磁導(dǎo)向鉆井技術(shù)在井眼重入中的應(yīng)用

胡一鳴 于曉東 翁廣超

1.中國石油冀東油田儲(chǔ)氣庫建設(shè)項(xiàng)目部 2.中國石油渤海鉆探工程公司第一鉆井公司 3.中國石油渤海鉆探工程公司定向井技術(shù)服務(wù)公司

0 引言

磁導(dǎo)向鉆井技術(shù)是利用探管內(nèi)的磁傳感器來測(cè)量信號(hào)源和本體位置之間的距離和方位，以達(dá)到軌跡的精準(zhǔn)控制。該技術(shù)在救援井控制井噴中被成功地運(yùn)用，可以順利引導(dǎo)救援井與事故井建立有效的連通；在煤層氣水平連通井和稠油熱采雙水平井、U形水平井施工中也得到了廣泛應(yīng)用[1-5]。

近年來，國內(nèi)利用枯竭油氣藏改建地下儲(chǔ)氣庫工程建設(shè)發(fā)展迅猛，但在庫址篩選中，往往存在某些生產(chǎn)老井，由于鉆井施工中發(fā)生卡鉆、鉆具落井等歷史原因進(jìn)行了側(cè)鉆，而棄置的裸眼大多鉆穿了儲(chǔ)氣庫蓋層，給儲(chǔ)氣庫建設(shè)帶來較大的安全隱患。因井下鉆具與周邊鄰井套管對(duì)測(cè)量工具存在嚴(yán)重的磁干擾影響，常規(guī)方法不能有效封堵裸眼。故需采用磁導(dǎo)向鉆井技術(shù)，以救援井重入裸眼并固井封堵的方式來滿足儲(chǔ)氣庫安全運(yùn)行要求。

筆者以NP198井施工為例，在使用國內(nèi)自主研制的首套主動(dòng)磁測(cè)距系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱CPET）反演出兩井眼位置關(guān)系的基礎(chǔ)上，優(yōu)化軌道設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)裸眼重入。形成了磁導(dǎo)向鉆井技術(shù)重入井眼的設(shè)計(jì)方案，為儲(chǔ)氣庫復(fù)雜棄置井眼封堵奠定了基礎(chǔ)。

1 井況與技術(shù)難點(diǎn)

1.1 基本情況

NP198井是冀東南堡儲(chǔ)氣庫區(qū)的1口生產(chǎn)老井，2018年老井筒（以下簡(jiǎn)稱Y1）在鉆進(jìn)中發(fā)生失返性漏失，因鉆具掩埋造成棄置回填，側(cè)鉆新井筒（以下簡(jiǎn)稱Y2）投產(chǎn)。Y1井筒內(nèi)存在落魚為?127 mm鉆桿及底部鉆具組合，魚頂深度641.7 m，魚長(zhǎng)1 162.61 m。且該裸眼鉆穿儲(chǔ)氣庫的玄武巖蓋層（2 021.8 ～2 482.7 m）和直接泥巖蓋層（2 482.7 ～2 510.3 m），鉆穿儲(chǔ)氣層（2 510.3～2 594.7 m）并與周圍鄰井連通，井身結(jié)構(gòu)如圖1所示。地下儲(chǔ)氣庫存在蓋層密封不嚴(yán)導(dǎo)致天然氣上竄的較高風(fēng)險(xiǎn)，需找到棄置的裸眼井段，并對(duì)其進(jìn)行有效封堵；但因常規(guī)隨鉆測(cè)量工具（簡(jiǎn)稱MWD）受井下套管和落魚等鐵磁物質(zhì)的磁干擾影響，無法提供準(zhǔn)確的定向數(shù)據(jù)；故采用救援井重入裸眼并套管固井封堵的方案。

圖1 NP198井井身結(jié)構(gòu)圖

1.2 井眼重入方案

對(duì)于有落魚的側(cè)鉆未封裸眼，落魚難以打撈，救援井軌跡利用磁導(dǎo)向技術(shù)跟蹤下部落魚位置。鉆碰Y1井眼內(nèi)落魚中部1 700 m處，當(dāng)磁導(dǎo)向工具接近落魚鉆具時(shí)，根據(jù)其磁飽和程度，計(jì)算出新、老井眼的空間位置關(guān)系及點(diǎn)、井段之間的距離；救援井逐步平行逼近Y1井眼，在落魚底部及時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)井眼重入；沖探到井底后套管固井，滿足儲(chǔ)氣庫廢棄井封井要求。

1.2.1 Y2生產(chǎn)井筒封井

利用陀螺儀復(fù)測(cè)現(xiàn)井筒井斜數(shù)據(jù)；對(duì)射孔井段以上進(jìn)行井筒試壓，下入水泥承留器，對(duì)射孔層擠注超細(xì)水泥；對(duì)承留器以上井筒分段注水泥塞至油層套管水泥返高。

1.2.2 磁導(dǎo)向試碰落魚

CPET主動(dòng)磁測(cè)距系統(tǒng)通過在新鉆救援井中下入放電電極和探測(cè)探管，電極向救援井周圍地層注入電磁波，電極注入地層的電磁波呈球形對(duì)稱分布，如果電極附近地層中存在套管或鉆桿（金屬物），由于金屬材質(zhì)的電導(dǎo)率要遠(yuǎn)大于地層，因此電磁波大部分將在套管或鉆桿處聚集，形成沿管柱向上和向下流動(dòng)的電流，從而產(chǎn)生磁場(chǎng)。通過探測(cè)磁信號(hào)和自身姿態(tài)（井眼軌跡）來探測(cè)井間距離及方位（相對(duì)位置關(guān)系）[6]。該系統(tǒng)磁測(cè)量范圍大于30 m；距離測(cè)量誤差小于10%；方位測(cè)量誤差小于3°；耐溫125℃，耐壓50 MPa。

利用該系統(tǒng)跟蹤下部落魚位置，根據(jù)鉆具蹩跳、扭矩增大等現(xiàn)象，判斷是否碰撞Y1井眼內(nèi)的落魚（設(shè)計(jì)1 700 m處）。試探落魚的目的在于驗(yàn)證磁測(cè)距的結(jié)果，根據(jù)磁飽和程度，計(jì)算出新、老井眼空間位置關(guān)系，對(duì)磁場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行修正；以救援井實(shí)鉆井眼為基準(zhǔn)，反演磁源（井下落魚）的真實(shí)方位和距離，對(duì)目標(biāo)井下部軌跡進(jìn)行校正，提高重入的成功率[7]。

1.2.3 落魚底部重入

試探落魚后，井眼內(nèi)打水泥塞回填至1 560 m（根據(jù)井眼軌跡平滑程度確定填眼側(cè)鉆位置，進(jìn)而確定打水泥塞的厚度），側(cè)鉆平行逼近Y1井眼，通過磁測(cè)距參數(shù)，不斷校核目標(biāo)井的井眼軌跡，在落魚底部重入Y1井眼（圖2）。

圖2 施工方案示意圖

1.3 軌跡控制難點(diǎn)

1.3.1 MWD測(cè)量工具受磁干擾影響嚴(yán)重

新老井眼軌跡空間交叉密集，救援井定向存在磁干擾影響。存在4口距離較近鄰井，最近距離在6～10 m，防碰風(fēng)險(xiǎn)增加，在上部井段尤為突出；且隨鉆MWD工具受井下套管和落魚等鐵質(zhì)金屬的磁干擾影響，定向施工無法測(cè)量出準(zhǔn)確的方位數(shù)據(jù)來完成救援井軌跡方位的控制，井眼位置關(guān)系控制困難，累計(jì)誤差較大。需頻繁起下鉆，通過陀螺測(cè)斜和磁測(cè)距的方法來校正井眼空間位置關(guān)系。

1.3.2 碰探落魚和井眼交匯成功率低

救援井軌跡控制精度要求較高。常規(guī)井是靶區(qū)半徑范圍的控制，而救援井重入裸眼對(duì)測(cè)量和控制的精度相當(dāng)于點(diǎn)控制，誤差要求厘米級(jí)[8-11]。由于鉆進(jìn)參數(shù)的選取、井斜方位的控制、主動(dòng)磁測(cè)距系統(tǒng)誤差等因素的存在，極易出現(xiàn)救援井與落魚或Y1井眼側(cè)面交叉，井眼交匯難度較大。

1.3.3 救援井并行鉆進(jìn)控制困難

Y1裸眼由于長(zhǎng)時(shí)間棄置，井眼復(fù)雜，井壁坍塌風(fēng)險(xiǎn)較高。鉆頭與地層接觸方式不同導(dǎo)致其井眼軌跡存在差異，定向工具面的連續(xù)穩(wěn)定性很難控制，造斜率能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求不易保證。只能加密磁測(cè)距的次數(shù)，配合陀螺測(cè)量出準(zhǔn)確方位，兩井眼保持上下平行關(guān)系，井距控制在1～2 m之間十分困難。

2 軌跡控制方案

2.1 井身剖面設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)階段，參考原始的井身數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)五段制井身剖面。能否成功與落魚碰撞是重入Y1井眼的前提條件，作用在于可證實(shí)CPET磁測(cè)距系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性，對(duì)磁測(cè)距系統(tǒng)誤差進(jìn)行校正[12]。設(shè)計(jì)在井深1 500～1 700 m以逐步漸進(jìn)的方式逼近、試探落魚管柱，造斜率設(shè)計(jì)3°/30 m，確保井眼軌跡的平滑，降低定向的難度（表1）。成功探到落魚后，救援井以平行軌跡逐步逼近Y1井眼，穩(wěn)斜鉆進(jìn)，交匯成功率極大提高[13-14]。

表1 概念設(shè)計(jì)井身剖面展示表

2.2 井眼軌跡精細(xì)控制

如果定向?qū)圮壽E控制不精細(xì)，則無法按照設(shè)計(jì)的井身剖面接近目標(biāo)井，在后期并行鉆進(jìn)中軌跡調(diào)整將非常困難。救援井磁導(dǎo)向鉆井作業(yè)分為MWD軌跡測(cè)控接近老井、磁導(dǎo)向測(cè)距定位逼近、軌跡伴行實(shí)時(shí)跟蹤、連通并重入裸眼4個(gè)階段。具體施工方案如表2所示。

表2 磁測(cè)距施工頻次統(tǒng)計(jì)表

軌跡精細(xì)控制措施：①當(dāng)隨鉆MWD測(cè)量方位數(shù)據(jù)受到嚴(yán)重磁干擾時(shí)，使用CPET系統(tǒng)測(cè)量井眼直接空間位置關(guān)系和中心距離，配合陀螺儀器測(cè)量真方位來代替隨鉆MWD儀器的失真方位[10]；②采用逐步加密測(cè)距方法，在重要井段、測(cè)試盲段增加數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井眼軌跡走向及與老井眼直接的位置關(guān)系；③控制井眼軌跡平滑程度，滑動(dòng)鉆進(jìn)測(cè)斜間距不超過5 m，每趟起下鉆和完鉆進(jìn)行電子單、多點(diǎn)測(cè)斜。井斜角控制在±0.5°范圍內(nèi)，方位控制在±2°范圍內(nèi)[15]。

2.3 鉆具組合優(yōu)選

根據(jù)牙輪鉆頭的研磨特性，定向工具面的穩(wěn)定性較易控制，軌跡較易調(diào)整。在牙輪鉆頭碰探到落魚時(shí)，可依據(jù)鉆具蹩跳、扭矩增大等現(xiàn)象，及時(shí)發(fā)現(xiàn)是否碰探到落魚鉆具。在目標(biāo)井眼的重入后的沖探作業(yè)中，由于井壁存在坍塌縮徑的風(fēng)險(xiǎn)，采用小尺寸的牙輪鉆頭沖探形成初步穩(wěn)定的淺井眼，防止鉆出新井眼，后使用常規(guī)尺寸的PDC鉆頭快速擴(kuò)眼的方式?jīng)_探到井底[16-18]。

沖探Y(jié)1裸眼鉆具組合如下所述。

1）沖探樹眼：?193.7 mm牙輪鉆頭+?165 mm轉(zhuǎn)換接頭+?165 mm止回閥+?172 mm無磁鉆鋌+MWD短節(jié)+?172 mm無磁鉆鋌+G105加重鉆桿+G105鉆桿。

2）擴(kuò)眼：?215.9 mmPDC鉆頭+?172 mm螺桿鉆具+?165 mm止回閥+?210 mm穩(wěn)定器+?172 mm無磁鉆鋌+MWD短節(jié)+?172 mm無磁鉆鋌+G105加重鉆桿+G105鉆桿。

2.4 關(guān)鍵層位巖性識(shí)別

根據(jù)鄰井及區(qū)域地層特征分析預(yù)測(cè)，救援井由上至下可鉆遇如下地層。

平原組（Qp）：厚約300 m，巖性為黏土和散砂。

明化鎮(zhèn)組（Nm）：厚度在1 365 m左右，上段為灰色粉砂巖、細(xì)砂巖、灰白色中砂巖與棕黃色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖呈不等厚互層，以砂巖為主；下段多為淺灰色細(xì)砂巖與灰色、棕紅色、灰綠色泥巖不等厚互層，以泥巖為主。

館陶組（Ng）：厚714 m左右(未鉆穿)，上部為淺灰色含礫砂巖、砂礫巖及淺灰色細(xì)砂巖、棕紅色泥質(zhì)細(xì)砂巖與灰黃色、灰色泥巖呈不等厚互層；中部為厚層灰黑色玄武巖；底部以厚層淺灰色細(xì)砂巖、砂礫巖為主。

在重入、沖探Y(jié)1井眼階段，均有明顯的標(biāo)志層。根據(jù)巖性的識(shí)別和鉆時(shí)的變化情況，增加井身走向的把握。其中，明化鎮(zhèn)組下段下部（井深1 749～1 789 m）發(fā)育1套穩(wěn)定泥巖段，是劃分明化鎮(zhèn)組和館陶組的標(biāo)志，也是即將鉆至落魚底部的標(biāo)志。落魚底深1 813 m，在鉆穿標(biāo)志層后，進(jìn)尺24 m可達(dá)到落魚位置；沖探老井眼的標(biāo)志層為南堡1號(hào)構(gòu)造NgⅢ和NgIV①巨厚的火成巖，為NgⅣ和Ed1段油藏的區(qū)域性蓋層，當(dāng)鉆遇巖性出現(xiàn)由灰黑層玄武巖至淺灰色細(xì)砂巖變化時(shí)，即沖探至井眼底部。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

3.1 磁測(cè)距定位逼近

二開鉆進(jìn)至813 m（測(cè)深793 m）測(cè)斜數(shù)據(jù)方位就已經(jīng)存在磁干擾現(xiàn)象，在1 151 m以下的井段隨鉆MWD儀器受到持續(xù)嚴(yán)重磁干擾，方位基本無法判斷其準(zhǔn)確性，軌跡方位得不到有效控制（表3）。

表3 定向井井斜方位及磁感應(yīng)數(shù)據(jù)表

磁場(chǎng)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為53.7 μT（微特斯拉）；地磁傾角標(biāo)準(zhǔn)值為57.9 μT。由于隨鉆儀器探管精度及無磁材質(zhì)的影響，實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值變動(dòng)±1%為相對(duì)正常，超過本技術(shù)定義為異常。

在逼近目標(biāo)井階段，利用磁導(dǎo)向測(cè)距和隨鉆陀螺結(jié)果，及時(shí)調(diào)整救援井的井斜方位和兩井眼的相對(duì)位置（表4），在保持救援井逼近的趨勢(shì)，同時(shí)預(yù)留軌跡調(diào)整的空間。

表4 磁定位逼近軌跡一覽表

第1次磁測(cè)距測(cè)深從460 m至1 148 m，由于Y1與Y2井眼未能夠徹底分離，測(cè)距誤差較大；第2次磁導(dǎo)向測(cè)深段350～1 296 m，驗(yàn)證Y1、Y2井眼在 1 100 m 以下才徹底分離，得到有效的測(cè)量數(shù)據(jù)。為了避免MWD工具受到磁干擾，井間位置保持在5～6 m距離伴行鉆進(jìn)至1 402 m，扭方位降斜逐步逼近Y1井眼，在相對(duì)井距小于5 m后，加密磁測(cè)距與陀螺測(cè)斜的頻次，依次在1 550 m、1 590 m、1 614 m、1 639 m處計(jì)算出對(duì)應(yīng)相對(duì)井距為4.22 m、3.87 m、3.47 m、1.2 m。

3.2 試探落魚

井眼軌跡設(shè)計(jì)在1 648 m增斜后穩(wěn)斜，在1 660～1 720 m段碰撞落魚，采用二維（兩井眼上、下關(guān)系）逼近，方位同老井眼保持一致，只對(duì)井斜進(jìn)行調(diào)整，降低軌跡控制難度[16]。井斜嚴(yán)格控制在31°～32°；方位控制在 296°～298°。軌跡剖面如表5所示。

表5 試探落魚軌跡數(shù)據(jù)表

磁測(cè)距作業(yè)的間隔為30 m，并后期逐步加密測(cè)距，提升相對(duì)距離和方位的控制。在1 652 m、1 685 m、1 715 m處對(duì)應(yīng)磁測(cè)距數(shù)據(jù)為：相對(duì)井距0.71 m、0.43 m、1.12 m。

根據(jù)第10次磁測(cè)距結(jié)果，救援井在1 715m處與Y1井眼相對(duì)距離較1 685 m處遠(yuǎn)離了0.69 m；采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)顯示，救援井在1 681 m與Y1 井眼距離為0.38 m，與落魚最為接近。結(jié)合鉆井參數(shù)的變化，鉆具無蹩跳，扭矩正常，復(fù)合鉆進(jìn)鉆時(shí)由3～6 min/m上升至12 min/m，在1 681～1 685 m井段持續(xù)有鐵屑返出。分析由于鉆頭與落魚存在點(diǎn)、線接觸，不是面接觸。從而返出鉆頭刮削的鐵屑，并沒有發(fā)生強(qiáng)烈的鉆具蹩跳現(xiàn)象，扭矩也沒有發(fā)生大的變化。后來鐵屑經(jīng)化驗(yàn)為 G105鋼級(jí)鉆桿材料，證明與落魚發(fā)生了接觸，滿足校正軌跡數(shù)據(jù)的要求，如圖3、4所示。

圖3 返出鐵屑照片

圖4 鉆頭磨損照片

3.3 重入目標(biāo)井

在第10次磁導(dǎo)向測(cè)量中發(fā)現(xiàn)軌跡與Y1井眼逼近至空間交錯(cuò)（表6）。

表6 第10次磁測(cè)距數(shù)據(jù)表

在1 681～1 685 m鉆頭已經(jīng)與落魚管柱平行，存在側(cè)面的點(diǎn)接觸。調(diào)整方案不再進(jìn)行填眼側(cè)鉆，而是快速降低方位，控制當(dāng)前井眼軌跡在落魚正上方 0.5～0.7 m 位置與Y1井眼伴行。通過扭方位、降斜逐步重入Y1井眼（圖5）。

圖5 井眼重入施工設(shè)計(jì)圖

此時(shí)隨鉆MWD儀器基本上處于異常失效的狀態(tài)，每鉆進(jìn)20 m，進(jìn)行陀螺測(cè)量和磁測(cè)距來控制調(diào)整方位和跟蹤井眼軌跡位置[13]。分別在測(cè)深1 738 m、1 754 m、1 775 m、1 790 m測(cè)相對(duì)井距為1.19 m、0.77 m、0.84 m、0.59 m，相對(duì)井距逐漸縮短。磁導(dǎo)向鉆井的井身姿態(tài)如圖6所示。

圖6 井眼軌跡水平投影圖

通過錄井的巖性分析，1 739～1 756 m巖性出現(xiàn)淺灰色泥質(zhì)砂巖和棕紅色泥巖，根據(jù)地質(zhì)卡層結(jié)果，已經(jīng)進(jìn)入標(biāo)志泥巖層6 m；1 756～1 794 m巖性為鉆穿泥巖標(biāo)志層5 m，巖性出現(xiàn)淺灰色細(xì)砂巖、棕紅色泥質(zhì)細(xì)砂巖和灰色泥巖，以砂巖為主，說明已經(jīng)鉆至館陶組，距離落魚位置剩余9 m。

1 807.8～1 808.8 m出現(xiàn)鉆壓放空現(xiàn)象，鉆井參數(shù)表現(xiàn)為：①瞬時(shí)漏失鉆井液4 m3；②鉆井液密度由 1.25g/cm3降至 1.23 g/cm3，黏度由 45 s 升高至50 s，持續(xù) 6 min 后恢復(fù)；③鉆時(shí)由 16 min/m 下降至 1 min/m；④鉆壓由 6～8 t 下降至 2～4 t。判定已重入Y1井眼。

3.4 井眼沖探

由于Y1井眼就是因?yàn)榫┌l(fā)生卡鉆造成的棄置，所以水力沖探老井眼主要存在井漏、管柱漏卡、鉆出新井眼等難點(diǎn)。采取如下針對(duì)性措施。

1）鉆井液方面，優(yōu)選堵漏材料，做好隨鉆防漏堵漏和專項(xiàng)堵漏工作。提高泥漿防塌抑制、攜巖和潤(rùn)滑性能[19]。

2）錄井方面，加強(qiáng)巖屑撈砂取樣，做好舊巖屑和新地層砂樣的對(duì)比工作，確保不偏離原井眼[14-15]。

3）鉆具組合方面：第1趟使用?190.5 mm牙輪鉆頭＋MWD組合鉆具由1 808.8 m沖探至1 811.15 m，鉆時(shí)由6.9 min/m增加到34 min/m；建立正常井眼后，使用?215.9 mmPDC鉆頭＋MWD組合鉆具沖探，加快沖探速度。

4）縮短沖探井段，降低卡鉆風(fēng)險(xiǎn)，沖探至蓋層底界50 m（2 560 m）后進(jìn)行套管固井，滿足儲(chǔ)氣庫建庫封堵要求。

3.5 技術(shù)應(yīng)用效果

磁導(dǎo)向鉆井順利在1 683 m接觸到落魚，1 808 m重入目標(biāo)井眼，后根據(jù)目標(biāo)井軌跡校正數(shù)據(jù)進(jìn)行定向沖探至2 560 m。在儲(chǔ)氣庫復(fù)雜棄置井眼重入施工中得到了成熟的應(yīng)用，證明了該項(xiàng)技術(shù)的可靠性。如表7所示，同試驗(yàn)井坨1井相比，在井況復(fù)雜情況下，僅使用CPET系統(tǒng)磁測(cè)距14井次實(shí)現(xiàn)重入一次成功[20]。

表7 同類井應(yīng)用效果對(duì)比表

4 結(jié)論

1）國內(nèi)自主研制的CPET主動(dòng)磁測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量精度高，能夠反演磁源的真實(shí)方位和距離，精確定位新、老井眼軌跡的位置關(guān)系。在NP198井復(fù)雜棄置井眼的尋探、重入施工得到良好的應(yīng)用，具有推廣價(jià)值。

2）磁導(dǎo)向軌跡控制分為MWD測(cè)控接近、磁測(cè)距定位逼近、伴行實(shí)時(shí)跟蹤、連通并重入裸眼4個(gè)階段；采用二維逼近，方位一致，調(diào)整井斜，并搭配陀螺測(cè)斜工具，形成了磁導(dǎo)向鉆井技術(shù)重入裸眼和軌跡精準(zhǔn)控制的設(shè)計(jì)方案。

3）磁導(dǎo)向鉆井技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用方面，以磁測(cè)距為基礎(chǔ)，并配套地質(zhì)巖屑識(shí)別及元素分析、鉆井參數(shù)優(yōu)化與鉆具組合優(yōu)選等多項(xiàng)技術(shù)措施，為儲(chǔ)氣庫復(fù)雜棄置井眼的重入封堵奠定了基礎(chǔ)。