油气行业一直在寻找提高井下钻井和完井工具性能的方法。随着数字化的出现，智能系统已经成为一个热门领域，原始设备制造商（oem）为运营商和钻井公司提供越来越复杂的解决方案，以获取尽可能多的有关工具健康和性能的数据。有线钻杆仍然是一种有价值的系统，可以提供分布式的实时井下压力、振动和温度数据，使钻井人员和操作人员能够立即做出重要决策。
 
开发新的智能工具和添加第三方解决方案，可以连接有线钻杆和相关的宽带遥测网络，一直是NOV的优先事项。国民油井华高公司井下宽带解决方案全球销售副总裁MatsAndersen表示：“我们能够提供更大的带宽，让钻井工人和定向钻井服务提供商能够获取更多的井下数据。对高分辨率、实时井下数据的掌握，正在帮助我们的客户减少作业天数，降低作业风险，并开采出更多的油气资源。”基于光缆的系统使作业方能够对完井情况和油藏有新的认识，帮助他们提高油井性能。
 
贝克休斯公司不断扩充其智能完井工具产品系列，最近推出了一种水下连接系统，该系统可以将光纤连接到下部完井装置，从而在生产过程中实现对油藏的实时监测，这有助于提高作业效率并增光纤与有线钻杆助力洞察油藏及井筒，创新设计简化套管井二次作业加最终采收率。贝克休斯公司智能生产系统全球总监里卡多・蒂拉多表示：“既然我们拥有了能帮助我们更好地了解油藏的工具，那么我们就能更智能地管理生产阶段。以前，这就好比在没有仪表盘的情况下驾驶飞机或汽车。而现在，我们有了能显示所有相关信息的工具，这样一来，采收率就能得到提高。”虽然智能系统和网络是提高井下性能的关键工具，但原始设备制造商（oem）厂商也在努力改进硬件本身。威德福关注的一个领域是降低套管井侧钻的风险。新型单起下钻套管出口系统消除了井中下入时过早剪切的根源，这是传统斜向器系统的固有危险。
 
威德福公司全球产品线负责人雅各布・赖特说：“从以往情况来看，在使用传统斜向器系统进行起下钻作业时，我们必须格外小心谨慎。但如今我们拥有的这项技术有助于改变这种思维模式。就如同起下钻杆或套管一样，我们现在能够在推动、旋转并处理井下障碍物时毫无顾虑。”
 
套管出口无需剪切
 
斜向器系统是套管井再入作业中的常用工具，可以帮助作业者和钻井人员进入新的井段或不同的储层，而无需从地面钻新井。然而，它们通常需要多次起下钻——一次起下钻为侧钻做准备，一次起下钻坐封和磨铣窗口，然后钻侧钻井。虽然与钻一口新井相比，这些起下钻通常更节省时间和成本，但原始设备制造商一直致力于开发技术，通过减少起下钻次数来帮助进一步缩短作业时间。威德福公司于2023年推出了AlphaV单趟套管出口系统，该工具旨在消除对专用井眼准备作业的需求，同时将起下钻速度提高一倍。见图1。通常情况下，对于传统的斜向器系统，斜向器和磨铣底部钻具组合（BHA）是作为两个独立的管柱部件下入井内的，它们通过一根具有预设剪切值的螺栓连接在一起。一旦斜向器系统到达预期的坐封深度，锚定装置就会坐封，螺栓会被剪断，从而使磨铣钻具组合与斜向器分离。
 
正如赖特先生所说，这种装置要求钻井工人“小心谨慎地起下钻”。这是因为井下的任何障碍物，或者任何不可预见的情况，如恶劣天气或钻机晃动，都有可能导致螺栓提前被剪断，这可能会造成斜向器的完全丢失，进而引发代价更高的修井作业。AlphaV与其他斜向器系统的不同之处在于消除了剪切事件。相反，威德福开发了一种专利的液压磨机释放装置（HMR），该装置由装在铅磨机内的可伸缩销和装在斜向器内的液压释放装置组成。该系统不是通过剪切螺栓连接两个BHA组件，而是作为一个单元运行，并内置磨铣释放机构。一旦系统到达所需深度并锚定，液压活塞激活HMR，将磨铣组件从斜向器上释放出来。该系统还包含一个集成的规磨机和一体式刮管器组件，位于斜向器锚点下方。传统的斜向器系统没有连接刮管器，因此在锚定斜向器之前，司钻必须单独下入清洁井筒。当系统达到所需的井下坐封深度时，内部的磨尺和刮管器组件可以清洁和刮擦套管的内径，从而消除了这种下入。
 
赖特先生表示，液压磨铣释放（HMR）装置与一体式刮管器组合能够大幅节省时间。赖特先生说：“清理井筒的起下钻作业是在部署斜向器组合装置之前单独进行的一趟作业。我们已经找到了一种省去这趟作业的方法，这能极大地节省时间。在北海的一口典型油井中，一次起下钻的行程将近20000英尺，要彻底清理和刮削套管内径可能需要一天时间。那么，我们能在哪些方面节省时间呢？首先，我们通过将集成规磨机和刮管器组合集成到斜向器底部钻具组合（BHA）中，完全省去了井筒准备起下钻作业。其次，由于采用了液压磨铣释放系统，我们起下钻的速度是传统系统的两倍。”见图2。目前，AlphaV系统已在印度尼西亚、挪威、科威特和墨西哥运行，威德福公司表示，其客户在安装斜向器方面节省了大量时间。

 
在2024年，该工具帮助科威特的一家未命名的运营商节省了30小时的相关钻机时间，省去了套管出口序列的一次往返作业。威德福公司的任务是通过将刮削和清洗过程与套管出口作业相结合，消除专门的井筒准备作业。在对井的参数进行测试后，该井的坐封深度为6126英尺（井眼尺寸8.5英寸）。考虑到井眼尺寸和作业需求，威德福公司推荐使用AlphaV，该工具可以移动到井场并下入目标深度。一旦设置好斜向器并释放铣削组件，就可以成功铣削侧钻窗。在安装斜向器之前，AlphaV工具中的一体式刮管器允许作业者在同一趟起下钻中清洁和刮擦坐封区域。HMR系统内的可伸缩销通过提供在同一趟井中进行清理作业所需的高扭矩和承载能力，使作业者能够安全地下入井中达到目标深度。
 
钻井底部钻具组合顺利通过窗口，没有任何限制或干扰，确保了侧钻的质量和可靠性。赖特先生说：“当你看到我们在科威特所做的事情时，客户意识到AlphaV系统将为该地区的其他井提供总体年度运营成本和无形的时间节省潜力。”在北海的另一口油井中，去年完工的Alpha系统通过一趟钻实现双层套管开窗，帮助作业方节省了14小时的钻机时间。该工具在一口斜井中完成了一趟钻双层套管开窗作业，以适应8.5英寸的旋转导向系统（RSS）钻井组合。时间的节省有助于作业方减少人员在危险区域的暴露，同时也减少了现场处理的底部钻具组合（BHA）的数量。通过在一趟钻中成功磨铣出全尺寸窗口和鼠洞，作业方能够立即部署刚性旋转导向系统组合，无需泥浆马达组合和任何额外的起下钻作业。
 
利用井下宽带网络提高效率
 
过去20年来，国民油井华高（NOV）公司一直通过其IntelliServ宽带网络提供高速钻柱遥测服务。为了提升与高带宽相关的性能并应对不断变化的客户挑战，该公司目前正在开发几款借助该网络实现的新工具，以进一步提高井下作业效率。井下宽带网络通过有线钻杆运行，有线钻杆中沿着钻柱长度方向安装有同轴电缆，连接着底部钻具组合（BHA）和安装在钻头附近的传感器。分布在钻柱中的信号增强器构成了一个遥测网络，该网络能够实现双向传输，同时还能对地面与井下工具之间的压力、振动、温度和转速数据进行多项沿钻柱测量，传输速度高达每秒57600比特，而传统的泥浆脉冲遥测系统的速度仅为每秒48比特。这些高速传输使得与井下的通信几乎能够瞬间完成。国民油井华高公司的安德森先生指出，使用有线钻杆以及相关的井下宽带网络的一个价值在于，诸如测量、下行链路传输和滑动定向等由数据驱动的作业活动能够在几秒钟内完成，而使用泥浆脉冲系统则需要几分钟。但有线钻杆的好处不仅仅在于节省遥测时间。由于该钻杆与钻柱是硬连接的，即使井下没有足够的流体流动，它也能够继续进行测量。他说：“泥浆脉冲系统需要流体流动——没有流体，它就会关闭，这样你就无法了解井下的情况。而使用有线钻杆，在你试图缓解这种情况时，仍能看到井下压力。如果发生堵塞或井漏事件，我们也能够确定堵塞和井漏的位置。因为堵塞或井漏显然会发生在钻柱上两个传感器之间，你会看到压力差，这样就能缩小潜在薄弱区域或问题区间的范围。”国民油井华高司宣传其有线钻杆系统的优势之一是能够将其他工具连接到网络上，比如其增强测量系统。这是一种基于钻铤的井下钻井动力学测量工具，能够高频采集井下工具的重量、扭矩、温度、环空压力、内部压力、转速、弯曲和三轴振动数据。这些数据有助于实时识别潜在的故障，如粘滑现象，以及井眼质量问题。最近，该公司一直在努力增加更多连接到网络的工具，既包括自主研发的工具，也通过支持外部合作伙伴来实现。
 
该公司与一个外部合作伙伴共同关注的一个领域是井径仪工具，即允许钻井工人在钻井和起钻过程中，利用有线钻杆测量的声学数据来测量井眼形状的工具。安德森先生说：“井径仪工具能让你看到井眼形状随时间的变化，从而创建一个四维井径图。”见图3。目前，该公司正在订购井径仪工具试验版本的零部件，现场测试计划在今年晚些时候进行。另一项正在开发的技术是一种由有线钻杆上的信号激活的智能工具，它将取代在各类与钻井和完井相关作业中，许多井下机械工具所使用的投球激活方式。传统的投球系统需要将一个金属球从地面泵入井下工具的球座，以触发开启、关闭或释放功能。这种新工具将被安装在钻柱中的多个不同工具上，循环短节就是一个例子。它将利用从地面发送到井下宽带网络的信号，进而激活特定工具中的一个机构，该机构会打开和关闭工具内的喷嘴，以实现井壁流体流动，从而清洁套管或井筒。安德森先生说：“使用投球系统时，你必须等待球到达某个位置后才能打开或关闭循环短节，这既耗时，又依赖于流体流动和井眼轨迹。我们希望开发一种智能工具，它能够通过我们网络中的一个简单信号来激活该机构。”现场测试预计于2025年开始，安德森先生表示，公司预计在今年年底将这种智能工具投入商业应用。
 
具备增强防砂能力的智能完井
 
多次起下钻完井设计——通常应用于海上油井、海底油井以及其他复杂油井中——能够可靠地将完井装置下放到大位移井的目标深度。然而，尽管这些设计有助于应对将装置下放到目标深度过程中所涉及的风险，但它们也限制了在整个井筒内铺设光纤电缆的能力。一般情况下，公司会在井筒上部完井段铺设光纤电缆，但这样无法获取油藏中的实时数据。贝克休斯公司的SureCONNECTFE系统旨在让具备光纤和电力传输能力的多次起下钻完井方式变得普遍可行。该系统由一系列连接在生产管柱上的水下湿连接接头，以及能够提供分布式温度和声学传感功能的光纤电缆和电力电缆组成，同时还包括电动阀门和传感器。见图4。
 
贝克休斯公司的里卡多・蒂拉多先生表示：“如果分两次起下钻完井是到达目标深度的唯一方式，那么你就需要这样一种工具，以便将光纤电缆下放到下部完井段。如果你仅在带有光纤的上部完井段进行操作，那你只能监测上部完井段的情况。这样就无法对油藏进行测量。如果你只监测上部完井段，你能发现诸如管道泄漏或气举功能方面的问题，但却无法了解油藏的情况。为了能够监测油藏，你必须在下部完井段部署光纤。”在地面上，有一个与光纤电缆相连的独立工具——被称为询问器，它会沿着电缆发送激光脉冲，以测量生产管柱沿线的温度，以及声学数据的频率和振幅。随后，地下工程师们可以读取这些数据，从而在油井的整个生命周期内实时、全面地了解油藏的性能状况。所收集到的信息会在地面进行处理，并转化为可行的决策依据。
 
这些决策行动包括通过远程驱动的层段控制阀关闭以水和气为主导的区域，从而实时优化生产。蒂拉多先生说：“光纤本身就是一个长型传感器。它能提供温度曲线，同时也是一个很长的麦克风，时刻在监听。我们可以在地面进行分析并解读数据。例如，我们可以告诉你，你听到的这种声音可能意味着水突破油层了，或者可能有气体产出。你可以根据我们收集的数据推断出正在发生的情况，并据此做出决策。”该系统还允许在不取出下部完井装置的情况下完成修井作业，比如安装或取出潜油电泵，或者维修安全阀。这极大地减少了钻机作业时间、安全风险以及设备成本。第一代井下光纤湿连接系统最初于2011年在墨西哥湾的海上油井中部署使用。从那以后，不同版本的系统也在北海投入使用。
 
2025年1月，贝克休斯公司推出了该系统的最新版本SureCONNECTFE。这个新版本将与砾石充填系统同时运行——光纤电缆将连接到防砂筛管上，以便实时测量油藏砂粒向井筒内的运移情况。蒂拉多先生说：“现在，有了这个新的迭代版本，你可以维护好你的防砂系统，并且只需确保以合适的产量进行生产，同时按照你期望的方式管理生产。它有着与我们之前迭代版本相同的优势，但现在还具备防砂功能。这拓展了该系统的应用范围。”2025年，贝克休斯向一位客户交付了首个SureCONNECTFE系统。
 
蒂拉多先生表示，该公司在潜在使用该系统方面受到了运营商的大量关注。然而，这些运营商在将该系统应用于自己的油井之前，都“在等待我们进行首次安装”。展望未来，蒂拉多先生称SureCONNECT能在包括地热井在内的新能源领域发挥价值。光纤传感无需井下电子设备，而井下电子设备在地热井常见的高温环境中可能会受到损坏。不过，他还提到公司正在研究一些特殊涂层，以提高光纤在极端温度下的使用寿命。蒂拉多先生说：“我们认为这个系统可以应用于所有这些不同的场景。SureCONNECT基本上是在实现一种连接功能。如果你想分两次起下钻来完成完井作业，并且需要一些防砂方面的应用，它就能体现出价值。这就是像这样的井下工具的美妙之处——你可以一次又一次地连接和重新连接电缆。”