車 陽，喬 磊，林盛杰，朱曉雨,2,杜衛(wèi)強(qiáng), 王開龍

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

0 引言

頁巖油原位開發(fā)是通過人工加熱地下低熟頁巖油儲層，在原位將內(nèi)部的固體干酪根裂解成油氣，再通過一定的工藝開采到地面的方法，又被稱為“地下煉廠”，是一種環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的頁巖油開發(fā)的模式[1]。中國頁巖油原位轉(zhuǎn)化潛力巨大，技術(shù)可采儲量石油產(chǎn)量約700×108～900×108t，天然氣產(chǎn)量約60×1012～65×1012m3[2]。

頁巖油原位開發(fā)技術(shù)可追溯到1940年，瑞典提出并發(fā)明了電熱原位開采法[3]。自20世紀(jì)80年代開始，隨著世界原油價格的快速上升，這項技術(shù)得到了快速的發(fā)展，跨國石油公司如殼牌、埃克森美孚、雪弗龍等都進(jìn)行了相關(guān)技術(shù)研發(fā)和現(xiàn)場試驗[4]。我國在這項技術(shù)上的研究起步于2005年，太原理工大學(xué)、吉林大學(xué)、吉林眾誠油頁巖公司、中國石油集團(tuán)等單位提出了不同類型的原位開發(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巖油[2]。目前在原位開發(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傳導(dǎo)方式加熱到頁巖油裂解溫度，過程易于控制[6]。

研究表明，采用六邊形井網(wǎng)原位開發(fā)頁巖油可以降低熱損耗、提高投入產(chǎn)出比[7]。殼牌在美國和約旦前后兩次先導(dǎo)試驗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)測井構(gòu)成一個“地下煉廠”單元，加熱井與生產(chǎn)井的井間距為7 m左右，大約兩年時間加熱到350 ℃生烴[8]，如圖1所示。但這種通過縮小井間距使頁巖油更快達(dá)到生烴溫度的模式會增加鉆井成本[9]。

圖1 ICP先導(dǎo)試驗區(qū)的正六邊形井網(wǎng)圖

與北美地區(qū)相比，我國低熟頁巖油埋藏深、儲層薄(20～30 m)、非均質(zhì)性強(qiáng)、含油率低[10]。由于熱場的影響范圍在10 m以內(nèi)，采用小井間距長距離水平井井網(wǎng)模式開發(fā)是最有利的一種方式。同時為了維持穩(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%以內(nèi)。

1 小井間距鉆井技術(shù)現(xiàn)狀

國際上，主要通過磁信號間距手段實施小井間距為主，最小誤差為2%。它是通過探測參考井的磁信號來探測兩井相對位置，可通過人工磁源、激勵電流等主動生磁方式和目標(biāo)井套管等被動靜磁的方式產(chǎn)生磁信號，分為主動、被動兩類[11]。

1.1 主動磁測距技術(shù)

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

主動磁測距技術(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)廣泛開展北美頁巖油精細(xì)鉆井作業(yè)[15]。

我國自主研發(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 被動磁測距技術(shù)

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

被動磁測距的最大測距范圍為10～20 m，其平均測量精度為25%?？茖W(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，而國內(nèi)這方面的應(yīng)用相對較少[19]。

2 頁巖油原位開發(fā)小井間距鉆井技術(shù)方案

2.1 頁巖油原位開發(fā)小井間距鉆井技術(shù)難點

運用ICP技術(shù)規(guī)模化商業(yè)原位開發(fā)頁巖油時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，要滿足“甜點區(qū)”生產(chǎn)井與加熱井井距6.5±0.5 m的精度，鉆井過程中存在諸多技術(shù)難點。

2.1.1 前期井網(wǎng)部署限制多

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

各類磁測距手段可以克服直接鉆井的累積誤差，大大縮小相對誤差橢圓[13]。但后實施的井在磁測距時需參考先實施的井，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)計到達(dá)目的靶區(qū)，所有的參考井就會隨之偏移，甚至導(dǎo)致部分井鉆穿儲層。

2.1.3 入窗靶點的范圍小

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

2.1.4 磁干擾下的防碰風(fēng)險高

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，這樣就帶來較高的井碰風(fēng)險。若采用約旦的頁巖油原位開發(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)險成倍增加。而在鉆生產(chǎn)井時，與最近加熱井的距離已進(jìn)入磁性儀器的“磁干擾區(qū)”，影響鉆進(jìn)過程對防碰距離的判斷。

2.2 頁巖油原位開發(fā)小井距鉆井技術(shù)方案

磁測距技術(shù)各有優(yōu)劣，單一的磁測距技術(shù)無法克服上述難題。對于頁巖油原位開發(fā)小井間距鉆井這一特殊應(yīng)用，國際上鮮少報道。針對鉆井難點，定制多種成熟適配的磁測距技術(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)，通過隨鉆測量多種地質(zhì)和工程參數(shù)對所鉆地層的地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行實時評價和對比，根據(jù)評價對比結(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 儲層頂?shù)装宓目剡吘疽鈭D

2.2.2 “U”型穿針磁測距技術(shù)

如圖3所示，在標(biāo)準(zhǔn)井實施前，先在標(biāo)準(zhǔn)井的A點、B點及水平段距離3～5 m的平行線上布置一定數(shù)量的直井，儲層中的直井應(yīng)裸眼完井并穿透頂?shù)装?，目的是控制水平井入窗點和水平段延伸。采用“U”型穿針技術(shù)，當(dāng)鉆進(jìn)水平段時，在直井中下入探管，在鉆頭處連接一個強(qiáng)磁短節(jié)[23]。然后利用磁場信號對鉆頭進(jìn)行精確定位，測出兩者的相對距離、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)計軌跡正常鉆進(jìn)經(jīng)過直井1，2……n(n=L/γ+1，n為直井的數(shù)量，L為水平段的長度，γ為距離測量的精度)。網(wǎng)形成后，直井可用作溫度場的監(jiān)測井。

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

2.2.3 雙水平井磁測距技術(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。

實施水平段施工時，應(yīng)采用雙水平井磁測距技術(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強(qiáng)磁短節(jié)[24]。實時采集磁信號，計算相對位置。為解決在SAGD雙水平井控制精度不夠高的問題，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)險防碰作業(yè)時，適當(dāng)借鑒密集叢式井防碰經(jīng)驗。采用隨鉆防碰技術(shù)，在鉆進(jìn)過程中計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]。對于距離近，且無法判斷的井，可以用類似RMRS、SWG等磁測距工具進(jìn)行防碰測距，開展系統(tǒng)防碰。

3 頁巖油原位開發(fā)小井間距鉆井模擬實驗

針對頁巖油原位開發(fā)在造斜段、水平段等軌跡控制難的問題，采用室內(nèi)模擬實驗評價上述技術(shù)方案。

3.1 實驗裝置

如圖4所示，筆者團(tuán)隊研發(fā)的頁巖油原位開發(fā)小井距磁測距模擬實驗裝置主要包括主控計算機(jī)、機(jī)械臺架、探管、套管、磁源發(fā)射裝置。通過機(jī)械傳動裝置帶動磁源旋轉(zhuǎn)來模擬強(qiáng)磁短節(jié)在正鉆井中的旋轉(zhuǎn)，探管采集磁源產(chǎn)生的磁信號傳輸?shù)接嬎銠C(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)，對比臺架光柵尺讀取的數(shù)據(jù)，可以評價RMRS類工具的精度。

圖4 實驗裝置示意圖

具體參數(shù)如下：精確測量待測探管高度的數(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)定待測探管三維位置，測量精度達(dá)到0.01 m，標(biāo)定井斜、方位數(shù)據(jù)，測量精度達(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 實驗過程

類比“U”型井穿針對接過程，將旋轉(zhuǎn)磁源置于導(dǎo)軌，探管豎直向下，探管與磁源導(dǎo)軌所在直線距離為d，高度為h,初始時磁源與探管距離最近，推動旋轉(zhuǎn)磁源在導(dǎo)軌上前進(jìn)，前進(jìn)距離為L，如圖5所示。

圖5 模擬“U”型穿針磁測距示意圖

3.2.2 模擬雙水平井磁測距

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

圖6 模擬雙水平磁測距示意圖

3.3 實驗結(jié)果

表1實驗結(jié)果數(shù)據(jù)為模擬“U”型穿針磁測距測試數(shù)據(jù)，表2實驗結(jié)果數(shù)據(jù)為模擬水平磁測距測試數(shù)據(jù)。實驗結(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%，基本滿足頁巖油原位開發(fā)小井距鉆井需求。

表1 模擬“U”型穿針磁測距測試結(jié)果數(shù)據(jù)表

表2 模擬雙水平磁測距測試結(jié)果數(shù)據(jù)表

4 結(jié)論與建議

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

(2)基于室內(nèi)模擬實驗結(jié)果，“U”型穿針磁測距和雙水平井磁測距基本滿足頁巖油原位開發(fā)小井間距鉆井測量要求， 建議盡快開展現(xiàn)場試驗。

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