隨鉆陀螺在海上叢式井防碰中的應用

劉東東

中海石油（中國）有限公司天津分公司（天津 300459）

渤海油田歷經40年的開發(fā)，部分油田進入開發(fā)中后期，面臨著綜合含水上升快、產量遞減快等問題。由于海上油田開發(fā)高投入、高風險的特點，單純增加油井數(shù)量和平臺數(shù)量來提高產量的方式經濟性差，采取依托現(xiàn)有設施最大限度降低開發(fā)成本的區(qū)域性開發(fā)思路，結合油層水淹規(guī)律及剩余油分布規(guī)律，在油田原有平臺的基礎上通過老井側鉆、內掛槽口、外掛槽口及新建平臺等方式實施密集叢式井網，提高油田采收率。為在2025 年實現(xiàn)上產4 000×104t的生產目標，渤海油田每年作業(yè)開發(fā)調整500 井次，油井間距橫向350 m、縱向175 m、垂向90 m，定向井軌跡猶如“見縫插針”，同時部分老井淺部數(shù)據缺失，井眼碰撞風險高。海上油田開發(fā)受平臺空間限制，一般采用叢式井網，槽口分布集中，間距一般為2.0 m×1.8 m，井眼防碰是叢式井開發(fā)的主要難題[1-5]，尤其是淺層防碰。

1 叢式井淺層防碰難點

在淺層鉆井過程中，由于井眼中心距較小，廣泛應用的MWD 磁性測斜工具受鄰井套管磁干擾嚴重，所測量方位不穩(wěn)定，井眼碰撞風險較高。對于此問題嚴峻的井，一般采用牙輪鉆頭鉆進至離防碰井段一定距離，停止鉆進，在電纜絞車的配合下，從鉆桿中下入電纜陀螺測斜工具通過座鍵在底部鉆具定向短節(jié)進行陀螺定向并復測上部井眼軌跡。然后起出陀螺，按照電纜陀螺定向的方位進行定向鉆進，待與鄰井軌跡成功分離擺脫磁干擾后，利用MWD 隨鉆測斜工具進行定向鉆進[6-7]。該作業(yè)程序在磁干擾井段不能實時準確測量井眼軌跡，在長防碰井段，需要多次停止鉆進，通過下入電纜陀螺測斜工具測量軌跡，增加了作業(yè)時間和鉆具長時間靜止粘卡的風險[8]。另一方面，鉆桿的柔性會導致工具面波動，而且根據反扭角預留泥漿馬達滑動工具面不一定準確。針對上述問題，隨鉆陀螺提供了一種解決方案，有效彌補了運用常規(guī)MWD 加電纜陀螺傳統(tǒng)作業(yè)模式的不足，能夠實現(xiàn)磁干擾環(huán)境下井眼軌跡的精確測量。國內相關學者基于研究課題，進行了隨鉆陀螺測量系統(tǒng)的研制及試驗，取得了一定的效果[6-7,9]。美國某鉆井公司的隨鉆陀螺（GyroMWD）已被用于海上叢式井的定向鉆井作業(yè)中，并取得了良好的效果[8]。針對渤海油田叢式井防碰難題，采用美國某鉆井公司的隨鉆陀螺（GyroMWD）能得到實時陀螺工具面數(shù)據進行定向鉆進，有效緩解了淺層防碰的難題，保障了鉆井作業(yè)的安全。

2 隨鉆陀螺系統(tǒng)組成及工作方式

常規(guī)MWD以地球的磁場強度及磁力線分布為測量依據，測出的井眼方位以磁北為基準。在井斜角大于等于3°時，使用重力工具面角；當井斜角小于3°時，重力工具面不準，切換使用磁性工具面角。在不受磁干擾的情況下，常規(guī)MWD 磁性工具面測量準確，但當MWD距離金屬套管12 m以內時，磁性工具面測量誤差較大[10]。隨鉆陀螺測量儀器是利用高速旋轉陀螺的定軸性原理，利用陀螺儀和加速度傳感器測量測點的地球自轉角度速度和重力加速度分量，以地理北極為基準，計算出測點井斜角及方位角[11]。

2.1 隨鉆陀螺系統(tǒng)組成

隨鉆陀螺系統(tǒng)由地面計算機系統(tǒng)和井下測量系統(tǒng)兩部分組成。井下測量系統(tǒng)的功能是測量井眼的各種參數(shù)，主要由脈沖發(fā)生器、扶正器、MWD電池（電壓1 V、電容量26 AH）、MWD 探管、陀螺電池（電壓36 V、電容量24 AH）、陀螺探管等組成，如圖1所示。隨鉆陀螺和常規(guī)MWD一樣均借助脈沖發(fā)生器產生的鉆井液壓力脈沖進行井下數(shù)據的傳輸，通過陀螺探管和MWD 探管將抗震陀螺和MWD 磁性測量技術進行結合。MWD 探管有重力加速度計和磁通門傳感器，重力加速度計測量井斜角和重力工具面角，磁通門測量磁性工具面，重力加速度計和磁通門共同測量方位角；陀螺探管有Keeper陀螺和重力加速度計傳感器。探管將測量得到的井眼軌跡數(shù)據按照一定的編碼方式傳給脈沖發(fā)生器，由鉆井液脈沖發(fā)生器將測斜數(shù)據通過壓力脈沖信號傳輸至地面，井架立管上的壓力傳感器將感應到壓力脈沖信號傳給地面計算機系統(tǒng)進行解碼，最終顯示出井眼軌跡數(shù)據。

圖1 隨鉆陀螺井下測量系統(tǒng)結構圖

地面計算機系統(tǒng)接收井下測量信息，經解碼后獲得實時方位、井斜和工具面測量數(shù)據，定向井工程師將獲得的測斜及工具面參數(shù)輸入定向井設計軟件及時調整井眼軌跡，隨鉆陀螺的傳輸示意圖如圖2所示。

圖2 隨鉆陀螺地面計算機系統(tǒng)

2.2 隨鉆陀螺工作方式

在磁干擾的情況下，隨鉆陀螺可以提供準確的方位、實時連續(xù)的陀螺工具面等數(shù)據。隨鉆陀螺有兩種測斜模式，分別為陀螺測斜模式、普通MWD測斜模式，這兩種模式可以切換?？蓪煞N模式下得到的方位進行比較，以判斷井下磁場干擾情況和磁干擾消失點。在叢式井初始造斜時，有磁干擾的情況，用隨鉆陀螺提供的連續(xù)、實時的陀螺工具面進行定向作業(yè)，并可以停泵測量得到準確的方位值；一旦擺脫磁場干擾后，可以關閉陀螺，使用MWD提供的工具面進行定向作業(yè)，同時可獲得方位、井斜及其他狀態(tài)參數(shù)。MWD 測斜和陀螺測斜這兩種測斜模式的自動切換可以通過時間和井斜角兩種方式控制。

1）關開泵間隔控制。傳輸MWD 測量數(shù)據：接立柱前關泵，放到測點，坐卡瓦，開始計時；鉆具靜止30 s后測量，采樣時間30 s；計時1 min后開泵，等待MWD 磁性數(shù)據信號，整體測量時間持續(xù)4 min。傳輸陀螺測量數(shù)據：接立柱前關泵，放到測點，坐卡瓦，開始計時；保持鉆具靜止5 min，開泵，等待陀螺測量數(shù)據傳輸，整體測量時間持續(xù)8 min。

2）井斜控制。根據井眼軌跡設計，由地面監(jiān)測軟件計算自動切換的臨界井斜角度A、B。在初始定向時，井斜＜3°，以陀螺工具面為準進行定向鉆進；當井斜處于3°～A，以重力工具面為準進行定向鉆進，測斜數(shù)據仍選陀螺數(shù)據；當井斜處于A～B，將兩種測斜數(shù)據進行比較，以此判斷MWD 是否仍受磁干擾，測斜仍選陀螺數(shù)據；當井斜＞B時，此時無磁干擾，測斜選取MWD測斜數(shù)據，如圖3所示。

圖3 井斜控制測斜模式切換

隨鉆陀螺測量流程如圖4 所示：①開泵至少60 s 激活隨鉆陀螺，開始發(fā)送測量請求；②停泵，控制器探測到靜止，陀螺模塊通電，陀螺旋轉，并執(zhí)行自尋北；③漂移校正；④運行低井斜角測量模式；⑤重新開泵，控制器探測到連續(xù)震動，以脈沖方式傳輸陀螺測量數(shù)據、連續(xù)的陀螺工具面等數(shù)據。

圖4 隨鉆陀螺測量流程

2.3 技術指標

隨鉆陀螺MWD 模塊工作時間上限為200 h，隨鉆陀螺模塊累計工作時間上限為30 h，最高工作壓力達14 MPa，最高工作溫度達150 ℃。該儀器的測量精度高，見表1，同時抗振動及抗沖擊能力強。表1數(shù)據表明：隨鉆陀螺中，陀螺模塊的測量精度高于MWD模塊，存在磁干擾的情況下會選用陀螺模塊的測量數(shù)據，擺脫磁干擾后，由于MWD模塊單個數(shù)據點測斜時間較短，此時選擇MWD 進行測斜。由于測斜儀均有一定的測量誤差，因此計算出來的井眼軌跡同樣存在誤差，而誤差的累加造成橢圓隨井深的增加而增大，井眼軌跡可能位于橢圓內任意位置[2]，因此選用高精度的隨鉆陀螺測量儀器能有效降低叢式井碰撞風險。

表1 隨鉆陀螺測量精度

3 現(xiàn)場應用

3.1 應用背景

渤海某油田主要目的層為明化鎮(zhèn)組和館陶組，儲層埋藏淺，巖性較疏松，具高孔高滲的特征，縱向儲層物性變化不大。原有一個生產平臺D，共70個槽口，已鉆78口井。該油田于2004年7月投產，截至2019年6月30日，綜合含水上升至95.19%，地質儲量動用程度72.1%，地質儲量采出程度僅9.9%。存在儲量動用程度不高、井網控制程度偏低等問題。同時整個生產系統(tǒng)的處理能力已達到最大極限，在部分油井含水日益增加的情況下，提液穩(wěn)產將受到嚴重限制。為進行剩余油挖潛，對該油田實施綜合調整，新建一座中心處理平臺J。J平臺槽口結構為6排×10列，共60個槽口，槽口間距2.0 m×1.8 m，均為單筒單井，通過棧橋與相距50 m的D平臺連接。兩座平臺共計131口井，井網分布如圖5所示，主要采用水平井開發(fā)，著陸垂深較淺在700～1 400 m，設計狗腿度高，井網錯綜復雜，防碰井數(shù)量大，軌跡需從多口井中間穿行，繞障難度大；同時防碰井段長，個別井全井段碰撞問題非常嚴峻，不僅存在本平臺井與井之間的防碰，還存在與D平臺井之間的防碰。

圖5 D、J平臺井網分布圖

3.2 老井軌道數(shù)據處理

不同的測量儀器和測量環(huán)境以及不同的測量方法和建模技術都會帶來不同的誤差。由于該平臺部分老井作業(yè)時間久遠，井眼軌道的測量精確度不高，各井眼軌道測量儀器不同，測點不連續(xù)、測點間距大等各種系統(tǒng)誤差和計算誤差，同時老井所用坐標系統(tǒng)為WGS72，與現(xiàn)用WGS84 坐標系統(tǒng)不一致，使得老井眼軌道數(shù)據具有較大的不確定性。在設計中對老井軌道數(shù)據進行處理，包括坐標系、坐標原點、參考北、井口補心海拔高度、軌道計算方法、地磁計算更新等，使新舊軌道數(shù)據基礎保持一致。MWD 儀器廣泛認可的誤差模型為ISCWSA 誤差模型，隨后也擴展到各種陀螺測量儀器，該誤差模型適用于現(xiàn)代測量工具，因此在處理MWD 和隨鉆陀螺測斜數(shù)據時，誤差模型均采用的是ISCWSA誤差模型，使不同測斜工具誤差計算基礎保持一致。對于存在嚴重碰撞風險的老井，在作業(yè)前進行了陀螺復測，確保數(shù)據準確。

3.3 防碰情況

J平臺J51H井508 mm（20″）隔水導管入泥深度45 m，設計一開406.4 mm（16″）井眼中完井深500 m。設計造斜點150 m，隨后增斜扭方位鉆進至240 m，降斜降方位反扣至380 m，隨后增斜扭方位鉆進至中完井深。采用最精確和常用的最小距離掃描法進行井組掃描，計算J51H 井和鄰井間的最小距離，確定井眼碰撞和趨近風險。通過定向井軌跡掃描發(fā)現(xiàn)本井與6 口井存在淺層防碰關系，防碰形勢異常嚴峻，見表2。本井與J09H 井從150 m 開始中心距有漸近趨勢，在200.43 m處最近距離0.76 m，處于同一垂深，在319 m 時中心距才能達到4 m；與J42H井從60 m開始呈漸進趨勢，在438.09 m處最小距離2.77 m；與J45H 井260 m 之前分離較慢，在137.81 m 處最近距離1.83 m；與J46H 井在117.19 m處最近距離1.61 m，在370 m之前與本井分離較慢；與J50H 井從180 m 開始漸近，在341.08 m 處最近距離2.05 m，之后逐漸遠離，期間與本井平行；與J61井從190 m 開始與本井漸近，在276.79 m 處最近距離2.85 m，與本井平行至400 m左右開始逐漸遠離。

表2 J51H鄰井防碰掃描數(shù)據

3.4 作業(yè)情況

采用牙輪鉆頭繞障，減少鉆穿鄰井套管的風險，選取1.5°彎角馬達保證淺部軟地層高造斜的要求。一開馬達預斜鉆具組合：Φ406.4 mm牙輪鉆頭+Φ244.475 mm 泥漿馬達（彎角1.5°）+Φ203.2 mm 浮閥+Φ311.15 mm 扶正器+Φ203.2 mm 非磁鉆鋌+Φ 209.55 mm 隨鉆陀螺+Φ203.2 mm 非磁鉆鋌+Φ203.2 mm 定向接頭+Φ203.2 mm 震擊器+Φ139.7 mm 加重鉆桿×13。MWD 測點距鉆頭22.88 m，陀螺測點距鉆頭18.36 m。非磁鉆鋌用于定向井作業(yè)時減輕地磁場對測量儀器的磁干擾。

隨鉆陀螺現(xiàn)場組合流程如圖6 所示，在組合鉆具期間，首先標定陀螺，連接管串并測試隨鉆陀螺，然后將陀螺模塊的高邊校正到MWD 模塊的高邊上，然后將隨鉆陀螺裝入鉆鋌中，將隨鉆陀螺高邊調整到與泥漿馬達彎角刻線一致并固定。隨后淺層測試陀螺測斜工具，工作正常，下鉆。

圖6 隨鉆陀螺現(xiàn)場組合流程

下鉆探泥面57 m，直井段MWD 的總磁場強度和磁偏角出現(xiàn)異常，超出該地區(qū)正常值的2%（該地區(qū)正常值總磁場強度為53 618 nT，磁偏角為57.44°），采取輕壓吊打，注意防斜打直，避免加劇與鄰井的碰撞。鉆井參數(shù)：鉆壓0～3 t，排量3 200 L/min，轉速30 r/min。實際鉆進至防碰井段時，軌跡控制要盡量貼合設計線，做好實時防碰掃描。本井鉆進至140 m開始造斜，采用陀螺工具面初始定向，期間在滑動鉆進后，為保證井眼軌跡平滑，進行旋轉鉆進，最終定向鉆進至中完井深478 m，陀螺測點17 個，入井時間27 h，作業(yè)進尺達到431 m?；瑒鱼@進鉆井參數(shù)，鉆壓1～10 t，排量2 000～3 600 L/min，泵壓2～9 MPa；旋轉參數(shù)，鉆壓1～12 t，排量3 000～3 600 L/min，泵壓3～9 MPa，轉速30～60 r/min。為保證軌跡的準確性，下完Φ244.475 mm 套管到位后，不占井口使用電纜陀螺復測上部井段軌跡，如圖7所示，結果表明：

圖7 隨鉆陀螺與電纜陀螺測量數(shù)據對比

1）隨鉆陀螺測量井眼軌跡與電纜陀螺套管軌跡測量吻合度高，能有效規(guī)避大型叢式井碰撞風險，提高作業(yè)時效。

2）在時效方面，表層采用電纜陀螺定向時間約2 h/次，由于本井防碰井段長，防碰形式嚴峻，與6口鄰井最近距離在3 m以內，且?guī)缀跆幱谕淮股?，因此計劃在鉆至最近防碰點前采用電纜陀螺進行復測，共計測6趟陀螺，預計用時12 h。測斜時間共計2.67 h，節(jié)約9.33 h，提高了作業(yè)時效，增強了安全性。

4 結論

1）隨鉆陀螺由地面計算機系統(tǒng)和井下測量系統(tǒng)兩部分組成，通過鉆井液壓力脈沖傳輸數(shù)據，可根據磁干擾情況在MWD測斜和陀螺測斜兩種測斜模式自由切換。

2）隨鉆陀螺和電纜陀螺測斜數(shù)據吻合度高，隨鉆陀螺抗振動及抗沖擊能力強，可以在復雜的鉆井過程中實時提供準確的測斜數(shù)據，有效降低碰撞風險。

3）對于碰撞風險大特別是防碰段長的井，隨鉆陀螺可節(jié)約一趟或者多趟表層電纜陀螺定向和軌跡測量時間，并且不動用電纜絞車，節(jié)省了現(xiàn)場人力和設備的使用，更安全高效。

隨鉆陀螺在小井斜套管開窗方面，將隨鉆陀螺和斜向器一起入井，斜向器陀螺定向、開窗、定向鉆進可一趟鉆完成。在對大地磁場要求比較嚴格的情況下，隨鉆陀螺配合磁測距工具可運用于鉆探救援井等，應用前景廣闊。