連續管近鉆頭地質導向鉆井技術
時間：2018-10-09 16:12
來源：
作者: 胡大梁
在上游業務投資收緊或削減的情況下，如何提高油氣井單井產量顯得尤為重要，這其中起到決定性作用的是優質儲層的鉆遇率。目前常用的技術手段主要是依靠地震數據、儲層物性等參數通過數值模擬確定合理的井位、井型、儲層穿越長度；其次是利用地質導向技術根據鉆遇儲層情況實時調整井眼軌跡，有利于提高儲層鉆遇 率。Antech 公 司 在 2018 美 國SPE 連續管和修井技術年會正式發布 RockSense 連續管高分辨率地質導向系統，可以實時提供鉆頭處的地層數據信息，解決了傳統工具的信息滯后問題。
數值模擬及其局限性
油藏數值模擬是根據油氣藏地質及開發實際情況，通過建立描述油氣藏中流體滲流規律的數學模型，并利用計算機求得數值解來研究其運動變化規律，其實質就是利用數學、地質、物理、計算機等理論方法對實際油藏的復制，其基礎理論是基于達西滲流定律。地震資料是井位部署的重要依據，但是對于儲層深度的評估和判斷仍然會有誤差存在，這在一定程度上可以通過將地震解釋資料與鄰井實鉆地層結合起來進行修正，但是對于儲層頂部深度仍存在一定不確定性。圖 1a 顯示了僅僅依靠數值模擬可能帶來的儲層鉆遇偏差問題，根據數值模擬結果，可以確定儲層深度、傾角，然后據此設計開窗側鉆點、造斜率和著陸角度，從而確定合理的井眼軌道數據。
隨著鉆井技術的進步，可以在鉆井過程中向地面實時提供井斜和方位數據，從而模擬鉆頭在儲層三維空間的穿行狀態。因此，在原始的地震數據之外，還需要精確的地質導向數據，從而使作業者具有實時調整軌跡的能力。但如果儲層厚度較薄，可能會由于儲層深度的偏差，造成著陸位置提前，導致實鉆軌跡在儲層以上或以下，從而錯過優質儲層，造成產量不理想，如圖1b 所示。
地質導向優勢及存在的問題地質導向鉆井技術是一項集定向測量、導向工具、地質參數測量、隨鉆解釋等一體化的測量控制技術，其特點在于把鉆井技術、測井技術和油氣藏工程融合為一體，被廣泛應用于薄油藏、復雜油氣藏的勘探開發中。
常規的地層識別時需要地面人員配合做好巖屑錄井工作，巖屑經振動篩返出后，需要進行相關的光學、化學、光譜或電子分析，但由于巖屑從井底返出至地面需要一段時間，因此巖性的識別具有一定延遲， 導致鉆頭繼續鉆進了一段距離。另一個缺點是分辨率較低，巖屑在井筒內運移上返過程中，由于鉆井液、泥餅等作用，可能導致巖屑識別產生誤差。
地質導向系統能夠根據實鉆地層屬性實時調整井眼軌道，相比數值模擬有了巨大進步，但仍存在一些局限性，由于測量傳感器與鉆頭之間存在較長的測量盲區，造成地質參數滯后，尤其在多夾層或儲層較薄的情況下，由于沒有合適的標記來區分不同的層系，可能會造成儲層鉆遇率下降。如圖 2 左所示，傳 統 的 傳 感 器 距 離 鉆 頭 35ft， 當傳感器識別出儲層時，鉆頭已鉆過35ft，可能已錯過優質儲層，從而導致軌跡頻繁調整，影響井眼軌跡的平滑度，給后續的下套管、投產等作業造成不利影響。如果傳感器安裝在鉆頭位置，則可以避免數據的滯后，新型的連續油管地質導向系統就具有此功能。
帶近鉆頭傳感器的連續管鉆井系統
目前的 LWD 隨鉆測井工具能夠精確識別儲層的伽馬曲線特征、電阻率、密度和孔隙度，工具上的傳感器技術成熟可靠，能夠有效識別地層，但缺點是安裝位置距離鉆頭較遠，因為從鉆頭開始，安裝的工具依次是動力馬達、MWD 短節，然后才是 LWD 工具。在一些小井眼施工中，儲層評價傳感器距離鉆頭一般達到 25 英尺，降低了儲層識別評價的準確度和及時性。AnTech公司新研發的 RockSense 系統克服了這些問題，與 LWD 系統相比，具有成本更低、精度更高的優勢。
鉆進就是通過鉆頭破巖實現進尺的過程，鉆速取決于巖石破碎的速度和體積， 對于同類巖性的地層，膠結疏松的巖石破巖速度要顯著高于膠結致密的巖石。與此相似，對于相同孔隙度，不同材質的巖石，由于晶粒間鍵合機理的差別，導致破巖能量不同。對于大部分巖石，可以通過實驗確定孔隙度與晶粒鍵合力的關系。在最理想的狀態下，馬達的能量 100% 傳遞到鉆頭處用于破巖，實際工作中，由于馬達自身能量損失，鉆頭振動、切削齒升溫等，都需要消耗能量，使得能量的傳遞效率不可能達到 100%。在分析前，需要做出兩個假設，首先假設馬達性能完全掌握，可以預測不同工況下的馬達工作效率。可以通過修改馬達能量的初始設定值，提供更準確的測量方法；其次假設掌握了鉆頭和 BHA 組合在井底的工作狀態。目前最新的連續油管鉆井工具，通過在鉆頭處安裝扭矩 -鉆壓傳感器，這兩條假設都可以實現。根據測量的數據結果，建立輸出能量與破巖體積（井眼尺寸 × 進尺）之間的關系，然后轉換為每米進尺消耗的破巖能量。
當井下動力馬達驅動鉆頭轉動破巖時，可以通過測量馬達輸出能量，判斷鉆進的巖性。如果是電動馬達，可以通過測量電壓和電流計算出瞬時能量。對于容積式馬達，測量方式要復雜些，通過假定馬達的主要工作參數，然后根據流量和壓降，綜合判斷馬達工作情況。計算出馬達的輸出能量后，就可以根據進尺計算每米消耗的能量，結合鉆遇地層巖性，得到不同地層對應的破巖能量。
連續管近鉆頭地質導向技術現場應用
目 前 最 新 型 的 RockSense 連續管鉆井系統可以解決此類問題，該系統不需要新的硬件和輔助設備， 不 會 額 外 增 加 鉆 具 組 合 的 長度，而且傳感器安裝在鉆頭處，而不是鉆頭后十幾米的位置，在鉆進過程中能夠實時獲取井下真實的鉆壓和扭矩數據。連續管鉆井技術在北美的一口井進行現場應用，該地區以前未施工過水平井，應用連續管的目的是提高儲層鉆遇率，增大儲層暴露面積。研究人員應用三維地震數據對儲層進行了前期評價，識別出地下可能存在隆起，設計井軌道要求在儲層頂部以下 15ft 左右的位置穿越，油水界面在儲層頂部以下 40ft，通過控制井斜追蹤儲層，避免進入水層。鉆頭處安裝了伽馬曲線傳感器，由于儲層深度是根據地震數據計算，因此可能存在誤差。前期的數據處理結果表明，RockSense 測井曲線和中子孔隙度測井曲線具有較高的可信度。現場實施時，可以看到新井段的實鉆軌跡與原始數據較為吻合，從圖形能夠看出地層變化的影響，利用這些數據可以實時跟蹤鉆頭在儲層的穿越軌跡，并及時調整。地面錄井人員利用返出巖屑判斷是否進入儲層，結合 RockSense 測井曲線作出定向軌跡調整決策。
綜上所述，RockSense 近鉆頭地質導向系統可以為作業者提供有價值的實時儲層信息，為儲層段的軌跡控制提供更加精確的參考依據。連續管鉆井時，可以通過電纜向地面提供高精度數據，識別出儲層孔隙度等物性特征的變化，判斷儲層的頂部和邊界條件。地面的定向井技術團隊可以據此判斷鉆頭在儲層的穿行情況，及時作出調整，最大限度的提高儲層鉆遇率，通過提高產量，達到經濟開發的目標。
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