鉆具深度與測井深度誤差的成因探討

卿元華，李秀彬

（1.成都理工大學能源學院，四川成都610059；2.中國石油塔里木油田分公司，新疆庫爾勒841000；3.中國石油西部鉆探克拉瑪依錄井工程公司，新疆克拉瑪依834000）

鉆具深度與測井深度誤差的成因探討

卿元華1，2，李秀彬3

（1.成都理工大學能源學院，四川成都610059；2.中國石油塔里木油田分公司，新疆庫爾勒841000；3.中國石油西部鉆探克拉瑪依錄井工程公司，新疆克拉瑪依834000）

鉆具深度與測井深度誤差產生的原因較多，認清主因有利于確定準確的誤差值，并對深度進行校正以更接近地層真實值。結合塔里木油田鉆探案例以及其他油田的相關研究資料，分析了鉆具深度誤差由上部鉆具的伸長與下部鉆具的壓縮、鉆具隨井眼軌跡的彎曲、鉆具熱膨脹、鉆柱內外承壓差異等因素造成，測井深度誤差主要由電纜伸縮和測井速度不同導致。根據對塔里木油田測錄井資料的統計分析，總結了巖電誤差變化規律，通過對測錄井深度誤差的校正，可以有效指導巖性與油氣顯示歸位以及準確定位射孔層位等工作。

塔里木油田；鉆具深度；測井深度；巖電誤差；誤差校正

地層對比、巖性及油氣顯示歸位、定位射孔（試油）層位等過程中，鉆具深度與測井深度誤差（或稱巖電誤差）是一個必須考慮的因素，原因包括：（1）巖電誤差是評價測錄井資料質量的指標之一；（2）地層深度測定的準確性影響后續施工的質量，尤其是射孔層位的準確定位直接影響油井產能。塔里木油田鉆井以5000m以上的深井為主，因為巖電誤差有隨井深增加而增大的趨勢，有時可能出現巖電誤差異常高值的情況。通過分析鉆具、測井誤差的成因，弄清影響巖電誤差的主因，有助于糾正相關人員對巖電誤差認知誤區，并利用巖電誤差對深度進行校正，提高測錄井資料的質量，指導后續施工。

1　鉆具深度與巖性實際深度誤差

現場計算井深是以鉆具地面測量長度直接累加，巖屑錄井井深即以此為準，由于鉆具在井內受力及彎曲等導致鉆具深度與巖性實際深度誤差（圖1）。

圖1　鉆具深度與巖性深度誤差

1.1鉆柱的受力

鉆具上部拉伸，下部壓縮，且以拉伸為主。上部、下部鉆具由中和點分開，上部鉆具在泥漿中的重量等于吊卡或大鉤所懸掛的重量，下面一段在泥漿中的重量等于鉆壓，鉆壓已作用于井底［1］。實際鉆井中，中和點一般落在鉆鋌上，鉆井設計中鉆鋌總長一般在200m以內，故下部鉆具長度較短。以克深X井四開為例：

（1）8-1/2″PDC鉆頭+24根×7″鉆鋌（含1根隨鉆；累計長度226.26m）+14根×5″加重鉆桿（累計長度129.70m，單位重量72.03kg/m）+5″鉆桿（鉆具截面積3.403×10-1cm2，單位重量32.87kg/m），實鉆所加鉆壓3～13t，按最大鉆壓13t計算中和點位置，7″鉆鋌單位重量163.2kg/m，鋼材密度7.85g/cm3，鉆井液密度2.20g/cm3。浮力系數Kb=1-2.20/7.85=0.72，則中和點位置Lm= 130000/（1632×0.72）=110.63（m）。可見中和點位置較低，井內鉆具以拉伸為主。

（2）上部鉆具的伸長量：

②上文中的例子為自重理想情況下鉆具的伸長量，在外力單軸拉伸作用下，鉆具伸長系數（P為拉力；L為鉆桿長度；E為彈性模量；A為鉆具截面積）隨外力增加而增大，以5″鉆桿為例，伸長系數由10t拉力下的 0.0139933cm上升至 100t拉力下的0.139932553cm，增加了近9倍。至四開中完井深6655.78m，5″鉆桿累計長度6299.82m，5″鉆桿受鉆鋌、加重鉆桿的拉力P=［163.2×（226.26-110.63）+72.03× 129.70］×Kb=2.82×104（kg），則5″鉆桿伸長量2.5m；5″加重鉆桿鉆桿在外力單軸拉伸作用下的伸長量為0.03m。可知，鉆具結構不變，隨井深增加，上部鉆具伸長量增大。

由①、②計算出井內鉆具伸長量=6.1+3.0+0.03= 9.13（m），可見井內鉆具伸長量較大。

（3）下部鉆具的壓縮量。下部鉆柱受壓力達到一定臨界值時產生一次甚至多次彎曲，實際鉆井中的因為所用鉆壓的限制，一般很少出現3次及3次以上的多次彎曲。直井中，下部鉆柱彎矩由鉆柱受壓彎曲和離心力共同作用引起的，因此，下部鉆柱彎曲力矩較大，下部鉆柱彎曲半波長度小［2］。故鉆柱主要彎曲部分在中和點以下。

如圖2所示，O為中和點，軸向壓力P即鉆壓，鉆具原長l1，彎曲部分弦長l2，鉆具軸向縮短量Δl，7″鉆鋌一次彎曲臨界鉆壓Pc為6.2t，根據上述實例可計算出一次彎曲臨界鉆壓下中和點位置為52.76m，由于二次彎曲后，下部鉆具失穩而失去理想變化形狀，以下僅針對在鉆壓稍微超過臨界鉆壓的情況。鉆壓稍微超過臨界鉆壓時，下式成立：l2=Pc×l1/（2P-Pc）［1］，假設鉆壓超過臨界鉆壓2%，則P/Pc=1.02中和點下52.76m鉆具縮短量。由此可知，鉆壓超過臨界鉆壓使鉆具發生多次彎曲時，下部鉆具縮短量會進一步加大；實際鉆井中一般很少出現3次及3次以上的彎曲，加之下部鉆具一般小于200m，故下部鉆具縮短量有限。

圖2　下部鉆具軸向縮短

1.2鉆柱熱膨脹

鉆井現場是在地面直接丈量鉆具長度，然而，井中鉆柱承受溫度隨井深增加不斷而增大。唐海雄等（2010）以番禺5-8-1井（井深4423m，井底溫度168℃）測試管柱為例，指出溫度超過100℃以后，熱膨脹系數明顯增大，分析了高溫油井測試期間因溫度變化導致的測試管柱軸向伸縮變化，并計算出井筒溫度引起的測試管柱伸長量約為3m［3］。因此，熱膨脹導致的鉆具伸長是不可忽視的因素［4］。

1.3鉆柱內外承壓不同

鉆進期間，鉆井液循環造成鉆柱內外壓力不同，導致鉆具的延長或縮短，構成鉆柱實際長度變化的隨機因素之一。

2　測井深度誤差

2.1測井裝備系統誤差

電纜測井深度可準確標定和測量，因此，電纜測井可準確提供與深度相對應的相關地質數據［5］。測井深度精度依賴于對電纜的標定和校驗，測井電纜經標定和校驗可以消除測井裝備自身的系統誤差。

按一定周期（如3個月），或根據特殊情況，如：（1）測井作業中，誤差超過規定值，或電纜遭受嚴重阻卡（打結）后；（2）更換新電纜，以及更換或調整測井深度輪后，在標準井中，對測井電纜深度進行標定［6］。

在現場實際測井過程中，可采用如下方式對電纜深度誤差進行校驗：（1）利用套管鞋處測錄井深度誤差，表層套管、技術套管誤差值應分別不超過±0.5m、±1‰［6］；（2）將測井曲線與錄井巖屑剖面中的典型層段進行對比。利用上述兩種深度校驗得出的誤差值可以對測井深度進行現場校正。羅厚義、湯達禎（2013）針對中東某油田9-5/8″技術套管鞋的測井深度（3964.5m）與錄井深度（3951m）因深度編碼輪磨損過度導致差值較大（13.5m）的問題，對套管鞋以下裸眼測井曲線深度按13.5m校回，經射孔校深證實，套管鞋校深值與射孔校深值差值僅0.5m，說明了據套管鞋測錄井誤差值確定的校正量的實用性［7］。

2.2測井深度的隨機誤差

測井電纜的系統誤差可通過標定和校驗消除，但測井過程中仍存在多種其他因素造成的隨機誤差。

2.2.1測井電纜伸縮誤差

一般情況下，通過上提測井儀進行測井，在此過程中，由于：（1）電纜自重、儀器重量；（2）鉆井液粘附力；（3）井壁的不規則性、部分測井儀帶扶正器或推靠臂使電纜與井壁接觸產生摩擦力；（4）鉆井液橫向壓力將導致電纜的軸向伸長；（5）井內溫度使電纜受熱拉伸，由電纜熱膨脹系數和地溫梯度決定；（6）井況不佳使儀器遇卡等，實際電纜承受的拉力若不同于標定時提升電纜的拉力，產生拉伸誤差，其值主要取決于電纜的彈性拉伸系數［8］。在近垂直井中，電纜動態拉伸作用不明顯，誤差相對很小；但是在井斜角小于60°的定向斜井中，由于電纜內部應力的變化，使誤差相對較大［8-9］。通過編程設計出電纜拉伸校正程序，對上述幾種因素產生的拉伸誤差進行計算，可校正拉伸導致的深度誤差［9-12］。

而鉆井液浮力作用，以及特殊情況下，采用下放儀器進行測井（如生產測井、井況不良無法實現上提測井時），電纜則會縮短。

2.2.2測井速度不同產生的誤差

在實際的測井過程中，儀器井下移動的速度與地面電纜的移動速度不一致，引起深度點采樣誤差［14］；各種測井儀器對測井速度的要求不同，同時，實際測井速度與標定時上提或下放儀器速度不同，以及不同測井速度下儀器與井壁摩擦力不同使電纜伸縮量不同，從而產生深度誤差。可采用直接積分法和卡爾曼濾波法等對速度誤差進行校正［10，12］。

3　鉆具深度與測井深度誤差的成因

盡管測井隨機誤差影響因素多樣且很難準確校正，但現代數控測井儀中已采取了一些相應的深度校正措施以及測井資料后期處理對測井深度的校正［14］，同時因為電纜較細，受井眼彎曲的影響小，測井深度誤差相對較小，可以說其比鉆具深度更接近地層真實值。據R.戴斯布朗德（1987），在垂直井眼中，現代測井深度誤差為±0.15%，即3000m誤差1m；在斜度較大的定向井、溫度較高以及井況較差的井中，測量誤差會增大［15］。綜上所述，測井深度相對鉆具深度而言較準確，與實際巖性深度更接近，因此，塔里木油田所屬井的巖性歸位、試油（射孔）層段等資料的深度均采用測井深度，從而導致測錄井深度誤差（或稱巖電誤差，測錄井誤差=測井深度-錄井深度）。

4　不同井段（井深）巖電誤差不同的成因

由于井身結構和地層條件的變化，導致不同井段使用不同的鉆具組合以及不同的鉆井液密度，鉆具結構和鉆井液密度的變化使鉆具重量與伸長系數發生改變。此外，井筒介質、井眼規則程度等也隨井身結構和地層條件變化，使不同井次測井深度誤差值產生變化。然而，電纜測井時電纜拉伸變化很小，可認為每次測井采用的是同一根電纜，從而導致不同井段測錄井深度誤差不同；同理，上述條件的改變導致相同鉆具長度不能代表相同井深，鉆具伸長系數突變產生的差值與原有深度誤差疊加可能致使測錄井深度誤差隨井深增加而增大。

井身結構的變化導致的誤差疊加導致測錄井深度誤差突然變大，稱為測錄井深度誤差異常［16］。誤差疊加造成的測錄井深度誤差異常多發生于深度大于5000m、需使用不同規格鉆具組合（如5″+3-1/2″或5″+ 4″鉆具組合）的井。塔里木油田部分井出現測錄井深度誤差異常，如塘參1井、輪南1井等測錄井深度誤差的絕對值大于10m，誤差值接近或大于一個單根的長度。可根據套管附件（阻流環、套管鞋）下入深度與新鉆具組合鉆遇該附件的鉆具深度差值，對新鉆具長度進行一定的校正，從而可消除測錄井深度誤差異常。

此外，套管丈量錯誤也會產生類似于“測錄井深度誤差異常”的情況。此時，應復查套管原始記錄。如塔里木油田玉中Y井測7″四開技術尾管固井質量后，計算的測井與套管下入深度誤差約為-77m，經復查核對，丈量7″套管發生錯誤，下入的77根套管每根丈量長度比實際長1m，導致套管未按設計下到位。

根據所掌握的塔里木油田前陸區和臺盆區近100口井（井深范圍為4050～7100m）的錄井、鉆井取芯、測井資料統計結果，表明：（1）巖電誤差隨井深增加而增大，5000m以上最大誤差值為+8m；（2）多數情況下巖電誤差為正（正、負誤差的比例為7∶3），誤差值多在為+1～+6m之間，所以鉆具伸長比鉆具壓縮與彎曲對巖屑錄井的影響大。

5　測錄井深度誤差校正的應用

利用測錄井深度誤差校正，可對巖性、油氣顯示歸位以及準確定位試油（射孔）層位等。

塔里木油田英買35XC井完鉆井深6570m（錄井深度），為套管完井，5″尾管下深6529.47m（錄井深度），試油討論時確定的人工井底6500m（測井深度），對井段6351～6385m（測井深度）進行射孔測試。該側鉆井裸眼段傳輸測井的巖電誤差為-2m，根據試油要求，則人工井底鉆具深度應為6502m，5″套管鞋與人工井底間的水泥塞高度為27.47m，為防止鉆塞時多鉆水泥塞使水泥塞高度不足，決定對該井進行過鉆桿電纜測井校深，測井項目包括自然伽馬、磁性定位，校深短節B的錄井與電測深度分別為5171.87m、5176.7m，測錄井深度誤差為+4.83m，據此誤差值鉆塞至井深6495.17m（錄井井深）/6500m（測井井深）。如果直接用裸眼傳輸測井的巖電誤差，鉆人工井底至6502m，可能導致5″套管與人工井底間的水泥塞高度減少6.83m而無法承壓或下沉，對后期射孔測試施工等造成不利影響。

射孔的準確度直接影響著試油效果及后期產能，電纜傳輸射孔一般允許誤差為±0.1m，因此，需要在射孔作業前，利用確定射孔位置的完井測井綜合圖與放—磁測井圖進行典型層段對比并計算校正值，根據校正值和標準套管接箍深度確定電纜上提（或下放）值［17-18］。

6　結論

（1）錄井深度誤差是上部鉆具的伸長與下部鉆具的壓縮、鉆具隨井眼軌跡的彎曲、鉆具熱膨脹、鉆柱內外承壓差異綜合作用的結果。

（2）測井深度誤差包括系統誤差與隨機誤差。系統誤差可通過標定和校驗消除，隨機誤差可通過設計相應的軟件程序予以部分消除。

（3）與鉆具深度相比，測井深度精度更高，更接近地層真實深度，因此，許多鉆探資料采用測井深度作為標準深度，測錄井深度誤差由此生成。

（4）因井身結構的變化，在不同井段（井次、井深）中，使用不同的鉆具組合、鉆井液密度，導致鉆具伸長系數突變與原有深度誤差疊加而可能出現測錄井深度誤差異常。

（5）通過錄井、測井資料統計分析，進一步認識到：①巖電誤差隨井深增加而增大；②井中鉆具以伸長為主，是多數情況下巖電誤差為正的原因，鉆柱彎曲、下部鉆具的壓縮占優時，巖電誤差一般為負。

（6）測錄井深度誤差校正可用于錄井巖性歸位以及準確定位試油（射孔）層位等。

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TE272

A

1004-5716（2016）06-0025-04

2015-05-28

2015-05-28

卿元華（1983-），男（漢族），四川安岳人，工程師，現從事地質勘探管理工作。