基于馬達效率表征值的導向鉆井方式優選

孫連坡 庹海洋

中海石油（中國）有限公司天津分公司

目前，導向鉆井方式主要有旋轉導向鉆井和馬達導向鉆井兩種，且二者使用范圍有很大重合區域［1］。與傳統的馬達導向相比，旋轉導向鉆井技術在鉆井過程中，井下工具一直處于旋轉狀態，有利于井眼的清潔以及井壁的光滑、提高水平段的延伸能力、提高機械鉆速，尤其適用于深井、大位移井及三維復雜結構井等特殊工藝井的應用［2-5］。但對于定向井、水平位移較小的水平井而言 ，馬達滑動導向鉆井技術具有較大成本優勢。據統計，水平井導向鉆井服務費占總鉆井費用的10%左右，有必要論證低成本、低效率馬達導向鉆井技術與高成本、高效率旋轉導向鉆井技術的經濟平衡點，為選擇導向鉆井方式提供高效、科學依據。

1 導向鉆井方式優選方法

Selection method for steering drilling modes

鉆井平均日進尺是鉆頭每天鉆進的累計長度的平均值，是鉆井效率的直接體現。由于馬達導向鉆井方式效率較旋轉導向鉆井方式效率低，可以用平均日進尺體現兩種導向鉆井方式的效率差異。該效率差異直接導致工期不同、費用變化。針對具體項目，對比兩種導向方式的經濟性，結合馬達導向適用范圍，最終優選出最優的導向鉆井方式。

1.1 相關參數

Relevant parameters

（1）馬達導向平均日進尺Md馬達。Md馬達為特定區塊、井型、井段，使用馬達導向方式鉆井的平均日進尺，是根據多口井實鉆數據統計求取的平均值。

（2）旋轉導向平均日進尺Md旋轉。Md旋轉為特定區塊、井型、井段，使用旋轉導向方式鉆井的平均日進尺，是根據多口井實鉆數據統計求取的平均值。

（3）時間綜合日費Ct。綜合日費C為鉆井作業平均每天產生的鉆井服務、鉆井器材、間接和不可預見費的總和，時間綜合日費Ct是與時間相關的平均每天費用，本文簡化為除鉆井器材費外的日費。

（4）馬達效率表征值E。馬達效率表征值E是一個表征2種導向方式效率差異的百分數，為特定區塊、井型、井段的馬達導向平均日進尺與旋轉導向平均日進尺的比值。

（5）馬達效率表征值平衡點E0。馬達效率表征值E的平衡點E0為2種導向方式總費用相等時的E值。

1.2 優選步驟

Selection procedure

（1）對本地區或類似區塊、井型、井段的實鉆數據進行統計，得到兩種導向方式的平均日進尺Md馬達、Md旋轉。

（2）按照效率表征值E換算由效率差距造成的時間成本，并按照時間綜合日費Ct進行折算，并累加到低效率的馬達導向鉆井方式的費用上。

（3）對比分析旋轉導向方式的費用與折算的馬達導向方式的費用，從而優選出一種經濟性更好的導向方式。

（4）對不同馬達效率表征值E和不同施工周期的情況，按照上述方法進行擴展計算，并制作導向方式日進尺對比法選擇圖版。

（5）根據現場具體情況，核實是否在旋轉導向或馬達導向適用范圍內，最終確定最優的導向鉆井方式。

1.3 優選結果

Selection result

從上面優選過程可以發現，時間綜合日費Ct是馬達導向鉆井折算費用最大影響因素。當時間綜合日費逐漸降低時，馬達導向鉆井折算費用也降低，當降低到兩種導向方式費用相等時，其對應的馬達導向效率表征值E為E0。通過分析可以得到以下結果：

（1）當實際項目的馬達效率表征值E大于平衡點E0時，選擇馬達導向方式（費用更低）；

（2）當實際項目的馬達效率表征值E小于平衡點E0時，選擇旋轉導向方式（費用更低）。

2 導向鉆井方式優選實例

Case of steering drilling mode selection

2.1 參數計算

Parametric calculation

以SZ36-1油田井深小于2 500 m的水平井水平段為例，統計馬達導向和旋轉導向的機械鉆速、日進尺、鉆井周期等參數（見表1、表2）。

根據統計，馬達導向平均日進尺334.2 m，旋轉導向平均日進尺462.5 m。

2.2 馬達效率表征值E和平衡點E0計算

Calculation of motor efficiency characterization value (E) and equilibrium point (E0)

根據統計的2種導向鉆井方式的平均日進尺，代入公式（1），得到馬達效率表征值E為72.26%。E0為2種導向方式總費用相等時的E值，根據計算發現E0隨時間綜合日費的增大呈指數關系增大，具體關系如圖1。

當時間綜合日費為90萬元時，E0大于馬達實際E值72.26%，選旋轉導向鉆井省錢；當時間綜合日費降低為70萬元時，E0小于馬達實際E值72.26%，馬達導向鉆井經濟性更好。

表1 SZ36-1油田水平井水平段馬達導向鉆井數據統計Table 1 Statistics of steering motor drilling data of the horizontal section in the horizontal well in SZ36-1 Oilfield

表2 SZ36-1油田水平井水平段旋轉導向鉆井數據統計Table 2 Statistics of rotary steering drilling data of the horizontal section in the horizontal well in SZ36-1 Oilfield

圖1 效率表征值E敏感性分析Fig. 1 Sensitivity analysis on efficiency characterization value (E)

2.3 選擇圖版繪制

Preparation of selection chart

按照上述方法，針對不同效率表征值E和不同施工周期的情況，分別計算并制作導向方式日進尺對比法選擇圖版（見表3）。假設某井導向施工周期為3 d，馬達效率表征值為73%，在圖版中可以發現位于馬達導向適用區，選擇馬達導向經濟性更好；若施工周期為1 d，馬達效率表征值73%不變，在圖版中可以發現位于旋轉導向適用區，選擇旋轉導向經濟性更好。

表3 日進尺對比法選擇圖版Table 3 Selection chart based on daily footage comparison

針對該區塊、井型，得出結論：（1）馬達效率表征值E≥75%，選用馬達費用低；（2）馬達效率表征值E≤70%，選用旋轉導向的費用低；（3）馬達效率表征值E在70%～75%之間，導向方式決定于導向鉆井施工周期。

2.4 適用范圍校核

Check of application range

渤海油田淺井、深井上部井段通常采用馬達導向鉆井方式，深井下部井段主要采用旋轉導向鉆井方式。馬達導向鉆井最大的技術難點是滑動摩阻大，滑動導向鉆進效率低、風險大。隨著井段的延伸，鉆具各段受到的摩阻增加，當超過一定值時，鉆壓無法有效加至鉆頭上，甚至無法滑動鉆進［6-7］。使用WELLPLAN軟件，根據渤海油田已鉆井經驗，套管內摩擦因數取0.25、裸眼段摩阻因數取0.35，模擬計算不同井深、不同水平段長的水平井的馬達導向鉆井滑動摩阻，見表4。

根據大量已鉆井定向施工經驗和理論分析，當滑動摩阻大于200 kN時，馬達滑動托壓嚴重，鉆進效率低。結合前面滑動摩阻計算結果，得到馬達導向鉆井的適用范圍：（1）井深小于2 000 m的水平井；（2）井深小于2 500 m且水平段長小于450 m的水平井；（3）井深小于3 000 m且水平段長小于150 m的水平井。

表4 不同井深不同水平段長的水平井滑動摩阻值Table 4 Sliding friction of horizontal wells with different well depths and horizontal section lengths

由于SZ36-1油田井深一般小于2 500 m、水平段小于450 m，馬達導向適用該區塊導向鉆井施工，對日進尺對比法選擇馬達導向或者旋轉導向鉆井方式沒有限制。

3 結論及建議

Conclusions and suggestions

（1）馬達導向和旋轉導向鉆井是目前常用的兩種導向鉆井技術，兩者間的經濟性受綜合日費、施工周期、定價機制的影響最大。

（2）平均日進尺比值——效率表征值E體現了2種導向方式效率的差距，結合實際區塊、井型的綜合日費，能夠作為導向鉆井方式選擇的指標，進行快速定量經濟評價；隨著綜合日費的升高，效率表征值平衡點E0逐漸升高，馬達導向鉆井方式的經濟性變差、適用范圍變小，反之亦然。

（3）對特定區塊，需要一定的樣本對馬達效率表征值E進行統計計算，若缺乏實鉆數據樣本，可以借鑒類似區塊、類似井型的相關資料進行經濟評價。

（4）渤海油田幾十口井的實際應用表明，導向方式選擇方法科學合理、快捷方便，繪制的導向方式選擇圖版便于該方法在前期研究、基本設計、項目管理中推廣應用。提出的經濟評價方法適用于鉆完井施工中所有的“兩高、兩低”工藝技術、工具、儀器的快速經濟評價。

（5）建議進一步優化BHA設計，配套價格較低、質量有保障的提速提效工具，大幅提高馬達滑動導向鉆井效率，提高馬達導向鉆井適用范圍，進一步降低鉆井成本。

［1］董星亮，曹式敬，唐海雄. 海洋鉆井手冊［M］. 北京：石油工業出版社，2011：304-308.

DONG Xingliang, CAO Shijing, TANG Haixiong. Ocean drilling handbook［M］. Beijing: Petroleum Industry Press, 2011: 304-308.

［2］熊偉，李根生. 轉速控制導向技術在非常規油氣藏中的應用［J］. 石油機械，2013，41（10）：104-107.

XIONG Wei, LI Gensheng. Rotation speed-controlled steering drilling technology［J］. China Petroleum Machinery, 2013, 41（10）: 104-107.

［3］徐泓，劉匡曉，郭瑞昌，司娜，楊峰，蔡瑞達. 旋轉導向技術在元壩超深水平井的應用［J］. 鉆采工藝，2012，35（2）：25-27.

XU Hong, LIU Kuangxiao, GUO Ruichang, SI Na,YANG Feng, CAI Ruida. Application of rotary steering technology in ultra-deep horizontal well in Yuanba Area［J］. Drilling & Production Technology, 2012, 35（2）: 25-27.

［4］高德利，狄勤豐，張武輦. 南海西江大位移井定向控制技術研究［J］. 石油鉆采工藝，2004，26（2）：1-4.

GAO Deli, DI Qinfeng, ZHANG Wunian. Study on directional control technology for Xijiang Extended-reach Wells in South China Sea［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2004, 26（2）: 1-4.

［5］田志欣，李文金，雷鴻，高天云，黃南.大位移定向鉆井工藝在PY10-8/5油田的應用［J］.石油鉆采工藝，2017，39（1）：42-46.

TIAN Zhixin, LI Wenjin, LEI Hong, GAO Tianyun,HUANG Nan. Application of extended-reach directional well drilling technology in PY10-8/5 Oilfield［J］. OIL Drilling & Production Technology, 2017, 39(1): 42-46.

［6］梁奇敏，周芷儀，吳秋來，何奇，劉新云，耿東士.淺談螺桿鉆具的選擇［J］.石油機械，2017，45（2）：28-31.

LIANG Qimin, ZHOU Zhiyi, WU Qiulai, HE Qi, LIU Xinyun, GENG Dongshi. Discussion on the selection of PDM［J］. China Petroleum Machinery, 2017, 45(2): 28-31.

［7］李龍，王磊，王成林，陳聰，劉和興. Power Drive Xceed新型旋轉導向工具在南海西部的首次應用［J］. 石油鉆采工藝，2010，32（5）：24-27.

LI Long, WANG Lei, WANG Chenglin, CHEN Cong, LIU Hexing. First application of the new-style rotary steering tool, Power Drive Xceed, in west of South China Sea［J］.Oil Drilling & Production Technology, 2010, 32（5）: 24-27.