旋转导向技术在吉林油田水平井钻井施工中的应用

2015-12-24赵成刚

石油管材与仪器 2015年5期

赵成刚周强王磊张东黄益

(中国石油集团测井有限公司华北事业部河北任丘 062550)

0 引言

旋转导向钻井技术(Rotary Steerab1e Drilling)是20世纪90 年代出现的一项先进的自动化钻井新技术，它的出现是世界钻井技术的一次质的飞跃。与传统的滑动导向钻井相比，旋转导向钻井技术井下工具一直在旋转状态下工作，因此井眼净化效果更好，井身轨迹控制精度更高，位移延伸能力更强，更适合应用于复杂油气藏中钻超深井、高难定向井、丛式井、水平井、大位移井、分支井及三维复杂结构井等特殊工艺井。

旋转导向井下工具系统根据其导向方式可以分为推靠式(Push the Bit)和指向式(Point the Bit)两种。推靠式是在钻头附近直接给钻头提供侧向力，指向式是通过近钻头处钻柱的弯曲使钻头指向井眼轨迹控制方向。乾1xx-2 井使用的是哈里伯顿指向式的Geo Pilot7600旋转导向系统，在钻进过程中，也可在直井段用来防斜打直。实时利用旋转导向工具调整井眼轨迹，保证油层钻遇率。比起目前没有旋转导向的系统来说，大大提高了油层钻遇率和钻井时效。

1 旋转导向技术特点

旋转导向钻井技术的核心是旋转自动导向钻井系统，如图1 所示，它主要由地面监控系统、测量系统、井下旋转导向工具系统组成。

1.1 地面监控系统

旋转导向地面监控系统的主要作用是通过闭环信息流来实时监控并随时调整井眼轨迹，其关键技术在于能够实时发送下行信号(工具面)到井下仪器的控制指挥系统。

图1 地面监控系统

井下工具测控系统与MWD(LWD)随钻测量系统数据之间的交换由井下短程通讯系统完成。现场工程师通过地面系统的计算得到井眼轨迹的实时数据，并进一步计算出井下工具的实时造斜率。同时可根据实钻井眼轨迹数据进行对设计轨迹的校正。

经过地面系统处理的井下工具系统的实际造斜率和经过井眼轨道校正设计可得到下一步继续进行导向钻井所需要的所有参数并用于设定新的工具系统的参数。对新的工具系统设定参数进行编码、下传，指导井下工具系统进行新的旋转导向钻进，从而实现大闭环控制。

1.2 Geo-Pilot 旋转导向系统

井下旋转导向工具系统是由相对不旋转的外筒、旋转的内筒和偏置机构组成，依靠偏置机构分别偏置钻头或钻具，从而进行旋转导向。平均造斜率5°/100 ft，最大造斜率可达10°/100 ft(1 ft=304.8 mm)，见表1。

表1 仪器技术指标

Geo-Pilot 系统的核心是安装在壳体内部的偏置机构，它是由两组偏心环构成，安装在由上部的悬臂轴承和下部的焦点轴承支撑的偏置机构轴上。焦点轴承可以使安装在轴末端的钻头通过调整定位偏心环从而实现360 度内任意摆放工具面，如图2 所示。

图2 Geo-Pilot 井下旋转导向工具

系统优点:

1)Geo-Pilot 系统采用指向式，其优点是造斜率由工具本身确定，不受钻进地层岩性的影响，在软地层及不均匀地层中效果明显。

2)扩大了稳定器的径向调整范围，如φ215.9 mm 稳定器可在184.15 mm ～215.9 mm 之间调节。φ311.15 mm 稳定器可在266.70 mm ～311.15 mm 之间调节。直径在调节范围内可任意调节，从而加强了井斜控制能力。

3)为稳定器设置了多个控制位置，采用钻井液脉冲遥控技术、电子及液压技术对稳定器的径向位置进行控制，确保了仪器工作稳定。

4)可以通过随钻测量仪器向地面通报稳定器的工作状态。

5)拥有目前业界离钻头最近的近钻头伽马，离钻头仅1m。

1.3 与其它旋转导向系统的对比

Geo-Pilot 系统是属于指向式的旋转导向系统，比推靠式更加先进。

1)井眼轨迹更加的平滑。如图3 与图4 的对比。

2)井下事故的风险进一步的降低。由于井眼轨迹更平滑，井壁产生的摩阻降低，井下更加的安全。

图3 推靠式井眼

图4 指向式井眼

3)造斜率近一步的提升，推靠式旋转导向的造斜率与地层的软硬有关系，而指向式大大降低了地层对造斜率的影响。

4)指向式的稳定性更高。推靠式靠液压或者压差推动导向块工作，在工作中导向块磨损严重，液压系统也会存在温度的影响，在工作过程中容易发生工具失效的情况。Geo-Pilot 系统受环境因素较小，更加的可靠稳定。

1.4 旋转地质导向系统

该系统是由旋转导向系统Geo-Pilot7600、地质导向系统和MWD 组成。旋转导向系统包含近钻头井斜和伽马成像;地质导向系统包含地质导向系统主要用于测量井眼轨迹几何参数和地质参数，如井斜角、方位角、工具面角、自然伽马成像、方位电磁波电阻率等。

井下测量系统的优点:

1)近钻头井斜与伽玛测量距离钻头只有1 m 远，嵌入到Geo-Pilot 旋转导向系统。钻井过程中能够实时的读取井斜和伽马极易实现地质导向。2)地质导向主要利用方位电磁波电阻率的方向极化角现象提前预测钻头与油层上下边界的距离，同时结合近钻头伽马成像加以验证，提高油层钻遇率。

2 旋转导向技术施工应用情况

2.1 井基本参数

乾1xx-2 井是吉林油田一口评价水平井。中油测井负责该井的随钻测井施工任务。钻头尺寸215.9 mm，水平段长度1 053 m，如图5 所示，油层平均厚度4.6 m。

图5 井眼轨迹投影示意图

2.2 前期资料收集整理

1)邻井的测井数据。包括测井曲线、成果表、井位坐标、试油资料等。

搜集到乾平x 井、乾xxx、查4x -x 等6 口邻井测井数据。根据本井导眼井测井解释，主要目的层和乾平x和查4x-x 井对比较好，而乾深x、乾深x、乾xxx 井相应储层欠发育，厚度薄，如图6 所示。

图6 资料收集整理

2)地质设计、钻井工程设计。修改后的构造图、平面图、钻井工程最终设计。

3)储层反演，砂体变化情况等资料。

4)地震剖面，地层倾角，河道变化情况等。

5)地质剖面等。

2.3 仪器及钻具组合

使用仪器:哈里伯顿MWD +测压短节+ADR 方位电磁波电阻率+旋转导向GP7600 系列。

仪器各测量点零长:井斜、方位8.67 m，伽马11.40 m，电阻率13.73 m，近钻头井斜及方位伽马:1.32 m，如图7 所示。

水平段井钻具组合:PDC 钻头+旋转导向工具+柔性短节+方位电磁波电阻率+压力测量短节+悬挂短节+滤网短节+浮阀短节+1 根加重钻杆+震击器+1根加重钻杆+钻杆+加重钻杆+钻杆，见表2。

2.4 旋转地质导向建模

在井设计阶段，利用导眼井的测井曲线创建地质模型。钻前建模可以预计钻井过程中标志层周围的响应特征情况，精确入窗垂深位置。乾1xx-2 井地质建模显示目的层构造顶部垂深比地震资料下沉17 m，如图8所示。

根据导眼井伽马曲线与电阻率曲线反演出成像模型，结合三维地震、邻井资料，通过建模软件设计，形成最终的地质模型，如图9 所示。

所建立地质模型油层组G10 地层是三角洲前缘相的河口坝、水下分支河道。其中下部砂岩泥质含量较高。砂层G10 的构造面顶面利用导向软件将其平移使设计轨迹在目的砂层，和原构造深度差别较大。从所给的剖面图上看，水平段地层倾角总体变化不大，但并不趋于一致，对于追踪目的层会有一定影响。

图7 哈里伯顿仪器系统

表2 乾1xx-2 井钻具组合

图8 乾1xx-2 井地质建模

图9 地质模型

2.5 施工过程控制

为了有效地进行井眼轨迹的控制，掌握井眼轨迹状况和发展趋势，及时发现油顶、准确入靶和沿油层钻进，本井在造斜点以下全部应用了LWD 导向钻具进行井眼轨迹监测与控制，并与地质人员密切配合，保证实现地质目的。

在井深2 111.48 m 开始使用旋转导向钻进，此时井斜91°，轨迹在砂岩中部泥质含量较高的部位，伽马值在110 -130 之间，经和现场甲方地质师确认，将井斜增至92°～92.5°将轨迹调整至砂岩的上部。目前近钻头井斜92.57°。给定向井工程师的指令为稳斜钻进使轨迹逐渐回到砂层的上部，如图10 所示。

井深3 021 m 时，目前近钻头井斜90.8°。轨迹处在砂层中上部，伽马值在100API 左右，平均电阻在18 Ω·m～20 Ω·m。气测全烃值在3% ～5%，岩性为灰色油斑砂岩。目前地层较前段趋于平缓，约为0.6° ～0.8°上倾，至此旋转导向施工结束，如图11 所示。