初探旋轉導向系統(tǒng)在深層頁巖油水平井的應用

劉宗堂

（中國石油集團渤海鉆探工程有限公司定向井技術服務分公司，天津 300280）

美國的頁巖油開發(fā)多采用水平井及多段壓裂方式，其中旋轉導向鉆井系統(tǒng)負責井眼軌跡控制，我國現階段頁巖油開發(fā)水平仍稍遜色于美國等發(fā)達國家。在深層頁巖油水平井的井眼軌跡優(yōu)化與控制中，靜態(tài)推靠式閉環(huán)旋轉導向鉆井系統(tǒng)有著出色表現，本文研究主要圍繞該旋轉導向系統(tǒng)展開。

1 旋轉導向系統(tǒng)與研究模型

1.1 旋轉導向系統(tǒng)

靜態(tài)推靠式閉環(huán)旋轉導向鉆井系統(tǒng)Auto Track由OnTrack和導向頭組成，導向頭可細分為驅動軸、液壓驅動翼肋、非旋轉套筒，導向頭負責提供鉆頭井斜、導向功能，OnTrack負責提供方位角、井斜角、環(huán)空當量密度、方位伽馬、電磁波電阻率及工作時的儀器振動參數。驅動軸在鉆進時傳遞鉆柱的動力給鉆頭，破巖過程可隨之完成，三個液壓驅動翼肋安裝于非旋轉套筒上，可通過對伸縮量的自動調整實現力的合成矢量形成，即彎殼馬達（導向頭）重力工具面。

定義三個液壓驅動翼肋的一個為重合與三軸傳感器Gz軸的高邊參考基準，通過對三個方向重力加速度分量的測量，即可明確相對于井眼高邊的高邊參考翼肋位置，重力工具面自然可隨之獲得。由于存在基于磁性工具面轉換得到的φ120.6mm導向頭重力工具面，可基于磁性工具面轉化得到重力工具面。如目標井斜和實時傳輸近鉆頭井斜不相符，在動態(tài)重力工具面支持下，導向頭即可實現井眼軌跡的自動控制和調整。

1.2 研究模型

地層傾角、界面和沿鉆進方向鉆頭的直線距離、鉆頭到邊界垂直距離的實時計算可在隨鉆方位伽馬探測原理支持下實現，相較傳統(tǒng)自然伽馬，由此開展的井眼軌跡控制精準性更高。基于現場實際需要，在模型建立中需首先做出假設，將次要因素忽略，包括存在0.3m的儀器探測深度，不考慮侵入帶、濾餅、井眼擴大率對測量數據造成的影響，存在無限均勻厚的上下圍巖，僅考慮探測器上下方向探測情況，由此可得到：

式中，α、β、γ分別為地層傾角、水平面與儀器夾角、目的層界面與儀器夾角，L1、L2、D、D1、D2、ΔX、INC分別為鉆頭到上伽馬探測器的距離、圍巖界面與沿鉆進方向鉆頭的距離、儀器直徑、伽馬探測器的探測深度、圍巖界面與鉆頭的垂直距離、相對邊界產生響應時高低邊伽馬的距離差、產生響應時高低邊伽馬井斜角。

2 旋轉導向系統(tǒng)的具體應用

2.1 案例概況

為提升研究的實踐價值，本文以夾持在小集南斷層與小集斷層之間的某深層頁巖油水平井作為研究對象，地層東傾，存在西高東低的斷塊構造，目的層孔二段存在黑灰、深灰色泥巖夾淺灰色粉細砂巖，白云巖薄及細粒長英沉積巖互層構成，存在發(fā)育優(yōu)質、屬于主要生油凹陷主體的烴源巖，利于孔二段自生自儲形成頁巖油。主體區(qū)存在分布穩(wěn)定的發(fā)育細粒沉積巖（70～80m），儲集性能較好，儲集空間以頁理縫、晶間孔為主，其次為生物體腔孔、構造微裂縫、粒間溶蝕孔等，存在90%以上的脆性礦物含量，對后期壓裂改造有利。案例中的深層頁巖油水平井屬于三開水平井，設計井斜、水平段分別為90.14°、1500m。

深入分析可以發(fā)現，案例深層頁巖油水平井的施工難度較高，這種難度主要體現在四個方面：

第一，復雜的地質情況。結合所鉆遇地層地質提示可以發(fā)現，生物灰?guī)r、雜色細礫巖、斷層、不整合面、石膏層、泥膏巖大量存在，案例深層頁巖油水平井的地層穩(wěn)定性差，鄰井出現的測井電纜被卡、井壁垮塌填埋鉆具等事故也能夠證明這一認知；

第二，存在較高施工風險。案例深層頁巖油水平井屬于高壓井，預計存在43.44MPa的關井井口壓力，且目的層段無任何測試和實鉆參考資料，案例深層頁巖油水平井存在8口相鄰注水井。同時，鄰井在井深4217m存在22.11m的防碰距離，安全系數較低；

第三，難以控制鉆井液體系。分析案例深層頁巖油水平井可以發(fā)現，多套高壓鹽水層存在于其復合石膏層，鉆井液的密度、性能調整范圍窄，鉆井液切力和黏度因地層中鹽溶于水上升，穩(wěn)定性在受污染后也會降低，變厚的井壁濾餅也會隨之出現，縮徑卡鉆、掉塊等問題的出現概率將大幅提升；

第四，較為復雜的地層巖性。案例深層頁巖油水平井的水平段、裸眼段長度分別為1500m、2360m，軟硬交錯的所鉆地層會導致滑動鉆進托壓，這對井眼軌跡控制效果將帶來嚴重負面影響，控制難度也會隨之提升。

2.2 具體應用

為實現井眼軌跡的精確控制，案例深層頁巖油水平井采用了靜態(tài)推靠式閉環(huán)旋轉導向鉆井系統(tǒng)Auto Track。“MWD+馬達”組合用于一開、二開，由此得以基于2°內控制上直段井斜，井深、井斜分別為2949～3084m、1.5°內。造斜從3084m開始，旋轉導向鉆井系統(tǒng)在三開使用，其中，一開、二開、三開井段的泵壓分別為8～14MPa、14～18MPa、20～23MPa，排量分別為60～65L/s、50～60L/s、28～34L/s，鉆壓分別為30～80kN、80～120kN、120～180kN，案例分水平段和造斜段進行軌跡控制。

造斜段可細分為方位調整段、增斜段、穩(wěn)斜段、增斜段，具體控制如下：第一，方位調整段。對于3070～3152m的鉆進井段，選用增斜降方位模式，井斜角、井深、方位角的初始參數分別為1.2°、3084m、178.25°，鉆進至3152m時存在4.4°的井斜角及90.34°的方位角，需將其調整至90.88°這一設計方位；第二，增斜段。對于3152～3430m的鉆進井段，選用增斜模式，鉆進至3430m時的方位角、井斜角分別為93.23°、28.16°；第三，穩(wěn)斜段。對于3430～3528m的鉆進井段，選用穩(wěn)斜模式，鉆進至3528m時的方位角、井斜角分別為90.70°、29.87°；第四，增斜段。對于3528～4256m的鉆進井段，選用增斜模式，鉆進至4257m時的方位角、井斜角分別為91.27°、89.61°。一趟鉆井斜角的“著陸”完成于0°～89.61°，進尺、平均機械鉆速、純鉆時間分別為1177m、10.7m/h、110h。

水平段基于方位伽馬曲線及成像、電阻率、近鉆頭井斜等開展軌跡控制，目的層鉆頭的相對位置也可實現實時監(jiān)測。結合地震資料可以發(fā)現，兩個頁巖夾層存在于目的層上可作為標志層用于“著陸”，即3919～3939m處。兩個標志層邊界中存在變化突出的實時方位伽馬曲線幅值、電阻率及伽馬成像響應、機械鉆速降低，在井深3939～3941.5存在中低高邊伽馬分別幅值下降，首先下降的為低邊伽馬曲線和成像圖，基于位伽馬探測原理可以了解到，此時，存在穿出標志層底部的鉆頭。將D、INC、ΔX分別按0.2159m、79°、2.5m代入式（1），可得到結果為6.08°的地層傾角α，因此，井斜角在目的層“著陸”時需為85.07°，設計“著陸”點井斜角、井深分別為85.47°、4002.74m。目的層實際地層傾角可通過標志層計算地層傾角確定，“著陸”點可提前60m完成井斜角計算，不斷調整井斜角的目的層頂界無法確定導致的鉆進無效井段和軌跡不平滑等問題能夠有效規(guī)避。通過對實時測井曲線的監(jiān)控，目的層鉆遇率得到保障，鉆頭在目的層中的相對位置也能夠基于測井曲線對地層的響應確定。圍繞交替出現的高低邊伽馬曲線幅值可以發(fā)現，井深4900m以上的圍巖會對淺電阻率曲線造成影響，可初步判定正在鉆遇巖性不純的夾層或上下薄層圍巖層位。存在與推測結論一致的巖屑錄井信息，在井深、井斜角分別為4863～4867m、81.24°時，將D、INC、ΔX、L1、D1分別按0.2159m、81.24°、4m、1.75m、0.3m代入式（1），可得到結果為5.68°的地層傾角α，頂界與鉆頭的垂直距離D2、邊界與鉆進方向鉆頭的距離L2分別為0.21m、3.8m。結合計算可以確定，以當前井斜角鉆進4m即可進入目的層。電阻率曲線在鉆進至4879m井深時仍然異常，這說明存在未進入純頁巖的地層上傾，因此，需要調整井眼軌跡，基于計算所得地層傾角，電阻率曲線在鉆進至4900m井深時恢復正常，但存在仍異常波動的高低邊伽馬，繼續(xù)按照86.9°的傾角鉆進至4924m井深時完全進入目的層。

3 結語

結合上述實踐可以發(fā)現，方位伽馬、電阻率、近鉆頭井斜可實現地層中鉆頭位置的實時監(jiān)測，井身結構優(yōu)化、目的層鉆遇率提高、地質導向模型更新也可獲得有力支持，同時旋轉導向鉆井系統(tǒng)的應用還能夠提高鉆速，相較于使用馬達可實現2～3倍的速度提高。