王忠良,龍斌,李金剛,丁凡,劉繼紅,陳碧婷

(中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司長(zhǎng)慶事業(yè)部,陜西 西安 710200)

0 引 言

致密油是指夾在或緊鄰優(yōu)質(zhì)生油層系的致密儲(chǔ)層中,未經(jīng)過(guò)大規(guī)模長(zhǎng)距離運(yùn)移而生成的石油聚集。隨著長(zhǎng)慶油田近年來(lái)已進(jìn)入穩(wěn)產(chǎn)階段,致密油作為近期最現(xiàn)實(shí)的非常規(guī)油氣資源,具有很大的開(kāi)發(fā)勘探潛力。但與以往開(kāi)發(fā)的特低滲透率、超低滲透率油藏相比,其成藏機(jī)理更復(fù)雜、孔喉更細(xì)微、填隙物含量更高、勘探難度更大。因此,隨鉆測(cè)井在指導(dǎo)在致密油層中安全、高效地鉆進(jìn)顯得尤為重要。傳統(tǒng)隨鉆測(cè)井采用滑動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)在鉆長(zhǎng)水平段水平井時(shí),由于上部鉆柱不旋轉(zhuǎn),會(huì)引起摩阻和扭矩過(guò)大、方位漂移失控、井眼軌跡不平滑等問(wèn)題。計(jì)算和實(shí)踐證明,水平井的水平段極限延伸能力受到了限制。

本文以長(zhǎng)慶油田致密油開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)區(qū)寧平×井應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向隨鉆測(cè)井技術(shù)為例,根據(jù)隨鉆方位伽馬成像測(cè)井資料和實(shí)時(shí)地質(zhì)模型,在錄井?dāng)?shù)據(jù)失真的情況下,實(shí)時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)方向,精確控制井眼軌跡,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)入窗,指導(dǎo)完成1 800 m水平段鉆進(jìn)。

1 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向隨鉆測(cè)量系統(tǒng)

AUTOTRAK系統(tǒng)是一套集鉆進(jìn)和隨鉆測(cè)量為一體的隨鉆測(cè)井系統(tǒng)。該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)中改變井眼軌跡和全系列測(cè)井。系統(tǒng)含有多種自動(dòng)化旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)模式、三參數(shù)全系列隨鉆測(cè)井儀器、實(shí)時(shí)成像、近鉆頭測(cè)量、上下傳輸閉環(huán)通訊系統(tǒng)、大功率井下發(fā)電機(jī)、高速脈沖器等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)。

(1) 系統(tǒng)組成。AUTOTRAK系統(tǒng)主要由旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭短節(jié)、ONTRAK測(cè)量短節(jié)和BCPM通訊供電短節(jié)2部分組成。

(2) 測(cè)量參數(shù)。該設(shè)備測(cè)量參數(shù)齊全,不僅有工程數(shù)據(jù)、地面數(shù)據(jù)、鉆井安全指標(biāo)數(shù)據(jù),還有方位伽馬成像、電磁波電阻率(相位差電阻率和幅度衰減電阻率)等測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)。

(3) 特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向隨鉆測(cè)井系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)隨鉆測(cè)井系統(tǒng)的單向通訊模式,實(shí)現(xiàn)了可在地面實(shí)時(shí)發(fā)送指令,保證了地面與井下工具的有效通訊。該系統(tǒng)也可實(shí)時(shí)測(cè)量近鉆頭井斜、旋轉(zhuǎn)方位,實(shí)時(shí)計(jì)算井底軌跡,并含有多種智能化鉆進(jìn)模式,大幅提高控制軌跡的精準(zhǔn)性。由于全井段旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn),減小鉆具磨阻扭矩,降低施工風(fēng)險(xiǎn),平滑井眼,最大限度延長(zhǎng)水平位移。

2 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向原理

AUTOTRAK系統(tǒng)能夠在旋轉(zhuǎn)鉆井過(guò)程中進(jìn)行定向造斜鉆進(jìn),主要是因?yàn)樗幸粋€(gè)非常獨(dú)特的非旋轉(zhuǎn)可調(diào)扶正器套筒。該扶正器套筒并非真的不旋轉(zhuǎn),只是相對(duì)鉆頭驅(qū)動(dòng)軸而言做緩慢的隨機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)(每小時(shí)低于15轉(zhuǎn)),因此在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過(guò)程中,該扶正器套筒可以保持相對(duì)靜止的狀態(tài),從而保證鉆頭沿著某一特定的方向鉆進(jìn)。非旋轉(zhuǎn)扶正器套筒內(nèi)有近鉆頭井斜傳感器、液壓油缸和活塞、電子控制元件。3個(gè)獨(dú)立的液壓油缸可推動(dòng)活塞分別對(duì)3個(gè)安裝在套筒上的扶正器肋板提供大至3 t的推動(dòng)力,其合力使鉆具沿某一特定方向偏移,從而在鉆進(jìn)過(guò)程中使鉆頭產(chǎn)生一個(gè)側(cè)向力,保證鉆頭沿這一方向鉆進(jìn),鉆出高質(zhì)量井眼(見(jiàn)圖1)。

圖1 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工作原理圖

3 地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)

地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)是在常規(guī)定向井、水平井鉆井基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的一種綜合性很強(qiáng)的技術(shù)[1-3]。水平井較常規(guī)生產(chǎn)井相比,其優(yōu)勢(shì)在于能夠有效增加油氣層的泄漏面積,提高單井產(chǎn)量,并且可以解決高稠油、超稠油的開(kāi)發(fā)以及致密地層、低滲透層采油產(chǎn)量低的問(wèn)題。

寧平×井位于長(zhǎng)慶油田隴東地區(qū)致密油示范區(qū)塊寧89井區(qū),隴東地區(qū)處于伊陜斜坡西南部,西部為天環(huán)坳陷,整體表現(xiàn)為東高西低的面貌。該井所在的寧89井區(qū)構(gòu)造比較簡(jiǎn)單,受盆地南緣構(gòu)造的影響,整體呈向西北傾斜的平緩單斜構(gòu)造,坡度較緩,地層傾角為0.6°,局部發(fā)育排狀低幅鼻狀構(gòu)造,鼻軸長(zhǎng)50～60 km,寬5～6 km。隴東地區(qū)長(zhǎng)7沉積受重力流控制,重力流砂體厚度大,砂巖的側(cè)向尖滅及巖性致密遮擋形成有效圈閉。油藏分布主要受巖性、物性控制,原始驅(qū)動(dòng)類(lèi)型為彈性溶解氣驅(qū),為典型巖性油藏。目的層位為長(zhǎng)71,寧平井區(qū)長(zhǎng)71平均孔隙度9.7%,平均滲透率0.10 mD*非法定計(jì)量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同,為典型的致密儲(chǔ)層。該區(qū)最大主應(yīng)力方位為北東78°寧平×井水平段設(shè)計(jì)方位為垂直于最大主應(yīng)力方位,即北東348°。

該井控制井?dāng)?shù)量較少,缺少取心資料,且油層最小厚度約為2 m左右,給寧平×井的地質(zhì)導(dǎo)向工作帶來(lái)了極大難度。

3.1 垂深對(duì)比,精確入層

搜集鄰井資料及區(qū)域構(gòu)造資料,充分分析該區(qū)塊標(biāo)志層的特征,制作多井垂深對(duì)比圖,通過(guò)施工井與鄰井標(biāo)志層海拔的對(duì)比,預(yù)測(cè)目的油層的頂界的海拔[4]。

為減小誤差,寧平×井選取3口鄰井作為對(duì)比井。將施工井的垂深曲線與鄰井電測(cè)曲線形態(tài)相對(duì)比,然后優(yōu)選出可靠的標(biāo)志層,并以水平井及鄰井所選出的標(biāo)志層頂(底)界面到各自目的層頂(底)界面厚度相等為主要原則。為保證更準(zhǔn)確地掌握地層沉降情況,在斜井段選擇了多處標(biāo)志層,如延9頂部煤層、長(zhǎng)3砂巖標(biāo)志層、長(zhǎng)6頂部砂巖標(biāo)志層、長(zhǎng)7油頁(yè)巖層等。預(yù)測(cè)過(guò)程中通常主要參考距離目的層最近的標(biāo)志層,距離目的層越近,產(chǎn)生的誤差越小。在長(zhǎng)慶油田隴東區(qū)塊長(zhǎng)7頂部穩(wěn)定發(fā)育油頁(yè)巖,具有高自然伽馬、高聲波、高電阻率的顯著標(biāo)志,且該標(biāo)志層距離目的油層長(zhǎng)71距離最近,對(duì)施工井油頂海拔的預(yù)測(cè)有重要意義。在垂深1 690 m處,井深至長(zhǎng)7段頂部油頁(yè)巖,對(duì)比出現(xiàn)微微下沉,預(yù)計(jì)好油層油頂海拔-190 m左右。

3.2 水平段地質(zhì)導(dǎo)向

對(duì)于水平段地質(zhì)導(dǎo)向,LWD儀器離鉆頭越近越好,有成像探邊功能也會(huì)大大提高地質(zhì)導(dǎo)向的效果。對(duì)于AUTOTRAK而言,具有可實(shí)時(shí)測(cè)量近鉆頭井斜、旋轉(zhuǎn)方位的功能,能幫助工程人員精準(zhǔn)掌握工具在地層中的位置,有助于對(duì)軌跡的控制。

寧平×井因區(qū)域地層原因所測(cè)電阻率值響應(yīng)不明顯,因此主要依靠實(shí)時(shí)方位伽馬成像技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向。實(shí)時(shí)方位伽馬成像可以判斷實(shí)鉆軌跡從目的油層的上部或下部鉆出地層,提供實(shí)鉆軌跡與地層之間的關(guān)系,也可以提取地層傾角,據(jù)此提前確認(rèn)地層開(kāi)始變化的位置,進(jìn)而實(shí)時(shí)修正地質(zhì)模型、調(diào)整軌跡,降低構(gòu)造不確定性對(duì)地質(zhì)導(dǎo)向結(jié)果的影響。

3.2.1 方位伽馬成像技術(shù)

巖性識(shí)別是地質(zhì)導(dǎo)向的關(guān)鍵技術(shù)。ONTRAK測(cè)量短節(jié)中裝有2個(gè)角度呈180°的伽馬探測(cè)器,確定測(cè)斜傳感器工具面與方位伽馬探測(cè)器正方向的旋轉(zhuǎn)角,使隨鉆伽馬具有方位特性。在實(shí)時(shí)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過(guò)程中可提供上、下、左、右4條自然伽馬曲線,生成4個(gè)扇區(qū)的伽馬成像圖。成像圖中上邊和下邊表示井筒的高邊,即上伽馬探測(cè)值;中間表示井筒的低邊,即下伽馬探測(cè)值。顏色深表示伽馬值大,顏色淺表示伽馬值小。圖2是寧平×井的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例,圖2中高邊顏色先變深,表示實(shí)鉆軌跡是從井筒的高邊進(jìn)入上覆高伽馬泥巖,因此軌跡應(yīng)向下調(diào)整,保證軌跡在低伽馬的砂巖中穿行。

圖2 水平段方位伽馬成像圖

3.2.2 實(shí)時(shí)修正地質(zhì)模型

地質(zhì)模型修正主要是根據(jù)方位伽馬成像圖計(jì)算視地層傾角。傳統(tǒng)的自然伽馬測(cè)井沒(méi)有方位信息,雖然能根據(jù)控制井算視地層傾角,但利用伽馬成像技術(shù),在任何情況下尤其是在控制井?dāng)?shù)量少時(shí),只要軌跡穿過(guò)一個(gè)層面,就可以獲取穿越點(diǎn)處該層面的視地層傾角信息。根據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算得到的視地層傾角實(shí)時(shí)更新地質(zhì)模型,相對(duì)更準(zhǔn)確、客觀的得到軌跡與地層的位置關(guān)系[5],從而為井眼軌跡調(diào)整贏得時(shí)間,真正實(shí)現(xiàn)地質(zhì)導(dǎo)向?qū)崟r(shí)決策。

計(jì)算視地層傾角的方法:以旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具從目的油層下層面穿出為例,下伽馬探測(cè)器先測(cè)到高自然伽馬值地層,因此方位伽馬成像圖上反映中間先呈現(xiàn)深色,上下再呈現(xiàn)深色,根據(jù)成像圖中顏色變化點(diǎn)之間的實(shí)際測(cè)量深度差和井斜角,運(yùn)用式(1)即可計(jì)算出視地層傾角[6]

α=arctan(L/DM)+β-90°

(1)

式中,α為視地層傾角;β為井斜角;L為井徑;DM為成像圖中顏色變化點(diǎn)之間的實(shí)際測(cè)量深度差。

上述方法是利用實(shí)時(shí)上傳的上、下、左、右4條伽馬曲線現(xiàn)場(chǎng)快速成像,進(jìn)而計(jì)算地層傾角,精度相對(duì)不是很高,但足可滿足地質(zhì)導(dǎo)向工作需要。另外一種方法是利用儀器出井后的內(nèi)存數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)一系列預(yù)處理之后拾取,精度較高,可用于構(gòu)造研究。

在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)鉆過(guò)程中,對(duì)地層突變處應(yīng)實(shí)時(shí)計(jì)算地層傾角,及時(shí)校正地質(zhì)模型,盡量保證實(shí)鉆軌跡在目的油層的上端穿行。

3.3 復(fù)雜情況下為鉆井提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)

(1) 井漏時(shí),依據(jù)隨鉆數(shù)據(jù)準(zhǔn)確入靶。寧平×井出現(xiàn)嚴(yán)重井漏、井涌現(xiàn)象,在長(zhǎng)時(shí)間壓井堵漏、氣測(cè)錄井?dāng)?shù)據(jù)失真的情況下,依據(jù)旋導(dǎo)向隨鉆數(shù)據(jù)及相關(guān)模型準(zhǔn)確入靶。

(2) 當(dāng)量循環(huán)密度識(shí)別鉆井風(fēng)險(xiǎn)。AUTOTRAK G4工具可提供循環(huán)當(dāng)量密度數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)監(jiān)控井下?tīng)顟B(tài),降低了鉆井風(fēng)險(xiǎn)。若循環(huán)當(dāng)量密度(ECD)值突然下降,說(shuō)明泥漿液柱下降,井漏可能性極大。

(3) 計(jì)算壓井所需泥漿比重。利用井底環(huán)空壓力減去環(huán)空壓耗,再根據(jù)公式p=ρgh可計(jì)算壓井所需泥漿比重。井底環(huán)空壓力升高至3 600 psi**非法定計(jì)量單位,1 psi=6 894.76 Pa,下同,減去環(huán)空壓耗,計(jì)算壓井所需泥漿比重為1.46 g/cm3。

4 應(yīng)用效果

4.1 提高油層鉆遇率,優(yōu)化井眼軌跡

鉆進(jìn)過(guò)程中,測(cè)井技術(shù)人員應(yīng)用隨鉆成像測(cè)井資料和實(shí)時(shí)地質(zhì)模型,在錄井?dāng)?shù)據(jù)失真的情況下,實(shí)時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)方向,精確控制井眼軌跡,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)入窗,指導(dǎo)完成1 800 m水平段鉆進(jìn)。在薄層、傾角多變的復(fù)雜儲(chǔ)層中,砂體鉆遇率達(dá)94.29%,油層鉆遇率92.70%,聲波時(shí)差變化范圍220～250 μs/m,電阻率40～70 Ω·m,油層物性好,含油飽和度高,明顯好于該井區(qū)其他3口井,且井身質(zhì)量好,井眼軌跡光滑(見(jiàn)圖3)。

圖3 井眼與軌跡關(guān)系及解釋成果圖

4.2 大幅降低鉆具磨阻扭矩

由于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)采用全井段旋轉(zhuǎn)送進(jìn)鉆桿,保證了鉆壓的正常傳遞,減少了井下鉆具改變井斜、扭方位過(guò)程中的托壓?jiǎn)栴},可以有效保證鉆壓正常施加在鉆頭上。施工過(guò)程中,鉆具的磨阻扭矩比常規(guī)滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)小得多,降低了井下事故發(fā)生的概率。

4.3 有效提高機(jī)械鉆速,縮短周期

結(jié)合施工鉆井隊(duì)缺少頂驅(qū)無(wú)法提供持續(xù)高轉(zhuǎn)速的情況,為了提高機(jī)械鉆速,隨鉆測(cè)井技術(shù)人員決定從二開(kāi)接井到完鉆一直使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)自帶的X-treme模塊馬達(dá)。該馬達(dá)具有雙向通訊的功能,可將地表較低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為較高轉(zhuǎn)速提供給鉆頭,并具有強(qiáng)大的功率和扭矩輸出,比常規(guī)泥漿馬達(dá)高60%,效率更高。

經(jīng)過(guò)精細(xì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),該井自二開(kāi)至入靶平均機(jī)械鉆速為15.27 m/h,高于鄰井的12.04 m/h;同為1 835 m水平段,該井平均機(jī)械鉆速為17.19 m/h,高于鄰井的16.12 m/h,與鄰井相比縮短周期1.33 d(見(jiàn)表1)。應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向 X-treme 模塊馬達(dá)技術(shù)可達(dá)到提高機(jī)械鉆速、縮短鉆井周期。

表1 鉆進(jìn)周期統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1) 該系統(tǒng)不僅能提供地面參數(shù)、工程參數(shù)而且能提供鉆井安全數(shù)據(jù)和各種測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)、成像數(shù)據(jù),為安全施工提供了保障同時(shí)也可取消電纜測(cè)井,縮短鉆井周期。

(2) 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向隨鉆系統(tǒng)較傳統(tǒng)滑動(dòng)導(dǎo)向隨鉆系統(tǒng)而言,能更精細(xì)地控制井眼軌跡,更好指導(dǎo)實(shí)鉆軌跡在目的層中穩(wěn)定穿行,提高儲(chǔ)層鉆遇率。

(3) 該系統(tǒng)在長(zhǎng)慶油田厚度較薄的致密油層中優(yōu)勢(shì)明顯。

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