湿接头和无电缆存储式测井在页岩井中的应用

2014-04-23臧德福

测井技术 2014年2期

臧德福

（中石化胜利石油工程有限公司测井公司，山东东营 257096）

0 引言

页岩油气藏的低孔隙度、低渗透率物性特征［1］使得要获得较高的收益率就需要加快钻井速度，提高单井产能［2］。页岩油气之所以能够大规模投入开发，主要是建立在水平井技术（及大型压裂技术）发展的基础上［3－4］。钻井提速对测井的时效要求在水平井段仪器下井一次需要完成所有测井项目。页岩油气藏的地层特点、长水平井段井眼给测井带来了新的难题。本文分析了页岩井的测井难点，根据大量现场实践比较现有水平井测井技术在页岩井中的适用性，研究提高测井成功率和时效的技术改进方案，对水平井测井技术在页岩油气井中的应用进行探索。

1 页岩油气井测井难点

1.1 井壁稳定性差

页岩油气富集地层主要为硬脆性页岩。页岩地层微裂隙较发育且易水化分散，在页岩油气钻井过程中易发生剥蚀、掉块等井壁失稳［5－6］。井眼轨迹设计通常沿最小水平主应力方向钻进，增加了井壁失稳的风险［7］。井壁稳定性差容易导致坍塌、井眼不规则，造成测井过程中仪器、电缆阻卡。

1.2 长水平井段

为了获得更大的储层泄流面积，提高单井油气产量，页岩井大多采用长水平井段钻井［8－9］。长水平井段钻井过程中由于摩阻大，钻具托压，容易造成井眼轨迹变化大，增加测井难度。一方面，如果套管下深较浅，因旁通不能出套管，采用湿接头测井就需要进行多次对接，这将大大延长井口占用时间，增加测井风险；另一方面，复杂的井眼轨迹给资料质量控制造成困难。

1.3 井漏、井涌等异常情况

中国典型页岩油气富集地区的地质资料表明，页岩地层微裂隙较发育，钻井过程中易发生钻井液漏失［10］；井漏的发生会带来井壁失稳，给测井施工带来障碍。

某些地区的页岩油气井，当钻遇裂隙较发育的页岩层段时易发生气侵、井涌和井喷［11－12］。在这类井中进行施工时，应采用有利于工程处理的测井工艺，一旦发生井涌能够及时进行封井、压井，避免人员伤害和财产损失。

2 页岩水平井测井技术

中国在水平井测井中最常采用的是湿接头钻具输送水平井测井技术。该项技术工具多、配套全、队伍多、经验丰富。虽然湿接头式水平井测井技术已基本完善，但由于其携带电缆和需要井下对接，在复杂井况水平井中应用受到一定的限制；另一方面，老式湿接头工具存在的对接成功率不高和脱枪等问题，也很难满足页岩井施工一次完成的要求。

无电缆存储式水平井测井是近几年发展起来的水平井测井新技术，这种方式摆脱了电缆和井下对接的困扰，因此，很快得到了推广应用。但由于还处于应用初期，在施工成功率、采集资料质量等方面有待完善。

随钻测井（LWD）同样摆脱了电缆连接问题，且具有实时获取测井资料的优势，但中国随钻测井仪器还处在研发阶段，一般只能完成井斜方位、电阻率等部分信息的采集，无法取全资料。国外公司随钻测井服务收费昂贵，中国未在页岩井中进行规模应用。这里只探讨普遍采用的湿接头方式和正在各油田推广的无电缆存储方式水平井测井技术在页岩井的应用。

2.1 湿接头式水平井测井

湿接头式水平井测井是将仪器通过转换接头与钻杆连接，井下仪器裸露在井筒内；由钻具将仪器输送到预定深度，电缆由旁通短节进入钻杆内腔，连接加重杆和泵下接头下放，泵下枪与井下仪器顶部的公头在钻井液中实现电气和机械连接。钻具下放时进行向下测量，到达目的层底部后，打开仪器推靠臂，上提钻具进行向上测量。湿接头水平井测井工具主要由旁通短节、转换短节、公头总成和泵下枪组成。

2.1.1 技术优势

湿接头式水平井测井技术可以应用于所有测井仪器；能在各种井斜角的斜井和水平井中获得质量与常规电缆测井相当的测井信息；能够实时监控测井资料质量；在下放和上提时都可以进行资料采集，上下对比为资料质量提供了控制依据。湿接头是目前中国水平井测井的主要技术手段。

2.1.2 工艺缺陷

仪器始终连接在钻杆底部，无保护措施，仪器下放过程中与井壁沟槽碰撞，易损伤仪器；影响湿接头连接成功率的因素较多，易发生对接失败；测井过程中湿接头在外力作用下（如来自钻具内和环空之间的钻井液压力差）易脱开连接，导致通信中断；旁通以上的电缆在钻具外面，起下钻过程中的碰撞、挤压易造成电缆损坏［13－14］。

2.1.3 页岩水平井湿接头技术改进方案

针对页岩井测井难点，为了提高测井成功率，缩短井口占用时间，对旁通短节、泵下枪、鱼雷总成、公头及外壳、井口坐滑轮进行了技术改进。现场应用证明，新型湿接头工具更加便捷、易用、时效高、安全可靠。

（1）旁通短节是电缆进入钻杆内腔的通道，旁通以下电缆在钻杆内，旁通以上的电缆位于钻杆与套管之间。

老式旁通短节采用电缆夹板和剪切螺丝固定电缆的方式，电缆夹板由14个六方螺丝固定，另外需要安装6个剪切螺丝，安装繁琐，耗时长。

新设计的旁通短节使用压板铜套压紧电缆，安装便捷；在旁通通道下部设置密封球，一旦拉出电缆，密封球上移堵塞通道，防止压力泄漏，在出现异常情况时方便井队进行压井处理。

（2）泵下枪在电缆的底部，用于完成与公头之间的对接，其设计直接影响对接的成功率和连接的可靠性。

老式泵下枪的加重杆是表面光滑的空心圆柱体。对接时，开泵打压泥浆对泵下枪的推力不够，需要增加泥浆泵的排量和泵压。泵下枪的枪头平滑，在对接时泥浆无法及时排空，造成对接困难；同时，在向下测量时，由于泥浆的上返浮力易造成公母头脱开。

新式泵下枪在加重杆上加装了扶正装置、本体刻有环形锥面铣槽、泵下枪头设置导流槽。扶正装置使加重杆居中，提高大斜度情况下的对接效果；环形锥面增加了开泵打压时的推力；导流槽减轻了泥浆上返时对泵下枪的浮力，与改进后的加重杆共同完成公母头的可靠对接。

（3）鱼雷总成是电缆与母头的连接体，它的作用是将软连接过渡到硬连接，并形成整个连接串的弱点，便于在发生井控事件时拉出电缆。

老式鱼雷采用砸锥体方式，每次施工都要重新制作、试验，而且拉断力不易控制。

改进后的鱼雷采用丝扣方式挤压电缆，形成弱点拉力，操作简单，提高了安全系数，由原来的30 min工作量缩短到10 min即可完成，缩短了工时，并且可以重复使用。

（4）公头及外壳在仪器的顶部，公头与母头连接实现电缆通信，公头外壳及转换短节实现钻具与仪器连接。

老式公头采用针式连接，7根公头插针突出并在一个平面上，在井下容易被泥浆中的杂物堵塞，造成对接困难。公头下部与外壳之间泄压孔道不畅，打压对接时易损伤公头总成。

改进后采用新型棒式公头，电极依序在棒针上排列，棒针周围不会有泥浆中的杂物留存，易于对接；棒针电极接触面积大，更适宜带推靠等大电流下井仪器供电；公头与外壳之间设置了3个泄压通道，避免了打压对接时泥浆冲刷对公头总成的损伤。

（5）井口坐滑轮的作用是将电缆引到井口一侧，避免起下钻过程中钻具挤压电缆。

老式坐滑轮由于无法固定，需要在井口焊接，施工完毕还要锤砸进行拆卸，工序复杂，耗时长，存在安全隐患。

新式坐滑轮依据井口结构设计，增加腿部支撑，可以直接坐放在井口一角，稳固牢靠，消除了井口焊接可能带来的安全隐患，节省了时间；滑轮导槽加深，电缆低于边槽，有效地保护电缆不受钻具碰撞挤压。

焦××－HF井井深3 653 m，水平井段采用8.5 in＊＊非法定计量单位，1 ft＝12 in＝0.304 8 m，下同钻头，长1 157 m，采用改进后的湿接头水平井技术下井一次测量成功。图1是该井部分页岩气层段的测井曲线。

图1 焦××－HF井湿接头工艺测井曲线

2.2 无电缆存储式钻杆输送测井

2.2.1 测量原理

无电缆存储式钻杆输送测井设置有专门的仪器保护套，测井时在保护套内装入测井仪器串，然后将保护套连接到钻杆底部。下钻过程中，测井仪器悬挂在上悬挂器上，用钻杆输送到井底后，利用数控方式（泥浆脉冲信号）或机械方式（投棒）将仪器从保护套内释放。这时，测井仪器串裸露在钻具下部的井筒内，仪器串顶部挂接在下悬挂器上（见图2），随钻具上提进行测井。

图2 测井仪上下悬挂器

无电缆存储式钻杆输送测井系统采用电池供电，测井数据存储在井下大容量内存中。系统由地面仪器、井下管具和井下仪器3部分构成。井下管具主要是仪器保护套和释放器，井下仪器串由井斜方位／自然伽马组合仪、深中浅电阻率、声速测井仪、井径、补偿中子／岩性密度组合仪等组成。

2.2.2 技术优势

采用特制保护套在循环泥浆和钻具转动、震动时仪器得到很好的保护；没有电缆连接，不存在对接失败，也没有旁通以上电缆出套管问题，适用于长水平井段测井施工；仪器直径60 mm，适用测井井眼范围3～12 in，特别适合于目前部分采用6 in钻头的页岩水平井。从安全角度，对于井况复杂、起下钻困难以及易发生井涌、井漏或含有高压气层的井，无电缆存储式施工时易于突发情况的井控和应急处理。

腰××－HF井井深5 129 m，水平井段采用6 in钻头，长1 403 m，井眼小，井况复杂，采用无电缆存储式技术一次下井顺利完成测井施工。图3是该井部分气层段的测井曲线。

图3 腰××－HF井无电缆存储式测井曲线

3 2种测井工艺在页岩井的适用性分析

3.1 时效测算

为了压缩成本，提高效益，页岩井测井要求比常规水平井测井具有更高的测井时效。通过1年多的页岩水平井测井实践，对页岩水平井测井的时效进行了统计分析。以井深4 300 m、套管下深3 000 m、水平段长1 300 m为例进行模拟测算，对2种水平井测井方式的时效进行对比。湿接头设计在2 800 m（井斜80°）处对接，按照湿接头式水平井测井的施工流程和以往施工数据，测算得到湿接头施工占用井口时间（见表1）。按照无电缆存储式施工流程和近期施工数据，测算得到其占用井口时间分布（见表2）。

表1 湿接头式水平井测井时间测算表

表2 无电缆存储式水平井测井时间测算表

3.2 对比分析

从占用井口时间来看，对于一口井深4 300 m、套管下深3 000 m的页岩水平井，湿接头式水平井测井从连接仪器到仪器起出井口约为44 h，而无电缆存储式只需要34 h，无电缆存储式测井少占用井口10 h。从获取资料的时效性分析，湿接头式测井资料在上测完成后（约为35 h）即可获得，而无电缆存储式因其数据读取和资料处理时间较长，则最终需要41 h才能提供测井资料。

从实时监控和资料质量角度，湿接头式能够连接更多的仪器，资料较全，可以实时监测仪器工作状态和资料质量，而无电缆存储式因其测井资料在存储器中，要等到仪器出井口后才能读取数据，无法监控测井仪器工作状态和资料质量。

从应对复杂情况和井控安全角度分析，无电缆存储式由于下钻过程中仪器在保护套内得到很好的保护，因此不受阻、卡及钻具剧烈活动的影响，不影响钻井进行应急处理；能够满足小直径、长水平井段测井。湿接头式由于仪器连接在钻杆底部，无保护措施，下放过程中与井壁碰撞易损伤仪器，影响湿接头连接的多种因素易导致对接失败，测井过程中湿接头在外力作用下有可能脱开连接，旁通以上在钻具外面的电缆会因起下钻过程中的碰撞、挤压造成损坏。