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优化的导向马达设计克服了Marcellus 非常规泥页岩气藏的钻井挑战 Anthony Jones等著 翻译：王福修（钻头研发中心） 审校：田京燕（钻头研发中心） 摘要：在过去的几年里美国陆地上非常规泥页岩气藏水平井的钻井数量一直呈指数关系增长，但使产能最大化和提高钻进效率一直是两个最主要的挑战。井位的合理布局以及采用长水平段钻井有利于产能最大化。曲线段采用更大的狗腿度（DLS）缩短了曲线段的垂直长度，从而可以使位于生产层位中的水平段长度达到最大化。在美国泥页岩气藏钻井中曲线段通常采用10°14°/100ft的狗腿度，但是这种大狗腿度会带来多种钻井挑战：可调造斜接头大（AKO）角度导向马达的旋转可能会导致底钻具组合（BHA）的疲劳损坏和钻头的先期损坏；定向钻进（滑动钻进）模式降低了钻压向钻头的传递效果，因而降低了机械钻速。 这些挑战的出现促了一种新型优化设计的导向马达（ODM）的开发和成功试验，这种新型马达减小了钻头到弯曲点（BTB）的距离。在有些钻井中，采用这种ODM马达钻井，由于其精确的定向控制和井眼轨迹控制，用一种BHA连续钻完了大DLS曲线段、切线段以及水平段。ODM的使用使作业者在小AKO角度设置的情况下取得了较大的增斜率，因此使在以前采用的马达可能仅仅以滑动模式钻进的能够以复合钻进模式钻进，从而能够以复合钻进模式在更高的转速下钻进的位于曲线段中的井眼长度达到最大化。由于精良的定向控制，该系统显著改善了钻进性能。以大DLS钻曲线段增加了水平段的长度，因而能够增加采气量。 本文将讨论ODM的设计、模拟以及采用导向ODM在Marcellus非常规泥页岩气藏的水平井钻井结果。 关键词：Marcellus非常规泥页岩气藏 曲线段 水平井 增斜率 ODM 标准马达 三点几何结构 BTB AKO DLS 最近几年，由于美国非常规泥页岩气藏钻井的增长，定向钻井市场的方向明显调整。我们在计划、设计以及钻井方面所采用的方法已经演变为必须满足行业的苛刻条件。这些变化导致了多种技术，这些技术集中采用（不是单独采用）的结果是钻出了高可靠性、高质量的井眼。这些技术包括了能够钻完长切线段和长水平段的先进的PDC钻头、具有动态控制装置的BHA系统、能够提供大功率的采用高性能人造橡胶或者预置轮廓动力部分的井底马达（PDM）以及在美国主要盆地钻曲线段时能够使马达的功率输出和造斜率一致性之间产生较好的折中平衡的必威体育精装版优化的马达几何结构。 在Marcellus盆地最近的钻井活动中最关注的是导向ODM的现场试验，其试验目的是改善钻进性能和曲线段的定向一致性以及最大限度增加马达在钻水平段中的进尺和机械钻速。优化的马达几何结构以下列两种方式改善性能： 小的AKO角度设置就能够达到定向目的，增加了工具的可靠性，与大AKO角度设置相比较，在滑动钻进模式和复合钻进模式下的钻进性能都得到了改善。 与过去使用的标准马达相比较，采用相同AKO角度设置的ODM能够钻出更大的增斜率，因此减少了钻曲线段需要的时间及曲线段的长度。 本文通过对优化的马达几何结构的预先模拟和用后分析，研究了Marcellus盆地的钻井性能结果，对标准马达和ODM的性能进行了详细比较。 理论和模拟 马达三点几何结构及BUR能力 带AKO的导向马达系统既可以进行定向模式（滑动模式）钻进也可以进行复合模式钻进，两种钻进模式见图1。 在定向模式中马达系统钻出一个预先设计的井眼曲率。通常，该井眼曲率取决于一个三点几何模型（图2）。 图2 导向马达系统的三点几何模型 决定导向弯马达系统的理论造斜能力的三个接触点是钻头规径、位于上面支撑（bearing housing）上的稳定器（支点稳定器）和位于马达上方的钻柱稳定器。从钻柱稳定器的中点到支撑稳定器中点的距离与从支撑外壳稳定器的中点到钻头规径的距离定义了一个简化了的弧，该弧能够预测系统的理论BUR能力。 上述几何模型假定弯马达在定向钻进模式下钻出一条光滑的由上述定义的三个接触点（马达和井壁之间的接触点）确定的曲线，在这里BUR的计算仅仅考虑了系统的三点几何情况，根据该几何模型计算出的系统BUR能力的理论值没有考虑马达的弹性和弯曲影响、钻头与地层之间的相互作用、地层倾角、空间弯转几何以及诸如钻头类型、规径长度和规径磨损等钻头特征。 计算出的系统的BUR能力可能会随着下列任何一个因素或者组合因素的改变而改变： AKO角度 支撑稳定器和/或钻柱稳定器的外径 BHA中上稳定器（钻柱稳定器）相对于支撑稳定器的位置 钻头规径与马达弯曲点之间的距离。 为了满足作业者对BUR的要求，本论文中描述的导向马达系统已经增大了可达到的BUR能力（相对于标准马达）以取得必须的增斜率。用于增大BUR能力的方法是将钻头