劉宗堂

（中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司定向井技術(shù)服務(wù)分公司，天津 300280）

美國的頁巖油開發(fā)多采用水平井及多段壓裂方式，其中旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)負(fù)責(zé)井眼軌跡控制，我國現(xiàn)階段頁巖油開發(fā)水平仍稍遜色于美國等發(fā)達(dá)國家。在深層頁巖油水平井的井眼軌跡優(yōu)化與控制中，靜態(tài)推靠式閉環(huán)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)有著出色表現(xiàn)，本文研究主要圍繞該旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)展開。

1 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)與研究模型

1.1 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)

靜態(tài)推靠式閉環(huán)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)Auto Track由OnTrack和導(dǎo)向頭組成，導(dǎo)向頭可細(xì)分為驅(qū)動軸、液壓驅(qū)動翼肋、非旋轉(zhuǎn)套筒，導(dǎo)向頭負(fù)責(zé)提供鉆頭井斜、導(dǎo)向功能，OnTrack負(fù)責(zé)提供方位角、井斜角、環(huán)空當(dāng)量密度、方位伽馬、電磁波電阻率及工作時(shí)的儀器振動參數(shù)。驅(qū)動軸在鉆進(jìn)時(shí)傳遞鉆柱的動力給鉆頭，破巖過程可隨之完成，三個(gè)液壓驅(qū)動翼肋安裝于非旋轉(zhuǎn)套筒上，可通過對伸縮量的自動調(diào)整實(shí)現(xiàn)力的合成矢量形成，即彎殼馬達(dá)（導(dǎo)向頭）重力工具面。

定義三個(gè)液壓驅(qū)動翼肋的一個(gè)為重合與三軸傳感器Gz軸的高邊參考基準(zhǔn)，通過對三個(gè)方向重力加速度分量的測量，即可明確相對于井眼高邊的高邊參考翼肋位置，重力工具面自然可隨之獲得。由于存在基于磁性工具面轉(zhuǎn)換得到的φ120.6mm導(dǎo)向頭重力工具面，可基于磁性工具面轉(zhuǎn)化得到重力工具面。如目標(biāo)井斜和實(shí)時(shí)傳輸近鉆頭井斜不相符，在動態(tài)重力工具面支持下，導(dǎo)向頭即可實(shí)現(xiàn)井眼軌跡的自動控制和調(diào)整。

1.2 研究模型

地層傾角、界面和沿鉆進(jìn)方向鉆頭的直線距離、鉆頭到邊界垂直距離的實(shí)時(shí)計(jì)算可在隨鉆方位伽馬探測原理支持下實(shí)現(xiàn)，相較傳統(tǒng)自然伽馬，由此開展的井眼軌跡控制精準(zhǔn)性更高?；诂F(xiàn)場實(shí)際需要，在模型建立中需首先做出假設(shè)，將次要因素忽略，包括存在0.3m的儀器探測深度，不考慮侵入帶、濾餅、井眼擴(kuò)大率對測量數(shù)據(jù)造成的影響，存在無限均勻厚的上下圍巖，僅考慮探測器上下方向探測情況，由此可得到：

式中，α、β、γ分別為地層傾角、水平面與儀器夾角、目的層界面與儀器夾角，L1、L2、D、D1、D2、ΔX、INC分別為鉆頭到上伽馬探測器的距離、圍巖界面與沿鉆進(jìn)方向鉆頭的距離、儀器直徑、伽馬探測器的探測深度、圍巖界面與鉆頭的垂直距離、相對邊界產(chǎn)生響應(yīng)時(shí)高低邊伽馬的距離差、產(chǎn)生響應(yīng)時(shí)高低邊伽馬井斜角。

2 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的具體應(yīng)用

2.1 案例概況

為提升研究的實(shí)踐價(jià)值，本文以夾持在小集南斷層與小集斷層之間的某深層頁巖油水平井作為研究對象，地層?xùn)|傾，存在西高東低的斷塊構(gòu)造，目的層孔二段存在黑灰、深灰色泥巖夾淺灰色粉細(xì)砂巖，白云巖薄及細(xì)粒長英沉積巖互層構(gòu)成，存在發(fā)育優(yōu)質(zhì)、屬于主要生油凹陷主體的烴源巖，利于孔二段自生自儲形成頁巖油。主體區(qū)存在分布穩(wěn)定的發(fā)育細(xì)粒沉積巖（70～80m），儲集性能較好，儲集空間以頁理縫、晶間孔為主，其次為生物體腔孔、構(gòu)造微裂縫、粒間溶蝕孔等，存在90%以上的脆性礦物含量，對后期壓裂改造有利。案例中的深層頁巖油水平井屬于三開水平井，設(shè)計(jì)井斜、水平段分別為90.14°、1500m。

深入分析可以發(fā)現(xiàn)，案例深層頁巖油水平井的施工難度較高，這種難度主要體現(xiàn)在四個(gè)方面：

第一，復(fù)雜的地質(zhì)情況。結(jié)合所鉆遇地層地質(zhì)提示可以發(fā)現(xiàn)，生物灰?guī)r、雜色細(xì)礫巖、斷層、不整合面、石膏層、泥膏巖大量存在，案例深層頁巖油水平井的地層穩(wěn)定性差，鄰井出現(xiàn)的測井電纜被卡、井壁垮塌填埋鉆具等事故也能夠證明這一認(rèn)知；

第二，存在較高施工風(fēng)險(xiǎn)。案例深層頁巖油水平井屬于高壓井，預(yù)計(jì)存在43.44MPa的關(guān)井井口壓力，且目的層段無任何測試和實(shí)鉆參考資料，案例深層頁巖油水平井存在8口相鄰注水井。同時(shí)，鄰井在井深4217m存在22.11m的防碰距離，安全系數(shù)較低；

第三，難以控制鉆井液體系。分析案例深層頁巖油水平井可以發(fā)現(xiàn)，多套高壓鹽水層存在于其復(fù)合石膏層，鉆井液的密度、性能調(diào)整范圍窄，鉆井液切力和黏度因地層中鹽溶于水上升，穩(wěn)定性在受污染后也會降低，變厚的井壁濾餅也會隨之出現(xiàn)，縮徑卡鉆、掉塊等問題的出現(xiàn)概率將大幅提升；

第四，較為復(fù)雜的地層巖性。案例深層頁巖油水平井的水平段、裸眼段長度分別為1500m、2360m，軟硬交錯(cuò)的所鉆地層會導(dǎo)致滑動鉆進(jìn)托壓，這對井眼軌跡控制效果將帶來嚴(yán)重負(fù)面影響，控制難度也會隨之提升。

2.2 具體應(yīng)用

為實(shí)現(xiàn)井眼軌跡的精確控制，案例深層頁巖油水平井采用了靜態(tài)推靠式閉環(huán)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)Auto Track。“MWD+馬達(dá)”組合用于一開、二開，由此得以基于2°內(nèi)控制上直段井斜，井深、井斜分別為2949～3084m、1.5°內(nèi)。造斜從3084m開始，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)在三開使用，其中，一開、二開、三開井段的泵壓分別為8～14MPa、14～18MPa、20～23MPa，排量分別為60～65L/s、50～60L/s、28～34L/s，鉆壓分別為30～80kN、80～120kN、120～180kN，案例分水平段和造斜段進(jìn)行軌跡控制。

造斜段可細(xì)分為方位調(diào)整段、增斜段、穩(wěn)斜段、增斜段，具體控制如下：第一，方位調(diào)整段。對于3070～3152m的鉆進(jìn)井段，選用增斜降方位模式，井斜角、井深、方位角的初始參數(shù)分別為1.2°、3084m、178.25°，鉆進(jìn)至3152m時(shí)存在4.4°的井斜角及90.34°的方位角，需將其調(diào)整至90.88°這一設(shè)計(jì)方位；第二，增斜段。對于3152～3430m的鉆進(jìn)井段，選用增斜模式，鉆進(jìn)至3430m時(shí)的方位角、井斜角分別為93.23°、28.16°；第三，穩(wěn)斜段。對于3430～3528m的鉆進(jìn)井段，選用穩(wěn)斜模式，鉆進(jìn)至3528m時(shí)的方位角、井斜角分別為90.70°、29.87°；第四，增斜段。對于3528～4256m的鉆進(jìn)井段，選用增斜模式，鉆進(jìn)至4257m時(shí)的方位角、井斜角分別為91.27°、89.61°。一趟鉆井斜角的“著陸”完成于0°～89.61°，進(jìn)尺、平均機(jī)械鉆速、純鉆時(shí)間分別為1177m、10.7m/h、110h。

水平段基于方位伽馬曲線及成像、電阻率、近鉆頭井斜等開展軌跡控制，目的層鉆頭的相對位置也可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測。結(jié)合地震資料可以發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)頁巖夾層存在于目的層上可作為標(biāo)志層用于“著陸”，即3919～3939m處。兩個(gè)標(biāo)志層邊界中存在變化突出的實(shí)時(shí)方位伽馬曲線幅值、電阻率及伽馬成像響應(yīng)、機(jī)械鉆速降低，在井深3939～3941.5存在中低高邊伽馬分別幅值下降，首先下降的為低邊伽馬曲線和成像圖，基于位伽馬探測原理可以了解到，此時(shí)，存在穿出標(biāo)志層底部的鉆頭。將D、INC、ΔX分別按0.2159m、79°、2.5m代入式（1），可得到結(jié)果為6.08°的地層傾角α，因此，井斜角在目的層“著陸”時(shí)需為85.07°，設(shè)計(jì)“著陸”點(diǎn)井斜角、井深分別為85.47°、4002.74m。目的層實(shí)際地層傾角可通過標(biāo)志層計(jì)算地層傾角確定，“著陸”點(diǎn)可提前60m完成井斜角計(jì)算，不斷調(diào)整井斜角的目的層頂界無法確定導(dǎo)致的鉆進(jìn)無效井段和軌跡不平滑等問題能夠有效規(guī)避。通過對實(shí)時(shí)測井曲線的監(jiān)控，目的層鉆遇率得到保障，鉆頭在目的層中的相對位置也能夠基于測井曲線對地層的響應(yīng)確定。圍繞交替出現(xiàn)的高低邊伽馬曲線幅值可以發(fā)現(xiàn)，井深4900m以上的圍巖會對淺電阻率曲線造成影響，可初步判定正在鉆遇巖性不純的夾層或上下薄層圍巖層位。存在與推測結(jié)論一致的巖屑錄井信息，在井深、井斜角分別為4863～4867m、81.24°時(shí)，將D、INC、ΔX、L1、D1分別按0.2159m、81.24°、4m、1.75m、0.3m代入式（1），可得到結(jié)果為5.68°的地層傾角α，頂界與鉆頭的垂直距離D2、邊界與鉆進(jìn)方向鉆頭的距離L2分別為0.21m、3.8m。結(jié)合計(jì)算可以確定，以當(dāng)前井斜角鉆進(jìn)4m即可進(jìn)入目的層。電阻率曲線在鉆進(jìn)至4879m井深時(shí)仍然異常，這說明存在未進(jìn)入純頁巖的地層上傾，因此，需要調(diào)整井眼軌跡，基于計(jì)算所得地層傾角，電阻率曲線在鉆進(jìn)至4900m井深時(shí)恢復(fù)正常，但存在仍異常波動的高低邊伽馬，繼續(xù)按照86.9°的傾角鉆進(jìn)至4924m井深時(shí)完全進(jìn)入目的層。

3 結(jié)語

結(jié)合上述實(shí)踐可以發(fā)現(xiàn)，方位伽馬、電阻率、近鉆頭井斜可實(shí)現(xiàn)地層中鉆頭位置的實(shí)時(shí)監(jiān)測，井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、目的層鉆遇率提高、地質(zhì)導(dǎo)向模型更新也可獲得有力支持，同時(shí)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的應(yīng)用還能夠提高鉆速，相較于使用馬達(dá)可實(shí)現(xiàn)2～3倍的速度提高。