旋转导向系统再深层页岩有水平井的应用

旋转导向系统再深层页岩有水平井的应用
摘要：在全世界范围之内，页岩油非常规油气资源开发的重要领域，水平井是页岩油勘探与开发采用的主要技术之一。

为解决钻井过程中轨迹控制、高压、近距离防碰、托压以及目的层段无任何实钻和测试参考资料等问题，根据方位伽马探测原理，建立了三地层数学模型，结合随钻测井曲线提出了“标志层地层倾角计算方法”并推导出相关公式。

采用了旋转导向钻井系统与地质导向技术相结合对井眼轨迹进行控制，现场应用结果表明，应用旋转导向钻井系统可实时监测井底环空压力、提高机械钻速、实现自动导向控制和地层评价、通过标志层地层倾角提前预测目的层“着陆”点井斜及钻头到边界的距离，使井眼轨迹光滑并精准中靶，优化了井身结构并完善了地质导向模型，对后期页岩油开发提供了新的参考资料和策略。

关键词：旋转导向系统；再深层页岩有水平井；应用
引言
旋转导向系统代表着石油钻井仪器的最高水平，尤其适用于高难度井，它对于提升钻井质量和钻井速度都有显著效果。

目前成熟的产品有斯伦贝谢的PowerDrive，贝克休斯的AutoTrak，以及哈里伯顿的GeoPilot等系列产品。

国内目前没有成熟产品，都属于研制阶段。

旋转导向系统按导向方式可分为两大类:推靠式、指向式。

国内对推靠式的研究居多。

推靠式旋转导向系统的工作原理是调节钻井仪器上液压装置的推力，从而给钻头提供侧向力，控制钻头往设定的方向钻进，达到调整井斜角和方位角并控制井眼轨迹的目的。

1旋转导向钻井工具系统的信息传输原理
第一，在完成地面控制命令之后，进行数据资源的向下传输，保证井下信息接受的准确性；第二，信号下传系统不会影响钻井的正常工作；第三，系统在运用中具有较高的准确性、稳定性。

在钻井作业的使用中，使用传统的通讯方法难以适用钻井环境。

在钻井系统信号下传方法比较中，不同方法存在着优劣势的差异性，具体如下：在旋转导向钻井系统使用过程中，需要向地面发送控制指令，在以往信息传输的过程中，存在着数据量相对较小，而且，通讯速度要求不严格等问题。

在旋转导向钻井系统使用中，需要考虑系统运用的可靠性、经济性等技术操作特点，实现钻井液脉冲信号下传方法的科学运用。

2旋转导向系统再深层页岩有水平井的应用
2.1地质环境特点与钻井工程
某井区夹持在小集断层与小集南断层之间，为西高东低的断块构造，地层东倾。

目的层孔二段为深灰、黑灰色泥岩夹浅灰色粉细砂岩，细粒长英沉积岩及白云岩薄互层构成，烃源岩发育优质，是主要生油凹陷主体。

利于孔二段自生自储形成页岩油。

主体区，Ek21发育70～80m细粒沉积岩，分布稳定，具备较好的储集性能，储集空间以晶间孔、页理缝为主，其次为粒间(内)溶蚀孔、构造微裂缝、生物体腔孔等，脆性矿物含量高达90%以上，利于后期压裂改造。

2.2具体应用
为精确控制井眼轨迹，一开、二开使用MWD+马达组合，使得上直段井斜控制在2°以内，井深2950～3085m，井斜控制1．5°以内，从3085m开始造斜。

基于上述施工难度，三开从3080～5465m使用旋转导向工具，见表1。

轨迹控制分为造斜段和水平段。

表1 全井使用工具及参数
2.2.1造斜段
(1)方位调整段。

增斜降方位模式，钻进井段3080～3153m。

初始参数:井深3085m，井斜角1．2°，方位角178．24°。

钻进至3153m，井斜角4．4°，方位角90．35°将方位调整至设计方位90．87°。

(2)增斜段。

采用增斜模式，钻进井段3153～3431m。

钻进至3431m，井斜角28．17°，方位角93．22°。

(3)稳斜段。

采用稳斜模式，钻进井段3431～3529m。

钻进至3529m，井斜角29．86°，方位角90．69°。

(4)增斜段。

采用增斜模式，钻进井段3529～4257m。

钻进至4257m，井斜角89．62°，方位角91．28°。

一趟钻井斜角从0°～89．62°完成“着陆”，进尺1177m，纯钻时间110h，平均机械钻速10．7m/h。

2.2.2水平段
水平段轨迹控制主要通过近钻头井斜、电阻率、方位伽马曲线及成像来实时监测钻头在目的层的相对位置。

依据地震资料显示，在目的层上面有两个页岩夹层(3920～3940m)作为“着陆”的标志层(图1)。

从图1可以看出实时方位伽马曲线幅值变化突出、机械钻速降低、电阻率及伽马成像在两个标志层边界都出现响应，其中低高边伽马分别在井深3940～3942．5m幅值下降，低边伽马曲线和成像图首先下降，按照方位伽马探测原理说明此时钻头钻进方向沿标志层底部穿出。

图1 标志层实时测井曲线
将ΔX=2．5m，INC=79°，D=0．2159m，代入式(1)得到地层倾角α=6．08°。

即目的层“着陆”时井斜角须增至85．08°，设计“着陆”点井深4003．75m，井斜角为85．47°，两者相差0．39°。

利用标志层计算地层倾角确定目的层实际地层倾角的方法，提前61m计算出“着陆”点的井斜角。

避免了因无法确定目的层顶界不断调整井斜角而导致轨迹不平滑和钻进无效井段。

为提高目的层的钻遇率，需要监控实时测井曲线，通过测井曲线对地层的响应来判断钻头在目的层中的相对位置。

从井深4900m以上高低边伽马曲线幅值交替出现，浅电阻率曲线受到围岩影响幅值异常，推测正在钻遇上下薄层围岩的层位或岩性不纯的夹层。

岩屑录井信息与推测结论相一致，在井深4864～4868m，井斜角81．23°。

将ΔX=4m，INC=81．23°，D=0．2159m，L1=1．75m，
D1=0．3m，代入式(1)得到:地层倾角α=5．67°，沿钻进方向钻头到边界的距离
L2=3．8m，钻头到顶界的垂直距离D2=0．21m。

计算结果显示如果继续以当前井斜角(其中设计井斜角81．43°)钻进4m即可进入目的层。

钻进至井深4880m时电阻率曲线仍然异常，说明地层上倾并未进入纯页岩。

按照计算所得地层倾角对井眼轨迹做出调整，钻进至井深4900m电阻率曲线恢复正常，高低边伽马仍然异常波动，继续钻进至井深4925m井斜角86．9°完全进入目的层。

从以上轨迹调整过程说明:利用近钻头井斜、电阻率、方位伽马能实时监测钻头在地层的位置、提高目的层钻遇率、优化井身结构、更新地质导向模型。

2.3机械钻速效果
采用常规的MWD+马达在大位移或长裸眼段钻进时受托压因素影响，机械钻速降低。

当滑动钻进时工具面难以调整，影响整个钻井周期。

采用旋转导向钻井系统可有效克服来自钻柱承受的摩阻扭矩而提高钻速。

现场应用旋转导向系统平均钻速比使用马达的速度高2～3倍，且从现场施工中发现各邻井在滑动钻进时平均钻速小于2m/h。

结语
通过实时测井曲线与三地层数学模型及相应公式相结合计算出标志层地层倾角，提前61m预测出目的层“着陆”点井斜角，与设计井斜角相差0．39°。

对水平井目的层精准确定“着陆”点提供一种新的方法与依据。

利用近钻头井斜、方位伽马等地质导向功能使水平段钻遇率100%，但是，页岩油水平井随钻测井解释及储层岩性变化复杂层段的基线确定问题仍需更深的研究。

参考文献
［1］王植锐，王俊良．国外旋转导向技术的发展及国内现状［J］．钻采工艺，2018，41(2):37－41．
［2］陈勉，葛洪魁，赵金洲，等．页岩油气高效开发的关键基础理论与挑战［J］．石油钻探技术，2015，43(5):7－14．
［3］张宏哲．页岩油储层参数测井评价方法研究［D］．武汉:长江大学，2015．。