油田水平鉆井技術(shù)研究

馮鉛玖(延長(zhǎng)油田股份有限公司志丹采油廠，陜西 延安 717500)

1 水平鉆井技術(shù)概況

成功的水平井該如何定義分為兩種，短期內(nèi)達(dá)成的目標(biāo)及長(zhǎng)期達(dá)成的目標(biāo)：

短期內(nèi)達(dá)成的目標(biāo)包含以下：(1)鉆進(jìn)期間無(wú)工安意外、噴井、井塌、卡鉆及順利完井；(2)工程進(jìn)度符合預(yù)期甚至超前；(3)工程款符合預(yù)算甚至低于預(yù)算；(4)碳?xì)浠衔锂a(chǎn)量符合預(yù)期，且無(wú)突發(fā)出水情況。

長(zhǎng)期達(dá)成的目標(biāo)包含以下：(1)油田的總產(chǎn)能能維持或提升；(2)延緩水侵；(3)降低單位產(chǎn)量的開發(fā)成本；(4)增加采收率。

水平井的井程預(yù)期與實(shí)際上可能有發(fā)生的差異，實(shí)際上的地層可能受到斷層影響造成油氣層錯(cuò)動(dòng)及偏移，因此油氣儲(chǔ)集層可能會(huì)被區(qū)分成數(shù)個(gè)彼此隔絕區(qū)塊，理想上可依據(jù)水平井串連起來(lái)，而探勘階段因距離及缺乏實(shí)際數(shù)據(jù)，較難清楚區(qū)分出斷層的位置及隔絕的情形。因此，鉆井過程可依據(jù)MWD及LWD實(shí)時(shí)修正井程并追蹤油氣儲(chǔ)藏區(qū)，用以最佳化井程以增加接觸目標(biāo)區(qū)的面積，根據(jù)地層條件可能需要3口直井才能生產(chǎn)，而水平井則有機(jī)會(huì)鉆1口即可取代。

一般情況鉆鍵、MWD、LWD及鉆頭組合方式如圖1所示，鉆頭銜接定向旋轉(zhuǎn)工具，而其后的MWD及LWD工具依據(jù)泥漿或鉆桿將量測(cè)到的數(shù)據(jù)傳送到地表接收設(shè)備上，再由工程師或系統(tǒng)發(fā)送指令給定向旋轉(zhuǎn)工具，借以控制井程的方向。

圖1 旋轉(zhuǎn)工具導(dǎo)向工具

2 地質(zhì)導(dǎo)向

先期井程的決定主要根據(jù)地質(zhì)資料而定，而地質(zhì)資料對(duì)應(yīng)到的實(shí)際狀況可能不只一種情況。地層中的情況可用圓柱體代表定向旋轉(zhuǎn)工具且橘色為目標(biāo)層，交會(huì)時(shí)會(huì)因角度不同而呈現(xiàn)不同的影響，而實(shí)時(shí)判斷定向旋轉(zhuǎn)工具的偏移角度則可采用系統(tǒng)自動(dòng)判斷，但地層過于復(fù)雜或是目標(biāo)層分岔，自動(dòng)追蹤無(wú)法準(zhǔn)確判斷，就可能往非預(yù)期方向前進(jìn)，此時(shí)則需要借重工程師的專業(yè)判斷[1]。

3 定向旋轉(zhuǎn)工具功能

不同的鉆頭尺寸所搭配的MWD與LWD也會(huì)有所差異，因不同階段需要獲取的地層信息也有所差異。接續(xù)鉆進(jìn)8又1/2吋的井孔，搭配的LWD設(shè)備會(huì)更多元化，主要為因應(yīng)后續(xù)目標(biāo)層接觸區(qū)的資料搜集、完井位置及后續(xù)可能的液裂工程的考量。LWD設(shè)備有MicroScope 、EcoScope及 SonicScope，以下簡(jiǎn)述各設(shè)備的功能及適用范圍。

MicroScope主要功能有提供鉆頭電阻率、電阻率成像、側(cè)向電阻率及方向性，可提供高分辨率電阻率成像，及用來(lái)做結(jié)構(gòu)分析、裂縫識(shí)別和分析、薄層識(shí)別和評(píng)估、提高地層導(dǎo)向水平井鉆遇率和決定套管/取巖心位置。

EcoScope主要功能有井徑電測(cè)、巖性剖面、方位密度、中子孔隙度、感應(yīng)電阻率和方向性，可用來(lái)做綜合地層評(píng)估、最佳化鉆井井程及監(jiān)控環(huán)孔壓力，在部分功能會(huì)與其他LWD設(shè)備重復(fù)，但因分辨率有差異或收集資料方式有差異，Ecoscope是采用PNG脈沖中子發(fā)射器，而一般重復(fù)的功能可用來(lái)做再次確認(rèn)。

SonicScope隨鉆聲波主要功能是縱橫波速率比(Vp/Vs)、普松比、橫波時(shí)間和縱波時(shí)間，可用來(lái)計(jì)算巖石力學(xué)、氣層辨識(shí)、孔隙壓力分析、孔隙率計(jì)算和地層標(biāo)定，特點(diǎn)是可儲(chǔ)存所有聲波數(shù)據(jù)，對(duì)后續(xù)地層分析會(huì)有明顯的幫助。

Underreaming-while-drilling(UWD)隨鉆擴(kuò)井在中東碳酸鹽層也成功與Rotary steerable system(RSS)定向旋轉(zhuǎn)裝置結(jié)合，擴(kuò)井工具能提供清除被泥漿污損的泥壁，降低膚表因子(Skin)，進(jìn)而達(dá)到增產(chǎn)的效果，而此工具也成為水平井可搭配的選項(xiàng)之一。

4 水平鉆井合約要點(diǎn)

4.1 設(shè)備運(yùn)輸

合約中須注明租賃時(shí)間為設(shè)備離開至歸回基地，或是以港口為準(zhǔn)，以乙方來(lái)說，離井場(chǎng)越近租賃時(shí)間越短越有利，而如果有需要中途過夜的情況，乙方需要提供場(chǎng)地，因此貨運(yùn)時(shí)程，建議可直達(dá)井場(chǎng)，避免臨時(shí)需要提供暫放區(qū)或是衍生的費(fèi)用。

4.2 人員協(xié)助

人員協(xié)助部分主要分兩種情況，主要的支出為固定每人日薪，在各階段都需要MWD/LWD工程師及定向鉆井工程師，以避免后續(xù)銜接水平鉆進(jìn)時(shí)有問題；另外一種情況是人員每隔固定時(shí)間需要做交替，而交替的部分會(huì)額外衍生費(fèi)用。

4.3 操作費(fèi)用

設(shè)備定位時(shí)間至搬遷的時(shí)間為主，但如果有其他工具，如電測(cè)工具，此時(shí)可爭(zhēng)取暫停收費(fèi)，另外有進(jìn)尺費(fèi)用，每鉆進(jìn)深度(測(cè)深)的費(fèi)用及入井次數(shù)所衍生的保養(yǎng)費(fèi)，此部分較為復(fù)雜包含時(shí)間、鉆進(jìn)深度及使用次數(shù)，故此部分費(fèi)用變量較大，需視實(shí)際井況保留彈性空間。

4.4 檢測(cè)費(fèi)用

租賃設(shè)備如需做額外的檢驗(yàn)工作，需要自行負(fù)擔(dān)檢驗(yàn)費(fèi)用，此部分較為單純。

4.5 追加費(fèi)用

(1)操作環(huán)境條件(高壓、高溫)超乎預(yù)期設(shè)定的追加費(fèi)用。

(2)泥漿固相含量較大(如大于15%)或含砂量較大(如大于1%)。

(3)泥漿中的氯離子含量(如大于4萬(wàn)mg/L)，或是硫酸根含量(如大于1%)導(dǎo)致管材腐蝕。

(4)地震強(qiáng)度、震動(dòng)次數(shù)(如遇地層變動(dòng)或是周圍有震動(dòng))或是其他天災(zāi)等超過契約的規(guī)定，造成的設(shè)備損害。以上情況如有探勘井或其他資料做地層預(yù)測(cè)及對(duì)比，會(huì)較容易預(yù)測(cè)，而地震部分仍屬于無(wú)法預(yù)測(cè)的天災(zāi)，建議保留彈性空間[2]。

5 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)新技術(shù)

5.1 推位機(jī)制方式

推位機(jī)制方式，主要使用外部數(shù)個(gè)墊片并同時(shí)以泥漿閥控制墊片，使部分的墊片壓在井壁上，藉此產(chǎn)生側(cè)向壓力，導(dǎo)致鉆頭在相反的一側(cè)產(chǎn)生壓力而導(dǎo)致方向改變，其實(shí)際位移顯示于設(shè)定位移關(guān)系圖。綠色線段為使用電測(cè)所得的實(shí)際位移，棕色線段為藉MWD設(shè)備所設(shè)定的位移，而使用電測(cè)量測(cè)所得的位移遠(yuǎn)比MWD設(shè)備設(shè)定的波幅為大，此種情況容易對(duì)于井程的平滑度過于樂觀。

5.2 點(diǎn)位機(jī)制方式

點(diǎn)位機(jī)制方式，主要經(jīng)由彎曲部分管串，使鉆頭的方向相對(duì)于工具的其余部分發(fā)生變化，并需要依據(jù)不旋轉(zhuǎn)的螺桿以產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，此法多用于調(diào)整大范圍的角度如地層走勢(shì)，其實(shí)際位移顯示于設(shè)定位移關(guān)系中。紅色線段為采用電測(cè)所得的實(shí)際位移，綠色線段為以MWD設(shè)備所設(shè)定的位移，而點(diǎn)位式也有類似于推位式的情況存在。

某新型態(tài)的導(dǎo)向工具“連續(xù)比例轉(zhuǎn)向法”，類似推位方式，但將墊片改置于經(jīng)過減速后的轉(zhuǎn)軸上，并個(gè)別采用獨(dú)立的水力控制系統(tǒng)控制墊片，以達(dá)到更精確控制的目的；其主要特點(diǎn)為可減少導(dǎo)向產(chǎn)生的急彎(Dog leg)與平均轉(zhuǎn)向角度的幅度，亦為RSS設(shè)備優(yōu)化的目標(biāo)，其實(shí)際位移與設(shè)定位移關(guān)系。

在急彎、平均扭力與平均轉(zhuǎn)向角在3種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向設(shè)計(jì)下的差異，在優(yōu)化井程的功能下，可減少卡鉆問題，因水平區(qū)段會(huì)受到目標(biāo)地層巖性所影響，而目標(biāo)地層難以修改，但井2墊鉆管串主要為因應(yīng)頁(yè)巖油氣而開發(fā)的技術(shù)，在此技術(shù)也看到與前述Baker hughes的連續(xù)比例轉(zhuǎn)向法相似之處，其設(shè)計(jì)概念為經(jīng)由減速轉(zhuǎn)軸、固態(tài)感應(yīng)器及獨(dú)立電控泥漿閥，以精確控制井程，達(dá)到井間的防碰撞設(shè)計(jì)。相較于連續(xù)比例轉(zhuǎn)向法都具有減速轉(zhuǎn)軸及獨(dú)立控制閥，差異為泥漿在連續(xù)比例轉(zhuǎn)向法置換成水；固體感應(yīng)器為提升定位裝置，對(duì)于不需要防碰撞或是井口數(shù)量較少的情況，作為選配或是省略應(yīng)該是節(jié)省成本的做法，其中墊鉆管串的墊片本身不旋轉(zhuǎn)，而是靠泥漿閥控制定位(凸出)與井壁產(chǎn)生壓力，進(jìn)而達(dá)到轉(zhuǎn)向的效果，而泥漿閥為依賴電力與泥漿壓力，并搭配齒輪箱及位置感應(yīng)器控制墊片位置，所需的泥漿壓差約3.45～4.16 MPa、而電力采用低馬力的馬達(dá)[3]。

墊鉆管串的主要設(shè)計(jì)方向?yàn)楹?jiǎn)單、可靠，同時(shí)減少必要的清潔及維修頻率，4個(gè)墊片組的控制系統(tǒng)都是獨(dú)立的，兩兩成對(duì)并朝向不同方向，在調(diào)整方向時(shí)可以使用1個(gè)或以上的墊片達(dá)成。墊鉆管串的降低轉(zhuǎn)速功能，對(duì)LWD電測(cè)也會(huì)有正向的幫助，降低轉(zhuǎn)速主要對(duì)LWD的量測(cè)可以減少震幅與背景值，對(duì)判斷上可以更為精確，避免誤判。

6 結(jié)語(yǔ)

如地層對(duì)比表顯示的目標(biāo)上方有頁(yè)巖層，其質(zhì)地偏脆且吸水后強(qiáng)度會(huì)快速降低，造成破碎的現(xiàn)象，因此設(shè)計(jì)上會(huì)以直井或低角度定向井穿過該頁(yè)巖層，再進(jìn)行增角作業(yè)。因此區(qū)分成兩種方案，其一為直井部分穿過頁(yè)巖層后，接續(xù)到相對(duì)緊實(shí)的砂巖層進(jìn)行快速增角，到達(dá)目標(biāo)層的砂巖頂部，再轉(zhuǎn)成水平鉆井，其風(fēng)險(xiǎn)為如果目標(biāo)地層提早出現(xiàn)則可能會(huì)錯(cuò)過，或是高增角率造成工程難度提升或無(wú)法采用較大的套管完井；另一種方案為以低角度定向角穿過頁(yè)巖層，提前挑戰(zhàn)危險(xiǎn)性較高的頁(yè)巖層，但也相對(duì)降低錯(cuò)過目標(biāo)層及降低第2起斜點(diǎn)的增角率方式。