UTE方位伽馬近鉆頭測量系統(tǒng)原理及現場應用*

楊曉峰

(中國石油集團長城鉆探工程有限公司鉆井技術服務公司 遼寧 盤錦 124010)

0 引 言

常規(guī)隨鉆測井工具的測點離鉆頭較遠,無法及時準確判斷鉆頭處的地層巖性和傾角,儲層鉆遇率較低。 隨鉆測井(Logging While Drilling,LWD)工具測點距離鉆頭一般都在10 m以上,嚴重影響了地質導向對于地層位置的判斷,致使一些薄油層和邊際油層如果采用常規(guī)隨鉆測井工具很難進行再次開發(fā)[1]。近鉆頭地質導向工具將傳感器安裝在靠近鉆頭的位置,不但具有隨鉆地質導向的能力,而且還有隨鉆地質參數測量的功能[2]。目前近鉆頭地質導向工具在勝利油田臨盤油區(qū)、西南油田上羅地區(qū)、自貢地區(qū)、華北油田煤層氣等多個區(qū)塊推廣應用,施工水平井的儲層鉆遇率得到了明顯提高[3]。相比于國產近鉆頭地質導向工具,加拿大U-Target Energy公司研發(fā)的UTE方位伽馬近鉆頭測量系統(tǒng),其伽馬測點距離鉆頭不足1 m,是一種鉆鋌式的測量井斜角、方位伽馬和振動的高溫近鉆頭隨鉆測量工具。同時,UTE方位伽馬近鉆頭測量工具系統(tǒng)具有測量井下環(huán)空壓力、管內壓力以及振動測量的功能,提升了井下作業(yè)的安全性和地質導向決策功能。

1 UTE方位伽馬近鉆頭測量系統(tǒng)組成及原理

1.1 系統(tǒng)組成

UTE方位伽馬近鉆頭測量系統(tǒng)由地面解碼系統(tǒng)和井下工具兩部分組成。

地面解碼系統(tǒng)主要由防爆司顯、解碼箱、壓力傳感器和深度追蹤系統(tǒng)組成,其用途主要是接收井下傳來的泥漿脈沖信號并解碼顯示在計算機上。

井下工具主要由近鉆頭短節(jié)、接收短節(jié)和探管式隨鉆測量(Measare While Drilling, MWD)工具組成。近鉆頭短節(jié)位于鉆頭和螺桿之間,探管式MWD插入到無磁鉆鋌中、底部總成坐入坐鍵短節(jié)中。

1.2 近鉆頭短節(jié)測量原理

近鉆頭本體共有5個腔體,腔體中分別安裝有發(fā)射電路板、測量電路板、方位伽馬電路板、電池1和電池2。測量電路板由3個重力計和3個磁力計組成,本身能夠測量的參數有靜態(tài)測斜(井斜角、方位角)、動態(tài)井斜角、動態(tài)方位角、方位伽馬、轉速、振動參數[5]。方位伽馬由于采用了有效的采樣、算法和標定方法,在出入層時能夠有效地判斷出儲層的變化,便于地質導向人員快速做出軌跡決策[6]。同時采用特殊算法處理后的近鉆頭井斜具有非常高的精度,和后端MWD的靜態(tài)測斜誤差都在0.3°之內,對定向工程中的軌跡控制有很好的指導作用。近鉆頭本體設計長度100 cm,伽馬零長小于50 cm。UTE方位伽馬近鉆頭測量系統(tǒng)近鉆頭結構如圖1所示。

圖1 近鉆頭短節(jié)結構示意圖

UTE方位伽馬近鉆頭測量系統(tǒng)伽馬短節(jié)采用8扇區(qū)4方位伽馬,測量具有很高的采樣率,能夠保證在最大400 r/min的情況下把每個時刻測得的地層伽馬值準確地放入到所對應的扇區(qū)中。UTE方位伽馬近鉆頭測量系統(tǒng)的伽馬扇區(qū)測量示意圖如圖2所示。

圖2 伽馬扇區(qū)測量示意圖

近鉆頭短節(jié)向MWD系統(tǒng)的傳輸采用無線跳傳技術。近鉆頭短節(jié)的所有測量數據通過電磁波發(fā)射設備向上傳遞到位于電機上方和MWD相連的接收短節(jié),接收短節(jié)再將信息傳遞給MWD,最終將自身測量結果和近鉆頭測量數據一起通過泥漿脈沖或電磁波上傳到地面[7]。

1.3 MWD測量原理

MWD系統(tǒng)由泥漿脈沖短節(jié)、測量電路板、伽馬短節(jié)、控制短節(jié)和電池短節(jié)組成。UTE方位伽馬近鉆頭測量系統(tǒng)MWD系統(tǒng)主要組成如圖3所示。

圖3 MWD系統(tǒng)組成圖

伽馬短節(jié)用于測量來自地層的伽馬值,及時反映巖性的變化。測量電路板由3個三軸重力計和3個三軸磁力計組成,用于測量井斜角、方位角、重力和磁力工具面、總磁場強度、總重力場強度、地磁傾角、轉數、振動參數等。中央處理器收集處理伽馬短節(jié)和測量電路板獲得的數據,按要求進行組碼,并將測量結果傳送給脈沖短節(jié)[8]。

控制短節(jié)包含控制電路板,主要具有以下功能: 1)電源控制,與電腦同步時間。2)模式控制,可以將數據按照電磁波、泥漿脈沖和二者同時發(fā)送這3種方式中的任意一種上傳到地面。3)接收近鉆頭數據。近鉆頭的測量數據以電磁波方式通過地層跨過螺桿等中間鉆具到達控制短節(jié),控制短節(jié)再把獲得的近鉆頭數據傳遞給測量電路板和伽馬電路板的中央處理器,經處理后傳給泥漿脈沖器[9]。

泥漿脈沖器將中央處理器發(fā)來的數據以鉆柱管內泥漿柱為媒介,通過特定組碼方式以壓力脈沖的方式反映在地面壓力傳感器上,并通過電纜傳輸到地面解碼系統(tǒng)。

2 現場應用

YS129H2平臺所處的沐愛向斜位于四川臺坳川南低陡褶帶南緣,南與滇黔北坳陷相鄰,沉積蓋層從震旦系到侏羅系,厚約6 000～7 000 m。川南低陡褶帶以華鎣山背斜為主體,向南逐漸分支,發(fā)育有溫塘峽—臨峰場等構造帶,背斜構造呈左列雁行排列。各個構造帶北高南低,北半段褶皺強,斷層發(fā)育,為狹長梳狀構造,軸部多出露三疊系;向南延伸褶皺逐漸減弱,斷層少,為膝狀和丘狀構造,軸部出露自流井群和沙溪廟組。地震資料解釋成果表明,YS129H2平臺周邊斷裂不發(fā)育,局部區(qū)域構造簡單,向斜中部地層產狀近水平,地層區(qū)域展布穩(wěn)定,為頁巖氣有利保存區(qū)。YS129H2平臺鉆井軌跡設計如圖4所示。

圖4 YS129H2平臺鉆井軌跡設計平面圖(龍馬溪組底界構造圖)

YS129H2-1井位于YS129H2平臺,該井三開上部215.9 mm井段降斜曲率較大,三開開鉆直接下入旋轉導向工具,施工至A點后起鉆,用常規(guī)隨鉆測井具有目的層軌跡控制困難、伽馬測點距離長導致地質層位判斷滯后的問題,故更換UTE近鉆頭工具施工水平段[10]。

該井由旋導施工至井深2 657 m下入UTE近鉆頭工具,水平段72 m,剩余1 978 m(含50 m口袋),層位位于龍一1-1小層頂部,井斜89.1°,方位2°。鉆具組合為215.9 mmPDC鉆頭+176 mm近鉆頭短節(jié)+172 mm單彎無扶螺桿(1.25°)+165 mm浮閥+172 mm坐鍵接頭+172 mm無磁鉆鋌1根+172 mm絕緣接頭1根+172 mm保護接頭1根+127 mm加重鉆桿1柱+165 mm隨鉆震擊器+127 mm加重鉆桿1柱+127 mm鉆桿×7根+水力震蕩器+旁通閥+127 mm鉆桿×200根+411/520變扣+139.7 mm鉆桿。

該井龍一1-1小層伽馬垂直分布,厚度約1.3 m。鉆至井深3 967 m,鉆進中發(fā)現自然伽馬一直有降低的趨勢,并且上伽馬值為261 API,下伽馬值為274.5 API,地質導向判斷當前軌跡位于龍一1-1小層頂部,為防止頂出箱體進入2小層,依據近鉆頭井斜93°,要求降斜調整,10 m降斜0.5°至92.5°鉆進觀察。此后由于地層傾角變化,實鉆軌跡進入了龍一1-2小層,自然伽馬和方位伽馬一直有降低的趨勢,地質要求繼續(xù)降斜,施工至4 019.5 m,近鉆頭井斜測得91.5°,此時上伽馬值為261 API,下伽馬值為297 API,重新回到了龍一1-1小層。在實鉆軌跡出龍一 1-2小層,并返回龍一1-1小層期間,MWD測斜系統(tǒng)在測點3 961.62 m處測得井斜93.58°,3 990.39 m處測得井斜92.7°, 4 019.16 m處測得井斜91.6°,與實鉆過程中近鉆頭井斜基本一致,誤差小于0.1°。

該井在鉆進過程中共發(fā)現2個比較明顯的硬層,一號硬層位于龍一1-1小層上部,距離頂部40 cm,伽馬250～270 API左右,二號硬層位于龍一1-1中部偏下,距離底部大約50 cm,伽馬320～350 API處,2個硬層之間的厚度約40 cm。該井最適合施工的位置還是第2個硬層以下直到龍一1-1底部,厚度大約50～60 cm,該位置上邊有2個硬層作為屏障。利用鉆井參數可以控制軌跡穩(wěn)斜鉆進,同時UTE近鉆頭測量系統(tǒng)的自然伽馬和方位伽馬值的變化,結合近鉆頭井斜,可精確判斷出是接近目的層頂界還是穿出目的層底界,提高了對儲層特性的判斷和鉆頭在儲層內軌跡的控制能力,實現準確的地質導向功能。

YS129H2-1井UTE近鉆頭工具施工井段2 657～4 635 m,施工段長1 978 m,純鉆時間238.3 h,平均機械鉆速8.3 m/h,滑動進尺306 m,滑動比列15.47%,目的層鉆遇率100%。YS129H2-1井地質導向圖如圖5所示。

圖5 YS129H2-1井地質導向圖

同平臺YS129H2-2井,水平段仍由UTE近鉆頭測量系統(tǒng)施工,下入井深2 707 m,此時水平段施工57 m,剩余1 493 m(含50 m口袋),層位位于龍一1-1小層頂部,井斜90.5°,方位181°。該井地質要求在龍一1-1小層的中下部穿行,距五峰較近,水平段前1 350 m地層相對穩(wěn)定,傾角變化頻繁,依靠近鉆頭工具實時參數調整軌跡及時控制能保證鉆遇率[11]。后100 m突遇傾角變大,定向增斜到98.5°,實鉆軌跡相對龍一1-1小層仍在不斷下切,導致出箱體進入五峰組。實鉆水平段長1 450 m,鉆遇率為94.5%。

3 結 論

1)UTE近鉆頭測量系統(tǒng)具有方位伽馬和近鉆頭井斜測量功能,并能夠實時地進行井眼的伽馬成像。它適用性廣,故障率低,地質導向和實時決策能力更強。

2)UTE近鉆頭測量系統(tǒng)MWD部分具有測量井下環(huán)空壓力、管內壓力以及振動測量的功能,可以協(xié)助判斷井下工況和鉆進震動情況,實現安全鉆井。

3)四川昭通區(qū)塊的實踐證明,UTE近鉆頭測量系統(tǒng)是針對薄儲層和構造復雜地層開發(fā)的有力工具,提高了目的層鉆遇率、鉆井成功率和采收率。