旋轉導向技術在涪陵頁巖氣開發中的適用性研究

陳振海

摘要：涪陵頁巖氣是鉆探過程中由于油藏特點和環境影響，鉆探投資大、鉆井周期長、提速困難。在頁巖氣非常規油氣開發過程中，為了更好地加強對井眼軌跡的控制，加強旋轉導向技術的應用，對于促進地層參數和工程參數的測量，以及定向井眼軌跡的測控以及信號脈沖反饋和收發等方面的作用較為明顯。因此本文總結了旋轉導向技術在涪陵頁巖氣鉆探在使用過程中存在難點，分析了該技術使用前景，對旋轉導向技術的發展和應用具有指導作用。

關鍵詞：涪陵頁巖氣;旋轉導向技術;鉆井提速

1 涪陵頁巖氣鉆井技術難點分析

涪陵頁巖氣田鉆遇地層復雜，主要目的層為龍馬溪組和五峰組，成巖年代古老，巖石堅硬，地層復雜多變，給鉆井提速、井眼軌跡控制、固井質量等都帶來諸多麻煩，鉆井過程中主要存在以下技術難點[2-3]。

1.1 井區地表環境復雜，前期勘探鉆井投資大

涪陵地區地面屬典型的喀斯特地貌，經過多年的溶蝕和風化，地表地面裂縫發育，地下溶洞及暗河分布，給鉆井工程實施帶來巨大的施工困難，設備搬運、擺放、交通、物資輸送等都耗子巨大。

1.2 地層多樣化，鉆井工藝復雜

涪陵頁巖氣藏地質年代古老，多期構造運動形成，給鉆井帶來諸多麻煩：a）淺層喀斯特地貌，地層極易垮塌，鉆井漏失嚴重;b）二疊系時裂縫氣發育，噴漏同層，含H2S，存在中毒風險;c）志留系地層鉆探時井壁穩定性差，鉆井情況復雜多變;d）龍馬溪組頁巖儲層水平段鉆井時，井眼軌跡控制難度大;e）鉆遇夾層多樣，巖石硬度大，跳鉆嚴重，鉆井提速困難。

1.3 井眼軌跡控制難，施工風險高

涪陵頁巖氣田主要采用叢式水平井開發，具有偏移距大（一般為300m）、靶前距大（一般為800m）、水平段長（一般為1500m）等特點，摩阻扭矩大，三維井眼軌跡控制難度大[3]。

1.4 深層頁巖氣藏高溫高壓，鉆機故障率高

深層高溫高壓造成旋轉導向和近鉆頭儀器故障率升高，影響鉆井效率。地層溫度和壓力高，鉆井液密度高，造成旋轉導向或近鉆頭測量儀器故障率升高。據統計，涪陵地區17口深層頁巖氣井中10口井發生了近鉆頭儀器故障23次。威榮地區6口井發生了旋轉導向儀器失效15次[3-4]。

2 旋轉導向鉆井技術發展背景

為了滿足不同油藏在開發過程中的需求，國外在多分支井鉆井技術上實現了系列化和標準化。并且降低了勘探開發成本及提高采收率。多分支井根據國際上不同的程度及結構被分為6個等級。目前其中6級分支井技術以其壓力完整性、液力封隔性和可選擇性再進入的特點等廣泛應用于美國煤層氣的開采。鉆井的井眼軌跡隨著近年來向深部、復雜地層勘探的發展，以及非常規油氣的開發比如低滲油藏、頁巖氣、煤層氣等被提出了很多新的要求，尤其是大位移鉆井、水平井、薄油層鉆水平井、水平分支井技術等。越來越復雜的井眼軌跡要求被提出來了希望獲得更大的產能，暴露更多的儲層，為了提高鉆井效率、降低昂貴的鉆井成本和減少鉆井井下作業的各種風險，旋轉導向技術在鉆井行業應運而生[4]。

與傳統技術相比，在旋轉狀態下實現井眼軌跡的實時導向是首先在近海鉆井得到了廣泛應用的旋轉導向技術突出的優點。這種旋轉狀態下實現井眼軌跡的實時導向帶來的好處主要有兩方面：（1）在所受的摩阻和扭矩方面，傳統的滑動導向方式遠大于旋轉導向方式下的鉆柱所受到的，也正是因為這樣，在同樣條件下大大提高了鉆機作業的能力，也大大增加了鉆機所能實現的大位移井的極限延伸能力;（2）因為旋轉導向方式下井眼清晰狀況的改善使鉆井技術得到了有效的保證，也保障了鉆井過程的安全性，尤其是在遇到復雜地層時。自旋轉導向鉆井技術誕生以來，強大的生命力越來越被顯示出來，因而得到了廣泛的應用和推廣。

3旋轉導向鉆井工作原理及系統組成

3.1旋轉導向鉆井系統工作原理

導向裝置是旋轉導向鉆具組合的重要部分，根據給定工具面和給定動力進行導向鉆進，并且通過下傳的指令可以隨時重新定位，既可以造斜也可以穩斜。傳感器模塊包括伽馬射線和多頻電阻率，主要提供鉆井過程所需的基本參數，一般還安裝有用來計算井眼方位角磁通量計。渦輪發電裝置和正壓脈沖發生器作為雙向通訊和動力模塊主要部件，隨鉆測量工具提供的電源動力和導向裝置是他們主要負責的，而且也提供了渠道用于下傳指令和上傳測量數據。有效提高機械鉆速同時還可以減少套管和鉆具的磨損是使用模塊馬達的優點。

3.2旋轉導向鉆井系統組成

井下旋轉導向鉆井工具系統、地面監控系統和隨鉆測量系統是組成旋轉導向鉆井系統的三部分。

不同的部門功能不同，導向裝置、無磁模塊穩定器、雙向通訊模塊、動力模塊等井下工具是組成井下旋轉導向鉆井工具系統的核心部件。旋轉（地質）導向二維建模、底部鉆具組合受力分析、定向井水平井剖面設計或修正設計是地面監控系統的功能，監控旋轉導向鉆井系統的定向鉆井情況是地面監控系統的主要功能。感知鉆井過程中鉆頭的環境是隨鉆測量系統的主要目的。各種傳感器是實現感知鉆井過程中鉆頭環境的主要途徑，傳感器模塊、優化旋轉密度儀和動態與壓力模塊等隨鉆地質特性和鉆具特性測量工具包含在其中。

總的來說，導向裝置、傳感器模塊、雙向通訊和動力模塊、模塊馬達以及其他配套工具是旋轉導向鉆具組合的主要組成部分。

4旋轉導向鉆井技術在涪陵頁巖氣開發應用前景

（1）旋轉導向鉆井技術在國內頁巖氣等非常規油氣開發中得到了一定應用，前期在涪陵焦石壩工區實踐表明對于復雜工藝井，具有提高定向鉆井效率的作用。

（2）旋轉導向鉆井技術防斜、穩斜能力較強，且穩定性好，特別適合涪陵地區頁巖氣開發需求，該技術適合上部防斜要求難度高的地層，下部在長井段穩斜及長水平段延伸鉆井中具有明顯優勢。

（3）旋轉導向鉆井技術能更加精確高效地進行工程和地質導向，對于涪陵叢式井“井工廠”開發模式中水平井開發中地層的不確定因素較多，旋轉導向鉆井技術可隨時調整定向施工方案，使軌跡控制更加主動，相比常規定向調整方位更加快捷，能夠鉆出更加平滑的水平段井眼，為后續鉆井、壓裂、試氣施工創造良好井眼條件。

（4）常規鉆井技術對于超深井、大位移井、叢式水平井等高難度復雜定向井的高效開發具有局限性，存在著造斜能力偏低、作業成本高等問題。高造斜率旋轉導向鉆井工具除具有普通旋轉導向鉆井工具的起下鉆次數少、機械鉆速高、鉆井作業效率高、井眼軌跡控制精確等的優勢外，還具有造斜能力強、造斜率可控范圍寬、造斜點可以較深等明顯特征。

（5）目前，旋轉導向核心技術主要被國外公司掌握，技術服務費用較高，涪陵頁巖氣開發中主要使用的是以哈里伯頓為主，國產化應用受到限制，采用國外公司與國內廠家聯合組裝配套、維修保養的方式，可以降低使用費用，加快推進國產化進程，實現該項技術在國內的推廣應用。

參考文獻：

[1]宋保健，孫凱，樂守群等.涪陵頁巖氣田鉆井提速難點與對策分析[J].鉆采工藝，2019，42（04）：9-12+6.

[2]張文澤，夏宏南，白凱等.旋轉導向技術在焦石壩地區的應用與分析[J].長江大學學報（自科版），2016，13（17）：54-57+6.

[3]游云武.涪陵焦石壩頁巖氣水平井高效鉆井集成技術[J].鉆采工藝，2015，38（05）：15-18+6.

[4]李增科，趙哲.旋轉導向鉆井技術的應用及探討[J].江漢石油職工大學學報，2015，28（02）：25-27.