潘興明， 石 倩， 路勝杰， 劉相翌， 李禾香

(1北京石油機(jī)械廠 2中國石油勘探開發(fā)研究院)

近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)是一種綜合運(yùn)用測井、地質(zhì)、油藏工程、鉆井施工等技術(shù)的現(xiàn)代鉆井技術(shù)，可以提高油氣層鉆遇率、節(jié)約鉆井成本，已成為大斜度井、水平井(尤其是薄油層水平井)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井地層評價(jià)的重要手段[1-3]。隨著水平井鉆井技術(shù)的發(fā)展，水平井呈現(xiàn)著向小井眼和高曲率方向發(fā)展的趨勢。

小井眼鉆井技術(shù)是繼水平井鉆井技術(shù)之后興起的又一種降低鉆井成本的技術(shù)，具有環(huán)保、適于惡劣環(huán)境等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，是石油工業(yè)重要技術(shù)發(fā)展方向之一[4-5]。若要取得小井眼鉆井的諸多優(yōu)點(diǎn)，必須要解決小井眼鉆井帶來的一系列鉆井技術(shù)難題，其中常規(guī)尺寸地質(zhì)導(dǎo)向工具不適用井眼較小的徑向尺寸成為小井眼鉆井技術(shù)發(fā)展的最大障礙之一。

小井眼近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向儀器參數(shù)測量零長小，測量盲區(qū)短，可實(shí)時(shí)測量并傳輸近鉆頭電阻率、方位電阻率、方位伽馬等地質(zhì)參數(shù)，相比常規(guī)隨鉆測量(LWD)，更有利于對儲層進(jìn)行有效開采[6-7]。此儀器適用于?149 mm～?200 mm井眼。

一、小井眼近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向儀器組成及技術(shù)指標(biāo)

小井眼近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向儀器由測傳馬達(dá)、無線接收系統(tǒng)、正脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)組成，主要部件結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。從連接鉆頭方向開始主要為帶近鉆頭穩(wěn)定器的傳動軸總成、地面可調(diào)彎殼體總成(可調(diào)角度范圍0°～2°)、近鉆頭參數(shù)測量傳輸短節(jié)、螺桿馬達(dá)、旁通閥、無線接收系統(tǒng)和正脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)。近鉆頭參數(shù)測量傳輸短節(jié)由電阻率傳感器、方位伽馬傳感器、加速度傳感器、發(fā)射天線、控制電路、電池組等組成。在有限的空間內(nèi)對電路系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，緊湊合理布局，實(shí)現(xiàn)對近鉆頭電阻率、方位電阻率、方位伽馬、井斜、工具面、溫度等參數(shù)的測量功能和通過無線電磁短傳方式將參數(shù)傳送至無線接收系統(tǒng)中的無線短傳功能。

圖1 小井眼近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向儀器組成示意圖

無線接收短節(jié)主要由控制電路、電池組、接收天線、穩(wěn)定器等組成，兩端分別連接測傳馬達(dá)和正脈沖無線隨鉆工具。無線接收系統(tǒng)接收到近鉆頭參數(shù)測量傳輸短節(jié)中的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后傳送至正脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)中，然后再借助鉆井液的壓力脈沖被上傳至地面信息處理設(shè)備中供導(dǎo)向決策軟件系統(tǒng)分析。導(dǎo)向決策軟件對已鉆地層進(jìn)行判斷和解釋，對待鉆地層進(jìn)行預(yù)測，以測傳馬達(dá)作為導(dǎo)向執(zhí)行工具，及時(shí)調(diào)整井眼軌跡，達(dá)到提高儲層鉆遇率的目的。

所有參數(shù)測量功能均通過近鉆頭參數(shù)測量短節(jié)實(shí)現(xiàn)，參數(shù)的測量采用近鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，部分技術(shù)參數(shù)見表1。由表1可見各個(gè)參數(shù)測量零長的距離，近鉆頭電阻率可探測鉆頭以下0.5 m范圍內(nèi)地層電阻率特性。在鉆井過程中通過對井眼上下方的方位電阻率、方位伽馬值進(jìn)行比較，可以辨識儲層及儲層邊界，并據(jù)此及時(shí)調(diào)整鉆頭姿態(tài)，提高儲層鉆遇率。

表1 小井眼近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向儀器主要技術(shù)參數(shù)

二、電磁無線短傳關(guān)鍵技術(shù)分析

測量的近鉆頭數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼后通過電磁短傳方式跨越螺桿馬達(dá)傳送至另一端的無線數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)。無線數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)檢測到微弱的數(shù)據(jù)信號，先經(jīng)過濾波、多級放大，然后對信號進(jìn)行解碼，得到近鉆頭的各個(gè)參數(shù)。

無線短傳技術(shù)是保證數(shù)據(jù)成功傳輸?shù)年P(guān)鍵。其基本設(shè)計(jì)原理是近鉆頭參數(shù)測量傳輸短節(jié)將數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，放大成一定頻率的交流電信號后，送入此短節(jié)中的發(fā)射天線，產(chǎn)生電磁激勵信號；無線數(shù)據(jù)接收短節(jié)中的接收天線接收到電磁信號后，經(jīng)過多級放大、噪聲濾波、解調(diào)、信號檢波等一系列處理，最終獲得需要的數(shù)據(jù)。電磁信號在井下傳播除與自身頻率和媒質(zhì)特性有關(guān)之外，也與線圈的設(shè)計(jì)形式、發(fā)射方向、發(fā)射功率有很大關(guān)系。

利用電磁短傳方式傳輸數(shù)據(jù)具有實(shí)用性廣、傳輸速度快、數(shù)據(jù)量大等優(yōu)勢[8]，但實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，需要克服以下3條關(guān)鍵技術(shù)：

(1)電磁波頻率的選取。電磁波自身頻率越高，由于趨膚作用的影響，在地層中傳播時(shí)，衰減越大；但電磁波頻率越低，輻射頻率越低，需要龐大的發(fā)射天線，不適用于井下狹小空間。

(2)地層對信號衰減的影響。電磁波傳輸途徑為開放型通道，加載著重要數(shù)據(jù)的電磁波在傳輸過程中的衰減隨地層電阻率的減小而增大。尤其是在某些特殊地層，可能會導(dǎo)致電磁波信號被屏蔽，無法被檢測。

(3)弱信號檢測技術(shù)。由于地層不均勻，在傳播過程中，電磁波會有不同程度的反射、衍射現(xiàn)象，可能會產(chǎn)生相位或幅值的疊加。為減少各種電磁干擾的介入，需要優(yōu)化發(fā)射天線、接收天線、信號處理電路的設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)對弱信號的檢測能力。

電磁激勵的方式通常有水平電激勵、垂直電激勵、水平磁激勵、垂直磁激勵四種[9]。在近鉆頭位置實(shí)現(xiàn)電磁激勵，只能利用轉(zhuǎn)動的鉆具作為結(jié)構(gòu)支撐，實(shí)際可行的方式只能采用垂直電激勵天線或垂直磁激勵天線。此系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的是前者，具體天線采用環(huán)形天線，即利用環(huán)形變壓器作為收發(fā)天線，將線圈纏繞在一個(gè)固定于鉆鋌上的環(huán)形磁芯上，結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 電磁環(huán)形線圈結(jié)構(gòu)示意圖

三、機(jī)械設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)分析

機(jī)械艙體搭載了各個(gè)重要、繁多的電子電路系統(tǒng)，也是鉆進(jìn)破巖作用力的重要承載部分，艙體設(shè)計(jì)的可靠性是測量、傳輸功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。艙體承受拉、壓、彎交變負(fù)荷，其本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是需要加工各種槽安放電子電路系統(tǒng)。在管體結(jié)構(gòu)上開槽勢必產(chǎn)生多個(gè)危險(xiǎn)截面，在設(shè)計(jì)時(shí)利用有限元軟件對近鉆頭參數(shù)測量短節(jié)進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，見圖3，保證了機(jī)械部件的可靠性。

圖3 近鉆頭參數(shù)測量傳輸短節(jié)艙體有限元分析圖

經(jīng)過有限元分析艙體滿足抗拉、抗壓、抗彎強(qiáng)度要求，為了進(jìn)一步驗(yàn)證抗扭強(qiáng)度，選取兩端螺紋連接處進(jìn)行分析，此處為壁厚最薄弱環(huán)節(jié)，是艙體的承受抗扭失效的危險(xiǎn)點(diǎn)。

API RP 7G-1990關(guān)于錐螺紋的強(qiáng)度校核公式:

式中：S—因外力T而產(chǎn)生的應(yīng)力，MPa；RS—螺紋端部臺肩平均接觸半徑，mm ；Rt—公扣基面以右的平均中徑之半，mm ；θ—螺紋牙形半角對于一般API扣θ=30°；P—螺紋節(jié)距，mm；tpr—螺紋錐度(1 ∶k)；Lpc—公扣長度，mm；C—公扣基面中徑，mm。

RS=(OD+QC)/4=49.75

Rt= 2C- (LPC- 15.875)×tpr/4

=39.17 mm

距內(nèi)螺紋端面9.525 mm處內(nèi)螺紋的環(huán)面積Ab：

Ab=π/4×[OD2- (QC-9.525×tpr)2]

=2881.85 mm2

距公扣端面19.05 mm處的最小環(huán)面積Ap：

Ap=π/4×[(C-2×h2-9.525×tpr)2-ID2]

= 2726.66 mm2

可見Ab>Ap，故該扣強(qiáng)度的薄弱環(huán)節(jié)在公螺紋處，進(jìn)一步取計(jì)算面積A=Ap=2726.66 mm2。最大工作扭矩為T=9 300 N·m，取摩擦系數(shù)f=0.08，按API RP 7G-1990關(guān)于錐螺紋強(qiáng)度計(jì)算公式計(jì)算應(yīng)力為：

=396.19 MPa

材料屈服強(qiáng)度σs=758 MPa，則S<σs， 經(jīng)過計(jì)算分析設(shè)計(jì)的艙體結(jié)構(gòu)滿足各種強(qiáng)度要求，可以進(jìn)行加工制造。

四、實(shí)例應(yīng)用

以YB368-H06氣井現(xiàn)場應(yīng)用為例分析小井眼近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向儀器的具體應(yīng)用過程及效果。

YB368-H06井位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部，是上古生界發(fā)育的巖性氣藏[10-11]。目的層是山西組山23主力含氣砂體，山23砂巖屬于灰白色含氣中粒砂巖，發(fā)育集中。

此井水平段設(shè)計(jì)井眼尺寸為?152 mm，設(shè)計(jì)A靶垂深3 066.88 m，B靶垂深3 070.88 m，水平段長度逾1 000 m。根據(jù)臨井曲線對比，預(yù)計(jì)在垂深3 059 m處進(jìn)入山西組山23砂層，實(shí)鉆過程中發(fā)現(xiàn)在垂深3 080 m處附近開始進(jìn)入該層，比預(yù)計(jì)位置下移了21 m，此儀器測得實(shí)鉆隨鉆測井?dāng)?shù)據(jù)曲線如圖4所示。

圖4 自然伽馬與電阻率垂深曲線

參照圖4所示曲線與臨井曲線對比分析后，對原設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行多次調(diào)整，為了探明儲層厚度并優(yōu)化軌跡設(shè)計(jì)，以84°井斜下探到井深3 685 m、垂深3 092 m，近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向數(shù)據(jù)及錄井?dāng)?shù)據(jù)顯示，進(jìn)入太原組灰?guī)r層。參照儀器測量的方位自然伽馬及電阻率數(shù)據(jù)，與臨井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)分析，重新定位儲層。將井眼回填至井深3 499 m、垂深3 077 m處，側(cè)鉆點(diǎn)定在井深3 500 m，調(diào)整工具面為150°，降低鉆速，定向掃塞至3 503 m，以工具面120°開始側(cè)鉆，控制井眼軌跡在井深3 528 m、垂深3 079 m左右，井斜調(diào)整達(dá)到90°，通過發(fā)揮工具方位伽馬和電阻率數(shù)據(jù)測量盲區(qū)短的優(yōu)勢，多次對比井眼上、下地層數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整測傳馬達(dá)，保證井眼軌跡在儲層中穿越，直至鉆至井深4 516 m完鉆。

五、結(jié)論

(1) 介紹小井眼近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向儀器的結(jié)構(gòu)組成及技術(shù)參數(shù)，此儀器具有近鉆頭方位特性地質(zhì)參數(shù)測量功能，測量盲區(qū)短，滿足小井眼鉆井地質(zhì)導(dǎo)向鉆井需求。

(2) 分析小井眼近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向儀器設(shè)計(jì)時(shí)需要克服的無線短傳關(guān)鍵技術(shù)及機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)。

(3)儀器的現(xiàn)場成功應(yīng)用，為小井眼技術(shù)與地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)的綜合應(yīng)用積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，有利于促進(jìn)國產(chǎn)小井眼地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)的發(fā)展及推廣應(yīng)用。

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