王忠良,龍斌,李金剛,丁凡,劉繼紅,陳碧婷

(中國石油集團測井有限公司長慶事業(yè)部,陜西 西安 710200)

0 引 言

致密油是指夾在或緊鄰優(yōu)質(zhì)生油層系的致密儲層中,未經(jīng)過大規(guī)模長距離運移而生成的石油聚集。隨著長慶油田近年來已進入穩(wěn)產(chǎn)階段,致密油作為近期最現(xiàn)實的非常規(guī)油氣資源,具有很大的開發(fā)勘探潛力。但與以往開發(fā)的特低滲透率、超低滲透率油藏相比,其成藏機理更復雜、孔喉更細微、填隙物含量更高、勘探難度更大。因此,隨鉆測井在指導在致密油層中安全、高效地鉆進顯得尤為重要。傳統(tǒng)隨鉆測井采用滑動導向系統(tǒng)在鉆長水平段水平井時,由于上部鉆柱不旋轉(zhuǎn),會引起摩阻和扭矩過大、方位漂移失控、井眼軌跡不平滑等問題。計算和實踐證明,水平井的水平段極限延伸能力受到了限制。

本文以長慶油田致密油開發(fā)實驗區(qū)寧平×井應用旋轉(zhuǎn)導向隨鉆測井技術為例,根據(jù)隨鉆方位伽馬成像測井資料和實時地質(zhì)模型,在錄井數(shù)據(jù)失真的情況下,實時調(diào)整鉆進方向,精確控制井眼軌跡,實現(xiàn)精準入窗,指導完成1 800 m水平段鉆進。

1 旋轉(zhuǎn)導向隨鉆測量系統(tǒng)

AUTOTRAK系統(tǒng)是一套集鉆進和隨鉆測量為一體的隨鉆測井系統(tǒng)。該設備可實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)鉆進中改變井眼軌跡和全系列測井。系統(tǒng)含有多種自動化旋轉(zhuǎn)鉆進模式、三參數(shù)全系列隨鉆測井儀器、實時成像、近鉆頭測量、上下傳輸閉環(huán)通訊系統(tǒng)、大功率井下發(fā)電機、高速脈沖器等多項先進技術。

(1) 系統(tǒng)組成。AUTOTRAK系統(tǒng)主要由旋轉(zhuǎn)導向頭短節(jié)、ONTRAK測量短節(jié)和BCPM通訊供電短節(jié)2部分組成。

(2) 測量參數(shù)。該設備測量參數(shù)齊全,不僅有工程數(shù)據(jù)、地面數(shù)據(jù)、鉆井安全指標數(shù)據(jù),還有方位伽馬成像、電磁波電阻率(相位差電阻率和幅度衰減電阻率)等測井數(shù)據(jù)。

(3) 特點及優(yōu)勢。旋轉(zhuǎn)導向隨鉆測井系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)隨鉆測井系統(tǒng)的單向通訊模式,實現(xiàn)了可在地面實時發(fā)送指令,保證了地面與井下工具的有效通訊。該系統(tǒng)也可實時測量近鉆頭井斜、旋轉(zhuǎn)方位,實時計算井底軌跡,并含有多種智能化鉆進模式,大幅提高控制軌跡的精準性。由于全井段旋轉(zhuǎn)鉆進,減小鉆具磨阻扭矩,降低施工風險,平滑井眼,最大限度延長水平位移。

2 旋轉(zhuǎn)導向原理

AUTOTRAK系統(tǒng)能夠在旋轉(zhuǎn)鉆井過程中進行定向造斜鉆進,主要是因為它有一個非常獨特的非旋轉(zhuǎn)可調(diào)扶正器套筒。該扶正器套筒并非真的不旋轉(zhuǎn),只是相對鉆頭驅(qū)動軸而言做緩慢的隨機轉(zhuǎn)動(每小時低于15轉(zhuǎn)),因此在旋轉(zhuǎn)鉆進過程中,該扶正器套筒可以保持相對靜止的狀態(tài),從而保證鉆頭沿著某一特定的方向鉆進。非旋轉(zhuǎn)扶正器套筒內(nèi)有近鉆頭井斜傳感器、液壓油缸和活塞、電子控制元件。3個獨立的液壓油缸可推動活塞分別對3個安裝在套筒上的扶正器肋板提供大至3 t的推動力,其合力使鉆具沿某一特定方向偏移,從而在鉆進過程中使鉆頭產(chǎn)生一個側(cè)向力,保證鉆頭沿這一方向鉆進,鉆出高質(zhì)量井眼(見圖1)。

圖1 旋轉(zhuǎn)導向工作原理圖

3 地質(zhì)導向技術

地質(zhì)導向技術是在常規(guī)定向井、水平井鉆井基礎上發(fā)展而來的一種綜合性很強的技術[1-3]。水平井較常規(guī)生產(chǎn)井相比,其優(yōu)勢在于能夠有效增加油氣層的泄漏面積,提高單井產(chǎn)量,并且可以解決高稠油、超稠油的開發(fā)以及致密地層、低滲透層采油產(chǎn)量低的問題。

寧平×井位于長慶油田隴東地區(qū)致密油示范區(qū)塊寧89井區(qū),隴東地區(qū)處于伊陜斜坡西南部,西部為天環(huán)坳陷,整體表現(xiàn)為東高西低的面貌。該井所在的寧89井區(qū)構(gòu)造比較簡單,受盆地南緣構(gòu)造的影響,整體呈向西北傾斜的平緩單斜構(gòu)造,坡度較緩,地層傾角為0.6°,局部發(fā)育排狀低幅鼻狀構(gòu)造,鼻軸長50～60 km,寬5～6 km。隴東地區(qū)長7沉積受重力流控制,重力流砂體厚度大,砂巖的側(cè)向尖滅及巖性致密遮擋形成有效圈閉。油藏分布主要受巖性、物性控制,原始驅(qū)動類型為彈性溶解氣驅(qū),為典型巖性油藏。目的層位為長71,寧平井區(qū)長71平均孔隙度9.7%,平均滲透率0.10 mD*非法定計量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同,為典型的致密儲層。該區(qū)最大主應力方位為北東78°寧平×井水平段設計方位為垂直于最大主應力方位,即北東348°。

該井控制井數(shù)量較少,缺少取心資料,且油層最小厚度約為2 m左右,給寧平×井的地質(zhì)導向工作帶來了極大難度。

3.1 垂深對比,精確入層

搜集鄰井資料及區(qū)域構(gòu)造資料,充分分析該區(qū)塊標志層的特征,制作多井垂深對比圖,通過施工井與鄰井標志層海拔的對比,預測目的油層的頂界的海拔[4]。

為減小誤差,寧平×井選取3口鄰井作為對比井。將施工井的垂深曲線與鄰井電測曲線形態(tài)相對比,然后優(yōu)選出可靠的標志層,并以水平井及鄰井所選出的標志層頂(底)界面到各自目的層頂(底)界面厚度相等為主要原則。為保證更準確地掌握地層沉降情況,在斜井段選擇了多處標志層,如延9頂部煤層、長3砂巖標志層、長6頂部砂巖標志層、長7油頁巖層等。預測過程中通常主要參考距離目的層最近的標志層,距離目的層越近,產(chǎn)生的誤差越小。在長慶油田隴東區(qū)塊長7頂部穩(wěn)定發(fā)育油頁巖,具有高自然伽馬、高聲波、高電阻率的顯著標志,且該標志層距離目的油層長71距離最近,對施工井油頂海拔的預測有重要意義。在垂深1 690 m處,井深至長7段頂部油頁巖,對比出現(xiàn)微微下沉,預計好油層油頂海拔-190 m左右。

3.2 水平段地質(zhì)導向

對于水平段地質(zhì)導向,LWD儀器離鉆頭越近越好,有成像探邊功能也會大大提高地質(zhì)導向的效果。對于AUTOTRAK而言,具有可實時測量近鉆頭井斜、旋轉(zhuǎn)方位的功能,能幫助工程人員精準掌握工具在地層中的位置,有助于對軌跡的控制。

寧平×井因區(qū)域地層原因所測電阻率值響應不明顯,因此主要依靠實時方位伽馬成像技術進行地質(zhì)導向。實時方位伽馬成像可以判斷實鉆軌跡從目的油層的上部或下部鉆出地層,提供實鉆軌跡與地層之間的關系,也可以提取地層傾角,據(jù)此提前確認地層開始變化的位置,進而實時修正地質(zhì)模型、調(diào)整軌跡,降低構(gòu)造不確定性對地質(zhì)導向結(jié)果的影響。

3.2.1 方位伽馬成像技術

巖性識別是地質(zhì)導向的關鍵技術。ONTRAK測量短節(jié)中裝有2個角度呈180°的伽馬探測器,確定測斜傳感器工具面與方位伽馬探測器正方向的旋轉(zhuǎn)角,使隨鉆伽馬具有方位特性。在實時旋轉(zhuǎn)鉆進過程中可提供上、下、左、右4條自然伽馬曲線,生成4個扇區(qū)的伽馬成像圖。成像圖中上邊和下邊表示井筒的高邊,即上伽馬探測值;中間表示井筒的低邊,即下伽馬探測值。顏色深表示伽馬值大,顏色淺表示伽馬值小。圖2是寧平×井的一個應用實例,圖2中高邊顏色先變深,表示實鉆軌跡是從井筒的高邊進入上覆高伽馬泥巖,因此軌跡應向下調(diào)整,保證軌跡在低伽馬的砂巖中穿行。

圖2 水平段方位伽馬成像圖

3.2.2 實時修正地質(zhì)模型

地質(zhì)模型修正主要是根據(jù)方位伽馬成像圖計算視地層傾角。傳統(tǒng)的自然伽馬測井沒有方位信息,雖然能根據(jù)控制井算視地層傾角,但利用伽馬成像技術,在任何情況下尤其是在控制井數(shù)量少時,只要軌跡穿過一個層面,就可以獲取穿越點處該層面的視地層傾角信息。根據(jù)實時計算得到的視地層傾角實時更新地質(zhì)模型,相對更準確、客觀的得到軌跡與地層的位置關系[5],從而為井眼軌跡調(diào)整贏得時間,真正實現(xiàn)地質(zhì)導向?qū)崟r決策。

計算視地層傾角的方法:以旋轉(zhuǎn)導向工具從目的油層下層面穿出為例,下伽馬探測器先測到高自然伽馬值地層,因此方位伽馬成像圖上反映中間先呈現(xiàn)深色,上下再呈現(xiàn)深色,根據(jù)成像圖中顏色變化點之間的實際測量深度差和井斜角,運用式(1)即可計算出視地層傾角[6]

α=arctan(L/DM)+β-90°

(1)

式中,α為視地層傾角;β為井斜角;L為井徑;DM為成像圖中顏色變化點之間的實際測量深度差。

上述方法是利用實時上傳的上、下、左、右4條伽馬曲線現(xiàn)場快速成像,進而計算地層傾角,精度相對不是很高,但足可滿足地質(zhì)導向工作需要。另外一種方法是利用儀器出井后的內(nèi)存數(shù)據(jù),經(jīng)過一系列預處理之后拾取,精度較高,可用于構(gòu)造研究。

在現(xiàn)場實鉆過程中,對地層突變處應實時計算地層傾角,及時校正地質(zhì)模型,盡量保證實鉆軌跡在目的油層的上端穿行。

3.3 復雜情況下為鉆井提供準確數(shù)據(jù)

(1) 井漏時,依據(jù)隨鉆數(shù)據(jù)準確入靶。寧平×井出現(xiàn)嚴重井漏、井涌現(xiàn)象,在長時間壓井堵漏、氣測錄井數(shù)據(jù)失真的情況下,依據(jù)旋導向隨鉆數(shù)據(jù)及相關模型準確入靶。

(2) 當量循環(huán)密度識別鉆井風險。AUTOTRAK G4工具可提供循環(huán)當量密度數(shù)據(jù),實時監(jiān)控井下狀態(tài),降低了鉆井風險。若循環(huán)當量密度(ECD)值突然下降,說明泥漿液柱下降,井漏可能性極大。

(3) 計算壓井所需泥漿比重。利用井底環(huán)空壓力減去環(huán)空壓耗,再根據(jù)公式p=ρgh可計算壓井所需泥漿比重。井底環(huán)空壓力升高至3 600 psi**非法定計量單位,1 psi=6 894.76 Pa,下同,減去環(huán)空壓耗,計算壓井所需泥漿比重為1.46 g/cm3。

4 應用效果

4.1 提高油層鉆遇率,優(yōu)化井眼軌跡

鉆進過程中,測井技術人員應用隨鉆成像測井資料和實時地質(zhì)模型,在錄井數(shù)據(jù)失真的情況下,實時調(diào)整鉆進方向,精確控制井眼軌跡,實現(xiàn)精準入窗,指導完成1 800 m水平段鉆進。在薄層、傾角多變的復雜儲層中,砂體鉆遇率達94.29%,油層鉆遇率92.70%,聲波時差變化范圍220～250 μs/m,電阻率40～70 Ω·m,油層物性好,含油飽和度高,明顯好于該井區(qū)其他3口井,且井身質(zhì)量好,井眼軌跡光滑(見圖3)。

圖3 井眼與軌跡關系及解釋成果圖

4.2 大幅降低鉆具磨阻扭矩

由于旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)采用全井段旋轉(zhuǎn)送進鉆桿,保證了鉆壓的正常傳遞,減少了井下鉆具改變井斜、扭方位過程中的托壓問題,可以有效保證鉆壓正常施加在鉆頭上。施工過程中,鉆具的磨阻扭矩比常規(guī)滑動鉆進時小得多,降低了井下事故發(fā)生的概率。

4.3 有效提高機械鉆速,縮短周期

結(jié)合施工鉆井隊缺少頂驅(qū)無法提供持續(xù)高轉(zhuǎn)速的情況,為了提高機械鉆速,隨鉆測井技術人員決定從二開接井到完鉆一直使用旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)自帶的X-treme模塊馬達。該馬達具有雙向通訊的功能,可將地表較低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為較高轉(zhuǎn)速提供給鉆頭,并具有強大的功率和扭矩輸出,比常規(guī)泥漿馬達高60%,效率更高。

經(jīng)過精細數(shù)據(jù)統(tǒng)計,該井自二開至入靶平均機械鉆速為15.27 m/h,高于鄰井的12.04 m/h;同為1 835 m水平段,該井平均機械鉆速為17.19 m/h,高于鄰井的16.12 m/h,與鄰井相比縮短周期1.33 d(見表1)。應用旋轉(zhuǎn)導向 X-treme 模塊馬達技術可達到提高機械鉆速、縮短鉆井周期。

表1 鉆進周期統(tǒng)計表

5 結(jié)論與認識

(1) 該系統(tǒng)不僅能提供地面參數(shù)、工程參數(shù)而且能提供鉆井安全數(shù)據(jù)和各種測井數(shù)據(jù)、成像數(shù)據(jù),為安全施工提供了保障同時也可取消電纜測井,縮短鉆井周期。

(2) 旋轉(zhuǎn)導向隨鉆系統(tǒng)較傳統(tǒng)滑動導向隨鉆系統(tǒng)而言,能更精細地控制井眼軌跡,更好指導實鉆軌跡在目的層中穩(wěn)定穿行,提高儲層鉆遇率。

(3) 該系統(tǒng)在長慶油田厚度較薄的致密油層中優(yōu)勢明顯。

參考文獻:

[1] 榮海波,賀昌華. 國內(nèi)外地質(zhì)導向鉆井技術現(xiàn)狀及發(fā)展 [J]. 鉆采工藝,2006,29(2): 7-9.

[2] 林廣輝. 地質(zhì)導向系統(tǒng)的研究與應用 [J]. 中國海上油氣(工程),2000,12(5): 39-47.

[3] 楊錦舟. 基于隨鉆自然伽馬、電阻率的隨鉆導向系統(tǒng)及應用 [J]. 測井技術,2005,29(4): 285-288.

[4] 裴素安. 地質(zhì)導向在冀州油田的應用 [J]. 天然氣勘探與開發(fā),2006,29(4): 57-59.

[5] 竇松江,趙平起. 水平井隨鉆地質(zhì)導向方法的研究與應用 [J]. 海洋石油,2009,29(4): 77-82.

[6] EFNIK,et al. Using New Advances in LWD Technology for Geosteering and Geologic Modeling [C]∥SPE 57537,1999.