旋轉(zhuǎn)導向技術(shù)在涪陵頁巖氣開發(fā)中的適用性研究

陳振海

摘要：涪陵頁巖氣是鉆探過程中由于油藏特點和環(huán)境影響，鉆探投資大、鉆井周期長、提速困難。在頁巖氣非常規(guī)油氣開發(fā)過程中，為了更好地加強對井眼軌跡的控制，加強旋轉(zhuǎn)導向技術(shù)的應用，對于促進地層參數(shù)和工程參數(shù)的測量，以及定向井眼軌跡的測控以及信號脈沖反饋和收發(fā)等方面的作用較為明顯。因此本文總結(jié)了旋轉(zhuǎn)導向技術(shù)在涪陵頁巖氣鉆探在使用過程中存在難點，分析了該技術(shù)使用前景，對旋轉(zhuǎn)導向技術(shù)的發(fā)展和應用具有指導作用。

關(guān)鍵詞：涪陵頁巖氣;旋轉(zhuǎn)導向技術(shù);鉆井提速

1 涪陵頁巖氣鉆井技術(shù)難點分析

涪陵頁巖氣田鉆遇地層復雜，主要目的層為龍馬溪組和五峰組，成巖年代古老，巖石堅硬，地層復雜多變，給鉆井提速、井眼軌跡控制、固井質(zhì)量等都帶來諸多麻煩，鉆井過程中主要存在以下技術(shù)難點[2-3]。

1.1 井區(qū)地表環(huán)境復雜，前期勘探鉆井投資大

涪陵地區(qū)地面屬典型的喀斯特地貌，經(jīng)過多年的溶蝕和風化，地表地面裂縫發(fā)育，地下溶洞及暗河分布，給鉆井工程實施帶來巨大的施工困難，設備搬運、擺放、交通、物資輸送等都耗子巨大。

1.2 地層多樣化，鉆井工藝復雜

涪陵頁巖氣藏地質(zhì)年代古老，多期構(gòu)造運動形成，給鉆井帶來諸多麻煩：a）淺層喀斯特地貌，地層極易垮塌，鉆井漏失嚴重;b）二疊系時裂縫氣發(fā)育，噴漏同層，含H2S，存在中毒風險;c）志留系地層鉆探時井壁穩(wěn)定性差，鉆井情況復雜多變;d）龍馬溪組頁巖儲層水平段鉆井時，井眼軌跡控制難度大;e）鉆遇夾層多樣，巖石硬度大，跳鉆嚴重，鉆井提速困難。

1.3 井眼軌跡控制難，施工風險高

涪陵頁巖氣田主要采用叢式水平井開發(fā)，具有偏移距大（一般為300m）、靶前距大（一般為800m）、水平段長（一般為1500m）等特點，摩阻扭矩大，三維井眼軌跡控制難度大[3]。

1.4 深層頁巖氣藏高溫高壓，鉆機故障率高

深層高溫高壓造成旋轉(zhuǎn)導向和近鉆頭儀器故障率升高，影響鉆井效率。地層溫度和壓力高，鉆井液密度高，造成旋轉(zhuǎn)導向或近鉆頭測量儀器故障率升高。據(jù)統(tǒng)計，涪陵地區(qū)17口深層頁巖氣井中10口井發(fā)生了近鉆頭儀器故障23次。威榮地區(qū)6口井發(fā)生了旋轉(zhuǎn)導向儀器失效15次[3-4]。

2 旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術(shù)發(fā)展背景

為了滿足不同油藏在開發(fā)過程中的需求，國外在多分支井鉆井技術(shù)上實現(xiàn)了系列化和標準化。并且降低了勘探開發(fā)成本及提高采收率。多分支井根據(jù)國際上不同的程度及結(jié)構(gòu)被分為6個等級。目前其中6級分支井技術(shù)以其壓力完整性、液力封隔性和可選擇性再進入的特點等廣泛應用于美國煤層氣的開采。鉆井的井眼軌跡隨著近年來向深部、復雜地層勘探的發(fā)展，以及非常規(guī)油氣的開發(fā)比如低滲油藏、頁巖氣、煤層氣等被提出了很多新的要求，尤其是大位移鉆井、水平井、薄油層鉆水平井、水平分支井技術(shù)等。越來越復雜的井眼軌跡要求被提出來了希望獲得更大的產(chǎn)能，暴露更多的儲層，為了提高鉆井效率、降低昂貴的鉆井成本和減少鉆井井下作業(yè)的各種風險，旋轉(zhuǎn)導向技術(shù)在鉆井行業(yè)應運而生[4]。

與傳統(tǒng)技術(shù)相比，在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下實現(xiàn)井眼軌跡的實時導向是首先在近海鉆井得到了廣泛應用的旋轉(zhuǎn)導向技術(shù)突出的優(yōu)點。這種旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下實現(xiàn)井眼軌跡的實時導向帶來的好處主要有兩方面：（1）在所受的摩阻和扭矩方面，傳統(tǒng)的滑動導向方式遠大于旋轉(zhuǎn)導向方式下的鉆柱所受到的，也正是因為這樣，在同樣條件下大大提高了鉆機作業(yè)的能力，也大大增加了鉆機所能實現(xiàn)的大位移井的極限延伸能力;（2）因為旋轉(zhuǎn)導向方式下井眼清晰狀況的改善使鉆井技術(shù)得到了有效的保證，也保障了鉆井過程的安全性，尤其是在遇到復雜地層時。自旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術(shù)誕生以來，強大的生命力越來越被顯示出來，因而得到了廣泛的應用和推廣。

3旋轉(zhuǎn)導向鉆井工作原理及系統(tǒng)組成

3.1旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)工作原理

導向裝置是旋轉(zhuǎn)導向鉆具組合的重要部分，根據(jù)給定工具面和給定動力進行導向鉆進，并且通過下傳的指令可以隨時重新定位，既可以造斜也可以穩(wěn)斜。傳感器模塊包括伽馬射線和多頻電阻率，主要提供鉆井過程所需的基本參數(shù)，一般還安裝有用來計算井眼方位角磁通量計。渦輪發(fā)電裝置和正壓脈沖發(fā)生器作為雙向通訊和動力模塊主要部件，隨鉆測量工具提供的電源動力和導向裝置是他們主要負責的，而且也提供了渠道用于下傳指令和上傳測量數(shù)據(jù)。有效提高機械鉆速同時還可以減少套管和鉆具的磨損是使用模塊馬達的優(yōu)點。

3.2旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)組成

井下旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)和隨鉆測量系統(tǒng)是組成旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)的三部分。

不同的部門功能不同，導向裝置、無磁模塊穩(wěn)定器、雙向通訊模塊、動力模塊等井下工具是組成井下旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具系統(tǒng)的核心部件。旋轉(zhuǎn)（地質(zhì)）導向二維建模、底部鉆具組合受力分析、定向井水平井剖面設計或修正設計是地面監(jiān)控系統(tǒng)的功能，監(jiān)控旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)的定向鉆井情況是地面監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能。感知鉆井過程中鉆頭的環(huán)境是隨鉆測量系統(tǒng)的主要目的。各種傳感器是實現(xiàn)感知鉆井過程中鉆頭環(huán)境的主要途徑，傳感器模塊、優(yōu)化旋轉(zhuǎn)密度儀和動態(tài)與壓力模塊等隨鉆地質(zhì)特性和鉆具特性測量工具包含在其中。

總的來說，導向裝置、傳感器模塊、雙向通訊和動力模塊、模塊馬達以及其他配套工具是旋轉(zhuǎn)導向鉆具組合的主要組成部分。

4旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術(shù)在涪陵頁巖氣開發(fā)應用前景

（1）旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術(shù)在國內(nèi)頁巖氣等非常規(guī)油氣開發(fā)中得到了一定應用，前期在涪陵焦石壩工區(qū)實踐表明對于復雜工藝井，具有提高定向鉆井效率的作用。

（2）旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術(shù)防斜、穩(wěn)斜能力較強，且穩(wěn)定性好，特別適合涪陵地區(qū)頁巖氣開發(fā)需求，該技術(shù)適合上部防斜要求難度高的地層，下部在長井段穩(wěn)斜及長水平段延伸鉆井中具有明顯優(yōu)勢。

（3）旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術(shù)能更加精確高效地進行工程和地質(zhì)導向，對于涪陵叢式井“井工廠”開發(fā)模式中水平井開發(fā)中地層的不確定因素較多，旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術(shù)可隨時調(diào)整定向施工方案，使軌跡控制更加主動，相比常規(guī)定向調(diào)整方位更加快捷，能夠鉆出更加平滑的水平段井眼，為后續(xù)鉆井、壓裂、試氣施工創(chuàng)造良好井眼條件。

（4）常規(guī)鉆井技術(shù)對于超深井、大位移井、叢式水平井等高難度復雜定向井的高效開發(fā)具有局限性，存在著造斜能力偏低、作業(yè)成本高等問題。高造斜率旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具除具有普通旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具的起下鉆次數(shù)少、機械鉆速高、鉆井作業(yè)效率高、井眼軌跡控制精確等的優(yōu)勢外，還具有造斜能力強、造斜率可控范圍寬、造斜點可以較深等明顯特征。

（5）目前，旋轉(zhuǎn)導向核心技術(shù)主要被國外公司掌握，技術(shù)服務費用較高，涪陵頁巖氣開發(fā)中主要使用的是以哈里伯頓為主，國產(chǎn)化應用受到限制，采用國外公司與國內(nèi)廠家聯(lián)合組裝配套、維修保養(yǎng)的方式，可以降低使用費用，加快推進國產(chǎn)化進程，實現(xiàn)該項技術(shù)在國內(nèi)的推廣應用。

參考文獻：

[1]宋保健，孫凱，樂守群等.涪陵頁巖氣田鉆井提速難點與對策分析[J].鉆采工藝，2019，42（04）：9-12+6.

[2]張文澤，夏宏南，白凱等.旋轉(zhuǎn)導向技術(shù)在焦石壩地區(qū)的應用與分析[J].長江大學學報（自科版），2016，13（17）：54-57+6.

[3]游云武.涪陵焦石壩頁巖氣水平井高效鉆井集成技術(shù)[J].鉆采工藝，2015，38（05）：15-18+6.

[4]李增科，趙哲.旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術(shù)的應用及探討[J].江漢石油職工大學學報，2015，28（02）：25-27.