在開發(fā)阿根廷Vaca Muerta頁巖資源的過程中，采用先進的鉆具加壓設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)績效，使石油公司能夠突破大位移水平井完井的技術極限。2017年，YPF（阿根廷國家石油公司）的高管要求工程師們在全球市場上采購最先進的鉆具加壓設備，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）技術在阿根廷成功進行了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頁巖儲層的深度為3000米左右，面積超過30000平方千米，儲層質量非常高，與美國的幾個頁巖地層，如Eagle Ford，Marcellus和Bakken的儲量相當。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。盡管最初的鉆井會戰(zhàn)是以打直井來進行的，但石油公司在2014年轉向打水平井，對水平段實施完井。
為了提高非傳統(tǒng)儲層的生產(chǎn)效率，油井設計的越來越深，水平段設計越來越長，見圖2（Vaca Muerta頁巖井的數(shù)量按年分布和水平段長度的情形展示）。基本的前提是，更長的水平段能讓石油公司安排更多壓裂級，最終能夠帶來更高的油井產(chǎn)量和相應的投資回報。這一技術和經(jīng)濟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)進行了良好的復制。
圖2
YPF公司副總裁Juan Manuel Ardito解釋說，“為了降低項目的開發(fā)成本，在YPF公司我們的主要驅動力之一就是向著更長的水平段進發(fā)。2022年，我們達到了自Vaca Muerta頁巖開發(fā)以來平均水平段長度最長的開發(fā)水平，包括一口水平段長度4420m的井，它是該盆地中水平段最長的一口井，見圖3（YPF的主管第一次出現(xiàn)在AESA子公司HCU鉆機的完井施工現(xiàn)場）。”
他指出，“每天，我們都在試圖攻克鉆井極限，但我們也需要應對完井帶來的挑戰(zhàn)。由我們的全資子公司AESA合并組成的鉆具加壓設備是實現(xiàn)這一目標的關鍵所在。在YPF公司的運營中，我們正在努力將阿根廷打造成全球能源供應商，我們在Vaca Muerta頁巖開發(fā)中的表現(xiàn)為我們提供了這一獨特的機遇。”新技術的引入，如鉆具加壓設備，將引領我們提高當?shù)氐挠蜌忏@探能力，改善我們在北美以外唯一的非傳統(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)象限制了機械鉆速。隨著水平段的延長，這種摩擦接觸力會自然增大，因而就會限制連續(xù)油管設備延續(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、剛硬的鉆具設計和BHA（井底鉆具組合）振動工具等。所有先前采用的方法都是為了使各公司大幅突破技術極限，力爭施工更長的水平段。不過，上述工藝都存在著一個機械上和經(jīng)濟上的邊界，對此，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子公司組建了一個多學科技術團隊，設計并執(zhí)行了一項國際評估流程。該流程將確定所展示的技術，使兩家公司能夠在大位移水平井完井和修井市場中有效地保持領先地位。
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，或將管柱舉出井眼，如果不施加限制力或外力，鉆具就無法繼續(xù)下井，此時，需要對鉆具下入施加向下的壓力。自上世紀50年代以來，鉆具加壓設備一直存在于該行業(yè)中，鑒于這種設備對正在生產(chǎn)的油井具有的干預能力，通常主要涉及井身結構、井眼軌跡完好性問題、操作突發(fā)事件和井控險情等工況。這就是很久以前，在過去十年中，該技術已被升級為一種能進行更長井段頁巖銑削操作、具有先進安全機制、且具備工廠化生產(chǎn)模式的完井工具。
液壓動力鉆機設備HCU
這種設備能夠執(zhí)行各種油井干預作業(yè)，包括鉆具加壓，但它們具有的獨特的效率和安全組件設計，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優(yōu)點：完井管柱可旋轉；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；可單獨質檢和更換完井管具或接頭（相對于CTU裝置，如果處理不當，卷筒會受損或加速損壞）
當HCU技術在阿根廷本地進行評價時，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；壓裂塞研磨時磨掉或損壞油管BHA（井底鉆具組合），包括井下馬達卡在水平段；油管卡在水平段，以及液壓斷開故障。
在評估這些挑戰(zhàn)時，結合YPF公司曾設想的油井設計前景和美國之前的先例，很明顯將需要HCU設備。這就意味著能夠突破當前的技術極限，但通過研究現(xiàn)有數(shù)據(jù)，還旨在HCU設備能在某些環(huán)節(jié)優(yōu)于目前的CTU技術，并為從未探索過的其它優(yōu)化造斜角度的問題開辟一個窗口。見圖4（鉆具加壓與連續(xù)油管之間不同應用的性能標準比較）。
圖4
一項新的旨在完成正在生產(chǎn)的大位移井的著陸技術自然非常具有挑戰(zhàn)性。在一個幾乎沒有鉆具加壓先例的國家，這樣做意味著尋找和培訓合適的人員將成為最為關鍵的安全和績效驅動因素。考慮到這一可變因素，經(jīng)過國際評估過程后，AESA決定與DWS合作。DWS的總部位于美國賓夕法尼亞州，專門從事長水平段、高壓、多井完井技術，最重要的是專業(yè)培訓。憑借IADC認可的能力計劃，一項具有API Q2 / ISO-9001認證的質量管理體系程序以及一個具有豐富鉆具加壓經(jīng)驗的管理團隊，非常適合介入Vaca Muerta頁巖開發(fā)項目。
攻克多項挑戰(zhàn)技術
在阿根廷，HCU技術成功實施了不同的、前所未有的完井作業(yè)，攻克了多項技術挑戰(zhàn)，為簡化完井契機奠定了基礎。
單選修井鉆機。AESA S-01 HCU搭載在一臺帶有起重機的卡車上，能夠從一口井擺越到另一口井，顯著提高了多井平臺的施工效率。這需要在第一口井進行常規(guī)的設備安裝，而從該點位到后續(xù)的井，作業(yè)人員只需從該井口拆下主防噴器法蘭，然后移動整個鉆機，擺到下一口井的位置，同時保持所有的支持設備處于原先的位置。使用這種方法和技術，每口井的設備安裝和拆卸時間可節(jié)省約50%。
自流井的干預措施。在一口正在生產(chǎn)的井下入管柱有著諸多好處，當出現(xiàn)地層受損時，因為沒有流體嵌入儲層或向儲層補充。因此，地層狀況保持原封不動的狀態(tài)。但如果生產(chǎn)井處于自流狀態(tài)時進行作業(yè)，那么加壓技術的這些自然優(yōu)勢就會進一步顯現(xiàn)出來。AESA將井口與生產(chǎn)管線相連接，對45口井中的11口實施了完井作業(yè)，因此省去了生產(chǎn)過程中的非生產(chǎn)時間，降低了石油公司的總成本。同時，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)時還能實現(xiàn)更高的起下速度。
單只鉆頭一次下井實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整個管柱、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，井眼凈化和旋轉技術的改善，也使HCU鉆機在美國95%的作業(yè)中達到了總井深，水平段長度超過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鉆機和支持設備）。
圖5
這與CTU設備有很大不同，CTU在大位移水平完井井段施工時需要兩次、三次甚至四次下井實施完井作業(yè)。AESA S-01鉆機在總計45口井的完井作業(yè)中完成了8口，水平段長度在2839m至3915m之間，都是一只鉆頭一次下井實施了完井作業(yè)。這8口井中的兩口還出現(xiàn)了套管變形的情形，但這并沒有給實施HCU技術帶來任何困難。
初步的鉆塞結果和優(yōu)化機遇。從第一口井到第八口井的鉆塞作業(yè)，時間縮短了40%。這是通過與YPF和DWS攜手合作獲得的一個更為清潔的井眼所實現(xiàn)的，井眼清潔與否對機械鉆速有著很大影響。相關的升級內(nèi)容如下：
作業(yè)流體和化學品管理：由于沒有關于HCU研磨壓裂塞的本地數(shù)據(jù)，作業(yè)開始復制一些常用的二疊紀流體配方和泵送方案。根據(jù)測量的機械鉆速結果，對減摩劑和黃原膠（用于產(chǎn)生粘性掃描的化學物質）的用量進行了校準。同時，調整了循環(huán)方案和掃描頻率。
HCU的操作與回流的協(xié)調：當下入管柱遇卡時，添加一根管具時，保持正確的井壓至關重要。這就意味著HCU操作員，泵操作員和回流操作員必須進行實時溝通，以完美的協(xié)調動作執(zhí)行操作。這在進行CTU操作時是不需要的，因此，要求回流操作員有一個簡短的學習曲線。一旦達到這一點，就會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，以及仍在經(jīng)歷一個學習曲線后，改進操作仍有一定空間。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習曲線進行作業(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盆地每小時超過60根鉆具起下速度的關鍵績效指標（KPI），這是阿根廷作業(yè)人員的中短期目標。
更快速的水平段銑削：盡管井的平均銑削速度為每小時7.5個單根的KPI，但整體的鉆井參數(shù)仍然可以調整，以進一步推進水平段的機械鉆速。
實時數(shù)據(jù)驅動的流體管理：由于涉及如此多的變量，因此能夠根據(jù)機械鉆速以及現(xiàn)場回流碎屑的質量和數(shù)量來優(yōu)化化學品的使用至關重要。這需要一個操作和流體參數(shù)的實時監(jiān)控系統(tǒng)，以實現(xiàn)快速和高頻次的校準。
隨著水平段越來越長，本地人員獲得了所需的能力，隨著AESA的S-01 HCU鉆機和未來更多設備的到來，預計完井工作量將繼續(xù)保持增長。在短期內(nèi)，計劃要對YPF的293個平臺井進行完井施工，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4398m）。AESA和DWS正在集合兩家公司的經(jīng)驗和資源，以釋放HCU技術在阿根廷的全部潛力，復制在美國所產(chǎn)生的出色成果的演進模式。
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