小井眼近鉆頭地質導向儀器的研制及應用

潘興明， 石 倩， 路勝杰， 劉相翌， 李禾香

(1北京石油機械廠 2中國石油勘探開發(fā)研究院)

近鉆頭地質導向鉆井技術是一種綜合運用測井、地質、油藏工程、鉆井施工等技術的現(xiàn)代鉆井技術，可以提高油氣層鉆遇率、節(jié)約鉆井成本，已成為大斜度井、水平井(尤其是薄油層水平井)等復雜結構井地層評價的重要手段[1-3]。隨著水平井鉆井技術的發(fā)展，水平井呈現(xiàn)著向小井眼和高曲率方向發(fā)展的趨勢。

小井眼鉆井技術是繼水平井鉆井技術之后興起的又一種降低鉆井成本的技術，具有環(huán)保、適于惡劣環(huán)境等多項優(yōu)點，是石油工業(yè)重要技術發(fā)展方向之一[4-5]。若要取得小井眼鉆井的諸多優(yōu)點，必須要解決小井眼鉆井帶來的一系列鉆井技術難題，其中常規(guī)尺寸地質導向工具不適用井眼較小的徑向尺寸成為小井眼鉆井技術發(fā)展的最大障礙之一。

小井眼近鉆頭地質導向儀器參數(shù)測量零長小，測量盲區(qū)短，可實時測量并傳輸近鉆頭電阻率、方位電阻率、方位伽馬等地質參數(shù)，相比常規(guī)隨鉆測量(LWD)，更有利于對儲層進行有效開采[6-7]。此儀器適用于?149 mm～?200 mm井眼。

一、小井眼近鉆頭地質導向儀器組成及技術指標

小井眼近鉆頭地質導向儀器由測傳馬達、無線接收系統(tǒng)、正脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)組成，主要部件結構示意圖見圖1。從連接鉆頭方向開始主要為帶近鉆頭穩(wěn)定器的傳動軸總成、地面可調彎殼體總成(可調角度范圍0°～2°)、近鉆頭參數(shù)測量傳輸短節(jié)、螺桿馬達、旁通閥、無線接收系統(tǒng)和正脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)。近鉆頭參數(shù)測量傳輸短節(jié)由電阻率傳感器、方位伽馬傳感器、加速度傳感器、發(fā)射天線、控制電路、電池組等組成。在有限的空間內對電路系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，緊湊合理布局，實現(xiàn)對近鉆頭電阻率、方位電阻率、方位伽馬、井斜、工具面、溫度等參數(shù)的測量功能和通過無線電磁短傳方式將參數(shù)傳送至無線接收系統(tǒng)中的無線短傳功能。

圖1 小井眼近鉆頭地質導向儀器組成示意圖

無線接收短節(jié)主要由控制電路、電池組、接收天線、穩(wěn)定器等組成，兩端分別連接測傳馬達和正脈沖無線隨鉆工具。無線接收系統(tǒng)接收到近鉆頭參數(shù)測量傳輸短節(jié)中的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后傳送至正脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)中，然后再借助鉆井液的壓力脈沖被上傳至地面信息處理設備中供導向決策軟件系統(tǒng)分析。導向決策軟件對已鉆地層進行判斷和解釋，對待鉆地層進行預測，以測傳馬達作為導向執(zhí)行工具，及時調整井眼軌跡，達到提高儲層鉆遇率的目的。

所有參數(shù)測量功能均通過近鉆頭參數(shù)測量短節(jié)實現(xiàn)，參數(shù)的測量采用近鉆頭結構設計，部分技術參數(shù)見表1。由表1可見各個參數(shù)測量零長的距離，近鉆頭電阻率可探測鉆頭以下0.5 m范圍內地層電阻率特性。在鉆井過程中通過對井眼上下方的方位電阻率、方位伽馬值進行比較，可以辨識儲層及儲層邊界，并據(jù)此及時調整鉆頭姿態(tài)，提高儲層鉆遇率。

表1 小井眼近鉆頭地質導向儀器主要技術參數(shù)

二、電磁無線短傳關鍵技術分析

測量的近鉆頭數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼后通過電磁短傳方式跨越螺桿馬達傳送至另一端的無線數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)。無線數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)檢測到微弱的數(shù)據(jù)信號，先經(jīng)過濾波、多級放大，然后對信號進行解碼，得到近鉆頭的各個參數(shù)。

無線短傳技術是保證數(shù)據(jù)成功傳輸?shù)年P鍵。其基本設計原理是近鉆頭參數(shù)測量傳輸短節(jié)將數(shù)據(jù)進行調制，放大成一定頻率的交流電信號后，送入此短節(jié)中的發(fā)射天線，產(chǎn)生電磁激勵信號；無線數(shù)據(jù)接收短節(jié)中的接收天線接收到電磁信號后，經(jīng)過多級放大、噪聲濾波、解調、信號檢波等一系列處理，最終獲得需要的數(shù)據(jù)。電磁信號在井下傳播除與自身頻率和媒質特性有關之外，也與線圈的設計形式、發(fā)射方向、發(fā)射功率有很大關系。

利用電磁短傳方式傳輸數(shù)據(jù)具有實用性廣、傳輸速度快、數(shù)據(jù)量大等優(yōu)勢[8]，但實際設計時，需要克服以下3條關鍵技術：

(1)電磁波頻率的選取。電磁波自身頻率越高，由于趨膚作用的影響，在地層中傳播時，衰減越大；但電磁波頻率越低，輻射頻率越低，需要龐大的發(fā)射天線，不適用于井下狹小空間。

(2)地層對信號衰減的影響。電磁波傳輸途徑為開放型通道，加載著重要數(shù)據(jù)的電磁波在傳輸過程中的衰減隨地層電阻率的減小而增大。尤其是在某些特殊地層，可能會導致電磁波信號被屏蔽，無法被檢測。

(3)弱信號檢測技術。由于地層不均勻，在傳播過程中，電磁波會有不同程度的反射、衍射現(xiàn)象，可能會產(chǎn)生相位或幅值的疊加。為減少各種電磁干擾的介入，需要優(yōu)化發(fā)射天線、接收天線、信號處理電路的設計，提高系統(tǒng)對弱信號的檢測能力。

電磁激勵的方式通常有水平電激勵、垂直電激勵、水平磁激勵、垂直磁激勵四種[9]。在近鉆頭位置實現(xiàn)電磁激勵，只能利用轉動的鉆具作為結構支撐，實際可行的方式只能采用垂直電激勵天線或垂直磁激勵天線。此系統(tǒng)設計采用的是前者，具體天線采用環(huán)形天線，即利用環(huán)形變壓器作為收發(fā)天線，將線圈纏繞在一個固定于鉆鋌上的環(huán)形磁芯上，結構示意圖見圖2。

圖2 電磁環(huán)形線圈結構示意圖

三、機械設計關鍵技術分析

機械艙體搭載了各個重要、繁多的電子電路系統(tǒng)，也是鉆進破巖作用力的重要承載部分，艙體設計的可靠性是測量、傳輸功能實現(xiàn)的關鍵。艙體承受拉、壓、彎交變負荷，其本身結構特點是需要加工各種槽安放電子電路系統(tǒng)。在管體結構上開槽勢必產(chǎn)生多個危險截面，在設計時利用有限元軟件對近鉆頭參數(shù)測量短節(jié)進行整體結構分析計算，見圖3，保證了機械部件的可靠性。

圖3 近鉆頭參數(shù)測量傳輸短節(jié)艙體有限元分析圖

經(jīng)過有限元分析艙體滿足抗拉、抗壓、抗彎強度要求，為了進一步驗證抗扭強度，選取兩端螺紋連接處進行分析，此處為壁厚最薄弱環(huán)節(jié)，是艙體的承受抗扭失效的危險點。

API RP 7G-1990關于錐螺紋的強度校核公式:

式中：S—因外力T而產(chǎn)生的應力，MPa；RS—螺紋端部臺肩平均接觸半徑，mm ；Rt—公扣基面以右的平均中徑之半，mm ；θ—螺紋牙形半角對于一般API扣θ=30°；P—螺紋節(jié)距，mm；tpr—螺紋錐度(1 ∶k)；Lpc—公扣長度，mm；C—公扣基面中徑，mm。

RS=(OD+QC)/4=49.75

Rt= 2C- (LPC- 15.875)×tpr/4

=39.17 mm

距內螺紋端面9.525 mm處內螺紋的環(huán)面積Ab：

Ab=π/4×[OD2- (QC-9.525×tpr)2]

=2881.85 mm2

距公扣端面19.05 mm處的最小環(huán)面積Ap：

Ap=π/4×[(C-2×h2-9.525×tpr)2-ID2]

= 2726.66 mm2

可見Ab>Ap，故該扣強度的薄弱環(huán)節(jié)在公螺紋處，進一步取計算面積A=Ap=2726.66 mm2。最大工作扭矩為T=9 300 N·m，取摩擦系數(shù)f=0.08，按API RP 7G-1990關于錐螺紋強度計算公式計算應力為：

=396.19 MPa

材料屈服強度σs=758 MPa，則S<σs， 經(jīng)過計算分析設計的艙體結構滿足各種強度要求，可以進行加工制造。

四、實例應用

以YB368-H06氣井現(xiàn)場應用為例分析小井眼近鉆頭地質導向儀器的具體應用過程及效果。

YB368-H06井位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部，是上古生界發(fā)育的巖性氣藏[10-11]。目的層是山西組山23主力含氣砂體，山23砂巖屬于灰白色含氣中粒砂巖，發(fā)育集中。

此井水平段設計井眼尺寸為?152 mm，設計A靶垂深3 066.88 m，B靶垂深3 070.88 m，水平段長度逾1 000 m。根據(jù)臨井曲線對比，預計在垂深3 059 m處進入山西組山23砂層，實鉆過程中發(fā)現(xiàn)在垂深3 080 m處附近開始進入該層，比預計位置下移了21 m，此儀器測得實鉆隨鉆測井數(shù)據(jù)曲線如圖4所示。

圖4 自然伽馬與電阻率垂深曲線

參照圖4所示曲線與臨井曲線對比分析后，對原設計參數(shù)進行多次調整，為了探明儲層厚度并優(yōu)化軌跡設計，以84°井斜下探到井深3 685 m、垂深3 092 m，近鉆頭地質導向數(shù)據(jù)及錄井數(shù)據(jù)顯示，進入太原組灰?guī)r層。參照儀器測量的方位自然伽馬及電阻率數(shù)據(jù)，與臨井數(shù)據(jù)進行精細分析，重新定位儲層。將井眼回填至井深3 499 m、垂深3 077 m處，側鉆點定在井深3 500 m，調整工具面為150°，降低鉆速，定向掃塞至3 503 m，以工具面120°開始側鉆，控制井眼軌跡在井深3 528 m、垂深3 079 m左右，井斜調整達到90°，通過發(fā)揮工具方位伽馬和電阻率數(shù)據(jù)測量盲區(qū)短的優(yōu)勢，多次對比井眼上、下地層數(shù)據(jù)，及時調整測傳馬達，保證井眼軌跡在儲層中穿越，直至鉆至井深4 516 m完鉆。

五、結論

(1) 介紹小井眼近鉆頭地質導向儀器的結構組成及技術參數(shù)，此儀器具有近鉆頭方位特性地質參數(shù)測量功能，測量盲區(qū)短，滿足小井眼鉆井地質導向鉆井需求。

(2) 分析小井眼近鉆頭地質導向儀器設計時需要克服的無線短傳關鍵技術及機械結構設計關鍵技術。

(3)儀器的現(xiàn)場成功應用，為小井眼技術與地質導向技術的綜合應用積累了寶貴經(jīng)驗，有利于促進國產(chǎn)小井眼地質導向技術的發(fā)展及推廣應用。

[1]蘇義腦.地質導向鉆井技術概況及其在我國的研究進展[J].石油勘探與開發(fā), 2005, 32(1):92-95.

[2]趙金海,閆振來,馮光通,等.地質導向鉆井技術在埕71-平4井中的應用[J].石油鉆采工藝, 2005, 27(1):9-12, 31.

[3]李一超,王志戰(zhàn),秦黎明,等.水平井地質導向錄井關鍵技術[J].石油勘探與開發(fā), 2012, 39(5):620- 625.

[4]趙寧.小井眼水平井儲層適應性與動力鉆具選用[J].石油鉆探技術, 2005, 33(2):20-22.

[5]路飛飛,李斐,胡廣強,等.塔河油田碳酸鹽巖側鉆小井眼鉆完井技術[J].石油機械,2017,45(9):37-41.

[6]王智鋒. MRC近鉆頭地質導向系統(tǒng)總體設計與應用 [J], 石油鉆采工藝,2015, 37(4):1-4.

[7]楊志堅,齊悅,吳黨輝,等.DQNBMS-1型近鉆頭隨鉆測量系統(tǒng)的研制與應用[J].石油鉆采工藝,2013,35(1):48-50.

[8]王磊,李林,盛利民,等.DREMWD電磁波隨鉆測量系統(tǒng)及現(xiàn)場試驗[J].石油鉆采工藝,2013,35(2):20-23.

[9]李曉.電磁雙向信號傳輸遙測通道的研究[D].武漢：中國地質大學，2010.

[10]付金華,魏新善,任軍峰.伊陜斜坡上古生界大面積巖性氣藏分布與成因[J].石油勘探與開發(fā), 2008, 35(6):664-667.

[11]王建民,王佳媛.鄂爾多斯盆地伊陜斜坡上的低幅度構造與油氣富集[J].石油勘探與開發(fā), 2013, 40(1):49-57.