頁(yè)巖油原位開(kāi)發(fā)小井間距水平井鉆井模擬實(shí)驗(yàn)初探

車(chē) 陽(yáng)，喬 磊，林盛杰，朱曉雨,2,杜衛(wèi)強(qiáng), 王開(kāi)龍

1中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司 2東北石油大學(xué)

0 引言

頁(yè)巖油原位開(kāi)發(fā)是通過(guò)人工加熱地下低熟頁(yè)巖油儲(chǔ)層，在原位將內(nèi)部的固體干酪根裂解成油氣，再通過(guò)一定的工藝開(kāi)采到地面的方法，又被稱(chēng)為“地下煉廠”，是一種環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的頁(yè)巖油開(kāi)發(fā)的模式[1]。中國(guó)頁(yè)巖油原位轉(zhuǎn)化潛力巨大，技術(shù)可采儲(chǔ)量石油產(chǎn)量約700×108～900×108t，天然氣產(chǎn)量約60×1012～65×1012m3[2]。

頁(yè)巖油原位開(kāi)發(fā)技術(shù)可追溯到1940年，瑞典提出并發(fā)明了電熱原位開(kāi)采法[3]。自20世紀(jì)80年代開(kāi)始，隨著世界原油價(jià)格的快速上升，這項(xiàng)技術(shù)得到了快速的發(fā)展，跨國(guó)石油公司如殼牌、?？松梨凇⒀└埖榷歼M(jìn)行了相關(guān)技術(shù)研發(fā)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[4]。我國(guó)在這項(xiàng)技術(shù)上的研究起步于2005年，太原理工大學(xué)、吉林大學(xué)、吉林眾誠(chéng)油頁(yè)巖公司、中國(guó)石油集團(tuán)等單位提出了不同類(lèi)型的原位開(kāi)發(fā)技術(shù)，在吉林省的扶余市和農(nóng)安縣成功從地下原位采出了少量頁(yè)巖油[2]。目前在原位開(kāi)發(fā)技術(shù)中，以殼牌ICP(In-situ Conversion Process)技術(shù)最為成熟，采收率可達(dá)到60%以上[5]。ICP技術(shù)先在地層中完成加熱井和生產(chǎn)井鉆完井施工，然后采用小井間距井下電加熱器循序均勻地將地層通過(guò)傳導(dǎo)方式加熱到頁(yè)巖油裂解溫度，過(guò)程易于控制[6]。

研究表明，采用六邊形井網(wǎng)原位開(kāi)發(fā)頁(yè)巖油可以降低熱損耗、提高投入產(chǎn)出比[7]。殼牌在美國(guó)和約旦前后兩次先導(dǎo)試驗(yàn)都采用了正六邊形垂直井網(wǎng)，由1口生產(chǎn)井、6～7口加熱井和若干口監(jiān)測(cè)井構(gòu)成一個(gè)“地下煉廠”單元，加熱井與生產(chǎn)井的井間距為7 m左右，大約兩年時(shí)間加熱到350 ℃生烴[8]，如圖1所示。但這種通過(guò)縮小井間距使頁(yè)巖油更快達(dá)到生烴溫度的模式會(huì)增加鉆井成本[9]。

圖1 ICP先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)的正六邊形井網(wǎng)圖

與北美地區(qū)相比，我國(guó)低熟頁(yè)巖油埋藏深、儲(chǔ)層薄(20～30 m)、非均質(zhì)性強(qiáng)、含油率低[10]。由于熱場(chǎng)的影響范圍在10 m以?xún)?nèi)，采用小井間距長(zhǎng)距離水平井井網(wǎng)模式開(kāi)發(fā)是最有利的一種方式。同時(shí)為了維持穩(wěn)定的加熱速率和加熱腔，理想的加熱井與生產(chǎn)井的井距為6～10 m，井眼軌跡控制誤差率在5%以?xún)?nèi)。

1 小井間距鉆井技術(shù)現(xiàn)狀

國(guó)際上，主要通過(guò)磁信號(hào)間距手段實(shí)施小井間距為主，最小誤差為2%。它是通過(guò)探測(cè)參考井的磁信號(hào)來(lái)探測(cè)兩井相對(duì)位置，可通過(guò)人工磁源、激勵(lì)電流等主動(dòng)生磁方式和目標(biāo)井套管等被動(dòng)靜磁的方式產(chǎn)生磁信號(hào)，分為主動(dòng)、被動(dòng)兩類(lèi)[11]。

1.1 主動(dòng)磁測(cè)距技術(shù)

主動(dòng)磁測(cè)距的關(guān)鍵是在參考井中產(chǎn)生可以主動(dòng)控制頻率和強(qiáng)度的人工感應(yīng)磁場(chǎng)，在另一口井中探測(cè)磁信號(hào)，主動(dòng)磁測(cè)距不受地磁場(chǎng)的干擾，需要與參考井直接或間接的接觸[11]。

主動(dòng)磁測(cè)距技術(shù)包括MGT(Magnetic Guidance Tool)、RMRS(Rotating Magnet Ranging Service)、SWG(Single Wire Guidance)、WT(Wellspot Tool)等系統(tǒng)。上述系統(tǒng)廣泛用于水平井、煤層氣對(duì)接作業(yè)、油氣管道穿越、防碰井作業(yè)、井噴事故井救援等[12- 14]。SDI公司采用高精度MWD配合RMRS技術(shù)廣泛開(kāi)展北美頁(yè)巖油精細(xì)鉆井作業(yè)[15]。

我國(guó)自主研發(fā)的DRMTS、SmartMag工具在煤層氣“U”型井、稠油雙水平井應(yīng)用效果良好[16- 17]。

1.2 被動(dòng)磁測(cè)距技術(shù)

被動(dòng)磁測(cè)距不需要額外的人工磁信號(hào)，其磁場(chǎng)主要來(lái)源于參考井套管機(jī)械加工、磁探傷和地磁場(chǎng)的磁化。被動(dòng)磁測(cè)距不需要接觸參考井，但容易受地磁場(chǎng)的干擾，同時(shí)受限于套管剩磁的大小和傳感器的精度，定位效果較差[18]。

被動(dòng)磁測(cè)距的最大測(cè)距范圍為10～20 m，其平均測(cè)量精度為25%。科學(xué)鉆井公司研發(fā)的MagTrac工具在防碰工程中成功應(yīng)用300多井次，而國(guó)內(nèi)這方面的應(yīng)用相對(duì)較少[19]。

2 頁(yè)巖油原位開(kāi)發(fā)小井間距鉆井技術(shù)方案

2.1 頁(yè)巖油原位開(kāi)發(fā)小井間距鉆井技術(shù)難點(diǎn)

運(yùn)用ICP技術(shù)規(guī)?；虡I(yè)原位開(kāi)發(fā)頁(yè)巖油時(shí)采用小井間距立體井網(wǎng)，形成“地下煉廠”集群。在此基礎(chǔ)上，要滿(mǎn)足“甜點(diǎn)區(qū)”生產(chǎn)井與加熱井井距6.5±0.5 m的精度，鉆井過(guò)程中存在諸多技術(shù)難點(diǎn)。

2.1.1 前期井網(wǎng)部署限制多

從降低開(kāi)發(fā)成本的角度考慮，頁(yè)巖油原位開(kāi)發(fā)宜選用“井工廠”鉆井模式，在滿(mǎn)足工程需要的前提下盡可能地減小井場(chǎng)面積[20]。且由于磁測(cè)距過(guò)程需要有參考井，井網(wǎng)部署面臨合理選擇參考井的問(wèn)題，既不能讓參考井與后實(shí)施的被參考井之間的距離較遠(yuǎn)，也不能讓參考井與先實(shí)施的非參考井之間的距離較近。

2.1.2 第一口標(biāo)準(zhǔn)井成敗影響大

各類(lèi)磁測(cè)距手段可以克服直接鉆井的累積誤差，大大縮小相對(duì)誤差橢圓[13]。但后實(shí)施的井在磁測(cè)距時(shí)需參考先實(shí)施的井，遞推到第一口井，即標(biāo)準(zhǔn)井就顯得更為重要了。一旦標(biāo)準(zhǔn)井偏移大未按設(shè)計(jì)到達(dá)目的靶區(qū)，所有的參考井就會(huì)隨之偏移，甚至導(dǎo)致部分井鉆穿儲(chǔ)層。

2.1.3 入窗靶點(diǎn)的范圍小

入窗靶點(diǎn)是進(jìn)入水平段的第一點(diǎn)，它受上部直井段和造斜段控制。若入窗靶點(diǎn)未能抵達(dá)指定位置，水平段磁測(cè)距參考的基準(zhǔn)缺失，影響整個(gè)水平段的精度。SAGD(Steam Assisted Gravity Drainage)成對(duì)井的測(cè)距作業(yè)，測(cè)距精度一般要求為±1 m，比頁(yè)巖油原位開(kāi)發(fā)的要求低一倍。此外，區(qū)域內(nèi)多水平井同時(shí)存在，會(huì)降低測(cè)距的范圍和精度[21]。

2.1.4 磁干擾下的防碰風(fēng)險(xiǎn)高

小空間下井眼軌跡多處出現(xiàn)空間交叉，常規(guī)的防碰掃描方法易失效，這樣就帶來(lái)較高的井碰風(fēng)險(xiǎn)。若采用約旦的頁(yè)巖油原位開(kāi)發(fā)的7口加熱井的模式，生產(chǎn)井與最近加熱井的距離又將縮小一半，井碰風(fēng)險(xiǎn)成倍增加。而在鉆生產(chǎn)井時(shí)，與最近加熱井的距離已進(jìn)入磁性?xún)x器的“磁干擾區(qū)”，影響鉆進(jìn)過(guò)程對(duì)防碰距離的判斷。

2.2 頁(yè)巖油原位開(kāi)發(fā)小井距鉆井技術(shù)方案

磁測(cè)距技術(shù)各有優(yōu)劣，單一的磁測(cè)距技術(shù)無(wú)法克服上述難題。對(duì)于頁(yè)巖油原位開(kāi)發(fā)小井間距鉆井這一特殊應(yīng)用，國(guó)際上鮮少報(bào)道。針對(duì)鉆井難點(diǎn)，定制多種成熟適配的磁測(cè)距技術(shù)組合，集成高端鉆井工藝，提出以下鉆井技術(shù)方案。

2.2.1 地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)

如圖2所示，在井網(wǎng)正式部署前，應(yīng)當(dāng)在儲(chǔ)層的頂?shù)装逶O(shè)置兩口以上控邊井。其目的是為監(jiān)控后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)井及后續(xù)井施工的效果，控制垂深上的儲(chǔ)層鉆遇率，降低垂向上的誤差。采用地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)，通過(guò)隨鉆測(cè)量多種地質(zhì)和工程參數(shù)對(duì)所鉆地層的地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)和對(duì)比，根據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)比結(jié)果而調(diào)整控制井眼軌跡，使之命中頂?shù)装迥繕?biāo)并在其中有效延伸[22]。

圖2 儲(chǔ)層頂?shù)装宓目剡吘疽鈭D

2.2.2 “U”型穿針磁測(cè)距技術(shù)

如圖3所示，在標(biāo)準(zhǔn)井實(shí)施前，先在標(biāo)準(zhǔn)井的A點(diǎn)、B點(diǎn)及水平段距離3～5 m的平行線(xiàn)上布置一定數(shù)量的直井，儲(chǔ)層中的直井應(yīng)裸眼完井并穿透頂?shù)装?，目的是控制水平井入窗點(diǎn)和水平段延伸。采用“U”型穿針技術(shù)，當(dāng)鉆進(jìn)水平段時(shí)，在直井中下入探管，在鉆頭處連接一個(gè)強(qiáng)磁短節(jié)[23]。然后利用磁場(chǎng)信號(hào)對(duì)鉆頭進(jìn)行精確定位，測(cè)出兩者的相對(duì)距離、方位和井斜，保持與平行平面的距離d不變，引導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)井按照設(shè)計(jì)軌跡正常鉆進(jìn)經(jīng)過(guò)直井1，2……n(n=L/γ+1，n為直井的數(shù)量，L為水平段的長(zhǎng)度，γ為距離測(cè)量的精度)。網(wǎng)形成后，直井可用作溫度場(chǎng)的監(jiān)測(cè)井。

圖3 “U”型穿針磁測(cè)距技術(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)井示意圖

2.2.3 雙水平井磁測(cè)距技術(shù)

收集2013年12月至2016年8月江西省腫瘤醫(yī)院病理科存檔資料完整的胃癌活檢標(biāo)本1136例，其中男性850例，女性286例；年齡20～90歲，<60歲者457例，≥60歲者679例；所有患者胃鏡活檢前均未行放化療及生物治療。所有腫瘤活檢組織經(jīng)10%中性緩沖福爾馬林固定6～48 h后石蠟包埋切片。

實(shí)施水平段施工時(shí)，應(yīng)采用雙水平井磁測(cè)距技術(shù)，選距離當(dāng)前正鉆井最近的水平井作為參考井，參考井中下入探管，正鉆井近鉆頭連接一個(gè)強(qiáng)磁短節(jié)[24]。實(shí)時(shí)采集磁信號(hào)，計(jì)算相對(duì)位置。為解決在SAGD雙水平井控制精度不夠高的問(wèn)題，優(yōu)選配套旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具RSS(Rotary Steerable System)，可以大幅提高控制精度。

2.2.4 隨鉆防碰技術(shù)

全井段高風(fēng)險(xiǎn)防碰作業(yè)時(shí)，適當(dāng)借鑒密集叢式井防碰經(jīng)驗(yàn)。采用隨鉆防碰技術(shù)，在鉆進(jìn)過(guò)程中計(jì)算異面角和臨界切入角，正確判斷發(fā)生磁干擾的工況[25]。進(jìn)入“磁干擾區(qū)”后，更換隨鉆陀螺繼續(xù)鉆進(jìn)，不受磁干擾的影響[26]。對(duì)于距離近，且無(wú)法判斷的井，可以用類(lèi)似RMRS、SWG等磁測(cè)距工具進(jìn)行防碰測(cè)距，開(kāi)展系統(tǒng)防碰。

3 頁(yè)巖油原位開(kāi)發(fā)小井間距鉆井模擬實(shí)驗(yàn)

針對(duì)頁(yè)巖油原位開(kāi)發(fā)在造斜段、水平段等軌跡控制難的問(wèn)題，采用室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)上述技術(shù)方案。

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖4所示，筆者團(tuán)隊(duì)研發(fā)的頁(yè)巖油原位開(kāi)發(fā)小井距磁測(cè)距模擬實(shí)驗(yàn)裝置主要包括主控計(jì)算機(jī)、機(jī)械臺(tái)架、探管、套管、磁源發(fā)射裝置。通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)裝置帶動(dòng)磁源旋轉(zhuǎn)來(lái)模擬強(qiáng)磁短節(jié)在正鉆井中的旋轉(zhuǎn)，探管采集磁源產(chǎn)生的磁信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，解算出探管和磁源的距離、方位參數(shù)及標(biāo)定井斜、方位數(shù)據(jù)，對(duì)比臺(tái)架光柵尺讀取的數(shù)據(jù)，可以評(píng)價(jià)RMRS類(lèi)工具的精度。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

具體參數(shù)如下：精確測(cè)量待測(cè)探管高度的數(shù)據(jù)及探管和圓心的距離，坐標(biāo)精度達(dá)到0.01 m；標(biāo)定待測(cè)探管三維位置，測(cè)量精度達(dá)到0.01 m，標(biāo)定井斜、方位數(shù)據(jù)，測(cè)量精度達(dá)到0.1°；提供作業(yè)井模擬裝置上的磁源發(fā)射裝置的三維位置數(shù)據(jù)，測(cè)量精度達(dá)到0.01 m；磁源發(fā)射裝置始終保持正轉(zhuǎn)，自轉(zhuǎn)速度為80～200 r/min，控制精度1 r/min。

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

類(lèi)比“U”型井穿針對(duì)接過(guò)程，將旋轉(zhuǎn)磁源置于導(dǎo)軌，探管豎直向下，探管與磁源導(dǎo)軌所在直線(xiàn)距離為d，高度為h,初始時(shí)磁源與探管距離最近，推動(dòng)旋轉(zhuǎn)磁源在導(dǎo)軌上前進(jìn)，前進(jìn)距離為L(zhǎng)，如圖5所示。

圖5 模擬“U”型穿針磁測(cè)距示意圖

3.2.2 模擬雙水平井磁測(cè)距

類(lèi)比SAGD雙水平井的鉆井過(guò)程，將旋轉(zhuǎn)磁源置于導(dǎo)軌，探管水平向前，探管與磁源導(dǎo)軌所在直線(xiàn)距離為d，高度為h，初始時(shí)磁源與探管距離最近，推動(dòng)旋轉(zhuǎn)磁源在導(dǎo)軌上前進(jìn)，前進(jìn)距離為L(zhǎng)，如圖6所示。

圖6 模擬雙水平磁測(cè)距示意圖

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)為模擬“U”型穿針磁測(cè)距測(cè)試數(shù)據(jù)，表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)為模擬水平磁測(cè)距測(cè)試數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：井距3～6.5 m，遠(yuǎn)距離穿針和雙水平井磁導(dǎo)向工具的距離誤差小于5%，基本滿(mǎn)足頁(yè)巖油原位開(kāi)發(fā)小井距鉆井需求。

表1 模擬“U”型穿針磁測(cè)距測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)表

表2 模擬雙水平磁測(cè)距測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)表

4 結(jié)論與建議

(1)原位開(kāi)發(fā)是一種環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的頁(yè)巖油開(kāi)發(fā)的模式，采用小間距長(zhǎng)距離水平井井網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)化原位開(kāi)發(fā)的最有利的一種方式，磁測(cè)距技術(shù)可以克服小井間距鉆井過(guò)程中存在諸多技術(shù)難點(diǎn)。

(2)基于室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，“U”型穿針磁測(cè)距和雙水平井磁測(cè)距基本滿(mǎn)足頁(yè)巖油原位開(kāi)發(fā)小井間距鉆井測(cè)量要求， 建議盡快開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

(3)除了系統(tǒng)應(yīng)用磁測(cè)距技術(shù)外，頁(yè)巖油原位開(kāi)發(fā)小井間距水平井鉆井建議同時(shí)適配地質(zhì)導(dǎo)向、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向等鉆井工具，形成整套技術(shù)方案，以實(shí)現(xiàn)工程目標(biāo)。