旋转地质导向系统在预探致密油水平井中的应用

0 引 言

进入21世纪,美国在页岩油领域的勘探开发技术取得突破,国内特别是长庆和四川致密油气储量比例连年增长,致密油气勘探开发也取得突破性进展。随着致密油勘探的不断深入,预探水平井勘探开发过程中,地震资料无法准确把握油层层位导致钻遇率低、常规螺杆钻具定向托压难以满足复杂的轨迹调整需求,以及水平段轨迹剖面相对复杂易发生井下风险等问题,逐渐成为制约致密油水平井砂岩钻遇率提高的瓶颈,勘探开发难度逐渐增大,传统钻井技术面临巨大的挑战。

传统的马达+常规MWD工具组合测量点一般滞后10 m以上,这在储集层较厚并且发育稳定的情况下可以满足轨迹控制要求,但在构造不确定性大的预探井应用中难以满足储集层追踪对井眼轨迹的要求,无法及时作出轨迹调整而导致钻出油层,需要浪费更多的水平段来重新追回油层^[1,2,3,4,5],而且常规工具无法提供方向性测量,可能导致反方向追踪储集层,使得轨迹离储集层越来越远。马达+常规MWD工具在大庆预探水平井应用中钻遇率只有50%左右。因此,国内越来越多的油田开始运用旋转导向工具进行钻井作业。

旋转地质导向系统全程旋转钻进,连续导向调整井斜方位使得井眼轨迹平滑、水平延伸能力强。近钻头实时监测井斜变化,结合方位伽马、多相电阻率以及地质相关资料的水平井地质导向技术使得储集层钻遇率大幅提高。松辽盆地通过“十二五”期间致密油水平井勘探及实验区建设,逐步认识到旋转地质导向系统在致密油水平井中的应用起到了关键性的作用。本文通过实例重点介绍了旋转地质导向技术在大庆致密油水平井钻探中所起的关键作用及取得的效果。

1 旋转地质导向系统

旋转地质导向钻井技术是20世纪90年代初期发展起来的一项钻井新技术,可以实现井眼轨迹的连续控制,代表了钻井技术发展的最高水平。在国内外油田开发中,该技术得到了广泛应用,提高了油层钻遇率,并取得了良好的经济效益。

一般情况下旋转地质导向系统由导向装置和测量控制两部分组成。

导向装置主要用来控制井眼轨迹,提供近钻头井斜测量,是旋转导向钻井技术的关键工具,其工作原理见图1。导向装置是一个相对的非旋转套筒,其中3个肋板支撑井壁,使工具与钻头处在同一直线上,从而使井眼轨迹变得平滑(图1a)。液压系统(图1b)所带动的3个独立液压油缸分别控制3个造斜肋板伸缩,依靠井壁反作用力来实现造斜和扭方位作业,3个独立液压缸为每一个造斜肋板提供最大3 t左右的推动力^[6,7]。另外,导向装置带有距离钻头仅0.9~2.5 m的近钻头井斜角测量装置。导向矢量即3个肋板的导向合力的大小和方向,可由地面系统发送指令进行调节(图1c)。在导向造斜模式下,液压系统可以对肋板提供约7 500个导向矢量,使其按照给定工具面和给定动力进行导向钻进,而且可以随时通过下传指令重新导向钻进。

测量控制部分主要提供井斜、方位、自然伽马及方位伽马成像、多相电阻率的测量、工程监控参数测量以及供电,并且把实时信号上传至地面。伽马测量距离钻头5.76~13.8 m,电阻率测量距离钻头6.99~11.7 m,井斜方位测量距离钻头8.76~18.6 m,造斜能力(5.5°~8.5°)/30 m配合近钻头井斜角来完成井眼空间的导向任务。该模块中还安装有用于优化钻井参数的环空钻井液当量密度、振动和粘滑系数等测量装置,帮助地面定向井工程师识别井下工具的工作状态^[7,8]。

2 预探致密油水平井的实施方法

2.1 地质模型的建立

首先收集齐全、准确的工程及地质资料,主要包括四部分:一是地质设计,包括构造图、井位、坐标、目的层、补心海拔、设计靶点垂深及地层视倾角等数据;二是工程设计,包括设计轨迹、各个靶点参数、入靶井斜等数据;三是邻井资料,主要包括录井资料和测井曲线,录井资料包括岩屑、岩心、井壁取心及气测、钻时等数据,测井曲线包括伽马,深、浅侧向,声波时差,中子,密度等数据;四是地震资料,包括petrel模型体、地震剖面、反演剖面以及属性图等。其次对上述资料进行建模应用,主要分为两个步骤:第一步是要建立构造模型,可以根据地震资料,结合构造资料、地层视倾角以及各个靶点处的厚度,建立初始构造模型;第二步是要建立属性模型,构造模型建立之后,通常假设储集层横向上发育稳定,选取较近的邻井,将邻井的伽马值进行方波化,再将模型赋值,这样就完成了带有伽马属性的构造地质模型的建立。

2.2 钻具优选

大庆齐家凹陷目的层含油单砂体薄,地震响应特征有一定的微弱变化,入靶和水平段目标层的水平钻进难度较大,为避免在造斜及水平钻进过程中狗腿度过大,不利于下步生产施工,对钻具组合进行优化,通过对本区进行摩阻扭矩分析,简化钻具组合,以无磁承压钻代替钻铤减小井下风险,钻具组合采用:ϕ215.9 mm PDC钻头+ϕ171.45 mm导向单元(ASS)+ϕ171.45 mm随钻测量仪+ϕ127 mm无磁承压钻杆(NMCSDP)+ϕ127 mm钻杆(DP)。其优点在于该钻具组合不但适用于造斜段和水平段,而且减少了中途起钻更换钻具等环节。

2.3 实施方法

经过大庆齐家凹陷施工实验,总结出利用旋转地质导向预探致密油水平井的实施方法。具体应用步骤如下^[9]:

(1)根据邻井信息建立地层模型,优化钻具组合。

(2)由于旋转地质导向系统测井参数零长短的优势,钻进过程中,旋转地质导向系统可以根据方位伽马成像、多相电阻率等数据准确判断钻头所处位置。近钻头井斜零长仅1 m左右,精度很高,可以根据地层变化及时对井斜作出调整,确保在储集层中钻进。

(3)利用随钻测量数据与地震、测井、录井等资料相结合,在地质导向工程中能够实时进行轨迹调整,有利于提高储集层钻遇率。

(4)正常钻进过程中可以根据机械钻速、钻井参数的变化确定地层变化,及时制定下步方案并作出调整。

3 应用实例

松辽盆地北部齐家凹陷地区属于三角洲前缘相带沉积储集层,高三、高四油层组沉积时期离物源较远,储集层含泥较重,成岩作用导致储集层物性差,孔隙度小于12%,渗透率小于1 mD,薄互层发育,属于典型的致密油储集层。目的层(高三油层组)含油单砂体较薄,且埋藏深,不利于钻探靶点的准确着陆,同时目的层的地震响应特征在该区有一定的微弱变化,地层存在尖灭的可能性,入靶和水平段目标层的水平钻进难度较大,因此水平井追踪起来比较困难。为了提高钻遇率,在该区优选4口井并开展了旋转地质导向系统的应用。现以构造变化较大的某1井为例,介绍应用情况。

3.1 某1井概况

某1井设计目的层为高三油层组,预计层厚2~3 m,水平段长1 000 m,A靶点(斜深2 000 m)至B靶点(斜深2 300 m)地层下倾1°~1.5°,B靶点至C靶点(斜深2 500 m)地层由下倾2°逐渐变缓至0°,C靶点之后地层逐步变为上倾1.25°。

搜集邻井地震资料、测井数据及本井工程地质信息,利用建模软件建立某1井的地质导向模型。与邻井对比,本井目的层顶垂深为1 943.4 m,比设计垂深1 938.4 m滞后了5 m,原设计的轨迹需要向下平移。

3.2 入靶控制

本井旋转地质导向开始作业时的井深2 141 m,垂深1 942 m,井底近钻头井斜87°,未进入目的层。根据上部实钻资料与邻井进行小层对比分析,选取嫩二段底部黑褐色油页岩及青山口组上部发育比较稳定的黑色泥岩作为标志层,对斜深曲线、岩性、钻时、气测等资料进行深度校正对比分析,认为本井入靶斜深在2 157 m左右。经研究分析以87.12°稳斜钻进探油层顶部较为适合,在钻至斜深2 157 m处, 上下伽马出现分离特征,伽马成像显示进入砂岩地层。电阻率出现极化角,综合判断分析认为本井于斜深2 157 m(即A靶点)顺利着陆进入目的层,与对比预测的深度一致(图2)。

3.3 水平段地质导向

某1井在斜深2 157 m(即A靶点)顺利着陆进入目的层后,为让井轨迹进一步平行于储集层钻进,逐渐将井斜由87.12°增加到88.22°,避免从底部穿出目的层。在钻至斜深2 284 m(如图3 ①处)时,方位伽马出现靠近目的层顶部特征,浅电阻率由25 Ω·m缓慢增加至70 Ω·m,机械钻速由7 m/h降至4 m/h,录井气测显示变差,经分析判断认为钻头已经接近储集层顶部,于是将井斜从88.2°逐渐调整至86.94°,以防止钻头从储集层上部出层。在钻至斜深2 341 m时,认为井轨迹从上次调整后一直缓慢下切储集层,为让井轨迹进一步平行于储集层钻进,再次决定将井斜从86.94°逐渐调整至87.66°追踪高钻速,油气显示好的储集层。在斜深2 382 m,电阻率和伽马再次出现靠近目的层顶部趋势(构造趋于变陡,并没有预想的变缓),于是将井斜由87.66°调整至87.30°。上下伽马曲线从2 391 m开始,探测到地层的上界面(如图3 ②处),再次将角度逐渐调整至86.58°钻进。根据地震剖面资料,在C靶点(斜深2 541 m)地层倾角由下倾逐渐渐变为地层上倾。为了避免向下钻穿储集层及向上钻进中狗腿度过大,将井斜由86.58°逐渐上调至87.30°,当钻至斜深2 483 m时,钻速升至15 m/h,上下伽马开始反转,成像下切,显示向目的层中下切入更深,曲线特征显示,该层着陆以后未钻穿过。综合上述情况,判断地层仍是趋于水平,于是逐渐将井斜增至88.38°近水平钻进,下伽马曲线从2 495 m始,上伽升马曲线从2 500 m始,相继高至100 API,钻遇储集层底部趋势明显(图3 ③处)。在斜深2 535.35 m时钻遇泥岩,决定将井斜增加到90.9°, 钻进到2 557.33 m

上下伽马测到地层折返点,决定略降斜,进一步观察是否明显上切地层,最后调整轨迹一直保持在储集层的中下部穿行。

在整个过程中地质导向师根据现场资料及时与各方商讨,最后制定合理可行的技术措施,利用旋转地质导向工具较强的轨迹控制能力保证了本井的顺利完钻。

3.4 应用成果

某1井完钻井深3 100 m,水平段长950 m,油层钻遇率99.5%,试油获产量达到14.3 t/d的高产油流。某2井,钻遇水平段长1 230 m,油层钻遇率达100%。某3井完钻井深3 511 m,水平段长1 401 m,油层钻遇率100%。某22井完钻井深3 153 m,砂岩钻遇率100%,油层钻遇率97.1%。

本区块4口井在应用旋转地质导向技术的基础上,水平井钻探均取得了良好的效果。

4 结 论

(1)旋转地质导向系统可以根据方位伽马成像等数据准确判断钻头所处位置,精准计算地层倾角。

(2)利用随钻测量数据与地震、测井、录井等资料相结合,在地质导向工程中能够实时进行轨迹调整,有利于提高储集层钻遇率。

(3)采用旋转导向工具与使用马达滑动摆工具面的作业方式相比,钻井效率高,不需要滑动钻进,避免了托压问题。

(4)旋转导向实现全旋转钻进,井眼质量好,井筒没有局部大狗腿和台阶,更有利于井眼清洁,保证井身质量达到设计要求,对于减少井下复杂、钻井事故的发生以及顺利下套管(筛管、尾管)都起到了重要作用。

The authors have declared that no competing interests exist.

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参考文献

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