旋轉(zhuǎn)導向技術(shù)在吉林油田水平井鉆井施工中的應用

趙成剛 周 強 王 磊 張 東 黃 益

(中國石油集團測井有限公司華北事業(yè)部 河北 任丘 062550)

0 引 言

旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術(shù)(Rotary Steerab1e Drilling)是20世紀90 年代出現(xiàn)的一項先進的自動化鉆井新技術(shù)，它的出現(xiàn)是世界鉆井技術(shù)的一次質(zhì)的飛躍。與傳統(tǒng)的滑動導向鉆井相比，旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術(shù)井下工具一直在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下工作，因此井眼凈化效果更好，井身軌跡控制精度更高，位移延伸能力更強，更適合應用于復雜油氣藏中鉆超深井、高難定向井、叢式井、水平井、大位移井、分支井及三維復雜結(jié)構(gòu)井等特殊工藝井。

旋轉(zhuǎn)導向井下工具系統(tǒng)根據(jù)其導向方式可以分為推靠式(Push the Bit)和指向式(Point the Bit)兩種。推靠式是在鉆頭附近直接給鉆頭提供側(cè)向力，指向式是通過近鉆頭處鉆柱的彎曲使鉆頭指向井眼軌跡控制方向。乾1xx-2 井使用的是哈里伯頓指向式的Geo Pilot7600旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)，在鉆進過程中，也可在直井段用來防斜打直。實時利用旋轉(zhuǎn)導向工具調(diào)整井眼軌跡，保證油層鉆遇率。比起目前沒有旋轉(zhuǎn)導向的系統(tǒng)來說，大大提高了油層鉆遇率和鉆井時效。

1 旋轉(zhuǎn)導向技術(shù)特點

旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術(shù)的核心是旋轉(zhuǎn)自動導向鉆井系統(tǒng)，如圖1 所示，它主要由地面監(jiān)控系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、井下旋轉(zhuǎn)導向工具系統(tǒng)組成。

1.1 地面監(jiān)控系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)導向地面監(jiān)控系統(tǒng)的主要作用是通過閉環(huán)信息流來實時監(jiān)控并隨時調(diào)整井眼軌跡，其關(guān)鍵技術(shù)在于能夠?qū)崟r發(fā)送下行信號(工具面)到井下儀器的控制指揮系統(tǒng)。

圖1 地面監(jiān)控系統(tǒng)

井下工具測控系統(tǒng)與MWD(LWD)隨鉆測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)之間的交換由井下短程通訊系統(tǒng)完成。現(xiàn)場工程師通過地面系統(tǒng)的計算得到井眼軌跡的實時數(shù)據(jù)，并進一步計算出井下工具的實時造斜率。同時可根據(jù)實鉆井眼軌跡數(shù)據(jù)進行對設(shè)計軌跡的校正。

經(jīng)過地面系統(tǒng)處理的井下工具系統(tǒng)的實際造斜率和經(jīng)過井眼軌道校正設(shè)計可得到下一步繼續(xù)進行導向鉆井所需要的所有參數(shù)并用于設(shè)定新的工具系統(tǒng)的參數(shù)。對新的工具系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)進行編碼、下傳，指導井下工具系統(tǒng)進行新的旋轉(zhuǎn)導向鉆進，從而實現(xiàn)大閉環(huán)控制。

1.2 Geo-Pilot 旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)

井下旋轉(zhuǎn)導向工具系統(tǒng)是由相對不旋轉(zhuǎn)的外筒、旋轉(zhuǎn)的內(nèi)筒和偏置機構(gòu)組成，依靠偏置機構(gòu)分別偏置鉆頭或鉆具，從而進行旋轉(zhuǎn)導向。平均造斜率5°/100 ft，最大造斜率可達10°/100 ft(1 ft=304.8 mm)，見表1。

表1 儀器技術(shù)指標

Geo-Pilot 系統(tǒng)的核心是安裝在殼體內(nèi)部的偏置機構(gòu)，它是由兩組偏心環(huán)構(gòu)成，安裝在由上部的懸臂軸承和下部的焦點軸承支撐的偏置機構(gòu)軸上。焦點軸承可以使安裝在軸末端的鉆頭通過調(diào)整定位偏心環(huán)從而實現(xiàn)360 度內(nèi)任意擺放工具面，如圖2 所示。

圖2 Geo-Pilot 井下旋轉(zhuǎn)導向工具

系統(tǒng)優(yōu)點:

1)Geo-Pilot 系統(tǒng)采用指向式，其優(yōu)點是造斜率由工具本身確定，不受鉆進地層巖性的影響，在軟地層及不均勻地層中效果明顯。

2)擴大了穩(wěn)定器的徑向調(diào)整范圍，如φ215.9 mm 穩(wěn)定器可在184.15 mm ～215.9 mm 之間調(diào)節(jié)。φ311.15 mm 穩(wěn)定器可在266.70 mm ～311.15 mm 之間調(diào)節(jié)。直徑在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)可任意調(diào)節(jié)，從而加強了井斜控制能力。

3)為穩(wěn)定器設(shè)置了多個控制位置，采用鉆井液脈沖遙控技術(shù)、電子及液壓技術(shù)對穩(wěn)定器的徑向位置進行控制，確保了儀器工作穩(wěn)定。

4)可以通過隨鉆測量儀器向地面通報穩(wěn)定器的工作狀態(tài)。

5)擁有目前業(yè)界離鉆頭最近的近鉆頭伽馬，離鉆頭僅1m。

1.3 與其它旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)的對比

Geo-Pilot 系統(tǒng)是屬于指向式的旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)，比推靠式更加先進。

1)井眼軌跡更加的平滑。如圖3 與圖4 的對比。

2)井下事故的風險進一步的降低。由于井眼軌跡更平滑，井壁產(chǎn)生的摩阻降低，井下更加的安全。

圖3 推靠式井眼

圖4 指向式井眼

3)造斜率近一步的提升，推靠式旋轉(zhuǎn)導向的造斜率與地層的軟硬有關(guān)系，而指向式大大降低了地層對造斜率的影響。

4)指向式的穩(wěn)定性更高。推靠式靠液壓或者壓差推動導向塊工作，在工作中導向塊磨損嚴重，液壓系統(tǒng)也會存在溫度的影響，在工作過程中容易發(fā)生工具失效的情況。Geo-Pilot 系統(tǒng)受環(huán)境因素較小，更加的可靠穩(wěn)定。

1.4 旋轉(zhuǎn)地質(zhì)導向系統(tǒng)

該系統(tǒng)是由旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)Geo-Pilot7600、地質(zhì)導向系統(tǒng)和MWD 組成。旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)包含近鉆頭井斜和伽馬成像;地質(zhì)導向系統(tǒng)包含地質(zhì)導向系統(tǒng)主要用于測量井眼軌跡幾何參數(shù)和地質(zhì)參數(shù)，如井斜角、方位角、工具面角、自然伽馬成像、方位電磁波電阻率等。

井下測量系統(tǒng)的優(yōu)點:

1)近鉆頭井斜與伽瑪測量距離鉆頭只有1 m 遠，嵌入到Geo-Pilot 旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)。鉆井過程中能夠?qū)崟r的讀取井斜和伽馬極易實現(xiàn)地質(zhì)導向。2)地質(zhì)導向主要利用方位電磁波電阻率的方向極化角現(xiàn)象提前預測鉆頭與油層上下邊界的距離，同時結(jié)合近鉆頭伽馬成像加以驗證，提高油層鉆遇率。

2 旋轉(zhuǎn)導向技術(shù)施工應用情況

2.1 井基本參數(shù)

乾1xx-2 井是吉林油田一口評價水平井。中油測井負責該井的隨鉆測井施工任務。鉆頭尺寸215.9 mm，水平段長度1 053 m，如圖5 所示，油層平均厚度4.6 m。

圖5 井眼軌跡投影示意圖

2.2 前期資料收集整理

1)鄰井的測井數(shù)據(jù)。包括測井曲線、成果表、井位坐標、試油資料等。

搜集到乾平x 井、乾xxx、查4x -x 等6 口鄰井測井數(shù)據(jù)。根據(jù)本井導眼井測井解釋，主要目的層和乾平x和查4x-x 井對比較好，而乾深x、乾深x、乾xxx 井相應儲層欠發(fā)育，厚度薄，如圖6 所示。

圖6 資料收集整理

2)地質(zhì)設(shè)計、鉆井工程設(shè)計。修改后的構(gòu)造圖、平面圖、鉆井工程最終設(shè)計。

3)儲層反演，砂體變化情況等資料。

4)地震剖面，地層傾角，河道變化情況等。

5)地質(zhì)剖面等。

2.3 儀器及鉆具組合

使用儀器:哈里伯頓MWD +測壓短節(jié)+ADR 方位電磁波電阻率+旋轉(zhuǎn)導向GP7600 系列。

儀器各測量點零長:井斜、方位8.67 m，伽馬11.40 m，電阻率13.73 m，近鉆頭井斜及方位伽馬:1.32 m，如圖7 所示。

水平段井鉆具組合:PDC 鉆頭+旋轉(zhuǎn)導向工具+柔性短節(jié)+方位電磁波電阻率+壓力測量短節(jié)+懸掛短節(jié)+濾網(wǎng)短節(jié)+浮閥短節(jié)+1 根加重鉆桿+震擊器+1根加重鉆桿+鉆桿+加重鉆桿+鉆桿，見表2。

2.4 旋轉(zhuǎn)地質(zhì)導向建模

在井設(shè)計階段，利用導眼井的測井曲線創(chuàng)建地質(zhì)模型。鉆前建模可以預計鉆井過程中標志層周圍的響應特征情況，精確入窗垂深位置。乾1xx-2 井地質(zhì)建模顯示目的層構(gòu)造頂部垂深比地震資料下沉17 m，如圖8所示。

根據(jù)導眼井伽馬曲線與電阻率曲線反演出成像模型，結(jié)合三維地震、鄰井資料，通過建模軟件設(shè)計，形成最終的地質(zhì)模型，如圖9 所示。

所建立地質(zhì)模型油層組G10 地層是三角洲前緣相的河口壩、水下分支河道。其中下部砂巖泥質(zhì)含量較高。砂層G10 的構(gòu)造面頂面利用導向軟件將其平移使設(shè)計軌跡在目的砂層，和原構(gòu)造深度差別較大。從所給的剖面圖上看，水平段地層傾角總體變化不大，但并不趨于一致，對于追蹤目的層會有一定影響。

圖7 哈里伯頓儀器系統(tǒng)

表2 乾1xx-2 井鉆具組合

圖8 乾1xx-2 井地質(zhì)建模

圖9 地質(zhì)模型

2.5 施工過程控制

為了有效地進行井眼軌跡的控制，掌握井眼軌跡狀況和發(fā)展趨勢，及時發(fā)現(xiàn)油頂、準確入靶和沿油層鉆進，本井在造斜點以下全部應用了LWD 導向鉆具進行井眼軌跡監(jiān)測與控制，并與地質(zhì)人員密切配合，保證實現(xiàn)地質(zhì)目的。

在井深2 111.48 m 開始使用旋轉(zhuǎn)導向鉆進，此時井斜91°，軌跡在砂巖中部泥質(zhì)含量較高的部位，伽馬值在110 -130 之間，經(jīng)和現(xiàn)場甲方地質(zhì)師確認，將井斜增至92°～92.5°將軌跡調(diào)整至砂巖的上部。目前近鉆頭井斜92.57°。給定向井工程師的指令為穩(wěn)斜鉆進使軌跡逐漸回到砂層的上部，如圖10 所示。

井深3 021 m 時，目前近鉆頭井斜90.8°。軌跡處在砂層中上部，伽馬值在100API 左右，平均電阻在18 Ω·m～20 Ω·m。氣測全烴值在3% ～5%，巖性為灰色油斑砂巖。目前地層較前段趨于平緩，約為0.6° ～0.8°上傾，至此旋轉(zhuǎn)導向施工結(jié)束，如圖11 所示。

2.6 施工總結(jié)

本井使用旋轉(zhuǎn)導向儀器共鉆進910 m，實鉆地質(zhì)顯示，砂巖鉆遇率100%，油層鉆遇率100%，水平段長1 053 m，油跡5 m，油斑747 m，油侵225 m。

采用旋轉(zhuǎn)導向技術(shù)服務的水平井段，平均鉆時130 m/d，鄰井未用旋轉(zhuǎn)導向儀器水平段平均鉆時70 m/d，時效提高了46%。

圖10 井眼軌跡監(jiān)測與控制

圖11 井眼軌跡監(jiān)測與控制

3 結(jié) 論

1)旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術(shù)用于水平井、大位移井、大斜度井、三維多目標井可以顯著提高鉆遇率、鉆井速度，減少事故、降低鉆井成本。

2)旋轉(zhuǎn)導向技術(shù)在吉林油田乾1xx -2 井的成功應用，又一次展現(xiàn)出它在油田勘探開發(fā)中的優(yōu)勢，它能優(yōu)化鉆井時效，縮短鉆井周期，實現(xiàn)軌跡的精確控制，提高儲層鉆遇率，為油田創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

3)鉆前根據(jù)導眼井測井資料與臨井測井資料進行詳細地層對比并結(jié)合地震剖面情況建模，對控制井眼軌跡準確、平滑入層起到很好的指導作用。

4)長水平段井在前期造斜段良好的井眼軌跡控制，是后期旋轉(zhuǎn)導向順利施工的基礎(chǔ)。

5)每天將現(xiàn)場的數(shù)據(jù)發(fā)回基地，由地質(zhì)專家評估和指導，在實時數(shù)據(jù)與所建立的地質(zhì)模型進行對比，對于現(xiàn)場施工起到了指導作用。

6)旋轉(zhuǎn)導向工具的出現(xiàn)解決了目前油層剩余油采收困難的問題。由于剩余油向油層上界面運移，在水平井施工過程中很難保證井眼軌跡，旋轉(zhuǎn)導向可以緊貼油層上界面鉆進，增加剩余油的采收率。

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