高造斜率旋轉地質導向技術在哈得遜油田的應用

王　磊　周　波　黎　強　蘇小飛　張連成　滕鑫淼

（1.中國石油集團鉆井工程技術研究院，北京　102206；2.塔里木油田公司，新疆庫爾勒　841000；3.中國石油大學石油工程教育部重點實驗室，北京　102249）

高造斜率旋轉地質導向技術在哈得遜油田的應用

王磊1，2周波2黎強2蘇小飛3張連成1滕鑫淼1

（1.中國石油集團鉆井工程技術研究院，北京102206；2.塔里木油田公司，新疆庫爾勒841000；3.中國石油大學石油工程教育部重點實驗室，北京102249）

塔里木油田哈得遜薄油藏埋藏深、構造變化大，水平井鉆井井眼軌跡控制困難，傳統的旋轉導向工具側鉆初期造斜率普遍不足，需使用彎螺桿馬達增斜至30°左右后再更換工具，增加了鉆井風險與周期。2013年，該區塊應用高造斜率旋轉導向工具（PowerDriver Archer RSS）及新一代地質導向技術（Scope系列），從側鉆點開始旋轉導向鉆進，在著陸及水平段加裝地質導向工具，相比2012年，水平段平均井深增加214 m，鉆井周期縮短36.7 d。在介紹高造斜率旋轉導向以及隨鉆測井技術的基礎上，結合現場應用實例分析，認為在哈得遜油藏，全井段旋轉導向有利于降低井眼摩阻，節約鉆進周期；地層探邊及儲層評價技術的應用提高了水平井的儲層鉆遇率，有利于該油藏的規模開采。

埋藏深；水平井；高造斜率旋轉地質導向；隨鉆測井；鉆進周期

塔里木盆地哈得遜油田構造位于滿加爾凹陷的哈得遜構造帶，自早古生代起處于凹陷構造格局，在其地質歷史演化過程中，總體上表現為相對穩定的凹陷特征，具有十分有利的成藏地質條件［1］。油田自上而下主要由石炭系中泥巖段薄砂層油藏和東河砂巖油藏2個油藏構成，中泥巖段薄砂層油藏縱向上發育有2、3、4、5號4個砂層， 2、3號砂層厚度為1.0~1.2 m，4號砂層厚度更薄，約為0.7~1.2 m，儲層平面上均具有南向北逐漸變薄的分布特性；東河砂巖呈南厚北薄的分布趨勢，西南部東河砂巖沉積最厚，可達30 m以上，向北東方向減薄，直至尖滅。

在勘探開發過程中，哈得遜油田遇到諸多鉆井難題［2-4］：油藏埋藏深、裸眼段長，鉆井過程中摩阻大，鉆具黏卡及托壓現象嚴重；地層非均質性強，構造變化大，地層傾角不定；油層厚度薄且油水界面不定，井眼軌跡控制難度大，影響鉆遇率。針對以上難點，哈得遜油田引進國外旋轉地質導向鉆井技術進行深井定向及水平導向作業，應用效果較好。

1　旋轉地質導向技術

旋轉地質導向技術包含旋轉導向鉆井技術與隨鉆地質導向測井技術兩部分。旋轉導向鉆井技術的核心部件是導向單元，目前實現旋轉導向功能主要有推靠式和指向式2種方式［5-8］，與傳統的滑動導向相比，旋轉導向鉆井技術在鉆井過程中，井下工具一直處于旋轉狀態，有利于井眼的清潔以及井壁的光滑、提高水平段的延伸能力、提高機械鉆速，尤其適用于深井、大位移井及三維復雜結構井等特殊工藝井的應用；而隨鉆地質導向測井技術可以隨鉆實時測量近鉆頭處的各類工程參數及地質參數，既保證了井眼軌跡的準確著陸，又有利于水平段儲層邊界探測及儲層物性評價，可在鉆進過程中實時調整井眼軌跡，保證其在儲層中展布以提高鉆遇率［9-11］。

現場施工中發現：旋轉導向鉆井工具的選擇上，無論是推靠式或指向式旋轉導向工具，在造斜初期（小于30°），工具實際造斜率均無法滿足哈得遜油田設計軌跡要求［12］，因此需從造斜點開始先使用常規螺桿馬達增斜至30~40°后，更換旋轉導向工具完成后續造斜段及水平段的鉆井作業，造成前期井眼質量下降，影響水平段長度；并且，上述旋轉導向工具在砂泥巖夾層段或機械鉆速較低的泥巖段導向時造斜能力受限，無法及時調整鉆進軌跡。

為了實現鉆具全造斜段旋轉導向鉆進，2013年，引進了斯倫貝謝公司最新研制的高造斜率旋轉導向系統PowerDriver Archer RSS，并結合近2年在此區塊所應用的隨鉆測井新技術，形成了1套從造斜至完鉆井段的旋轉地質導向鉆井技術提速模板，為高效開發哈得遜薄油藏提供了技術支撐。

2　高造斜率旋轉導向系統

2.1系統特點

PowerDriver Archer RSS商業化應用始于2011年，結合了推靠式與指向式旋轉導向特點，具有傳統旋轉導向工具的一切優勢，最初應用于北美頁巖鉆井領域［13］。由于其具備高的造斜能力，因此可以替代以前只有馬達才能完成的高造斜率軌跡要求，使得造斜點更深、進入儲層更早，增加了水平段揭開儲層長度（見圖1）；另外，獨特的結構設計可以使其完成多種形式的鉆井作業，保證工具一次下鉆完成直井段至水平段的鉆進任務，提高鉆頭的純鉆時間。

圖1　高造斜率旋轉地質導向鉆井軌跡

2.2工作原理

PowerDriver Archer RSS由控制單元和導向單元兩部分組成［14］。控制單元主要由控制電路以及旋轉控制閥組成；導向單元主要由卡盤、過流導管、穩定器內部的4個推靠塊、中心軸以及萬向節組成（見圖2）。控制電路控制旋轉控制閥與工具鉆鋌轉速反向一致，這樣保證其相對地層靜止；卡盤開孔與過流導管相通，并與工具鉆鋌固聯一體，當鉆頭需要向某一方向定向鉆進時，旋轉控制閥會分流4%~5%的鉆井液推動其中2個推靠塊，使中心軸產生一個與定向方向成180°的方向，后通過萬向節變向，實現鉆頭向預定方向調整。由于推靠組件都在工具鉆鋌內部，免受復雜鉆井環境影響，因此，這種結構設計出現故障或損壞的風險較低，有助于延長工具使用壽命。

穩定器的偏移角度受調節環控制，包括：0.6°、0.8°、0.9°、1.0°等4種，選擇哪一角度須在地面調節好，角度越大，推靠塊的行程越大，中心軸的偏移角度也相應增大，通常情況，0.6°的偏移角可以達到8 （°）/30 m的造斜率，1.0°的偏移角可以達到17 （°）/30 m的造斜率，當系統工作時，地面可以選擇控制其在造斜率最大的定向模式或造斜率為零的穩斜模式下鉆進。

3　隨鉆地質導向測井新技術

隨鉆地質導向測井技術是指在下部鉆具組合中安裝一系列測量儀器，實時探測鉆頭附近區域的井斜、方位、自然伽馬、地層電阻率、巖石孔隙度、環空/地層壓力等參數［15］。近年來，斯倫貝謝推出Scope系列隨鉆測井儀器［16］，通過補充與完善，已經滿足隨鉆測井所需各項工程及地質參數的測量。結合哈得遜油田2013年現場應用分析：地層邊界探測儀PeriScope及無化學源隨鉆綜合測井儀NeoScope非常適合該區塊薄砂層水平井的有效開發。

3.1PeriScope

PeriScope地層邊界探測儀是一種多間隙、多頻率定向傳播測量的實時地質導向工具，儀器布置有橫向和斜向接收傳感器，用以測量工具的方向性信號，提供與地質邊界的距離和傾斜方位，反映環井眼的地質構造。儀器分別具有100 kHz、400 kHz和2 MHz頻率，能夠測量2.4 m、2.1 m、0.86 m和0.56 m距離的定向相位和衰變，可產生環形壓力和方位伽馬射線，2.4 m的遠距離探測可提供遠達4.6 m的深探測范圍。工具兼有地層評價功能，通過測量軌跡周邊地層電阻率的各向異性，可探測地層破裂、顯現地層構造傾角［17-18］。

3.2NeoScope

NeoScope無化學源隨鉆綜合測井儀是目前行業內唯一采用無放射性化學源隨鉆儲層評價工具，無需運輸和儲存放射性化學源，省去化學源安裝時間，避免了復雜的側鉆和棄井工作流程。無化學源的脈沖中子發生器是NeoScope測量的關鍵，可提供無化學源中子孔隙度、中子伽馬密度SNGD、元素俘獲能譜ECS和熱中子俘獲截面Sigma（見圖3），可以更準確地進行復雜儲層綜合地層評價，改善數據解釋及產量和儲量計算結果的可靠性。

圖2　工具導向原理

圖3　NeoScope測量參數

4　現場應用

從2013年起，哈得遜區塊薄砂油藏開始使用PowerDriver Archer RSS旋轉地質導向系統，至年底共完鉆14口井，平均水平段長494 m，鉆遇率86.5%，其中4口井鉆遇率達100%，相比2012年，鉆井周期由134 d降至97 d。

4.1應用簡介

某H1井目的層垂深5 029 m，為雙臺階水平井，1號目的層厚0.9 m，2號目的層厚0.6 m，該井從造斜點4 766 m開始至完鉆井深6 033 m應用PowerDriver Archer RSS旋轉地質導向系統。

造斜段鉆具組合為?215.9 mm PDC鉆頭+?171.4 mm PowerDriver Archer RSS+?171.4 mm UBHO浮閥接頭+CLPS柔性短節+?171.4 mm Slimpulse MWD+?127 mm 無磁加重鉆桿+?127 mm 鉆桿+?127 mm 加重鉆桿+?127 mm 鉆桿；著陸/水平段鉆具組合為?215.9 mm PDC鉆頭+?171.4 mm PowerDriver Archer RSS+ ?171.4 mm UBHO浮閥接頭+?171.4 mm PeriScope/NeoScope LWD+?171.4 mm TeleScope MWD+?127 mm 無磁加重鉆桿+?127 mm 斜坡鉆桿+?127 mm 加重鉆桿+?127 mm 鉆桿。

H1井第一趟鉆地面調節Archer工具調節環為0.9°，從4 766 m開始定向鉆進，工具初期在50%~60%的定向設置獲得了（6.5~7） （°）/30 m造斜率，鉆至4 821 m提高定向設置至75%~100%，工具造斜率只提高至（7~7.5）（°）/30 m，未達到8 （°）/30 m的軌跡設計要求，實鉆軌跡落后于設計，鉆至4 866 m，井斜17°后，工具造斜率逐步提高至（8~10）（°）/30 m，隨后在造斜率滿足的情況下，調整方位，逐漸向設計軌跡靠近，鉆至5 033 m追上設計軌跡，然后按照設計要求繼續鉆進，鉆至5 177 m增斜至85.8°后起鉆更換NeoScope工具著陸及水平段導向。

如圖4所示，工具至井底后，對比Archer（調節環0.6°，隨后下鉆均為0.6°）和Neoscope的伽馬基線值后正常鉆進至5 242 m，井斜88.9°，鉆進1號目的層成功著陸。鉆至5 314 m，近鉆頭井斜90.3°，判斷當前軌跡位于近儲層中部穿行，繼續鉆進至5436 m，Neoscope下伽馬升高，成像顯示軌跡下切儲層，增斜控制軌跡回到儲層中上部位穩斜，鉆至5511m，發現地層自然降斜趨勢較強，穩斜效果差，進行增斜操作至5 525.5 m，由于井下儀器開泵時間達150 h，決定更換井下工具，總結該趟鉆Neoscope測得中子密度及中子孔隙度變化不大，儲層物性較平均，但工具對地層邊界預判能力較差，增加了導向難度，因此下趟鉆改裝PeriScope探邊工具。

圖4　H1井部分井段隨鉆測井實鉆圖

新工具下至4 940~5 050 m遇阻，現場決定增加鉆井液混油比例，以提高井筒潤滑性，經過頻繁短起下鉆最終通過遇卡井段。工具下入井底繼續增斜至5619 m后，開始降斜控制軌跡慢慢切向油層底部并穿越泥巖隔層，后穩斜鉆進至近鉆頭伽馬及PeriScope伽馬均降低，判斷進入2號目的層，此時改增斜操作期望軌跡在油層中部運行，由于增斜效果不明顯加之此段地層傾角0.7°上傾，軌跡鉆至5 730m從油層底部鉆穿，此時借助Archer的高造斜能力，軌跡從5 750 m處返回油層。后續井段由兩次下鉆完成，起鉆原因是更換鉆頭，兩次鉆進分別借助PeriScope和Neoscope的提早預判及Archer的及時調整，較好地保證了井眼軌跡在儲層中行進，此井鉆遇率達95.9%。

4.2應用認識

4.2.1全程旋轉導向降低風險提高時效哈得遜油藏水平井造斜段靶前位移設計為250~300 m，造斜率最大達到9°/30 m。PowerDriver Archer RSS可進行裸眼懸空側鉆，實現了全造斜井段旋轉鉆進作業，有利于巖屑運移、降低井眼摩阻，為后期完井作業提供有利保證；同時，可以有效傳遞鉆壓，機械鉆速更高，能在任意時刻發送指令，無需花費大量時間調整工具面，提高了鉆進效率，造斜段周期由2012年的16 d降至目前10 d以內。

H1井應用時發現，側鉆初期工具造斜率受地層影響大，調節環為0.9°時，造斜率無法滿足設計要求，但計算造斜后段可追回設計軌跡，因此沒有起鉆，但考慮到后期水平段著陸風險，推薦后續實施井側鉆初期將工具調節環角度調為1°。

4.2.2結合新型隨鉆測井工具導向效果顯著

PowerDriver Archer RSS近鉆頭井斜及伽馬距鉆頭更近，更有利于明確鉆頭處地層巖性，便于及時調整軌跡，對于地質導向發揮重要參考作用，結合PeriScope探邊工具及NeoScope物性分析工具，對于薄油層成功著陸及復雜水平段鉆進非常有利。H1井使用NeoScope工具水平段著陸，隨后導向過程中發現該段薄砂層中子孔隙度及密度變化不大，但地層降斜及漂方位趨勢明顯，軌跡不易控制，容易偏離儲層，因此下趟鉆改用PeriScope工具，通過工具的方向性電阻率曲線以及伽馬成像能清晰地預判軌跡和地層之間的關系，給實時軌跡調整帶來很大幫助，導向效果更好。

4.2.3配套工具與工藝的成熟有利于技術推廣

PowerDriver Archer RSS+ PeriScope/NeoScope的鉆具組合相比其他鉆具組合剛性更大，在造斜率較高的井段容易發生卡鉆，需多次短起下，鉆井風險較大，考慮結合地質情況，利用鉆井模擬軟件對井下工具進行模擬和優化，適當引入柔性短節或柔性無磁鉆鋌等工具以降低鉆具整體剛性。

通過不斷地應用與優化，摸索出適合于PowerDriver Archer RSS的鉆頭，該類鉆頭需具有側向切削齒，可充分發揮工具的造斜能力，在鉆壓增高和地層軟硬交替的情況下，鉆進中能保持切削齒平滑切削，避免鉆頭扭矩劇烈變化而提早損壞。

盡量選用混油鉆井液體系，該類鉆井液抗高溫效果好、攜砂及井壁維護性能強、潤滑性能高，可進一步發揮旋轉導向工具特點。

5　結論

（1）通過一年的應用與探索，高造斜率旋轉導向工具PowerDriver Archer RSS具備了現場規模化應用的條件，工具從造斜段開始全過程旋轉鉆進，解決了哈得遜油田深井油藏因地層砂泥巖夾層多，地層研磨性強等特點而帶來的常規旋轉導向造斜率不足的開采難題，全井段井眼軌跡光滑，有效地減少了井下托壓等不利因素，降低鉆進風險，提高鉆井速度。

（2）新型隨鉆地質導向測井技術的應用使得薄砂層油藏的開發成為可能，PeriScope可有效判斷薄砂層邊界，NeoScope可提供儲層物性評價，借助兩種工具的實時地質分析及PowerDriver Archer RSS在軟硬地層及夾層時高造斜能力，可有效控制軌跡在儲層中展布。

（3）高造斜率旋轉地質導向技術的規模化應用離不開相關配套技術的完善，需繼續優化鉆井施工方法，研究儲層地質資料，選擇合理鉆頭型號，減少配套工具故障。

［1］王愛國，王敏生，牛洪波，等. 深部薄油層、雙階梯水平井鉆井技術［J］. 石油鉆采工藝，2003，25（2）：5-7.

［2］張炳順，何選蓬，王志軍. 哈得遜油田HD1-7H井鉆井技術［J］. 石油鉆采工藝，2002，24（5）：20-22.

［3］楊海軍，孫龍德，朱光有，等. 塔里木盆地非穩態油藏特征與形成機制［J］. 石油學報，2012，34（6）：3-6.

［4］孫玉善，申銀民，徐迅，等. 應用成巖巖相分析法評價和預測非均質性儲層及其含油性——以塔里木盆地哈得遜地區為例［J］. 沉積學報，2002，20（1）：55-59.

［5］鄭德帥，高德利，馮江鵬，等. 推靠式和指向式旋轉導向工具的造斜性能研究［J］. 石油鉆采工藝，2011，33（6）：10-13.

［6］SALEM H, STIG L, SAUDI A, et al. Successful application of a novel mobility geosteering technique in a stratified low-permeability carbonate reservoir［R］. SPE 168077,2013.

［7］姜偉，蔣世全，付鑫生，等. 旋轉導向鉆井技術應用研究及其進展［J］. 天然氣工業，2013，33（4）：76-77.

［8］熊繼有，溫杰文，榮繼光，等. 旋轉導向鉆井技術研究新進展［J］. 天然氣工業，2010，30（4）：87-90.

［9］BARTON S, HERRINGTON D, GAINES M, et al. New technology enhances rotary steerable system performance and provide superior borehole quality and reduces vibration in rotary steerable applications［R］. SPE/ IADC 163562, 2013.

［10］LINES L A, STROUD D R H, COVENEY V A. Torsional resonance-an understanding based on field and laboratory tests with latest generation point-the bit rotary steerable system［R］. SPE/IADC 163428, 2013.

［11］薛啟龍，丁青山，黃蕾蕾. 旋轉導向鉆井技術最新進展及發展趨勢［J］. 石油機械，2013，41（7）：1-6.

［12］ROSS Lowdon, JUNICHI Sugiura, ADAM Bowler. Novel survey method using a rotary steerable system significantly improves the dynamic inclination and azimuth measurement［R］. SPE 166563, 2013.

［13］JUNICHI Sugiura, ADAM Bowler, RICHARD Hawkins, et al. Downhole steering automation and new survey measurement method significantly improves high-dogleg rotary steerable system performance［R］. SPE 166165, 2013.

［14］RICHARD Hawkins, STEVE Jones, JAMES O’ Connor, et al. Design, development, and field Testing of a highdogleg slim-hole rotary steerable system［R］. SPE/ IADC 163472, 2013.

［15］蘇義腦. 地質導向鉆井技術概況及其在我國的研究進展［J］. 石油勘探與開發，2005，32（1）：92-95.

［16］DZEVAT Omeragic, VALERY Polyakov, USHIL Shetty, et al. Integration of well logs and reservoir geomodels for formation evaluation in high angle and horizontal wells ［C］. SPWLA 52nd Annual Logging Symposium, 2011.

［17］NARHARI S, ARIF A A, MIHIRA N, et al. An integrated solution in drilling first successful horizontal well in a deep carbonate reservoir of north kuwait［R］. IPTC 16987, 2013.

［18］CHASHKOV A V, GORDEEV YA I, MENYAKIN V F. Experience of applying geosteering to drill horizontal wells in salinization reservoirs of eastern siberia［R］. SPE 149909, 2013.

（修改稿收到日期2015-04-14）

〔編輯薛改珍〕

Application of rotary geo-steering technology with high build-up rate in Hadson Oilfield

WANG Lei1, 2, ZHOU Bo2, LI Qiang2, SU Xiaofei3, ZHANG Liancheng1, TENG Xinmiao1
（1. CNPC Drilling Engineering and Technology Research Institute, Beijing 102206, China;
2. Tarim Oilfield Company, Korla 841000, China; 3. Key Laboratory of Education Ministry for Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Beijing 102249, China）

The Hadson thin reservoirs in Tarim Oilfield has great burial depth and large structural variations. The wellbore trajectories in horizontal wells are hard to control. The traditional rotary steering tools could not realize enough build-up rate at the early stage of sidetracking, so the bent screw motor was used first to build up hole angle to about 30°, then changed to other tools, which increased drilling risks and drilling cycle. In 2013, the rotary geo-steering tool with high build-up rate (PowerDriver Archer RSS) and a new generation of geo-steering technology (Scope series) were used in this Block, which started drilling with rotary steering from the sidetracking point, and geo-steering tools were added at landing and horizontal sections. Compared with 2012, the well depth in horizontal hole was increased by 214 m in average, and drilling cycle was less by 36.7 d. Based on rotary steering with high build-up rate and logging while drilling, and in conjunction with analysis of field application cases, it was thought that full-hole rotary steering helps reduce hole friction in Hadson reservoir and so save drilling time. The application of formation delineation drilling and reservoir evaluation techniques has improved the reservoir drilling ratio by horizontal wells, which helps large-scale production of this reservoir.

deep burial; horizontal well; rotary geo-steering with high build-up rate; logging while drilling; drilling cycle

TE243

A

1000 – 7393（ 2015 ） 03 – 0023 – 05

10.13639/j.odpt.2015.03.006

國家油氣重大專項“旋轉導向及隨鉆測錄、酸性氣層測試技術與裝備”（編號：2011ZX05021-005）。

王磊，1981年生。2007年畢業于北京理工大學機械與車輛工程學院，現主要從事石油鉆井井下隨鉆工具機械結構研究工作，碩士學位，高級工程師。電話：010-80162199。E-mail：wanglei_1214@126.com。

引用格式：王磊，周波，黎強，等.高造斜率旋轉地質導向技術在哈得遜油田的應用［J］.石油鉆采工藝，2014，37（3）： 23-27.