楊曉峰

(中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司鉆井技術(shù)服務(wù)公司 遼寧 盤(pán)錦 124010)

0 引 言

常規(guī)隨鉆測(cè)井工具的測(cè)點(diǎn)離鉆頭較遠(yuǎn),無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確判斷鉆頭處的地層巖性和傾角,儲(chǔ)層鉆遇率較低。 隨鉆測(cè)井(Logging While Drilling,LWD)工具測(cè)點(diǎn)距離鉆頭一般都在10 m以上,嚴(yán)重影響了地質(zhì)導(dǎo)向?qū)τ诘貙游恢玫呐袛?致使一些薄油層和邊際油層如果采用常規(guī)隨鉆測(cè)井工具很難進(jìn)行再次開(kāi)發(fā)[1]。近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向工具將傳感器安裝在靠近鉆頭的位置,不但具有隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向的能力,而且還有隨鉆地質(zhì)參數(shù)測(cè)量的功能[2]。目前近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向工具在勝利油田臨盤(pán)油區(qū)、西南油田上羅地區(qū)、自貢地區(qū)、華北油田煤層氣等多個(gè)區(qū)塊推廣應(yīng)用,施工水平井的儲(chǔ)層鉆遇率得到了明顯提高[3]。相比于國(guó)產(chǎn)近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向工具,加拿大U-Target Energy公司研發(fā)的UTE方位伽馬近鉆頭測(cè)量系統(tǒng),其伽馬測(cè)點(diǎn)距離鉆頭不足1 m,是一種鉆鋌式的測(cè)量井斜角、方位伽馬和振動(dòng)的高溫近鉆頭隨鉆測(cè)量工具。同時(shí),UTE方位伽馬近鉆頭測(cè)量工具系統(tǒng)具有測(cè)量井下環(huán)空壓力、管內(nèi)壓力以及振動(dòng)測(cè)量的功能,提升了井下作業(yè)的安全性和地質(zhì)導(dǎo)向決策功能。

1 UTE方位伽馬近鉆頭測(cè)量系統(tǒng)組成及原理

1.1 系統(tǒng)組成

UTE方位伽馬近鉆頭測(cè)量系統(tǒng)由地面解碼系統(tǒng)和井下工具兩部分組成。

地面解碼系統(tǒng)主要由防爆司顯、解碼箱、壓力傳感器和深度追蹤系統(tǒng)組成,其用途主要是接收井下傳來(lái)的泥漿脈沖信號(hào)并解碼顯示在計(jì)算機(jī)上。

井下工具主要由近鉆頭短節(jié)、接收短節(jié)和探管式隨鉆測(cè)量(Measare While Drilling, MWD)工具組成。近鉆頭短節(jié)位于鉆頭和螺桿之間,探管式MWD插入到無(wú)磁鉆鋌中、底部總成坐入坐鍵短節(jié)中。

1.2 近鉆頭短節(jié)測(cè)量原理

近鉆頭本體共有5個(gè)腔體,腔體中分別安裝有發(fā)射電路板、測(cè)量電路板、方位伽馬電路板、電池1和電池2。測(cè)量電路板由3個(gè)重力計(jì)和3個(gè)磁力計(jì)組成,本身能夠測(cè)量的參數(shù)有靜態(tài)測(cè)斜(井斜角、方位角)、動(dòng)態(tài)井斜角、動(dòng)態(tài)方位角、方位伽馬、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)參數(shù)[5]。方位伽馬由于采用了有效的采樣、算法和標(biāo)定方法,在出入層時(shí)能夠有效地判斷出儲(chǔ)層的變化,便于地質(zhì)導(dǎo)向人員快速做出軌跡決策[6]。同時(shí)采用特殊算法處理后的近鉆頭井斜具有非常高的精度,和后端MWD的靜態(tài)測(cè)斜誤差都在0.3°之內(nèi),對(duì)定向工程中的軌跡控制有很好的指導(dǎo)作用。近鉆頭本體設(shè)計(jì)長(zhǎng)度100 cm,伽馬零長(zhǎng)小于50 cm。UTE方位伽馬近鉆頭測(cè)量系統(tǒng)近鉆頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 近鉆頭短節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

UTE方位伽馬近鉆頭測(cè)量系統(tǒng)伽馬短節(jié)采用8扇區(qū)4方位伽馬,測(cè)量具有很高的采樣率,能夠保證在最大400 r/min的情況下把每個(gè)時(shí)刻測(cè)得的地層伽馬值準(zhǔn)確地放入到所對(duì)應(yīng)的扇區(qū)中。UTE方位伽馬近鉆頭測(cè)量系統(tǒng)的伽馬扇區(qū)測(cè)量示意圖如圖2所示。

圖2 伽馬扇區(qū)測(cè)量示意圖

近鉆頭短節(jié)向MWD系統(tǒng)的傳輸采用無(wú)線跳傳技術(shù)。近鉆頭短節(jié)的所有測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)電磁波發(fā)射設(shè)備向上傳遞到位于電機(jī)上方和MWD相連的接收短節(jié),接收短節(jié)再將信息傳遞給MWD,最終將自身測(cè)量結(jié)果和近鉆頭測(cè)量數(shù)據(jù)一起通過(guò)泥漿脈沖或電磁波上傳到地面[7]。

1.3 MWD測(cè)量原理

MWD系統(tǒng)由泥漿脈沖短節(jié)、測(cè)量電路板、伽馬短節(jié)、控制短節(jié)和電池短節(jié)組成。UTE方位伽馬近鉆頭測(cè)量系統(tǒng)MWD系統(tǒng)主要組成如圖3所示。

圖3 MWD系統(tǒng)組成圖

伽馬短節(jié)用于測(cè)量來(lái)自地層的伽馬值,及時(shí)反映巖性的變化。測(cè)量電路板由3個(gè)三軸重力計(jì)和3個(gè)三軸磁力計(jì)組成,用于測(cè)量井斜角、方位角、重力和磁力工具面、總磁場(chǎng)強(qiáng)度、總重力場(chǎng)強(qiáng)度、地磁傾角、轉(zhuǎn)數(shù)、振動(dòng)參數(shù)等。中央處理器收集處理伽馬短節(jié)和測(cè)量電路板獲得的數(shù)據(jù),按要求進(jìn)行組碼,并將測(cè)量結(jié)果傳送給脈沖短節(jié)[8]。

控制短節(jié)包含控制電路板,主要具有以下功能: 1)電源控制,與電腦同步時(shí)間。2)模式控制,可以將數(shù)據(jù)按照電磁波、泥漿脈沖和二者同時(shí)發(fā)送這3種方式中的任意一種上傳到地面。3)接收近鉆頭數(shù)據(jù)。近鉆頭的測(cè)量數(shù)據(jù)以電磁波方式通過(guò)地層跨過(guò)螺桿等中間鉆具到達(dá)控制短節(jié),控制短節(jié)再把獲得的近鉆頭數(shù)據(jù)傳遞給測(cè)量電路板和伽馬電路板的中央處理器,經(jīng)處理后傳給泥漿脈沖器[9]。

泥漿脈沖器將中央處理器發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)以鉆柱管內(nèi)泥漿柱為媒介,通過(guò)特定組碼方式以壓力脈沖的方式反映在地面壓力傳感器上,并通過(guò)電纜傳輸?shù)降孛娼獯a系統(tǒng)。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

YS129H2平臺(tái)所處的沐愛(ài)向斜位于四川臺(tái)坳川南低陡褶帶南緣,南與滇黔北坳陷相鄰,沉積蓋層從震旦系到侏羅系,厚約6 000～7 000 m。川南低陡褶帶以華鎣山背斜為主體,向南逐漸分支,發(fā)育有溫塘峽—臨峰場(chǎng)等構(gòu)造帶,背斜構(gòu)造呈左列雁行排列。各個(gè)構(gòu)造帶北高南低,北半段褶皺強(qiáng),斷層發(fā)育,為狹長(zhǎng)梳狀構(gòu)造,軸部多出露三疊系;向南延伸褶皺逐漸減弱,斷層少,為膝狀和丘狀構(gòu)造,軸部出露自流井群和沙溪廟組。地震資料解釋成果表明,YS129H2平臺(tái)周邊斷裂不發(fā)育,局部區(qū)域構(gòu)造簡(jiǎn)單,向斜中部地層產(chǎn)狀近水平,地層區(qū)域展布穩(wěn)定,為頁(yè)巖氣有利保存區(qū)。YS129H2平臺(tái)鉆井軌跡設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 YS129H2平臺(tái)鉆井軌跡設(shè)計(jì)平面圖(龍馬溪組底界構(gòu)造圖)

YS129H2-1井位于YS129H2平臺(tái),該井三開(kāi)上部215.9 mm井段降斜曲率較大,三開(kāi)開(kāi)鉆直接下入旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具,施工至A點(diǎn)后起鉆,用常規(guī)隨鉆測(cè)井具有目的層軌跡控制困難、伽馬測(cè)點(diǎn)距離長(zhǎng)導(dǎo)致地質(zhì)層位判斷滯后的問(wèn)題,故更換UTE近鉆頭工具施工水平段[10]。

該井由旋導(dǎo)施工至井深2 657 m下入U(xiǎn)TE近鉆頭工具,水平段72 m,剩余1 978 m(含50 m口袋),層位位于龍一1-1小層頂部,井斜89.1°,方位2°。鉆具組合為215.9 mmPDC鉆頭+176 mm近鉆頭短節(jié)+172 mm單彎無(wú)扶螺桿(1.25°)+165 mm浮閥+172 mm坐鍵接頭+172 mm無(wú)磁鉆鋌1根+172 mm絕緣接頭1根+172 mm保護(hù)接頭1根+127 mm加重鉆桿1柱+165 mm隨鉆震擊器+127 mm加重鉆桿1柱+127 mm鉆桿×7根+水力震蕩器+旁通閥+127 mm鉆桿×200根+411/520變扣+139.7 mm鉆桿。

該井龍一1-1小層伽馬垂直分布,厚度約1.3 m。鉆至井深3 967 m,鉆進(jìn)中發(fā)現(xiàn)自然伽馬一直有降低的趨勢(shì),并且上伽馬值為261 API,下伽馬值為274.5 API,地質(zhì)導(dǎo)向判斷當(dāng)前軌跡位于龍一1-1小層頂部,為防止頂出箱體進(jìn)入2小層,依據(jù)近鉆頭井斜93°,要求降斜調(diào)整,10 m降斜0.5°至92.5°鉆進(jìn)觀察。此后由于地層傾角變化,實(shí)鉆軌跡進(jìn)入了龍一1-2小層,自然伽馬和方位伽馬一直有降低的趨勢(shì),地質(zhì)要求繼續(xù)降斜,施工至4 019.5 m,近鉆頭井斜測(cè)得91.5°,此時(shí)上伽馬值為261 API,下伽馬值為297 API,重新回到了龍一1-1小層。在實(shí)鉆軌跡出龍一 1-2小層,并返回龍一1-1小層期間,MWD測(cè)斜系統(tǒng)在測(cè)點(diǎn)3 961.62 m處測(cè)得井斜93.58°,3 990.39 m處測(cè)得井斜92.7°, 4 019.16 m處測(cè)得井斜91.6°,與實(shí)鉆過(guò)程中近鉆頭井斜基本一致,誤差小于0.1°。

該井在鉆進(jìn)過(guò)程中共發(fā)現(xiàn)2個(gè)比較明顯的硬層,一號(hào)硬層位于龍一1-1小層上部,距離頂部40 cm,伽馬250～270 API左右,二號(hào)硬層位于龍一1-1中部偏下,距離底部大約50 cm,伽馬320～350 API處,2個(gè)硬層之間的厚度約40 cm。該井最適合施工的位置還是第2個(gè)硬層以下直到龍一1-1底部,厚度大約50～60 cm,該位置上邊有2個(gè)硬層作為屏障。利用鉆井參數(shù)可以控制軌跡穩(wěn)斜鉆進(jìn),同時(shí)UTE近鉆頭測(cè)量系統(tǒng)的自然伽馬和方位伽馬值的變化,結(jié)合近鉆頭井斜,可精確判斷出是接近目的層頂界還是穿出目的層底界,提高了對(duì)儲(chǔ)層特性的判斷和鉆頭在儲(chǔ)層內(nèi)軌跡的控制能力,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的地質(zhì)導(dǎo)向功能。

YS129H2-1井UTE近鉆頭工具施工井段2 657～4 635 m,施工段長(zhǎng)1 978 m,純鉆時(shí)間238.3 h,平均機(jī)械鉆速8.3 m/h,滑動(dòng)進(jìn)尺306 m,滑動(dòng)比列15.47%,目的層鉆遇率100%。YS129H2-1井地質(zhì)導(dǎo)向圖如圖5所示。

圖5 YS129H2-1井地質(zhì)導(dǎo)向圖

同平臺(tái)YS129H2-2井,水平段仍由UTE近鉆頭測(cè)量系統(tǒng)施工,下入井深2 707 m,此時(shí)水平段施工57 m,剩余1 493 m(含50 m口袋),層位位于龍一1-1小層頂部,井斜90.5°,方位181°。該井地質(zhì)要求在龍一1-1小層的中下部穿行,距五峰較近,水平段前1 350 m地層相對(duì)穩(wěn)定,傾角變化頻繁,依靠近鉆頭工具實(shí)時(shí)參數(shù)調(diào)整軌跡及時(shí)控制能保證鉆遇率[11]。后100 m突遇傾角變大,定向增斜到98.5°,實(shí)鉆軌跡相對(duì)龍一1-1小層仍在不斷下切,導(dǎo)致出箱體進(jìn)入五峰組。實(shí)鉆水平段長(zhǎng)1 450 m,鉆遇率為94.5%。

3 結(jié) 論

1)UTE近鉆頭測(cè)量系統(tǒng)具有方位伽馬和近鉆頭井斜測(cè)量功能,并能夠?qū)崟r(shí)地進(jìn)行井眼的伽馬成像。它適用性廣,故障率低,地質(zhì)導(dǎo)向和實(shí)時(shí)決策能力更強(qiáng)。

2)UTE近鉆頭測(cè)量系統(tǒng)MWD部分具有測(cè)量井下環(huán)空壓力、管內(nèi)壓力以及振動(dòng)測(cè)量的功能,可以協(xié)助判斷井下工況和鉆進(jìn)震動(dòng)情況,實(shí)現(xiàn)安全鉆井。

3)四川昭通區(qū)塊的實(shí)踐證明,UTE近鉆頭測(cè)量系統(tǒng)是針對(duì)薄儲(chǔ)層和構(gòu)造復(fù)雜地層開(kāi)發(fā)的有力工具,提高了目的層鉆遇率、鉆井成功率和采收率。