寬帶網(wǎng)絡(luò)的一個價值在于，諸如測量、下行鏈路傳輸和滑動定向等由數(shù)據(jù)驅(qū)動的作業(yè)活動能夠在幾秒鐘內(nèi)完成，而使用泥漿脈沖系統(tǒng)則需要幾分鐘。但有線鉆桿的好處不僅僅在于節(jié)省遙測時間。由于該鉆桿與鉆柱是硬連接的，即使井下沒有足夠的流體流動，它也能夠繼續(xù)進行測量。他說：“泥漿脈沖系統(tǒng)需要流體流動——沒有流體，它就會關(guān)閉，這樣你就無法了解井下的情況。而使用有線鉆桿，在你試圖緩解這種情況時，仍能看到井下壓力。如果發(fā)生堵塞或井漏事件，我們也能夠確定堵塞和井漏的位置。因為堵塞或井漏顯然會發(fā)生在鉆柱上兩個傳感器之間，你會看到壓力差，這樣就能縮小潛在薄弱區(qū)域或問題區(qū)間的范圍。”國民油井華高司宣傳其有線鉆桿系統(tǒng)的優(yōu)勢之一是能夠?qū)⑵渌ぞ哌B接到網(wǎng)絡(luò)上，比如其增強測量系統(tǒng)。這是一種基于鉆鋌的井下鉆井動力學(xué)測量工具，能夠高頻采集井下工具的重量、扭矩、溫度、環(huán)空壓力、內(nèi)部壓力、轉(zhuǎn)速、彎曲和三軸振動數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)有助于實時識別潛在的故障，如粘滑現(xiàn)象，以及井眼質(zhì)量問題。最近，該公司一直在努力增加更多連接到網(wǎng)絡(luò)的工具，既包括自主研發(fā)的工具，也通過支持外部合作伙伴來實現(xiàn)。
該公司與一個外部合作伙伴共同關(guān)注的一個領(lǐng)域是井徑儀工具，即允許鉆井工人在鉆井和起鉆過程中，利用有線鉆桿測量的聲學(xué)數(shù)據(jù)來測量井眼形狀的工具。安德森先生說：“井徑儀工具能讓你看到井眼形狀隨時間的變化，從而創(chuàng)建一個四維井徑圖。”見圖3。目前，該公司正在訂購井徑儀工具試驗版本的零部件，現(xiàn)場測試計劃在今年晚些時候進行。另一項正在開發(fā)的技術(shù)是一種由有線鉆桿上的信號激活的智能工具，它將取代在各類與鉆井和完井相關(guān)作業(yè)中，許多井下機械工具所使用的投球激活方式。傳統(tǒng)的投球系統(tǒng)需要將一個金屬球從地面泵入井下工具的球座，以觸發(fā)開啟、關(guān)閉或釋放功能。這種新工具將被安裝在鉆柱中的多個不同工具上，循環(huán)短節(jié)就是一個例子。它將利用從地面發(fā)送到井下寬帶網(wǎng)絡(luò)的信號，進而激活特定工具中的一個機構(gòu)，該機構(gòu)會打開和關(guān)閉工具內(nèi)的噴嘴，以實現(xiàn)井壁流體流動，從而清潔套管或井筒。安德森先生說：“使用投球系統(tǒng)時，你必須等待球到達某個位置后才能打開或關(guān)閉循環(huán)短節(jié)，這既耗時，又依賴于流體流動和井眼軌跡。我們希望開發(fā)一種智能工具，它能夠通過我們網(wǎng)絡(luò)中的一個簡單信號來激活該機構(gòu)。”現(xiàn)場測試預(yù)計于2025年開始，安德森先生表示，公司預(yù)計在今年年底將這種智能工具投入商業(yè)應(yīng)用。
具備增強防砂能力的智能完井
多次起下鉆完井設(shè)計——通常應(yīng)用于海上油井、海底油井以及其他復(fù)雜油井中——能夠可靠地將完井裝置下放到大位移井的目標深度。然而，盡管這些設(shè)計有助于應(yīng)對將裝置下放到目標深度過程中所涉及的風險，但它們也限制了在整個井筒內(nèi)鋪設(shè)光纖電纜的能力。一般情況下，公司會在井筒上部完井段鋪設(shè)光纖電纜，但這樣無法獲取油藏中的實時數(shù)據(jù)。貝克休斯公司的SureCONNECTFE系統(tǒng)旨在讓具備光纖和電力傳輸能力的多次起下鉆完井方式變得普遍可行。該系統(tǒng)由一系列連接在生產(chǎn)管柱上的水下濕連接接頭，以及能夠提供分布式溫度和聲學(xué)傳感功能的光纖電纜和電力電纜組成，同時還包括電動閥門和傳感器。見圖4。
貝克休斯公司的里卡多?蒂拉多先生表示：“如果分兩次起下鉆完井是到達目標深度的唯一方式，那么你就需要這樣一種工具，以便將光纖電纜下放到下部完井段。如果你僅在帶有光纖的上部完井段進行操作，那你只能監(jiān)測上部完井段的情況。這樣就無法對油藏進行測量。如果你只監(jiān)測上部完井段，你能發(fā)現(xiàn)諸如管道泄漏或氣舉功能方面的問題，但卻無法了解油藏的情況。為了能夠監(jiān)測油藏，你必須在下部完井段部署光纖。”在地面上，有一個與光纖電纜相連的獨立工具——被稱為詢問器，它會沿著電纜發(fā)送激光脈沖，以測量生產(chǎn)管柱沿線的溫度，以及聲學(xué)數(shù)據(jù)的頻率和振幅。隨后，地下工程師們可以讀取這些數(shù)據(jù)，從而在油井的整個生命周期內(nèi)實時、全面地了解油藏的性能狀況。所收集到的信息會在地面進行處理，并轉(zhuǎn)化為可行的決策依據(jù)。
這些決策行動包括通過遠程驅(qū)動的層段控制閥關(guān)閉以水和氣為主導(dǎo)的區(qū)域，從而實時優(yōu)化生產(chǎn)。蒂拉多先生說：“光纖本身就是一個長型傳感器。它能提供溫度曲線，同時也是一個很長的麥克風，時刻在監(jiān)聽。我們可以在地面進行分析并解讀數(shù)據(jù)。例如，我們可以告訴你，你聽到的這種聲音可能意味著水突破油層了，或者可能有氣體產(chǎn)出。你可以根據(jù)我們收集的數(shù)據(jù)推斷出正在發(fā)生的情況，并據(jù)此做出決策。”該系統(tǒng)還允許在不取出下部完井裝置的情況下完成修井作業(yè)，比如安裝或取出潛油電泵，或者維修安全閥。這極大地減少了鉆機作業(yè)時間、安全風險以及設(shè)備成本。第一代井下光纖濕連接系統(tǒng)最初于2011年在墨西哥灣的海上油井中部署使用。從那以后，不同版本的系統(tǒng)也在北海投入使用。
2025年1月，貝克休斯公司推出了該系統(tǒng)的最新版本SureCONNECTFE。這個新版本將與礫石充填系統(tǒng)同時運行——光纖電纜將連接到防砂篩管上，以便實時測量油藏砂粒向井筒內(nèi)的運移情況。蒂拉多先生說：“現(xiàn)在，有了這個新的迭代版本，你可以維護好你的防砂系統(tǒng)，并且只需確保以合適的產(chǎn)量進行生產(chǎn)，同時按照你期望的方式管理生產(chǎn)。它有著與我們之前迭代版本相同的優(yōu)勢，但現(xiàn)在還具備防砂功能。這拓展了該系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。”2025年，貝克休斯向一位客戶交付了首個SureCONNECTFE系統(tǒng)。
蒂拉多先生表示，該公司在潛在使用該系統(tǒng)方面受到了運營商的大量關(guān)注。然而，這些運營商在將該系統(tǒng)應(yīng)用于自己的油井之前，都“在等待我們進行首次安裝”。展望未來，蒂拉多先生稱SureCONNECT能在包括地熱井在內(nèi)的新能源領(lǐng)域發(fā)揮價值。光纖傳感無需井下電子設(shè)備，而井下電子設(shè)備在地熱井常見的高溫環(huán)境中可能會受到損壞。不過，他還提到公司正在研究一些特殊涂層，以提高光纖在極端溫度下的使用壽命。蒂拉多先生說：“我們認為這個系統(tǒng)可以應(yīng)用于所有這些不同的場景。SureCONNECT基本上是在實現(xiàn)一種連接功能。如果你想分兩次起下鉆來完成完井作業(yè)，并且需要一些防砂方面的應(yīng)用，它就能體現(xiàn)出價值。這就是像這樣的井下工具的美妙之處——你可以一次又一次地連接和重新連接電纜。”
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