模塊馬達(dá)在A油田水平井中的應(yīng)用

魏玉印，宋 瑞，宋峙潮，張作偉，呂 靜

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

油田的綜合調(diào)整是在現(xiàn)有井場分布的基礎(chǔ)上進(jìn)行井網(wǎng)加密，達(dá)到挖潛剩余油、提高采收率的目的[1]。目前渤海區(qū)域大部分油田已進(jìn)入開發(fā)中后期，綜合調(diào)整模式的推廣和應(yīng)用進(jìn)一步提高了老油田油氣利用率和開發(fā)效率，具有很高的經(jīng)濟(jì)價值和意義。但與新油田常規(guī)開發(fā)井相比，加密調(diào)整項(xiàng)目具有淺部疏松地層造斜困難、中部硬質(zhì)地層定向困難等特點(diǎn)[2-3]。

當(dāng)前復(fù)雜結(jié)構(gòu)井軌跡控制技術(shù)主要依靠馬達(dá)動力鉆具和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向2種工具實(shí)現(xiàn)，但常規(guī)馬達(dá)軌跡控制精確性差、頂驅(qū)動力傳遞效率低，目前應(yīng)用較廣泛的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具（如斯倫貝謝的PowerDrive、貝克休斯的AutoTrack等）又存在沿程能量消耗多，破巖動力低，鉆具易疲勞和磨損等問題。2020年，南海油田在超壓蓋層提速中應(yīng)用了模塊馬達(dá)配合旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)，提速效果明顯[4]。

在此背景下，A油田結(jié)合自身油藏及井身特點(diǎn)，應(yīng)用模塊馬達(dá)配合旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)，結(jié)合馬達(dá)動力鉆具與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的優(yōu)勢，分析模塊馬達(dá)在A油田提速增效方面的適用性及其推廣使用價值[5-6]。

1 渤海A油田水平井作業(yè)特點(diǎn)

渤海A油田主力油層主要位于上第三系地層的明化鎮(zhèn)組、館陶組地層，地層巖性較硬、可鉆性差。該油田主要采用水平井方式進(jìn)行開發(fā)，普遍存在連續(xù)造斜率高、水垂比大的特點(diǎn)[7-8]。使用常規(guī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)井軌跡控制技術(shù)無法滿足要求，具體表現(xiàn)如下。

（1）淺部地層造斜困難。A油田水平井鉆井要求連續(xù)造斜率高，設(shè)計造斜點(diǎn)較淺，但淺部地層松軟，膠結(jié)強(qiáng)度低，井眼沖刷嚴(yán)重，難以保證較高的造斜率[9-10]。

（2）摩阻扭矩大，鉆壓傳遞困難。摩阻扭矩隨著水平井井深的增加而遞增，深部地層隨著井斜增加，采用馬達(dá)滑動鉆進(jìn)方式嚴(yán)重影響鉆壓傳遞，鉆頭彈性接觸井底托壓頻繁，這不僅嚴(yán)重制約了機(jī)械鉆速，而且容易造成粘卡和井下工具損壞[11-12]。

（3）鉆具易疲勞損傷。造斜點(diǎn)越淺，鉆桿疲勞所需的最低彎曲應(yīng)力幅越小，較小的狗腿度即可達(dá)到損傷累積極限，井越深越易導(dǎo)致鉆具損傷及斷裂[13]。

（4）井眼清潔困難。淺層水平井斜井段及水平段較長，尤其井斜角分布在45~65°的井段井眼清潔困難，易引起井下復(fù)雜情況。優(yōu)選旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向保證鉆進(jìn)時整個鉆柱處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，有利于攜砂[14]。

（5）井下動力不足。深部地層地質(zhì)情況復(fù)雜，鉆具剛性變差，軌跡控制難度大。對于一些地質(zhì)情況與井眼軌跡復(fù)雜的井，馬達(dá)的軌跡控制能力無法滿足時，就必須使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具。利用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，可以避免滑動鉆進(jìn)帶來的問題，但是其價格昂貴，且與螺桿鉆具相比，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具組合鉆頭難以獲得較高的轉(zhuǎn)速，鉆具動力不足，鉆速較低，影響了鉆井速度及效率[15]。

在這種情況下，將馬達(dá)動力鉆具與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向優(yōu)勢相結(jié)合，著力提高機(jī)械鉆速，縮短鉆井周期，這對于提質(zhì)增效就更加重要。

2 模塊馬達(dá)工作原理及參數(shù)

模塊馬達(dá)是一種大扭矩高溫螺桿鉆具，可以提供理想的鉆頭轉(zhuǎn)速，與常規(guī)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向、馬達(dá)鉆具相比，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向+超級馬達(dá)鉆具有以下幾個方面的優(yōu)勢：（1）旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具軌跡控制操作簡單；（2）近鉆頭井斜與連斜數(shù)據(jù)，軌跡實(shí)時監(jiān)測；（3）高旋轉(zhuǎn)速度和扭矩傳送至鉆頭，大幅提高機(jī)械鉆速；（4）井眼軌跡光滑，降低卡鉆等風(fēng)險[16-18]。以A油田使用的模塊馬達(dá)為例。

2.1 工作原理

模塊馬達(dá)與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)采用模塊扣連接，保證了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)下傳指令和上傳測量數(shù)據(jù)的通訊順暢，保障了系統(tǒng)的正常工作。此外，通過模塊馬達(dá)配合旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向+PDC鉆頭，將輸送給鉆頭的轉(zhuǎn)速由頂驅(qū)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變成“頂驅(qū)轉(zhuǎn)速+馬達(dá)轉(zhuǎn)速”。

2.2 技術(shù)參數(shù)

模塊馬達(dá)所提供的轉(zhuǎn)速與排量呈線性關(guān)系，在工具所適用的排量范圍內(nèi)，排量越大，馬達(dá)轉(zhuǎn)速越高，見表1。同時，模塊馬達(dá)所適宜的地層溫度不宜高于160°C（D型定子）或190°C（F型定子），鉆井液含砂量宜控制在1%以內(nèi)。

表1 模塊馬達(dá)技術(shù)參數(shù)

3 應(yīng)用效果分析

3.1 應(yīng)用實(shí)例

以A油田具有代表性的兩口大位移水平井X6H和X7H井為例，兩口井的8-1/2"水平段均位于明化鎮(zhèn)組的同一地質(zhì)砂體（N1mLII-XX40），基本資料對比見表2。

對比分析X6H井和X7H井，由表2可知。

表2 基本資料對比

（1）鉆頭選型一致：相同型號8-l/2"PDC鉆頭。

（2）地層信息一致：明化鎮(zhèn)組相同地質(zhì)砂體。

（3）垂深、穩(wěn)斜角基本一致。

（4）水垂比X6H井較大，說明相同垂深下X6H井水平位移更大，軌跡相對更加復(fù)雜。

（5）鉆具組合不同：X6H井采用了6-3/4"模塊馬達(dá)。

在此基礎(chǔ)上，兩口井的實(shí)鉆效果見表3。

表3 實(shí)鉆效果對比

對比分析X6H井和X7H井實(shí)鉆效果可知。

（1）排量差異較小。

（2）鉆壓：X6H井相對較小。

（3）頂驅(qū)轉(zhuǎn)速：X6H井較小。

（4）鉆頭轉(zhuǎn)速差異較大：X6H采用模塊馬達(dá)，約是X7H井的2.5倍。

（5）機(jī)械鉆速：X6H井是X7H井的2.46倍。

“鉆壓是影響機(jī)械鉆速的關(guān)鍵參數(shù)，理想條件下，鉆井速度和鉆壓是成正比例的；此外，通過提高轉(zhuǎn)速，才能達(dá)到預(yù)期的鉆探效率。”可在排量基本一致的基礎(chǔ)上，關(guān)鍵參數(shù)中鉆壓和頂驅(qū)轉(zhuǎn)速對X7H井相對更為有利，唯獨(dú)鉆頭轉(zhuǎn)速差異較大且對X6H井更有利。

綜上所述，模塊馬達(dá)的應(yīng)用將X6H井鉆頭轉(zhuǎn)速提高了近1.5倍，使得X6H井在水垂比高、井眼軌跡相對復(fù)雜的前提下，在更長的鉆頭進(jìn)尺下保持了更高的機(jī)械鉆速，且機(jī)械鉆速較X7H井提高了1.46倍。由此可見，模塊馬達(dá)的提速效果明顯，對A油田較為適用。

3.2 模塊馬達(dá)適用性分析

結(jié)合A油田淺層水平井作業(yè)特點(diǎn)，模塊馬達(dá)具有以下適應(yīng)性及推廣優(yōu)勢。

3.2.1 顯著提高鉆頭轉(zhuǎn)速，在軟地層可有效提高機(jī)械鉆速

由于海上油田叢式井井網(wǎng)密集，軌跡復(fù)雜，因此多使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向，但旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具受鉆井設(shè)備、摩阻扭矩限制，轉(zhuǎn)速較低，一定程度上制約了機(jī)械鉆速，而模塊馬達(dá)能為PDC鉆頭提供2~3倍的高轉(zhuǎn)速。A油田油藏埋深較淺，地層偏軟，高轉(zhuǎn)速更有利于獲取較高機(jī)械鉆速，因此模塊馬達(dá)在軟地層較為適用。

3.2.2 大幅降低摩阻扭矩

模塊馬達(dá)可以在保證鉆頭轉(zhuǎn)速的前提下適當(dāng)降低頂驅(qū)轉(zhuǎn)速，可以有效避免鉆具高轉(zhuǎn)速下摩阻扭矩過大的問題，保證了鉆壓的正常傳遞，減少了使用馬達(dá)動力鉆具定向、增斜或扭方位過程中的脫壓問題。

3.2.3 有效保護(hù)鉆具

模塊馬達(dá)在水平段、大位移井中可以有效地減小鉆具轉(zhuǎn)速，降低摩阻和扭矩，保護(hù)鉆具避免疲勞損傷，從而有效降低井下事故發(fā)生的概率。

3.2.4 提高井眼清潔能力

高轉(zhuǎn)速有利于巖屑攜帶，模塊馬達(dá)可以為底部旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向和鉆頭提供高轉(zhuǎn)速，有利于井底巖屑進(jìn)入環(huán)空，可以有效提高井眼清潔能力。

4 結(jié)論

（1）在此次A油田水平井的應(yīng)用中，模塊馬達(dá)有效地輸送了高鉆頭轉(zhuǎn)速，使得機(jī)械鉆速顯著提高了1.46倍，模塊馬達(dá)在A油田較為適用。

（2）模塊馬達(dá)配合旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向+高效PDC鉆頭在軟地層較為適用，在礫巖、火成巖等硬地層的使用效果需要進(jìn)一步論證。

（3）優(yōu)快鉆井是一個系統(tǒng)工程，建議根據(jù)地層實(shí)際情況，合理選用模塊馬達(dá)，并優(yōu)化鉆井液性能和鉆井參數(shù)，以期更大程度提高機(jī)械鉆速，將模塊馬達(dá)優(yōu)勢最大化。