旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)在深層頁巖油水平井的應(yīng)用

馬鴻彥, 王大寧, 張 杰, 趙會忠, 李清碧, 張鵬宇, 王 偉

(1中石油渤海鉆探工程有限公司定向井技術(shù)服務(wù)分公司 2遼河油田塔里木項(xiàng)目管理部地質(zhì)工藝研究所)

頁巖油作為非常規(guī)油氣藏資源，是未來石油勘探與開發(fā)最為主要的接替資源之一。目前，全球大部分地區(qū)例如俄羅斯、美國、加拿大等已發(fā)現(xiàn)儲量豐富的頁巖油[1-2]。我國在鄂爾多斯、準(zhǔn)戈?duì)?、松遼等盆地也形成了億噸級儲量區(qū)[3-4]。對于頁巖油開發(fā)，美國和加拿大都采用水平井及多段壓裂的方式，而井眼軌跡的控制從2011年之后基本采用先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)。美國在目的層鉆遇水平段一般為3 000 m左右，加拿大為1 000 m左右[5-8]。中國對頁巖油正處在勘探與理論分析階段，尚未形成規(guī)模化開發(fā)模式[9-11]。官東1701H井位于滄東凹陷官東地區(qū)小集背斜東翼官1608井區(qū)，是大港油田第一口頁巖油評價性水平井。針對該井設(shè)計(jì)井深5 524 m，水平段1 500 m、采用常規(guī)導(dǎo)向工具(LWD+馬達(dá))在滑動鉆進(jìn)時摩阻扭矩大、托壓嚴(yán)重、軌跡調(diào)整困難等問題，應(yīng)用了貝克休斯AutoTrack工具。該井使用結(jié)果表明，采用該工具平均機(jī)械鉆速可達(dá)10.38 m/h，比鄰井高2～3倍。一趟鉆從0°～89.62°完成造斜井段并“著陸”。利用方位伽馬與電阻率探測幾何關(guān)系能快速判斷鉆頭在目的層的相對位置，使得目的層鉆遇率100%，對井眼軌跡的優(yōu)化與控制有重要的指導(dǎo)作用。

一、工作原理簡介

AutoTrack是貝克休斯研發(fā)的靜態(tài)推靠式閉環(huán)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要有導(dǎo)向頭(非旋轉(zhuǎn)套筒、液壓驅(qū)動翼肋和驅(qū)動軸組成)和OnTrack組成。其中，導(dǎo)向頭提供近鉆頭井斜、導(dǎo)向功能，OnTrack提供電磁波電阻率、方位伽馬、環(huán)空當(dāng)量密度、井斜角、方位角以及儀器工作時的振動參數(shù)等。

鉆進(jìn)時驅(qū)動軸將來自鉆柱的動力傳遞給鉆頭完成破巖過程。安裝在非旋轉(zhuǎn)套筒上三個沿圓周方向120°夾角的液壓驅(qū)動翼肋，可自動調(diào)整伸縮量形成一個力的合成矢量，即導(dǎo)向頭的重力工具面(相當(dāng)于彎殼馬達(dá)的重力工具面)。它的測量是將三個液壓驅(qū)動翼肋其中一個定義為高邊參考基準(zhǔn)且與三軸傳感器Gz軸重合。通過測量重力加速度在三個方向的分量就可以算出高邊參考翼肋相對于井眼高邊的位置，進(jìn)而得到導(dǎo)向頭的重力工具面。但是，?120.6 mm導(dǎo)向頭重力工具面的測量是通過磁性工具面轉(zhuǎn)換得到。測量方式: 在導(dǎo)向頭內(nèi)X軸和Y軸分別安置兩個相互垂直正交的磁力計(jì)，工具旋轉(zhuǎn)時，地磁場傾角與X軸和Y軸的夾角發(fā)生變化，地磁場在X軸和Y軸的分量隨之發(fā)生變化。存儲器調(diào)用當(dāng)前井斜、方位及地磁傾角數(shù)據(jù)計(jì)算出磁性工具面并轉(zhuǎn)化為重力工具面。當(dāng)實(shí)時傳輸近鉆頭井斜與目標(biāo)井斜不相符時，導(dǎo)向頭根據(jù)動態(tài)重力工具面,采取井眼軌跡自動調(diào)整和控制。

二、地層數(shù)學(xué)模型的建立

根據(jù)隨鉆方位伽馬探測原理可以實(shí)時計(jì)算出地層傾角、鉆頭到邊界垂直距離和沿鉆進(jìn)方向鉆頭到界面的直線距離，對井眼軌跡精確控制的輔助作用優(yōu)于傳統(tǒng)自然伽馬。為滿足現(xiàn)場需要，忽略次要因素，對模型做以下假設(shè)：①不考慮井眼擴(kuò)大率、濾餅及侵入帶對測量數(shù)據(jù)的影響，儀器探測深度為0.3 m；②上下圍巖無限均勻厚；③只考慮探測器在上下方向的探測情況,儀器上方的為上探測器，下方的為下探測器。

根據(jù)模型可得計(jì)算公式:

(1)

式中:γ—儀器與目的層界面夾角,°；α—地層傾角,°；β—儀器與水平面的夾角,°；D2—鉆頭到圍巖界面的垂直距離,m ；L2—沿鉆進(jìn)方向鉆頭到圍巖界面的距離,m ；L1—上伽馬探測器到鉆頭的距離,m ；D1—伽馬探測器的探測深度,m ；D—儀器直徑(上下伽馬探測器之間的距離),m ；ΔX—高低邊伽馬相對邊界產(chǎn)生響應(yīng)時的距離差,m ；INC—高低邊伽馬產(chǎn)生響應(yīng)時的井斜角,°；。

三、現(xiàn)場應(yīng)用

1.地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)與鉆井工程

官東1701H井位于滄東凹陷官東地區(qū)小集背斜東翼官1608井區(qū)，夾持在小集斷層與小集南斷層之間，為西高東低的斷塊構(gòu)造，地層?xùn)|傾。目的層孔二段為深灰、黑灰色泥巖夾淺灰色粉細(xì)砂巖，細(xì)粒長英沉積巖及白云巖薄互層構(gòu)成，烴源巖發(fā)育優(yōu)質(zhì)，是主要生油凹陷主體。利于孔二段自生自儲形成頁巖油。主體區(qū)，Ek21發(fā)育70～80 m細(xì)粒沉積巖，分布穩(wěn)定，具備較好的儲集性能，儲集空間以晶間孔、頁理縫為主,其次為粒間(內(nèi))溶蝕孔、構(gòu)造微裂縫、生物體腔孔等，脆性礦物含量高達(dá)90%以上，利于后期壓裂改造[12-15]。該井為三開水平井,設(shè)計(jì)井斜90.13°,水平段1 500 m為大港油田在孔二段鉆遇的最長距離。

2. 施工難度分析

(1)地質(zhì)情況復(fù)雜。所鉆遇地層地質(zhì)提示沙一段底部2 155～2 160 m鉆遇生物灰?guī)r、館陶組底部鉆遇厚5～10 m雜色細(xì)礫巖、孔一段底部3 680 m鉆遇斷層、館陶底1 740 m、沙一底2 160 m、沙三底2 485 m等不整合面及孔一段頂部約110 m泥膏巖、石膏層，地層穩(wěn)定性差，鄰井出現(xiàn)井壁垮塌填埋鉆具、測井電纜被卡等事故。

(2)施工風(fēng)險高。預(yù)測關(guān)井井口壓力大于43.42 MPa屬于高壓井，目的層段無任何實(shí)鉆和測試等參考資料，相鄰本井的注水井8口，采油井2口。鄰井官1608井在井深4 216 m防碰距離22.06 m，安全系數(shù)低。

(3)鉆井液體系難以控制，卡鉆風(fēng)險高。復(fù)合石膏層存在多套高壓鹽水層，鉆井液性能、密度調(diào)整范圍窄。地層中鹽溶于水，引起鉆井液黏度和切力上升，受污染后穩(wěn)定性降低，導(dǎo)致井壁濾餅變厚，易造成掉塊，縮徑卡鉆。

(4)地層巖性復(fù)雜，造斜效果差。本井水平段設(shè)計(jì)1 500 m、裸眼段2 360 m，所鉆地層軟硬交錯，滑動鉆進(jìn)托壓，井眼軌跡控制效果較差。

3.應(yīng)對措施與應(yīng)用實(shí)例

為精確控制井眼軌跡，一開、二開使用MWD+馬達(dá)組合，使得上直段井斜控制在2°以內(nèi)，井深2 950～3 085 m，井斜控制1.5°以內(nèi),從3 085 m開始造斜?；谏鲜鍪┕るy度，三開從3 080～5 465 m使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具,見表1。

表1 全井使用工具及參數(shù)

注:一開轉(zhuǎn)速：75～125 r/min;二開轉(zhuǎn)速：75～90 r/min;三開轉(zhuǎn)速：90～120 r/min。

軌跡控制分為造斜段和水平段。

3.1 造斜段

(1)方位調(diào)整段。增斜降方位模式，鉆進(jìn)井段3 080～3 153 m。初始參數(shù):井深3 085 m,井斜角1.2°,方位角178.24°。鉆進(jìn)至3 153 m,井斜角4.4°,方位角90.35°將方位調(diào)整至設(shè)計(jì)方位90.87°。

(2)增斜段。采用增斜模式，鉆進(jìn)井段3 153～3 431 m。鉆進(jìn)至3 431 m，井斜角28.17°，方位角93.22°。

(3)穩(wěn)斜段。采用穩(wěn)斜模式，鉆進(jìn)井段3 431～3 529 m。鉆進(jìn)至3 529 m，井斜角29.86°，方位角90.69°。

(4)增斜段。采用增斜模式，鉆進(jìn)井段3 529～4 257 m。鉆進(jìn)至4 257 m，井斜角89.62°，方位角91.28°。一趟鉆井斜角從0°～89.62°完成“著陸”，進(jìn)尺1 177 m，純鉆時間110 h，平均機(jī)械鉆速10.7 m/h。

3.2 水平段

水平段軌跡控制主要通過近鉆頭井斜、電阻率、方位伽馬曲線及成像來實(shí)時監(jiān)測鉆頭在目的層的相對位置。依據(jù)地震資料顯示，在目的層上面有兩個頁巖夾層(3 920～3 940 m)作為“著陸”的標(biāo)志層(圖1)。

圖1 標(biāo)志層實(shí)時測井曲線

從圖1可以看出實(shí)時方位伽馬曲線幅值變化突出、機(jī)械鉆速降低、電阻率及伽馬成像在兩個標(biāo)志層邊界都出現(xiàn)響應(yīng)，其中低高邊伽馬分別在井深3 940～3 942.5 m幅值下降，低邊伽馬曲線和成像圖首先下降，按照方位伽馬探測原理說明此時鉆頭鉆進(jìn)方向沿標(biāo)志層底部穿出。

將ΔX=2.5 m，INC=79°,D=0.2159 m，代入式(1)得到地層傾角α=6.08°。即目的層“著陸”時井斜角須增至85.08°，設(shè)計(jì)“著陸”點(diǎn)井深4 003.75 m，井斜角為85.47°，兩者相差0.39°。利用標(biāo)志層計(jì)算地層傾角確定目的層實(shí)際地層傾角的方法，提前61 m計(jì)算出“著陸”點(diǎn)的井斜角。避免了因無法確定目的層頂界不斷調(diào)整井斜角而導(dǎo)致軌跡不平滑和鉆進(jìn)無效井段。

為提高目的層的鉆遇率，需要監(jiān)控實(shí)時測井曲線，通過測井曲線對地層的響應(yīng)來判斷鉆頭在目的層中的相對位置(圖2)。

從圖2可以看出，從井深4 900 m以上高低邊伽馬曲線幅值交替出現(xiàn)，淺電阻率曲線受到圍巖影響幅值異常，推測正在鉆遇上下薄層圍巖的層位或巖性不純的夾層。巖屑錄井信息與推測結(jié)論相一致，在井深4 864～4 868 m,井斜角81.23°。將ΔX=4 m，INC=81.23°,D=0.215 9 m，L1=1.75 m,D1=0.3m,代入式(1)得到：地層傾角α=5.67°，沿鉆進(jìn)方向鉆頭到邊界的距離L2=3.8 m，鉆頭到頂界的垂直距離D2=0.21 m。計(jì)算結(jié)果顯示如果繼續(xù)以當(dāng)前井斜角(其中設(shè)計(jì)井斜角81.43°)鉆進(jìn)4 m即可進(jìn)入目的層。鉆進(jìn)至井深4 880 m時電阻率曲線仍然異常，說明地層上傾并未進(jìn)入純頁巖。按照計(jì)算所得地層傾角對井眼軌跡做出調(diào)整，鉆進(jìn)至井深4 900 m電阻率曲線恢復(fù)正常，高低邊伽馬仍然異常波動，繼續(xù)鉆進(jìn)至井深4 925 m井斜角86.9°完全進(jìn)入目的層。從以上軌跡調(diào)整過程說明：利用近鉆頭井斜、電阻率、方位伽馬能實(shí)時監(jiān)測鉆頭在地層的位置、提高目的層鉆遇率、優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)、更新地質(zhì)導(dǎo)向模型。

4.機(jī)械鉆速效果分析

采用常規(guī)的MWD+馬達(dá)在大位移或長裸眼段鉆進(jìn)時受托壓因素影響，機(jī)械鉆速降低。當(dāng)滑動鉆進(jìn)時工具面難以調(diào)整，影響整個鉆井周期。采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)可有效克服來自鉆柱承受的摩阻扭矩而提高鉆速。現(xiàn)場應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)平均鉆速比使用馬達(dá)的速度高2～3倍，且從現(xiàn)場施工中發(fā)現(xiàn)各鄰井在滑動鉆進(jìn)時平均鉆速小于2 m/h。

圖2 水平段實(shí)時測井曲線

四、結(jié)論與建議

(1)在大位移、水平井應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，有效克服鉆柱所承受的摩阻、扭矩及托壓現(xiàn)象，提高鉆壓傳遞效率及機(jī)械鉆速，增加井壁光潔程度，降低后期施工難度，縮短鉆井周期。

(2)通過實(shí)時測井曲線與三地層數(shù)學(xué)模型及相應(yīng)公式相結(jié)合計(jì)算出標(biāo)志層地層傾角，提前61 m預(yù)測出目的層“著陸”點(diǎn)井斜角，與設(shè)計(jì)井斜角相差0.39°。對水平井目的層精準(zhǔn)確定“著陸”點(diǎn)提供一種新的方法與依據(jù)。

(3)利用近鉆頭井斜、方位伽馬等地質(zhì)導(dǎo)向功能使水平段鉆遇率100%,但是，頁巖油水平井隨鉆測井解釋及儲層巖性變化復(fù)雜層段的基線確定問題仍需更深的研究。