隨鉆陀螺GyroSphere在渤海油田淺層防碰作業(yè)中的應(yīng)用

桑曉高 蒲小亮 安曉會(huì) 白旭峰

中海油田服務(wù)股份有限公司 天津 300459

1 引言

隨著海上油氣田勘探開發(fā)的深入，井網(wǎng)密集程度越來越高。以渤海為例，通常叢式井槽口間距不足2米，鄰井套管產(chǎn)生的磁場(chǎng)干擾使得隨鉆磁性測(cè)量工具方位測(cè)量不準(zhǔn)確，無法準(zhǔn)確判斷隔水管及淺層直井段的偏斜方向，極有可能引發(fā)井眼碰撞風(fēng)險(xiǎn)。目前渤海地區(qū)一般采用有線陀螺表層定向加復(fù)測(cè)套管軌跡的作業(yè)模式確保井眼軌跡的準(zhǔn)確，時(shí)效較低。隨鉆陀螺GyroSphere提供了另外一種解決方案，使井下鉆具具備鉆進(jìn)的過程中準(zhǔn)確測(cè)量井眼軌跡的能力，有助于指導(dǎo)更精確的防碰繞障作業(yè)施工，切實(shí)有效提高了作業(yè)時(shí)效和安全性。

2 GyroSphere 工具介紹

2.1 GyroSphere 工具簡介

斯倫貝謝隨鉆陀螺GyroSphere采用MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)）陀螺測(cè)斜技術(shù)，顯著提高了陀螺測(cè)斜的效率，提高測(cè)量準(zhǔn)確度，相比較于有線陀螺，可大大減少作業(yè)所需的時(shí)間。MEMS技術(shù)利用內(nèi)部的一個(gè)微型振動(dòng)結(jié)構(gòu)來確定行星旋轉(zhuǎn)的速度，如圖1所示，根據(jù)這個(gè)旋轉(zhuǎn)速度來確定井斜、方位以及工具面方位數(shù)據(jù)。

圖1 GyroSphere工具結(jié)構(gòu)圖

GyroSphere可提供：

（1）靜態(tài)測(cè)斜：方位、井斜、靜止慣性工具面

（2）連續(xù)測(cè)量 （滑動(dòng)鉆進(jìn)）：實(shí)時(shí)連續(xù)慣性工具面

（3）其他：維度、地球轉(zhuǎn)速、Total G

2.2 GyroSphere 工具測(cè)量步驟

GyroSphere使用鋰電池供電，停泵后工具進(jìn)入電池供電模式，首先進(jìn)入30秒的自檢時(shí)段，隨后進(jìn)入測(cè)斜采樣時(shí)段（每2分鐘測(cè)得一個(gè)測(cè)斜，每組測(cè)斜采樣10次，采樣次數(shù)可根據(jù)測(cè)斜成功率地面設(shè)置調(diào)整）。測(cè)完后，工具自動(dòng)停止測(cè)斜采樣。

開泵進(jìn)入MWD渦輪發(fā)電供電模式，工具將自動(dòng)選擇測(cè)斜采樣時(shí)得到的測(cè)斜數(shù)據(jù)及獲取的10組數(shù)據(jù)中有幾個(gè)Good Survey及幾個(gè)Bad Survey，通過MWD泥漿脈沖上傳到地面系統(tǒng)。

持續(xù)15分鐘出連續(xù)工具面（注：只有得到好的測(cè)斜后，后續(xù)工具面才準(zhǔn)確）。在出連續(xù)工具面期間的轉(zhuǎn)動(dòng)打鉆會(huì)使得后續(xù)測(cè)量不準(zhǔn)，所以DD在擺好工具面后需要?jiǎng)澗€。

表1 GyroSphere工具測(cè)量精度

2.3 GyroSphere 工具定向操作步驟

鉆進(jìn)至造斜點(diǎn)劃眼結(jié)束后，上下活動(dòng)鉆具10米以上充分釋放扭矩；

停泵，卸開頂驅(qū)，座卡瓦保持鉆具靜止（根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)震動(dòng)情況，非必須卸開頂驅(qū)）；

游車保持靜止，同時(shí)平臺(tái)所有吊機(jī)停止工作（根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境情況），鉆臺(tái)不能有產(chǎn)生震動(dòng)的操作；

停泵6～21min（首次測(cè)斜建議停泵21min，后續(xù)根據(jù)測(cè)斜成功率做調(diào)整）；

接立柱，提出卡瓦，保持鉆具靜止并開泵；

等待工具上傳測(cè)斜數(shù)據(jù)和工具面數(shù)據(jù)；

隨鉆工程師確認(rèn)測(cè)斜和工具面成功后，擺工具面進(jìn)行滑動(dòng)作業(yè)，緩慢接觸井底鉆進(jìn)。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及探究

3.1 應(yīng)用背景

渤海油田某平臺(tái)A29井淺層防碰嚴(yán)重，需要提前造斜，進(jìn)行防碰繞障，但繞障空間極小。作業(yè)井A29占用13#槽口，由于A20井隔水導(dǎo)管鞋在110米處井斜1.28度，向A29井（13#槽口）嚴(yán)重偏斜，如圖2所示。導(dǎo)致A29井在138米與A20井最近距離0.25米，分離系數(shù)1.23，繞障空間極小，如圖3所示。且在178米，A29與A24最近距離1.2米，A24井由本井右前方穿至左前方，若初始繞障方位偏大，井斜偏大，則與A24井防碰風(fēng)險(xiǎn)急劇增加。此外，A29在600～900米從A26井、A8井、A27井左下交叉至右下穿過。

圖2 槽口圖

表2 A20井軌跡數(shù)據(jù)

圖3 A29井與鄰井中心距掃描圖

綜上，本井淺層防碰嚴(yán)重，需要提前造斜，進(jìn)行防碰繞障，但繞障空間極小。需要陀螺定向2次，另外陀螺定向前需要拉鉆桿軌跡，為了更好反映軌跡情況，建議測(cè)量陀螺軌跡數(shù)據(jù)時(shí)盡量測(cè)量至井底，從而更好地為防碰繞障作業(yè)提供數(shù)據(jù)支撐。由于常規(guī)馬達(dá)組合+有線陀螺作業(yè)時(shí)測(cè)量零長38米左右，繞障盲區(qū)較長，無法準(zhǔn)確得到管鞋偏斜情況，通常采用起鉆下入光鉆桿拉鉆桿軌跡的測(cè)量方法，針對(duì)本井的特殊情況需多次起下鉆。所以使用隨鉆陀螺工具，處理隔水管偏斜，一趟鉆完成本井段作業(yè)。

3.2 作業(yè)過程

3.2.1 鉆具組合

1 6 ” C O N E + 9 - 5 / 8 ” P D M + 8 ” F /V+1 2-1/4”S T B+8-1/4”G y r o S p h e r e+8-1/4”TeleScope+8”NMDC+8”UBHO+ 8”F/J&JAR+X/O+5”HWDP*14。

牙輪鉆頭：江漢 型號(hào)：GJT115GC 水眼：3×OPEN

馬達(dá)：立林 型號(hào)：U7LZ244*7.0-Ⅷ-SF 彎角：1.5° 馬達(dá)扶正套：403mm 級(jí)數(shù)：4.5級(jí)

3.2.2 GyroSphere應(yīng)用方案

GyroSphere必須跟MWD一起使用，不能單獨(dú)使用；

GyroSphere根據(jù)實(shí)際情況既可以放在MED上面，也可以放在MWD下面，本井中為了離鉆頭更近放在MWD下方；

需要單獨(dú)測(cè)量GyroSphere到馬達(dá)的角差，并輸入軟件，測(cè)量方法同測(cè)量MWD到馬達(dá)角差的方法一致；

本井鉆具組合中GyroSphere測(cè)點(diǎn)零長14.15米；

GyroSphere提供靜態(tài)井斜，靜態(tài)方位和陀螺工具面，不提供連續(xù)井斜和連續(xù)方位。井斜5度之內(nèi)使用陀螺工具面，5度之上使用重力工具面；

本井在MWD轉(zhuǎn)換為重力工具面之前使用陀螺工具面進(jìn)行定向，效果良好；

GyroSphere單個(gè)測(cè)斜需要2分鐘，為保證定向成功率，本井首次定向測(cè)斜時(shí)靜止了15分鐘；

測(cè)斜完成之后，地面軟件會(huì)同時(shí)顯示MWD測(cè)斜和GyroShpere測(cè)斜。

3.2.3 作業(yè)過程組合鉆具，測(cè)量角差，下鉆引馬達(dá)高邊線；第一次定向：

鉆進(jìn)至110米，第一次定向：循環(huán)掃稠漿，按引線調(diào)整工具面，上下活動(dòng)鉆具釋放扭矩后上提鉆具至套管內(nèi)，座卡瓦、卸開頂驅(qū)，鉆臺(tái)停止一切其他作業(yè)，吊車停止工作；

等待15分鐘，開泵，等待上傳，工具一共測(cè)7組測(cè)斜數(shù)據(jù)，7組均合格。陀螺測(cè)斜MD=91.89米，INC=0.88度，Azi=263.51度，判斷隔水管偏向西南側(cè)，遂決定從280度方向繞障；引線與定向誤差20度，朝工具面M300～330度定向9米。后陀螺斜MD=139.62米，Azi=1.04度，方位278.18度，符合預(yù)期。

重新模擬軌跡并防碰計(jì)算，過A29井防碰后井斜不宜偏大，為避免井斜偏大造成后續(xù)防碰風(fēng)險(xiǎn)，采取小鉆壓、低轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)至212米，期間未按GyroSphere工程師要求的測(cè)斜程序?qū)ｉT測(cè)斜，接立柱期間即可測(cè)得2組測(cè)斜，并且90%以上均是合格測(cè)斜，對(duì)本井防碰繞障作業(yè)提供了很好數(shù)據(jù)支持。

第二次定向：

鉆進(jìn)至212米，第二次定向：循環(huán)掃稠漿，按引線調(diào)整工具面，上下活動(dòng)鉆具釋放扭矩后，座卡瓦、不卸頂驅(qū)，鉆臺(tái)停止一切其他作業(yè)；

根據(jù)已有測(cè)斜成功經(jīng)驗(yàn)，等待10分鐘，開泵，等待上傳；設(shè)計(jì)定向方位297度，引線與定向誤差10度，調(diào)整工具面至M300定向造斜，后測(cè)得方位299～301度，定向精準(zhǔn)。

3.3 測(cè)量結(jié)果分析

通過三種工具測(cè)量結(jié)果的互相對(duì)比，軌跡走向一致，如圖4所示，中心距偏差最大1米以內(nèi)，測(cè)量數(shù)據(jù)基本一致（插入測(cè)點(diǎn)對(duì)比），如表3所示。尤其是隔水管內(nèi)的測(cè)量，受磁干擾影響，MWD無法測(cè)得準(zhǔn)確方位，而隨鉆陀螺GyroSphere的測(cè)量結(jié)果與有線陀螺測(cè)斜基本一致，對(duì)處理隔水管/直井段偏斜有指導(dǎo)意義。

表3 GyroSphere與MWD及有線陀螺數(shù)據(jù)

圖4 軌跡分析圖

4 作業(yè)經(jīng)驗(yàn)及應(yīng)用展望

4.1 優(yōu)勢(shì)分析

4.1.1 實(shí)時(shí)測(cè)量，軌跡更精確

槽口間距2米×1.8米，井間相互磁干擾，MWD測(cè)斜儀無法判斷隔水管及淺層直井段的偏斜情況，對(duì)淺層防碰繞障造成較大難度，個(gè)別井防碰嚴(yán)重時(shí)，需要下入光鉆桿拉軌跡，起下鉆浪費(fèi)時(shí)效。使用GyroSphere工具可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量，使上部井段軌跡更精確，有助于指導(dǎo)更精確的防碰繞障施工。

4.1.2 測(cè)點(diǎn)距鉆頭近，軌跡控制更精準(zhǔn)

相較于有線陀螺的測(cè)量零長37米左右，并且需要測(cè)量2次角差，且座鍵本身存在一定的角度誤差，綜合定向誤差相對(duì)較大；GyroSphere測(cè)點(diǎn)距鉆頭14米左右，可以保證更小的角差測(cè)量誤差。同時(shí)，較短的測(cè)斜零長能及時(shí)反應(yīng)出馬達(dá)滑動(dòng)效果及井底軌跡走向，為A29井復(fù)雜的防碰繞障提供了很好的支持。

4.1.3 實(shí)時(shí)工具面，確保定向準(zhǔn)確

A29井16英寸井段防碰繞障需要陀螺定向2次，第一次定向在110米，第二次定向在220米。引馬達(dá)高邊線下鉆，隨鉆陀螺定向與引線偏差10～20度，在誤差允許范圍內(nèi)（第一次定向偏差較大，人為引線誤差引起，第二次定向基本無誤差）。隨鉆陀螺定向繞障成功后，MWD測(cè)得無磁干擾方位與定向時(shí)的理想方位偏差很小，十分精準(zhǔn)。

4.1.4 測(cè)量及時(shí)可靠，確保井下安全

由于本次作業(yè)為GyroSphere工具在渤海首次使用，且第一個(gè)定向點(diǎn)太淺（110米），故第一次定向時(shí)采取了較為嚴(yán)格的防震動(dòng)措施（鉆臺(tái)停止一切作業(yè)，吊車靜止），為陀螺測(cè)量提供良好的工作環(huán)境，第一次停泵測(cè)斜用了15分鐘；后續(xù)正常鉆進(jìn)接力柱期間，發(fā)現(xiàn)每次均可測(cè)得兩組測(cè)斜，并且90%以上為合格測(cè)斜，故第二次定向停泵測(cè)斜用了10分鐘。相較于有線陀螺定向每次需要1.5小時(shí)左右，減少了鉆具靜止時(shí)間，保障了井下安全。

4.2 缺點(diǎn)分析

4.2.1 震動(dòng)敏感

目前GyroSphere工具渤海范圍內(nèi)僅在該井應(yīng)用一井次，陀螺定向當(dāng)天天氣晴好，風(fēng)平浪靜，整體測(cè)量環(huán)境較好。根據(jù)斯倫貝謝以往應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，GyroSphere在惡劣天氣環(huán)境下的測(cè)斜成功率較低（測(cè)斜不成功時(shí)，工具面不可靠，不能以此定向），故針對(duì)大風(fēng)、高浪天氣、平臺(tái)震動(dòng)較大時(shí)無法像有線陀螺使用瞄準(zhǔn)鏡的方式定向，從而造成現(xiàn)場(chǎng)停工。

4.2.2 測(cè)量速度慢

隨鉆陀螺儀測(cè)斜時(shí)每2分鐘獲得一個(gè)測(cè)斜，實(shí)際操作時(shí)每個(gè)點(diǎn)需至少取樣3次，相互對(duì)比以保證測(cè)斜成功率，故隨鉆陀螺測(cè)量時(shí)需至少保持鉆具靜止7分鐘以上，相對(duì)于有線陀螺的快速測(cè)量，GyroSphere在長井段測(cè)量中時(shí)效性不足。

4.2.3 測(cè)量間距大

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)平均每30米一個(gè)點(diǎn)（即一柱一個(gè)點(diǎn)），無法達(dá)到有線陀螺每10米一個(gè)點(diǎn)的測(cè)點(diǎn)密度（或者說10米一個(gè)測(cè)點(diǎn)時(shí)時(shí)效性很低，不符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際），故而在淺層井段相對(duì)于有線陀螺軌跡精度偏低。

4.3 應(yīng)用展望

4.3.1 震動(dòng)敏感隔水管/直井段糾偏

通過實(shí)時(shí)測(cè)斜，提前預(yù)斜、精準(zhǔn)繞障，發(fā)揮工具一趟鉆處理隔水管/直井段偏斜能力。

4.3.2 震動(dòng)敏感實(shí)時(shí)防碰繞障作業(yè)

防碰井段加密測(cè)斜，獲取準(zhǔn)確的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，提高軌跡精度。尤其對(duì)于大斜度井、大位移井及深井、超深井等有線陀螺無法測(cè)量的井段進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，從而指導(dǎo)更精準(zhǔn)防碰繞障作業(yè)。

4.3.3 震動(dòng)敏感MWD受干擾的特殊作業(yè)

針對(duì)地磁場(chǎng)異常區(qū)域、非非區(qū)的作業(yè)，MWD測(cè)量受限或受磁干擾，軌跡誤差較大，可使用隨鉆陀螺工具獲取更精確的軌跡數(shù)據(jù)。

4.3.4 震動(dòng)敏感直井開窗側(cè)鉆

針對(duì)直井，特別是深直井開窗側(cè)鉆作業(yè)，隨鉆陀螺工具定向精確且不受磁干擾，利用實(shí)時(shí)工具面，可以消除MWD預(yù)留反扭角的誤差，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定向。

5 結(jié)束語

隨鉆陀螺GyroSphere可以有效規(guī)避磁干擾對(duì)測(cè)量的影響，實(shí)時(shí)提供準(zhǔn)確的工具面和測(cè)量數(shù)據(jù)，在防碰施工、開窗側(cè)鉆等特殊作業(yè)時(shí)可充分提高作業(yè)時(shí)效和安全性。