随钻测斜与电缆连斜测井水平井井眼轨迹误差研究

2017-05-08刘行军张炳军闫海鹏何旭寇小攀赵宝华

测井技术 2017年2期

刘行军, 张炳军, 闫海鹏, 何旭, 寇小攀, 赵宝华

(中国石油集团测井有限公司长庆事业部, 陕西西安 710201))

0 引言

井眼轨迹是水平井地层真电阻率求取、储层参数精确计算、油水层识别等测井评价的基础[1-2]。通过水平井井眼轨迹分析,可以明确油藏与地层之间关系[3-4],井眼轨迹通过随钻测斜或电缆连斜数据得到,但在实际生产中,随钻测斜与测井连斜数据计算的垂深误差较大,给井眼轨迹与地层关系分析带来了困难。因此,需要对比分析随钻测斜与电缆连斜数据提供的井眼轨迹,找出两者差异的原因,建立井眼轨迹误差校正方法,这对于正确分析水平井眼与地层关系、评价水平井测井资料有着重要意义。

1 井眼轨迹误差产生原因

制作井眼轨迹的数据主要来源于随钻测斜与电缆连斜,对比分析了长庆油田近几年32口水平井井眼轨迹,对同一口井的随钻测斜与电缆连斜数据,均采用平均角法计算井眼轨迹。计算结果表明,32口水平井中有24口井的垂深误差大于3 m,个别井垂深误差达十多米(见图1)。产生误差的原因可能是多方面的,可从测量仪器精度、测井工艺、深度计量方法等方面作进一步分析。

图1 水平井随钻测斜与电缆连斜垂深、测深对比图

1.1 测量仪器精度

长庆油田水平井使用的随钻测斜仪倾角测量范围0°～180°、测量精度±0.15°,方位角测量范围0°～360°、测量精度±1.5°[5];电缆连斜仪器倾角测量范围0°～180°、测量精度±0.2°,方位角测量范围0°～360°、测量精度±2.0°[6]。测井原始资料验收标准要求倾角的重复误差在±0.5°以内;当井斜角大于1°时,方位角重复误差在±10°以内[7]。从测斜仪器精度来看,目前使用的随钻测斜和电缆连斜仪精度均能达到要求。

1.2 随钻测井方式及深度计量

水平井、大斜度井等复杂工程钻井环境中,电缆测井施工困难,测井资料获取及评价需要随钻测井[8-9]。随钻测井在钻井的同时获取井斜、岩性、孔隙度、饱和度等地层信息,仪器测量时地层初被钻开,侵入、井眼垮塌等电缆测井所遇到的问题降到了最低,既可以提供钻井工程参数,又可以获取地层信息。随钻测斜仪主要应用于定向井、水平井井身轨迹测量。钻井过程中,随钻测斜仪器装在钻具内,仪器相对于井眼居中,测量时井下测斜数据转化成泥浆压力波信号,通过钻杆内钻井液传送到地面,再通过地面处理,得到井身的井斜、方位等基础数据,根据钻进情况,可随时调整井斜和方位,以确保钻头沿着设计轨迹钻达靶区。

随钻测量包括地面深度测量和井下数据测量,两者的记录以时间为驱动,地面深度系统记录深度时间,井下仪记录测量数据时间,通过时间桥梁将深度和井下数据联系在一起。随钻深度测量通过地面绞车码盘计数器计量,码盘计数器安装在钻井绞车的转轴上,随绞车一起转动,记录绞车转动圈数,根据起始位置、转动一圈钢丝绳所走距离、绞车记录游车带钻杆时转动的圈数计量深度,将计量深度与下入井中钻杆长度作对比,最终给出测量点的深度[10]。

1.3 电缆测井方式及深度计量

水平井电缆测井常采取分段施工。通常情况下,井斜小于55°的井段测井仪器能够靠自身重力通过,进行第1次电缆测井。大于55°以上的大斜度井段及水平段(井斜角85°～95°)要借助钻杆推送湿接头测井工艺。第2次湿接头测井工艺与第1次常规电缆测井至少有50 m的重复测量,以便2次测井深度能够拼接。

钻杆推送湿接头测井是将仪器串通过过渡短节连接到钻杆上,由钻杆把仪器串推送到目的层测井。当仪器串到达某一深度后,在钻杆中间连接一个旁通短节,电缆由旁通短节外部进入到旁通内部,然后连接湿接头母枪,进入到钻杆内腔,连接旁通短节上下钻具,下放电缆并开泥浆泵,泵送湿接头母接头装置与过渡短节内连接仪器的公接头对接,建立地面仪器和井下仪器供电与通讯,在钻具下放或上提过程中保持测井绞车与钻具运动速度同步,完成数据采集[11]。

电缆测井深度系统是通过测量电缆位移量确定测井仪器下井深度。电缆测井位移测量时,采用增量式光电编码器作为传感器,光电编码器与传动锟同轴,测井电缆安装在传动锟上,测井电缆移动时,带动光电编码器测量轮转动,光电编码器转动时输出脉冲信号,信号脉冲数对应于测井电缆线位移量,对脉冲信号进行计量,得到电缆长度。由于马丁代克测量轮磨损、电缆与测量轮打滑、电缆抖动及电缆拉伸影响,计量深度与实际井深有时会有较大误差[12-13]。

实际测井中常采用注磁法将磁记号深度作为实际井深,以标准井某些深度段内每根套管长度作为标尺,在电缆上等间隔25 m注磁记号,每500 m加注大磁记号,通过磁记号校深处理方法,可消除电缆拉伸和光电编码计量轮磨损、测井作业“深度不对零”带来的深度误差[14],井斜角小于55°井段的常规电缆测井可利用磁记号校深。采用井斜角大于55°以上的大斜度井段及水平段采用湿接头测井工艺,钻杆输送湿接头测井无法记录电缆磁记号深度,地面系统是依靠电缆移动带动滑轮,进而带动马丁代克产生深度信号,这就要求电缆与钻具移动达到同步,但实际测井时电缆起下与钻具起下不可能达到完全同步,所以会造成深度计量误差。

1.4 2种测井方式及深度计量比较

随钻测斜仪是居中的,测井深度从直井段到大斜度段,再到水平井段是一个连续的记录,但该深度计量基于地面钻具丈量,未考虑到钻井过程中,受钻杆自重、热膨胀、泥浆浮力等因素的影响,钻杆也会发生一些弹性形变、伸长或缩短,导致深度计量误差。

水平井电缆测井时,连斜仪器接在钻具的前端,在水平段和大斜度段由于仪器不居中而产生误差,第1次常规电缆测井深度误差可通过磁记号控制,在第2次钻杆输送湿接头测井段,由于无法记录电缆磁记号深度,需要一种深度校正方法。测井时电缆起下与钻具起下尽可能同步,减少深度计量误差。

随钻测斜仪与电缆连斜仪精度均能达到测量要求,随钻测斜与电缆连斜数据井眼轨迹误差主要是由2种测井工艺的深度误差造成。

2 井眼轨迹误差校正

2.1 随钻测井深度误差校正

随钻测量过程中,影响钻具伸缩的主要因素:①由于钻具数量不断增加,钻具在重力作用下,自身会被拉长。②随着钻井深度的增加,地层温度不断升高,钻杆热膨胀效应更加明显,钻杆就变得更容易被拉长。③由于井内充满泥浆,钻具受泥浆浮力的影响,钻具有效重量会减小,钻具拉长幅度减小。④当井斜增大时,一方面钻具轴向力减小,钻具的拉张减小;另一方面钻具的重量受井壁支撑力增大,钻具与井壁的摩擦力增大,也会减少钻具伸长。⑤泥浆循环泵压产生的作用力会使钻具伸长。⑥钻井过程中钻具的一部分重量会转化为钻压,导致对底部钻具组合及底部钻杆产生压缩。⑦钻头和钻柱的旋转造成的钻杆扭曲,会造成钻柱一定程度的缩短。在实际的钻井过程中,钻具伸缩主要由自身重量、泥浆的浮力,井壁对钻杆静摩擦力决定。随着深度增加,井内温度逐渐升高,钻具的热膨胀形变也随之增大。

在计算钻具伸缩量时,首先考虑单个构件(一般选一根钻杆),该构件受自身重力、泥浆浮力、井壁弹力及摩擦力(见图2)。通过垂直于构件法向力Fn和沿着构件的轴向力Ft,计算出整个构件轴向在合力Haxial,利用虎克定律计算构件在轴向上伸长量δwt。随井深增加,井内温度不断升高,根据构件目前深度的温度和地面温度之差,估算出热膨胀引起的伸长量δt,δt与δwt之和就得到该构件总伸长量。

图2 钻具构件受力示意图

(1) 单个构件伸长量的计算。计算构件的法向力Fn,以便计算构件沿轴向的摩擦力。采用Johancsik等提供的法向力计算公式[15]

Fn=[(FtΔαsinθavg)2+(FtΔθ+Wsinθavg)2]1/2

(1)

式中,漂浮重量W=mg-ρgV排。

计算构件的轴向力ΔFt,构件轴向力既有漂浮重力W沿轴向的分量,又有摩擦力(公式中摩擦力前面的“-”表示钻具下行,“+”表示钻具上行)

ΔFt=Wcosθavg±μFn

(2)

计算构件轴向力之和Haxial。单个构件轴向力不但有自身重力的作用,还有该构件下方到钻头之间的所有构件对它的共同作用力

(3)

计算构件在轴向力作用下弹性伸长量。采用胡克定律进行计算

(4)

式中,A为钻杆金属部分横截面积,m2;E为钻杆弹性模量,Pa;ΔL为构件长度,m;Fn为构件法向力,N;Ft为构件底部轴向力,N;Δα为构件长度方向角增加量,rad;θavg为构件平均倾角,(°);Δθ为构件长度上倾角增加量,rad;W为构件漂浮重量,N。

钻杆热膨胀伸长量估算

δt=αt(T-Ttally)ΔL

(5)

式中,δt为钻杆热膨胀增量,m;αt为钻杆线性热膨胀系数,m/ ℃;T为构件局部处温度, ℃;Ttally为钻杆计数时地面温度, ℃。

钻杆总的伸长量

δs=δt+δwt

(6)

(2) 钻具总伸长量计算。实际应用中需要计算从钻头到地面各构件伸长量,然后累加得到总伸长量。以长庆油田陇东地区陈平×井为例,该水平井斜深3 225 m,水平段长度1 009 m。表1为陈平×井钻具规格、物理性质参数表,MWD随钻仪质量20 kg,钻井泥浆密度1.05 g/cm3。由以上计算步骤得到,钻至500 m处钻具伸长量为0.21 m,计算钻至1 897.9、2 149.4、2 793.9 m处钻具伸长量分别为2.30、2.60、3.21 m。依据钻具伸长后的深度对原随钻测斜数据进行了深度校正,用校正后的数据制作了井眼轨迹(见图3)。从图3看,原始测斜数据做出的轨迹在斜深2 845.2～2 872.3 m段向上钻入了泥岩,但实际测井资料显示,轨迹在砂岩中穿行,深度校正后的轨迹向下偏移,与实际测井资料符合。

2.2 电缆测井深度误差校正

钻杆推送湿接头测井时,钻杆中间连接一个旁通短节,使测井电缆从钻杆内穿到钻杆外,当湿接头对接成功后,将电缆在旁通孔处锁死,使测井过程中进入钻杆内的电缆长度不再变化,确保湿接头公母接头不脱落。当完成湿接头对接以后,旁通短节以下电缆向下合力实际全部施加在短节的密封固定螺栓上了。水平井电缆拉伸受力主要是旁通短节以上电缆的重力,根据这段电缆的受力情况可以建立深度误差校正方法。

表1 陈平×井钻具规格及物理性质参数表

图3 陈平×井随钻测斜深度校正前后井眼轨迹对比图

(1) 利用磁记号对第1次大斜度段电缆测井连斜数据进行深度校正。

(2) 计算湿接头工艺测井时旁通短节上部电缆受力情况,根据受力情况建立深度校正卡,依据深度校正卡,对第2次湿接头工艺测井段连斜数据进行深度校正。

(3) 通过对比2次测井自然伽马曲线形态,采取曲线平移方法,完成第1次常规测井与第2次湿接头工艺测井连斜数据的拼接。

陇东地区川平×井从井底起测时,旁通短节上部电缆重力312 kg,随着向上测量,旁通短节上部电缆重力逐渐减少,电缆拉伸量也在缩短,在斜深2 784.1、2 011.5 m处电缆伸长量分别为0.87、0.13 m,将湿接头工艺测井段连斜数据经过深度校正后,通过自然伽马曲线,与第1次经过磁记号校深的电缆连斜数据拼接,用拼接后的数据制作井眼轨迹。从图4可看出,利用深度校正后拼接的连斜数据作出的井眼轨迹向下偏移。

2.3 深度误差校正结果对比分析

基于以上分析认为,随钻测斜与电缆连斜数据井眼轨迹误差主要是2种测井的深度误差,应用本文提出的随钻测斜与电缆连斜深度误差校正方法,对华庆地区10口水平井进行了深度校正,统一使用最小曲率法计算了深度校正前后的垂深。经过深度校正后,10口水平井电缆和随钻测井垂深差均有不同程度缩小,平均垂深差绝对值从校正前的3.57 m下降到了1.51 m,其中6口井垂深差在2.5 m以内,误差明显减小,井眼轨迹逐渐逼近真实深度(见图5、表2)。

图4 川平×井电缆斜深度正前后井眼轨迹对比图

表2 随钻测斜与电缆连斜深度校正前后垂深差对比表

图5 固平×井随钻测斜与电缆连斜深度校正前后井眼轨迹对比图

3 结论

(1) 受井下钻具重力拉伸、泥浆浮力、温度、仪器精度等因素影响,随钻测井深度、井斜和方位角与实际有误差。水平井电缆测井受电缆伸长、湿接头测井工艺、光电编码器测量轮磨损等因素影响,测井记录的深度、井斜角和方位也与实际有一定误差。这些误差因素导致了水平井随钻测斜与电缆连斜数据计算的垂深误差较大。

(2) 从测井工艺、深度计量、测量仪器精度等方面分析了垂深误差产生的原因,随钻测斜与电缆连斜数据的井眼轨迹误差主要是由于测井深度误差造成,提出了随钻测斜与电缆连斜井眼轨迹误差校正方法。实际计算结果表明,应用本文的误差校正方法后,计算出的井眼轨迹更接近实际,这对于正确分析水平井眼与地层关系,进而评价水平井测井资料有着重要意义。

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