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攻克旋转导向钻井技术 产业化助力石油勘探可持续发展

2020-09-21

 

在近20年的油气勘探开发中,旋转导向钻井和随钻测井已经成为关键和必需的技术,也成为引发页岩油气革命的关键技术能力。该技术和产品通过在井下钻具中嵌入复杂的通讯、测量、控制和分析模块,把钻头升级为在岩层中穿行的制导系统,能够在钻井过程中实时测量辨识钻遇地层,高效率、高精度控制调整三维井眼轨迹,完成复杂三维定向井、大位移水平井和高密度丛式井的开发任务。旋转导向和随钻测井技术的广泛应用,解锁了大量二三十年前无法开采的复杂油气藏,10年间旋转导向在全球定向井市场中的占比从35%激增至75%,市场规模已稳定在每年100亿美元以上。
由于高新技术密集、研发难度极大、制造工艺复杂,旋转导向和随钻测井技术一直以来被以斯伦贝谢、贝克休斯、哈里伯顿为代表的国际三大油田技术服务巨头高度垄断,占据 90% 以上的市场份额。在国内服务市场上进口技术也占据绝对主导地位,特别是我国海上市场被国外技术完全垄断长达12年。进口产品的购置、运维成本畸高,周期冗长,已直接制约了我国油气资源的勘探开发能力,也间接限制了国内相关企业的发展。随着我国深水、深层油气资源勘探开发的全面开展,该领域技术制约将愈显严重,成为中国石油行业必须攻克的核心关键技术。
中国海洋石油集团(简称中国海油)下属中海油田服务股份有限公司(简称中海油服),在国家863计划和国家重点研发计划支持下,持续攻关一系列高端测井和定向井关键核心技术,已经实现了随钻测井和旋转导向技术上的突破,形成了Drilog®随钻测井和Welleader®旋转导向仪器家族体系(以下简称D+W),涵盖了海洋油气勘探开发中对于多种地层物性参数、多种井眼尺寸规格、多种定向井轨迹设计的完整需求。仪器体系已经通过工程化技术检验,进入产业化阶段开始持续海上作业。
 
1 技术攻关难度与挑战
旋转导向钻井技术是石油勘探开发中的高技术密集领域,被誉为“皇冠上的明珠”,具有高技术、高工艺、高可靠性的特点。旋转导向钻井系统集机械、电子、软件为一体,涵盖地球物理方法、声/电/核/磁理论、电子工程、自动化控制、信号处理、数值模拟与仿真、计算机软件工程、结构力学、材料科学、液压系统等诸多学科领域;加工组装工序达1 000余道,测试标定试验40余项;其作业环境极其恶劣:最高温度150℃、最大环境压力140 MPa、持续振动20 grms,单井作业连续工作时长达200小时。
以旋转导向液压控制单元为例,需要在钻头高速旋转破岩条件下产生一个精确、稳定、强大的侧向推力矢量,导引井眼轨迹准确按照地面控制指令偏转。如图1所示,功能由包括13块独立功能井下高温电路、700多个机械零部件、2 240个电子元器件、1.3万行程序代码共同实现;涉及导向力闭环自动控制、近钻头惯性测量技术、非接触能量信号传输、缸压闭环控制驱动技术、闭式微型液压执行系统、泥浆润滑金刚石轴承等10余项关键技术。作业中,任何一个元器件故障、一行程序代码错误,都会直接导致仪器失效起钻甚至井眼回填报废,引起几十万甚至上千万元的经济损失,其研发面临巨大挑战。
 
2 中国海油旋转导向系统现状
2008年,中国海油旋转导向和随钻测井系统研发项目正式立项,2014年,自主研发的旋转导向钻井系统(Welleader®)和随钻测井系统(Drilog®)在渤海试作业成功,2015年,完成首次商业化水平井批钻应用,同年开始进行产业化应用推广。目前,该系统已在渤海、东海、南海东部、南海西部等国内海上油田和大庆、胜利、山西、陕西、新疆、青海、四川、永页(重庆)等陆地油田成功应用。
 2.1 自主技术体系的建立
中国海油以自主开发为主,建立了统一的旋转导向钻井系统平台,从样机开发功能改进、可靠性测试、适用性改进到现场测试,逐渐建立自有的技术体系,形成持续发展的能力。旋转导向钻井系统构建在统一的系统平台上,由Drilog® 随钻测井系统和 Welleader® 旋转导向系统两部分组成,形成具备地质导向功能的旋转导向钻井系统。系统总体结构如图2所示,其主要构成单元包括地面数据采集处理系统、指令下传装置(CDL),随钻测斜仪MWD、井下工程参数测量仪DSM、自然伽马/电磁波电阻率一体化测井仪 ACPR、涡轮发电机TG以及旋转导向工具等井下仪器。该系统通过泥浆正脉冲数据上传和CDL指令下传实现了地面与井下的双向数据通讯。
目前,中国海油自主旋转导向钻井系统技术体系(表1)已经初见雏形,拥有完整的地面系统和MWD/LWD井下工具和RSS井下工具。其中,“MWD+LWD四条线(电阻率、伽马、中子、密度)+旋转导向”组合已经在作业中成熟应用,高造斜率旋转导向、垂直造斜、防斜打直、近钻头方位伽马测量、模块式提效马达等功能逐渐成熟。同时,方位电磁波电阻率探边、地层测压、随钻声波相继投入商业化使用。675和800规格系列均已进入产业化应用阶段。475规格小井眼系列四条线探边加旋转导向组合已实钻实验成功,即将投入试作业。至此,中国海油已经具有了3种规格系列仪器(图3),可满足6”、8½”和12¼”井眼尺寸的作业要求,具备完整井身结构作业能力。
2.2 核心研发团队发展
人才队伍建设是自主技术体系研发的核心。中国海油旋转导向技术研发团队有215人,其中,国家科技人才3人,教授级高工9人,硕士以上占比58%,高级工程师占比42%,45岁以下占比84%(图4);人员具有高学历、年轻化特点,涵盖机械、电子、软件、测井方法等诸多专业。团队拥有技术发明专利201项(旋转导向钻井系统的导向力测控装置及导向力标定方法,ZL201210282886.4;一种旋转摆动导向钻井系统的推靠臂,ZL201510041270.1等),获“十二五”中国海油科技创新先进集体和中海油服“卓越团队”荣誉称号、中国海油科技进步奖特等奖1项,在2019年斩获天津市科学技术进步奖特等奖。
中国海油和国内外多所知名院校建立了广泛合作,在北美、新加坡、成都、西安建立了联合实验室。此外,中国海油还培养了专业的旋转导向技术设备制造团队、仪器维保团队、现场作业团队、解释团队,各团队之间分工明确、精诚协作,有效保证了旋转导向仪器从研发、制造、维保到作业各个环节的顺利进行。
2.3 实验条件能力建设
石油勘探面临严苛的作业环境,对仪器的准确性、可靠性要求高,实验能力建设是仪器能够经受现场环境考验的关键因素之一。
2012年在6月,中国海油在河北燕郊建成了中海油服科技园(图5), 用于旋转导向钻井系统装备研制的科研设计、装配调试、试验和测试。科技园占地4.5公顷,建筑面积1.2万平方米,分为总装联调工作区、钻井工况模拟测试区、刻度井群实验区、感应仪器刻度测试与高温超高压实验区和测井仪器功能实验井,具备旋转导向/随钻仪器整机振动冲击测试、3 000 m地面循环测试、水泥靶水平实钻测试、综合仪器刻度井群、感应测井盐水罐刻度、高温高压测试、3 200 m实井测试等能力,是中国重要的旋转导向系统试验测试设施,能力和技术水平达到国际前列。
为了使仪器测试更接近于作业现场,2015年10月,中国海油在新疆轮台实钻实验基地(图6)建成70D“探索者”钻机系统,是具有国际先进水平的研发实验专用固定井场。实钻基地具备7 000 m井深实钻测试能力和超过100口定向井试验容量,井场实验室配备L4级装配和完整的机电液实验室,实钻基地具有完整井队配置,已累计完成28井次实钻实验测试。新研发的仪器进行试作业之前,都会在基地进行实钻试验,对仪器的性能指标和稳定性进行验证,降低试作业风险,为仪器稳定性测试、推向现场作业提供强有力的支撑和保障。
2.4 仪器作业能力验证
在多口井的实钻作业中,旋转导向钻井系统的作业能力得到充分验证。实钻结果表明,中国海油的随钻测井系统Drilog®工作稳定,井眼轨迹控制准确,测井曲线质量优良,满足随钻地质导向和地层评价应用的要求;旋转导向系统Welleader®工作稳定可靠,常规版本造斜能力可达 6°/30 m,高造斜率版本造斜能力可达 12°/30m,近钻头井斜数据准确,可满足现场作业的需求。用3个典型的作业实例进行介绍。
案例1:南海东部某井12¼”井段水平井着陆作业
南海东部某井A的12¼”井段是一口着陆水平井段。作业采用旋转导向Welleader®+随钻两条线进行作业,井深范围为1 4372 437.3 m,需同时进行增斜、扭方位,井斜变化范围42°89°,方位变化范围24°123°。在测深1 821 m、2 431 m和2 721 m处分别与临井存在防碰风险,工程难度系数较大。Welleader®在实钻过程中可以提供连续稳定的造斜能力,以平均3.06°/30 m的造斜率钻至着陆深度,纯钻时间40.03小时,循环时间97.98小时。验证了950型Welleader®仪器在大井斜情况下的造斜、扭方位的能力。该井实钻轨迹如图7所示。
案例2:南海西部某井8½”井段四条线+旋转导向作业
南海西部某井B是一口探井,其8½”井段使用旋转导向 Welleader®+ 四条线随钻测井进行钻进作业,井深范围1 764.52 668.0 m,循环时间60.08小时,纯钻时间30.02小时,使用一趟钻完成。四条线测井曲线质量优良,旋转导向工作稳定,测量准确。部分测井图如图8所示。
案例3:渤海某井8½”井段储层探边+旋转导向
渤海某调整井C的8½”井段为水平段作业,使用675型旋转导向Welleader®+自研电阻率探边工具一趟钻完成。探边工具在位于砂岩时显示储层均质性较好,上下部层界面显示清晰,地层厚度提示准确,如图9所示。根据探边显示储层明显上倾,参考过井地震剖面,倾角约为1.5°。旋转导向在钻进过程中近钻头井斜测量准确,轨迹调整及时可靠。钻进过程中采用远程传输支持系统(RTC)将数据实时传送至陆地解释中心,由地质导向工程师根据实钻地层信息下发作业指令,顺利完成作业。
 
3 成果产业化与应用推广
仪器研发成功后,产业化推广面临巨大挑战:产业化推广涉及多个部门协同工作,包括研发、制造、维保、作业及解释人员;制造工艺及机加工产出能力的限制;全套的制造体系、维保体系、作业体系的建立及配套人员的培训;技术支持能力的建设;作业故障的解决及技术迭代升级等。
3.1 “一体化”科研成果转化模式
中国海油于2016年成立了横跨研发、制造、维保、作业、解释等多部门的旋转导向成果转化“一体化项目组”,投入工程师近200名,横向打通各个职能部门之间的隔阂,提高产业化效率。在制造能力方面,全面升级自有高端精密机械加工能力,电路板采用全自动上线电装测试,大幅提高生产效率和可靠性。在故障跟踪方面,建立故障跟踪关闭制度,建全闭环管控流程,促进仪器的技术升级和迭代。在支持体系方面,在塘沽、深圳、湛江、燕郊建立多个D+W维保车间,可自主完成L2级维保;建立远程专家实时支持系统,采用24小时在线值班、专人专井的技术支持方式与现场作业进行无缝对接;建立了对D+W全覆盖的培训体系,累计面向现场工程师和维保工程师开设培训班12次,累计培训300余人次;在现场作业方面,各作业公司成立旋转导向产业化应用示范队,参与仪器作业准备、实钻实验及试作业。
通过“一体化”科研成果转化模式,中国海油自主随钻测井和旋转导向技术作业井次快速上升、累计作业进尺迅速增加,一次入井成功率稳步提高、作业故障率明显下降,如图10所示。
3.2 规模作业应用能力
中国海油的随钻和旋转导向在取得技术突破后,在产业化过程中聚焦技术系列化规模化,逐步完整尺寸规格、完善功能性能,已经在国内率先实现规模作业应用能力。作业功能种类上,两条线、四条线随钻测井与旋转导向组合大量应用,电阻率探边、随钻测压、随钻声波等高端技术实现突破;作业区域分布上,已遍布我国四海及陆地主要油气田,可提供多种井眼尺寸作业,成为解决复杂油气田开发挑战的一把利器。
目前,中国海油已批量制造装备了60串Drilog®和40串Welleader® 仪器,以及24套地面操控系统,可同时满足24个作业队伍作业,具有年产30串旋转导向系统的能力。截止2020年3月,累计作业359井次,累计进尺35万m,累计循环时间超3.2万小时,单趟进尺达到2 482 m,最高造斜率达10.0°/30 m。作业的总进尺规模、功能复杂程度和区域分布均呈现大幅增加的趋势,表明已经进入了加速发展的技术成熟期和产品成长期。图11为旋转导向的作业规模增长趋势(年度总进尺),图12是作业中功能类型和区域的分布。
 
4 下一步发展目标
在仪器系列化发展方面,实现旋转导向钻井系统的全尺寸规格系列、四条线+探边的全功能覆盖、12 bps速率泥浆脉冲遥传,突破随钻电成像、地层测压取样、核磁等高端功能。通过更大规模的应用加速技术迭代,作业稳定性达到国际先进水平。在现有推靠式基础上,研发指向式原理的旋转导向,实现对软硬差异地层的全适应能力。攻关高温高压技术系列,以满足对深海、深地、深层油气开发的技术需求。
在旋转导向产业化方面,加强精密机械加工能力建设,实现全面工艺覆盖度;建立四海的远程专家技术支持中心,实现7﹡24在线支持能力;建立多个高级别的维保中心,实现分布式运维能力。争取3年实现100串/年(20亿产值)以上的规模制造能力,400井次/年以上的规模作业能力,将中国海上作业占比提升至60%以上。
 
结束语
中国海油旋转导向钻井系统的成功研制和应用,打破了国外技术对国内市场的长期垄断,终结了国外公司在随钻测井和旋转导向技术服务市场的垄断地位和“暴利时代”。为我国海上特别是深水油气资源的勘探开发,以及我国油田服务企业的发展壮大提供有效的技术支撑,同时也可为我国旋转导向钻井技术和随钻测井技术的持续发展和产业链建设奠定良好的基础。