旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)在超長水平井中的應(yīng)用

黃川,許思勇,冉曉軍,丁凡,文曉峰,葸春平

(中國石油集團(tuán)測井有限公司長慶分公司,陜西西安710201)

0 引 言

對于4 000 m超長水平段施工,為保證儲(chǔ)層的鉆遇率,降低井下工程風(fēng)險(xiǎn),克服超長位移引起的高扭矩、高磨阻,常規(guī)的隨鉆測井系統(tǒng)技術(shù)很難滿足施工要求,目前尚未有常規(guī)隨鉆測井系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)水平段4 000 m以上鉆進(jìn)施工成功案例。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)在長慶油田頁巖油超長水平井施工應(yīng)用中,利用方位成像伽馬測井技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向,利用電阻率、井底壓力參數(shù)識(shí)別分析裂縫漏層,利用全程復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)水平段長度最大程度延伸,提高儲(chǔ)層鉆遇率、保障井下安全、實(shí)現(xiàn)水平段長度最大程度延伸,為超長水平井順利完井提供有力保證。

目前貝克休斯公司、斯倫貝謝公司和哈里伯頓公司通過各種方式分別形成了其各自商業(yè)化應(yīng)用的AutoTrak、PowerDrive和GeoPilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)[1],這3個(gè)系統(tǒng)的根本區(qū)別是井下工具不同,前面2種系統(tǒng)可歸類為推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng),最后1種屬于指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)[2]。本文主要介紹在長慶油田頁巖油水平井使用較多的AutoTrak旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng),該系統(tǒng)屬于外筒推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng),測量參數(shù)齊全,可提供鉆井安全數(shù)據(jù)、工程數(shù)據(jù)、地質(zhì)導(dǎo)向和測井精細(xì)評價(jià)所需服務(wù)數(shù)據(jù)[3]。

1 AutoTrak旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)

AutoTrak旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)主要由導(dǎo)向頭、模塊馬達(dá)、測量短節(jié)、脈沖器發(fā)電機(jī)等4部分組成(見圖1)。其中導(dǎo)向頭為智能化軌跡控制短節(jié),模塊馬達(dá)為鉆進(jìn)動(dòng)力增強(qiáng)短節(jié),測量短節(jié)主要進(jìn)行工程參數(shù)、地質(zhì)參數(shù)測量,脈沖器發(fā)電機(jī)為儀器供電、無線鉆井液信號(hào)傳輸短節(jié)。

圖1 AutoTrak旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)示意圖

AutoTrak旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)可進(jìn)行多參數(shù)測量(見表1),可實(shí)現(xiàn)巖性、電性參數(shù)的測量,利用鉆井工程數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)控制井眼軌跡,利用鉆井安全數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)地層沉砂情況、井下震動(dòng)、扭矩情況實(shí)時(shí)監(jiān)測及井漏風(fēng)險(xiǎn)防范。

表1中,當(dāng)量循環(huán)密度是鉆井液在井內(nèi)循環(huán)時(shí)作用于井底的流動(dòng)壓力換算的鉆井液密度,流動(dòng)壓力包括鉆井液柱的靜液壓和鉆井液在環(huán)形空間上返時(shí)產(chǎn)生的流動(dòng)阻力。若井底發(fā)生溢流或井漏,井內(nèi)當(dāng)量循環(huán)密度必將發(fā)生變化,溢流時(shí)當(dāng)量循環(huán)密度增高,井漏時(shí)當(dāng)量循環(huán)密度下降。當(dāng)量循環(huán)密度是判斷井內(nèi)溢流、漏失最重要直觀的工程安全參數(shù)之一。

表1 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)測量參數(shù)表

2 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)優(yōu)勢

2.1 超長水平段自動(dòng)化鉆進(jìn)技術(shù)

AutoTrak旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)其導(dǎo)向頭總體結(jié)構(gòu)分為不旋轉(zhuǎn)外筒和旋轉(zhuǎn)軸,內(nèi)部旋轉(zhuǎn)軸連接后部鉆具和鉆頭,不旋轉(zhuǎn)外筒上安裝3個(gè)推靠肋板[4]。導(dǎo)向頭可實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié),始終對井壁產(chǎn)生推靠,通過3個(gè)肋板推靠力的矢量合成,達(dá)到預(yù)定方向上的合力(見圖2),從而改變軌跡方向[5]。井斜調(diào)整精度可達(dá)±0.18°,可實(shí)現(xiàn)全程復(fù)合鉆進(jìn),保證井眼軌跡平滑,極大減小井下摩阻。避免常規(guī)定向托壓嚴(yán)重的現(xiàn)象,提高水平井鉆進(jìn)速度,最大程度延伸施工井水平段長度[6]。

圖2 合力示意圖

脈沖器發(fā)電機(jī)配合地面鉆井液分流設(shè)備,使得旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)具備地面與井下雙向通訊功能,實(shí)現(xiàn)軌跡控制指令下發(fā)、數(shù)據(jù)傳輸速率變更及上傳測量參數(shù)類型變更?？稍诓煌ｃ@情況下進(jìn)行指令下達(dá)傳輸,根據(jù)下發(fā)導(dǎo)向指令進(jìn)行井眼軌跡自動(dòng)化調(diào)整,提高鉆井時(shí)效,降低井下工程風(fēng)險(xiǎn),保證油層鉆遇率。

2.2 超長水平段工程監(jiān)測技術(shù)

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)能實(shí)時(shí)測量多種工程及地質(zhì)數(shù)據(jù),通過監(jiān)測粘滑等級和震動(dòng)等級分析井筒內(nèi)鉆具安全狀態(tài),根據(jù)當(dāng)量循環(huán)密度及電阻率值下降或升高判斷井筒底部壓力變化及漏失風(fēng)險(xiǎn),及時(shí)發(fā)現(xiàn)井下異常,為井下安全提供有力保障。

當(dāng)鉆遇井漏地層時(shí),鉆井液會(huì)迅速侵入地層,所測電阻率值出現(xiàn)明顯下降;同時(shí)鉆井液液柱壓力會(huì)下降,導(dǎo)致當(dāng)量循環(huán)密度出現(xiàn)同步下降。當(dāng)同時(shí)出現(xiàn)這2種曲線特征時(shí),判斷為井漏現(xiàn)象,應(yīng)提前做出井漏風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警[7]。通過電阻率曲線半幅點(diǎn)可準(zhǔn)確判別裂縫漏層位置,為井隊(duì)堵漏工作提供裂縫準(zhǔn)確位置,提高后期封堵成功率。

2.3 超長水平段地質(zhì)情況識(shí)別技術(shù)

2.3.1地層邊界識(shí)別技術(shù)

AutoTrak旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)中的測量短節(jié)內(nèi)置雙伽馬探測器,采用旋轉(zhuǎn)掃描式8扇區(qū)360°成像,通過鉆進(jìn)旋轉(zhuǎn)得到儀器對地層的響應(yīng),8扇區(qū)的自然伽馬合成方位伽馬成像圖。利用不同方位自然伽馬值變化及成像圖顏色變化特征,分析和計(jì)算當(dāng)前井眼軌跡在上下差異性地層中穿行的狀態(tài)及儀器與地層夾角,計(jì)算地層傾角,及時(shí)作出軌跡調(diào)整,達(dá)到提高鉆遇率的目的[8]。

根據(jù)方位伽馬成像圖及井斜角,建立地質(zhì)模型計(jì)算地層傾向和傾角。

φ=β-α=(90°-γ)-arctan (LOD/LMD)

(1)

式中,φ為地層傾角,(°);α為儀器與地層之間的夾角,(°);β為儀器與水平面之間的夾角,(°);γ為當(dāng)前實(shí)際井斜角,(°);LOD為儀器外徑,m;LMD為上、下伽馬全部切入地層時(shí)所在斜深,m。

2.3.2斷層位置準(zhǔn)確識(shí)別技術(shù)

在水平段正常鉆進(jìn)過程中,當(dāng)方位伽馬曲線同時(shí)變化時(shí),方位伽馬成像將會(huì)出現(xiàn)斷崖式突變現(xiàn)象,說明地層巖性發(fā)生突變,結(jié)合施工井地震剖面資料,方位伽馬成像可識(shí)別斷層在井段中的準(zhǔn)確位置。由于斷層處受地層應(yīng)力影響,井筒容易出現(xiàn)應(yīng)力變形,導(dǎo)致卡鉆遇阻等復(fù)雜井況,通過方位伽馬成像對斷層位置實(shí)時(shí)準(zhǔn)確識(shí)別,減少斷層位置軌跡調(diào)整,提高井壁穩(wěn)定性,有效降低超長水平井井下卡鉆遇阻風(fēng)險(xiǎn)。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 超長水平井華X井簡介

長慶油田頁巖油水平井華X井位于甘肅馬嶺區(qū)域,主力儲(chǔ)層為長71,整體表現(xiàn)為低孔隙度、超低滲透率、沉積復(fù)雜且伴有斷層裂縫。該井使用AutoTrak旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)克服高扭矩、井漏、鉆井液失返、裂縫斷層等復(fù)雜情況,安全、優(yōu)質(zhì)地完成了該井的地質(zhì)導(dǎo)向、定向、測井及解釋評價(jià)一體化隨鉆測控服務(wù),鉆進(jìn)水平段長度4 088 m。

3.2 自動(dòng)化快速鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用效果

精準(zhǔn)控制井斜,能有效降低井筒內(nèi)扭矩及摩阻,也是實(shí)現(xiàn)水平段最大延伸的基礎(chǔ)。同樣在長71儲(chǔ)層施工,常規(guī)水平井水平段達(dá)2 000 m時(shí),摩阻一般會(huì)達(dá)到35～40 t,而華X井由于使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù),在水平段達(dá)2 000 m時(shí),摩阻只有30 t。相比常規(guī)水平井施工,摩阻下降14%～25%,井筒摩阻降低明顯;且該井后續(xù)施工中水平段長4 088 m,套管一次性下入成功,未有明顯遇阻現(xiàn)象。

AutoTrak旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)全程復(fù)合鉆進(jìn)有效提高鉆進(jìn)速度,華X井隨著水平井段延伸,水平井段3 500 m往后旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向施工仍能保持每日進(jìn)尺350 m,大大縮短了建井周期,與同平臺(tái)常規(guī)隨鉆測井施工井日進(jìn)尺對比情況見表2。

表2 同平臺(tái)機(jī)械鉆速對比表

同時(shí),通過旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向自動(dòng)穩(wěn)斜技術(shù),精準(zhǔn)控制井底井斜,在滿足地質(zhì)軌跡實(shí)時(shí)調(diào)整的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)低風(fēng)險(xiǎn)快速鉆井目的,軌跡控制應(yīng)用情況見表3。

表3 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向軌跡調(diào)整信息表

3.3 工程風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別技術(shù)應(yīng)用效果

華X井由于鉆遇斷層,伴生裂縫較多,井漏較為嚴(yán)重甚至鉆井液失返,AutoTrak旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)通過電阻率精確判斷裂縫位置,利用當(dāng)量循環(huán)密度進(jìn)行井漏提前預(yù)警。如圖3所示,該井鉆進(jìn)至斜深5 169 m時(shí),電阻率值迅速降至1.5 Ω·m,接近鉆井液電阻率;斜深5 169 m處的當(dāng)量循環(huán)密度值從正常鉆井時(shí)的1.39 g/cm3降至1.35 g/cm3,因?yàn)楫?dāng)量循環(huán)密度、電阻率值同時(shí)下降,分析為井漏特征,進(jìn)行井漏預(yù)警,井隊(duì)停鉆加入隨鉆堵漏劑進(jìn)行堵漏;隨后井隊(duì)地面監(jiān)測到鉆井液罐液面下降,鉆井液最大漏失量25 m3/h,經(jīng)過隨鉆堵漏及時(shí)處理,漏失量逐步減少至5.5 m3/h。

圖3 精準(zhǔn)判斷裂縫位置示意圖

3.4 地層識(shí)別技術(shù)應(yīng)用效果

方位伽馬成像在華X井長71儲(chǔ)層應(yīng)用中,實(shí)時(shí)測量平均自然伽馬、方位伽馬并合成方位伽馬成像圖,識(shí)別斷層位置,提取地層傾角,為地質(zhì)人員有效識(shí)別儲(chǔ)層頂?shù)捉缑?、層?nèi)變化和及時(shí)調(diào)整軌跡提供更多更有效的數(shù)據(jù)。

3.4.1方位伽馬成像識(shí)別儲(chǔ)層界面

華X井鉆進(jìn)至斜深3 690 m處,方位伽馬成像顯示下切高自然伽馬地層,氣測全烴值降低,根據(jù)方位伽馬曲線,拾取上下自然伽馬切入斜深差為10 m(從3 691 m至3 701 m),儀器外徑為0.178 m。利用式(1),計(jì)算局部地層上傾0.52°,井斜由89.5°上調(diào)至91°繼續(xù)鉆進(jìn),鉆進(jìn)至斜深3 860 m處上切回到儲(chǔ)層,平均自然伽馬開始下降,氣測全烴值升至5%左右。

3.4.2方位伽馬成像識(shí)別斷層位置

如圖4所示,根據(jù)地震資料顯示水平段2 750 m和3 100 m附近有斷層,鉆進(jìn)至水平段2 744 m(斜深4 974 m)和2 861 m(斜深5 091 m)處方位伽馬成像分別出現(xiàn)斷崖式巖性突變圖形(見圖5),印證了地震資料的結(jié)論,精確識(shí)別出軌跡穿過2個(gè)斷層。該井段避免了大幅度軌跡調(diào)整,優(yōu)先保證井筒穩(wěn)定,有效預(yù)防了井況復(fù)雜化。

圖4 地震剖面圖

圖5 精確識(shí)別斷層位置示意圖

華X井利用實(shí)時(shí)方位伽馬成像,識(shí)別儲(chǔ)層界面,及時(shí)作出井眼軌跡調(diào)整,并跨斷層重新找回儲(chǔ)層,最終實(shí)現(xiàn)該井油層鉆遇率75.6%,在受斷層影響的情況下仍能保持較好的油層鉆遇率,與同平臺(tái)油層鉆遇率對比結(jié)果見表4。

表4 同平臺(tái)油層鉆遇率對比表

4 結(jié) 論

(1)目前AutoTrak旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)測量短節(jié)具備方位伽馬成像功能,該系統(tǒng)在頁巖油區(qū)塊已經(jīng)推廣使用。方位伽馬成像技術(shù)可有效識(shí)別軌跡與目的層邊界切入關(guān)系,分辨井眼軌跡上下圍巖巖性特征,解決了以往單自然伽馬曲線無方向性、無法判別鉆頭與儲(chǔ)層位置關(guān)系的難題,有效提高儲(chǔ)層鉆遇率。

(2)根據(jù)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)鉆井工程、安全測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,可實(shí)時(shí)、直觀、快速、精準(zhǔn)地識(shí)別井漏位置,提前做出井漏風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警,縮短井漏處理反應(yīng)時(shí)間,為安全鉆井提供保障。

(3)AutoTrak旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)智能化軌跡調(diào)整,使井眼軌跡平滑,有效降低摩阻,提高鉆井作業(yè)安全系數(shù);能實(shí)現(xiàn)全程復(fù)合鉆進(jìn)、精準(zhǔn)控制井斜,提高鉆速并縮短建井周期。

(4)AutoTrak旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)比常規(guī)隨鉆測井系統(tǒng)時(shí)效更快、隨鉆施工安全系數(shù)更高、測量的多種地質(zhì)數(shù)據(jù)更有利于提高儲(chǔ)層鉆遇率。該系統(tǒng)的主要優(yōu)勢在于突破了常規(guī)隨鉆系統(tǒng)由于長水平段托壓嚴(yán)重導(dǎo)致無法控制井眼軌跡的局限,使水平段長度得到最大程度延伸,為超長水平井施工提供必要條件。