模块马达在A油田水平井中的应用

魏玉印，宋 瑞，宋峙潮，张作伟，吕 静

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

油田的综合调整是在现有井场分布的基础上进行井网加密，达到挖潜剩余油、提高采收率的目的[1]。目前渤海区域大部分油田已进入开发中后期，综合调整模式的推广和应用进一步提高了老油田油气利用率和开发效率，具有很高的经济价值和意义。但与新油田常规开发井相比，加密调整项目具有浅部疏松地层造斜困难、中部硬质地层定向困难等特点[2-3]。

当前复杂结构井轨迹控制技术主要依靠马达动力钻具和旋转导向2种工具实现，但常规马达轨迹控制精确性差、顶驱动力传递效率低，目前应用较广泛的旋转导向工具（如斯伦贝谢的PowerDrive、贝克休斯的AutoTrack等）又存在沿程能量消耗多，破岩动力低，钻具易疲劳和磨损等问题。2020年，南海油田在超压盖层提速中应用了模块马达配合旋转导向技术，提速效果明显[4]。

在此背景下，A油田结合自身油藏及井身特点，应用模块马达配合旋转导向技术，结合马达动力钻具与旋转导向的优势，分析模块马达在A油田提速增效方面的适用性及其推广使用价值[5-6]。

1 渤海A油田水平井作业特点

渤海A油田主力油层主要位于上第三系地层的明化镇组、馆陶组地层，地层岩性较硬、可钻性差。该油田主要采用水平井方式进行开发，普遍存在连续造斜率高、水垂比大的特点[7-8]。使用常规复杂结构井轨迹控制技术无法满足要求，具体表现如下。

（1）浅部地层造斜困难。A油田水平井钻井要求连续造斜率高，设计造斜点较浅，但浅部地层松软，胶结强度低，井眼冲刷严重，难以保证较高的造斜率[9-10]。

（2）摩阻扭矩大，钻压传递困难。摩阻扭矩随着水平井井深的增加而递增，深部地层随着井斜增加，采用马达滑动钻进方式严重影响钻压传递，钻头弹性接触井底托压频繁，这不仅严重制约了机械钻速，而且容易造成粘卡和井下工具损坏[11-12]。

（3）钻具易疲劳损伤。造斜点越浅，钻杆疲劳所需的最低弯曲应力幅越小，较小的狗腿度即可达到损伤累积极限，井越深越易导致钻具损伤及断裂[13]。

（4）井眼清洁困难。浅层水平井斜井段及水平段较长，尤其井斜角分布在45~65°的井段井眼清洁困难，易引起井下复杂情况。优选旋转导向保证钻进时整个钻柱处于旋转状态，有利于携砂[14]。

（5）井下动力不足。深部地层地质情况复杂，钻具刚性变差，轨迹控制难度大。对于一些地质情况与井眼轨迹复杂的井，马达的轨迹控制能力无法满足时，就必须使用旋转导向工具。利用旋转导向钻井系统，可以避免滑动钻进带来的问题，但是其价格昂贵，且与螺杆钻具相比，旋转导向钻具组合钻头难以获得较高的转速，钻具动力不足，钻速较低，影响了钻井速度及效率[15]。

在这种情况下，将马达动力钻具与旋转导向优势相结合，着力提高机械钻速，缩短钻井周期，这对于提质增效就更加重要。

2 模块马达工作原理及参数

模块马达是一种大扭矩高温螺杆钻具，可以提供理想的钻头转速，与常规旋转导向、马达钻具相比，旋转导向+超级马达钻具有以下几个方面的优势：（1）旋转导向工具轨迹控制操作简单；（2）近钻头井斜与连斜数据，轨迹实时监测；（3）高旋转速度和扭矩传送至钻头，大幅提高机械钻速；（4）井眼轨迹光滑，降低卡钻等风险[16-18]。以A油田使用的模块马达为例。

2.1 工作原理

模块马达与旋转导向系统采用模块扣连接，保证了旋转导向系统下传指令和上传测量数据的通讯顺畅，保障了系统的正常工作。此外，通过模块马达配合旋转导向+PDC钻头，将输送给钻头的转速由顶驱转速转变成“顶驱转速+马达转速”。

2.2 技术参数

模块马达所提供的转速与排量呈线性关系，在工具所适用的排量范围内，排量越大，马达转速越高，见表1。同时，模块马达所适宜的地层温度不宜高于160°C（D型定子）或190°C（F型定子），钻井液含砂量宜控制在1%以内。

表1 模块马达技术参数

3 应用效果分析

3.1 应用实例

以A油田具有代表性的两口大位移水平井X6H和X7H井为例，两口井的8-1/2"水平段均位于明化镇组的同一地质砂体（N1mLII-XX40），基本资料对比见表2。

对比分析X6H井和X7H井，由表2可知。

表2 基本资料对比

（1）钻头选型一致：相同型号8-l/2"PDC钻头。

（2）地层信息一致：明化镇组相同地质砂体。

（3）垂深、稳斜角基本一致。

（4）水垂比X6H井较大，说明相同垂深下X6H井水平位移更大，轨迹相对更加复杂。

（5）钻具组合不同：X6H井采用了6-3/4"模块马达。

在此基础上，两口井的实钻效果见表3。

表3 实钻效果对比

对比分析X6H井和X7H井实钻效果可知。

（1）排量差异较小。

（2）钻压：X6H井相对较小。

（3）顶驱转速：X6H井较小。

（4）钻头转速差异较大：X6H采用模块马达，约是X7H井的2.5倍。

（5）机械钻速：X6H井是X7H井的2.46倍。

“钻压是影响机械钻速的关键参数，理想条件下，钻井速度和钻压是成正比例的；此外，通过提高转速，才能达到预期的钻探效率。”可在排量基本一致的基础上，关键参数中钻压和顶驱转速对X7H井相对更为有利，唯独钻头转速差异较大且对X6H井更有利。

综上所述，模块马达的应用将X6H井钻头转速提高了近1.5倍，使得X6H井在水垂比高、井眼轨迹相对复杂的前提下，在更长的钻头进尺下保持了更高的机械钻速，且机械钻速较X7H井提高了1.46倍。由此可见，模块马达的提速效果明显，对A油田较为适用。

3.2 模块马达适用性分析

结合A油田浅层水平井作业特点，模块马达具有以下适应性及推广优势。

3.2.1 显著提高钻头转速，在软地层可有效提高机械钻速

由于海上油田丛式井井网密集，轨迹复杂，因此多使用旋转导向，但旋转导向工具受钻井设备、摩阻扭矩限制，转速较低，一定程度上制约了机械钻速，而模块马达能为PDC钻头提供2~3倍的高转速。A油田油藏埋深较浅，地层偏软，高转速更有利于获取较高机械钻速，因此模块马达在软地层较为适用。

3.2.2 大幅降低摩阻扭矩

模块马达可以在保证钻头转速的前提下适当降低顶驱转速，可以有效避免钻具高转速下摩阻扭矩过大的问题，保证了钻压的正常传递，减少了使用马达动力钻具定向、增斜或扭方位过程中的脱压问题。

3.2.3 有效保护钻具

模块马达在水平段、大位移井中可以有效地减小钻具转速，降低摩阻和扭矩，保护钻具避免疲劳损伤，从而有效降低井下事故发生的概率。

3.2.4 提高井眼清洁能力

高转速有利于岩屑携带，模块马达可以为底部旋转导向和钻头提供高转速，有利于井底岩屑进入环空，可以有效提高井眼清洁能力。

4 结论

（1）在此次A油田水平井的应用中，模块马达有效地输送了高钻头转速，使得机械钻速显著提高了1.46倍，模块马达在A油田较为适用。

（2）模块马达配合旋转导向+高效PDC钻头在软地层较为适用，在砾岩、火成岩等硬地层的使用效果需要进一步论证。

（3）优快钻井是一个系统工程，建议根据地层实际情况，合理选用模块马达，并优化钻井液性能和钻井参数，以期更大程度提高机械钻速，将模块马达优势最大化。