頁巖油原位開發小井間距水平井鉆井模擬實驗初探

車 陽，喬 磊，林盛杰，朱曉雨,2,杜衛強, 王開龍

1中國石油集團工程技術研究院有限公司 2東北石油大學

0 引言

頁巖油原位開發是通過人工加熱地下低熟頁巖油儲層，在原位將內部的固體干酪根裂解成油氣，再通過一定的工藝開采到地面的方法，又被稱為“地下煉廠”，是一種環保、經濟的頁巖油開發的模式[1]。中國頁巖油原位轉化潛力巨大，技術可采儲量石油產量約700×108～900×108t，天然氣產量約60×1012～65×1012m3[2]。

頁巖油原位開發技術可追溯到1940年，瑞典提出并發明了電熱原位開采法[3]。自20世紀80年代開始，隨著世界原油價格的快速上升，這項技術得到了快速的發展，跨國石油公司如殼牌、埃克森美孚、雪弗龍等都進行了相關技術研發和現場試驗[4]。我國在這項技術上的研究起步于2005年，太原理工大學、吉林大學、吉林眾誠油頁巖公司、中國石油集團等單位提出了不同類型的原位開發技術，在吉林省的扶余市和農安縣成功從地下原位采出了少量頁巖油[2]。目前在原位開發技術中，以殼牌ICP(In-situ Conversion Process)技術最為成熟，采收率可達到60%以上[5]。ICP技術先在地層中完成加熱井和生產井鉆完井施工，然后采用小井間距井下電加熱器循序均勻地將地層通過傳導方式加熱到頁巖油裂解溫度，過程易于控制[6]。

研究表明，采用六邊形井網原位開發頁巖油可以降低熱損耗、提高投入產出比[7]。殼牌在美國和約旦前后兩次先導試驗都采用了正六邊形垂直井網，由1口生產井、6～7口加熱井和若干口監測井構成一個“地下煉廠”單元，加熱井與生產井的井間距為7 m左右，大約兩年時間加熱到350 ℃生烴[8]，如圖1所示。但這種通過縮小井間距使頁巖油更快達到生烴溫度的模式會增加鉆井成本[9]。

圖1 ICP先導試驗區的正六邊形井網圖

與北美地區相比，我國低熟頁巖油埋藏深、儲層薄(20～30 m)、非均質性強、含油率低[10]。由于熱場的影響范圍在10 m以內，采用小井間距長距離水平井井網模式開發是最有利的一種方式。同時為了維持穩定的加熱速率和加熱腔，理想的加熱井與生產井的井距為6～10 m，井眼軌跡控制誤差率在5%以內。

1 小井間距鉆井技術現狀

國際上，主要通過磁信號間距手段實施小井間距為主，最小誤差為2%。它是通過探測參考井的磁信號來探測兩井相對位置，可通過人工磁源、激勵電流等主動生磁方式和目標井套管等被動靜磁的方式產生磁信號，分為主動、被動兩類[11]。

1.1 主動磁測距技術

主動磁測距的關鍵是在參考井中產生可以主動控制頻率和強度的人工感應磁場，在另一口井中探測磁信號，主動磁測距不受地磁場的干擾，需要與參考井直接或間接的接觸[11]。

主動磁測距技術包括MGT(Magnetic Guidance Tool)、RMRS(Rotating Magnet Ranging Service)、SWG(Single Wire Guidance)、WT(Wellspot Tool)等系統。上述系統廣泛用于水平井、煤層氣對接作業、油氣管道穿越、防碰井作業、井噴事故井救援等[12- 14]。SDI公司采用高精度MWD配合RMRS技術廣泛開展北美頁巖油精細鉆井作業[15]。

我國自主研發的DRMTS、SmartMag工具在煤層氣“U”型井、稠油雙水平井應用效果良好[16- 17]。

1.2 被動磁測距技術

被動磁測距不需要額外的人工磁信號，其磁場主要來源于參考井套管機械加工、磁探傷和地磁場的磁化。被動磁測距不需要接觸參考井，但容易受地磁場的干擾，同時受限于套管剩磁的大小和傳感器的精度，定位效果較差[18]。

被動磁測距的最大測距范圍為10～20 m，其平均測量精度為25%。科學鉆井公司研發的MagTrac工具在防碰工程中成功應用300多井次，而國內這方面的應用相對較少[19]。

2 頁巖油原位開發小井間距鉆井技術方案

2.1 頁巖油原位開發小井間距鉆井技術難點

運用ICP技術規模化商業原位開發頁巖油時采用小井間距立體井網，形成“地下煉廠”集群。在此基礎上，要滿足“甜點區”生產井與加熱井井距6.5±0.5 m的精度，鉆井過程中存在諸多技術難點。

2.1.1 前期井網部署限制多

從降低開發成本的角度考慮，頁巖油原位開發宜選用“井工廠”鉆井模式，在滿足工程需要的前提下盡可能地減小井場面積[20]。且由于磁測距過程需要有參考井，井網部署面臨合理選擇參考井的問題，既不能讓參考井與后實施的被參考井之間的距離較遠，也不能讓參考井與先實施的非參考井之間的距離較近。

2.1.2 第一口標準井成敗影響大

各類磁測距手段可以克服直接鉆井的累積誤差，大大縮小相對誤差橢圓[13]。但后實施的井在磁測距時需參考先實施的井，遞推到第一口井，即標準井就顯得更為重要了。一旦標準井偏移大未按設計到達目的靶區，所有的參考井就會隨之偏移，甚至導致部分井鉆穿儲層。

2.1.3 入窗靶點的范圍小

入窗靶點是進入水平段的第一點，它受上部直井段和造斜段控制。若入窗靶點未能抵達指定位置，水平段磁測距參考的基準缺失，影響整個水平段的精度。SAGD(Steam Assisted Gravity Drainage)成對井的測距作業，測距精度一般要求為±1 m，比頁巖油原位開發的要求低一倍。此外，區域內多水平井同時存在，會降低測距的范圍和精度[21]。

2.1.4 磁干擾下的防碰風險高

小空間下井眼軌跡多處出現空間交叉，常規的防碰掃描方法易失效，這樣就帶來較高的井碰風險。若采用約旦的頁巖油原位開發的7口加熱井的模式，生產井與最近加熱井的距離又將縮小一半，井碰風險成倍增加。而在鉆生產井時，與最近加熱井的距離已進入磁性儀器的“磁干擾區”，影響鉆進過程對防碰距離的判斷。

2.2 頁巖油原位開發小井距鉆井技術方案

磁測距技術各有優劣，單一的磁測距技術無法克服上述難題。對于頁巖油原位開發小井間距鉆井這一特殊應用，國際上鮮少報道。針對鉆井難點，定制多種成熟適配的磁測距技術組合，集成高端鉆井工藝，提出以下鉆井技術方案。

2.2.1 地質導向技術

如圖2所示，在井網正式部署前，應當在儲層的頂底板設置兩口以上控邊井。其目的是為監控后續標準井及后續井施工的效果，控制垂深上的儲層鉆遇率，降低垂向上的誤差。采用地質導向技術，通過隨鉆測量多種地質和工程參數對所鉆地層的地質參數進行實時評價和對比，根據評價對比結果而調整控制井眼軌跡，使之命中頂底板目標并在其中有效延伸[22]。

圖2 儲層頂底板的控邊井示意圖

2.2.2 “U”型穿針磁測距技術

如圖3所示，在標準井實施前，先在標準井的A點、B點及水平段距離3～5 m的平行線上布置一定數量的直井，儲層中的直井應裸眼完井并穿透頂底板，目的是控制水平井入窗點和水平段延伸。采用“U”型穿針技術，當鉆進水平段時，在直井中下入探管，在鉆頭處連接一個強磁短節[23]。然后利用磁場信號對鉆頭進行精確定位，測出兩者的相對距離、方位和井斜，保持與平行平面的距離d不變，引導標準井按照設計軌跡正常鉆進經過直井1，2……n(n=L/γ+1，n為直井的數量，L為水平段的長度，γ為距離測量的精度)。網形成后，直井可用作溫度場的監測井。

圖3 “U”型穿針磁測距技術控制標準井示意圖

2.2.3 雙水平井磁測距技術

收集2013年12月至2016年8月江西省腫瘤醫院病理科存檔資料完整的胃癌活檢標本1136例，其中男性850例，女性286例；年齡20～90歲，<60歲者457例，≥60歲者679例；所有患者胃鏡活檢前均未行放化療及生物治療。所有腫瘤活檢組織經10%中性緩沖福爾馬林固定6～48 h后石蠟包埋切片。

實施水平段施工時，應采用雙水平井磁測距技術，選距離當前正鉆井最近的水平井作為參考井，參考井中下入探管，正鉆井近鉆頭連接一個強磁短節[24]。實時采集磁信號，計算相對位置。為解決在SAGD雙水平井控制精度不夠高的問題，優選配套旋轉導向工具RSS(Rotary Steerable System)，可以大幅提高控制精度。

2.2.4 隨鉆防碰技術

全井段高風險防碰作業時，適當借鑒密集叢式井防碰經驗。采用隨鉆防碰技術，在鉆進過程中計算異面角和臨界切入角，正確判斷發生磁干擾的工況[25]。進入“磁干擾區”后，更換隨鉆陀螺繼續鉆進，不受磁干擾的影響[26]。對于距離近，且無法判斷的井，可以用類似RMRS、SWG等磁測距工具進行防碰測距，開展系統防碰。

3 頁巖油原位開發小井間距鉆井模擬實驗

針對頁巖油原位開發在造斜段、水平段等軌跡控制難的問題，采用室內模擬實驗評價上述技術方案。

3.1 實驗裝置

如圖4所示，筆者團隊研發的頁巖油原位開發小井距磁測距模擬實驗裝置主要包括主控計算機、機械臺架、探管、套管、磁源發射裝置。通過機械傳動裝置帶動磁源旋轉來模擬強磁短節在正鉆井中的旋轉，探管采集磁源產生的磁信號傳輸到計算機中，解算出探管和磁源的距離、方位參數及標定井斜、方位數據，對比臺架光柵尺讀取的數據，可以評價RMRS類工具的精度。

圖4 實驗裝置示意圖

具體參數如下：精確測量待測探管高度的數據及探管和圓心的距離，坐標精度達到0.01 m；標定待測探管三維位置，測量精度達到0.01 m，標定井斜、方位數據，測量精度達到0.1°；提供作業井模擬裝置上的磁源發射裝置的三維位置數據，測量精度達到0.01 m；磁源發射裝置始終保持正轉，自轉速度為80～200 r/min，控制精度1 r/min。

3.2 實驗過程

類比“U”型井穿針對接過程，將旋轉磁源置于導軌，探管豎直向下，探管與磁源導軌所在直線距離為d，高度為h,初始時磁源與探管距離最近，推動旋轉磁源在導軌上前進，前進距離為L，如圖5所示。

圖5 模擬“U”型穿針磁測距示意圖

3.2.2 模擬雙水平井磁測距

類比SAGD雙水平井的鉆井過程，將旋轉磁源置于導軌，探管水平向前，探管與磁源導軌所在直線距離為d，高度為h，初始時磁源與探管距離最近，推動旋轉磁源在導軌上前進，前進距離為L，如圖6所示。

圖6 模擬雙水平磁測距示意圖

3.3 實驗結果

表1實驗結果數據為模擬“U”型穿針磁測距測試數據，表2實驗結果數據為模擬水平磁測距測試數據。實驗結果表明：井距3～6.5 m，遠距離穿針和雙水平井磁導向工具的距離誤差小于5%，基本滿足頁巖油原位開發小井距鉆井需求。

表1 模擬“U”型穿針磁測距測試結果數據表

表2 模擬雙水平磁測距測試結果數據表

4 結論與建議

(1)原位開發是一種環保、經濟的頁巖油開發的模式，采用小間距長距離水平井井網是實現工業化原位開發的最有利的一種方式，磁測距技術可以克服小井間距鉆井過程中存在諸多技術難點。

(2)基于室內模擬實驗結果，“U”型穿針磁測距和雙水平井磁測距基本滿足頁巖油原位開發小井間距鉆井測量要求， 建議盡快開展現場試驗。

(3)除了系統應用磁測距技術外，頁巖油原位開發小井間距水平井鉆井建議同時適配地質導向、旋轉導向等鉆井工具，形成整套技術方案，以實現工程目標。