隨鉆陀螺GyroSphere在渤海油田淺層防碰作業中的應用

桑曉高 蒲小亮 安曉會 白旭峰

中海油田服務股份有限公司 天津 300459

1 引言

隨著海上油氣田勘探開發的深入，井網密集程度越來越高。以渤海為例，通常叢式井槽口間距不足2米，鄰井套管產生的磁場干擾使得隨鉆磁性測量工具方位測量不準確，無法準確判斷隔水管及淺層直井段的偏斜方向，極有可能引發井眼碰撞風險。目前渤海地區一般采用有線陀螺表層定向加復測套管軌跡的作業模式確保井眼軌跡的準確，時效較低。隨鉆陀螺GyroSphere提供了另外一種解決方案，使井下鉆具具備鉆進的過程中準確測量井眼軌跡的能力，有助于指導更精確的防碰繞障作業施工，切實有效提高了作業時效和安全性。

2 GyroSphere 工具介紹

2.1 GyroSphere 工具簡介

斯倫貝謝隨鉆陀螺GyroSphere采用MEMS（微電子機械系統）陀螺測斜技術，顯著提高了陀螺測斜的效率，提高測量準確度，相比較于有線陀螺，可大大減少作業所需的時間。MEMS技術利用內部的一個微型振動結構來確定行星旋轉的速度，如圖1所示，根據這個旋轉速度來確定井斜、方位以及工具面方位數據。

圖1 GyroSphere工具結構圖

GyroSphere可提供：

（1）靜態測斜：方位、井斜、靜止慣性工具面

（2）連續測量 （滑動鉆進）：實時連續慣性工具面

（3）其他：維度、地球轉速、Total G

2.2 GyroSphere 工具測量步驟

GyroSphere使用鋰電池供電，停泵后工具進入電池供電模式，首先進入30秒的自檢時段，隨后進入測斜采樣時段（每2分鐘測得一個測斜，每組測斜采樣10次，采樣次數可根據測斜成功率地面設置調整）。測完后，工具自動停止測斜采樣。

開泵進入MWD渦輪發電供電模式，工具將自動選擇測斜采樣時得到的測斜數據及獲取的10組數據中有幾個Good Survey及幾個Bad Survey，通過MWD泥漿脈沖上傳到地面系統。

持續15分鐘出連續工具面（注：只有得到好的測斜后，后續工具面才準確）。在出連續工具面期間的轉動打鉆會使得后續測量不準，所以DD在擺好工具面后需要劃線。

表1 GyroSphere工具測量精度

2.3 GyroSphere 工具定向操作步驟

鉆進至造斜點劃眼結束后，上下活動鉆具10米以上充分釋放扭矩；

停泵，卸開頂驅，座卡瓦保持鉆具靜止（根據現場震動情況，非必須卸開頂驅）；

游車保持靜止，同時平臺所有吊機停止工作（根據現場環境情況），鉆臺不能有產生震動的操作；

停泵6～21min（首次測斜建議停泵21min，后續根據測斜成功率做調整）；

接立柱，提出卡瓦，保持鉆具靜止并開泵；

等待工具上傳測斜數據和工具面數據；

隨鉆工程師確認測斜和工具面成功后，擺工具面進行滑動作業，緩慢接觸井底鉆進。

3 現場應用及探究

3.1 應用背景

渤海油田某平臺A29井淺層防碰嚴重，需要提前造斜，進行防碰繞障，但繞障空間極小。作業井A29占用13#槽口，由于A20井隔水導管鞋在110米處井斜1.28度，向A29井（13#槽口）嚴重偏斜，如圖2所示。導致A29井在138米與A20井最近距離0.25米，分離系數1.23，繞障空間極小，如圖3所示。且在178米，A29與A24最近距離1.2米，A24井由本井右前方穿至左前方，若初始繞障方位偏大，井斜偏大，則與A24井防碰風險急劇增加。此外，A29在600～900米從A26井、A8井、A27井左下交叉至右下穿過。

圖2 槽口圖

表2 A20井軌跡數據

圖3 A29井與鄰井中心距掃描圖

綜上，本井淺層防碰嚴重，需要提前造斜，進行防碰繞障，但繞障空間極小。需要陀螺定向2次，另外陀螺定向前需要拉鉆桿軌跡，為了更好反映軌跡情況，建議測量陀螺軌跡數據時盡量測量至井底，從而更好地為防碰繞障作業提供數據支撐。由于常規馬達組合+有線陀螺作業時測量零長38米左右，繞障盲區較長，無法準確得到管鞋偏斜情況，通常采用起鉆下入光鉆桿拉鉆桿軌跡的測量方法，針對本井的特殊情況需多次起下鉆。所以使用隨鉆陀螺工具，處理隔水管偏斜，一趟鉆完成本井段作業。

3.2 作業過程

3.2.1 鉆具組合

1 6 ” C O N E + 9 - 5 / 8 ” P D M + 8 ” F /V+1 2-1/4”S T B+8-1/4”G y r o S p h e r e+8-1/4”TeleScope+8”NMDC+8”UBHO+ 8”F/J&JAR+X/O+5”HWDP*14。

牙輪鉆頭：江漢 型號：GJT115GC 水眼：3×OPEN

馬達：立林 型號：U7LZ244*7.0-Ⅷ-SF 彎角：1.5° 馬達扶正套：403mm 級數：4.5級

3.2.2 GyroSphere應用方案

GyroSphere必須跟MWD一起使用，不能單獨使用；

GyroSphere根據實際情況既可以放在MED上面，也可以放在MWD下面，本井中為了離鉆頭更近放在MWD下方；

需要單獨測量GyroSphere到馬達的角差，并輸入軟件，測量方法同測量MWD到馬達角差的方法一致；

本井鉆具組合中GyroSphere測點零長14.15米；

GyroSphere提供靜態井斜，靜態方位和陀螺工具面，不提供連續井斜和連續方位。井斜5度之內使用陀螺工具面，5度之上使用重力工具面；

本井在MWD轉換為重力工具面之前使用陀螺工具面進行定向，效果良好；

GyroSphere單個測斜需要2分鐘，為保證定向成功率，本井首次定向測斜時靜止了15分鐘；

測斜完成之后，地面軟件會同時顯示MWD測斜和GyroShpere測斜。

3.2.3 作業過程組合鉆具，測量角差，下鉆引馬達高邊線；第一次定向：

鉆進至110米，第一次定向：循環掃稠漿，按引線調整工具面，上下活動鉆具釋放扭矩后上提鉆具至套管內，座卡瓦、卸開頂驅，鉆臺停止一切其他作業，吊車停止工作；

等待15分鐘，開泵，等待上傳，工具一共測7組測斜數據，7組均合格。陀螺測斜MD=91.89米，INC=0.88度，Azi=263.51度，判斷隔水管偏向西南側，遂決定從280度方向繞障；引線與定向誤差20度，朝工具面M300～330度定向9米。后陀螺斜MD=139.62米，Azi=1.04度，方位278.18度，符合預期。

重新模擬軌跡并防碰計算，過A29井防碰后井斜不宜偏大，為避免井斜偏大造成后續防碰風險，采取小鉆壓、低轉速鉆進至212米，期間未按GyroSphere工程師要求的測斜程序專門測斜，接立柱期間即可測得2組測斜，并且90%以上均是合格測斜，對本井防碰繞障作業提供了很好數據支持。

第二次定向：

鉆進至212米，第二次定向：循環掃稠漿，按引線調整工具面，上下活動鉆具釋放扭矩后，座卡瓦、不卸頂驅，鉆臺停止一切其他作業；

根據已有測斜成功經驗，等待10分鐘，開泵，等待上傳；設計定向方位297度，引線與定向誤差10度，調整工具面至M300定向造斜，后測得方位299～301度，定向精準。

3.3 測量結果分析

通過三種工具測量結果的互相對比，軌跡走向一致，如圖4所示，中心距偏差最大1米以內，測量數據基本一致（插入測點對比），如表3所示。尤其是隔水管內的測量，受磁干擾影響，MWD無法測得準確方位，而隨鉆陀螺GyroSphere的測量結果與有線陀螺測斜基本一致，對處理隔水管/直井段偏斜有指導意義。

表3 GyroSphere與MWD及有線陀螺數據

圖4 軌跡分析圖

4 作業經驗及應用展望

4.1 優勢分析

4.1.1 實時測量，軌跡更精確

槽口間距2米×1.8米，井間相互磁干擾，MWD測斜儀無法判斷隔水管及淺層直井段的偏斜情況，對淺層防碰繞障造成較大難度，個別井防碰嚴重時，需要下入光鉆桿拉軌跡，起下鉆浪費時效。使用GyroSphere工具可實現實時測量，使上部井段軌跡更精確，有助于指導更精確的防碰繞障施工。

4.1.2 測點距鉆頭近，軌跡控制更精準

相較于有線陀螺的測量零長37米左右，并且需要測量2次角差，且座鍵本身存在一定的角度誤差，綜合定向誤差相對較大；GyroSphere測點距鉆頭14米左右，可以保證更小的角差測量誤差。同時，較短的測斜零長能及時反應出馬達滑動效果及井底軌跡走向，為A29井復雜的防碰繞障提供了很好的支持。

4.1.3 實時工具面，確保定向準確

A29井16英寸井段防碰繞障需要陀螺定向2次，第一次定向在110米，第二次定向在220米。引馬達高邊線下鉆，隨鉆陀螺定向與引線偏差10～20度，在誤差允許范圍內（第一次定向偏差較大，人為引線誤差引起，第二次定向基本無誤差）。隨鉆陀螺定向繞障成功后，MWD測得無磁干擾方位與定向時的理想方位偏差很小，十分精準。

4.1.4 測量及時可靠，確保井下安全

由于本次作業為GyroSphere工具在渤海首次使用，且第一個定向點太淺（110米），故第一次定向時采取了較為嚴格的防震動措施（鉆臺停止一切作業，吊車靜止），為陀螺測量提供良好的工作環境，第一次停泵測斜用了15分鐘；后續正常鉆進接力柱期間，發現每次均可測得兩組測斜，并且90%以上為合格測斜，故第二次定向停泵測斜用了10分鐘。相較于有線陀螺定向每次需要1.5小時左右，減少了鉆具靜止時間，保障了井下安全。

4.2 缺點分析

4.2.1 震動敏感

目前GyroSphere工具渤海范圍內僅在該井應用一井次，陀螺定向當天天氣晴好，風平浪靜，整體測量環境較好。根據斯倫貝謝以往應用經驗，GyroSphere在惡劣天氣環境下的測斜成功率較低（測斜不成功時，工具面不可靠，不能以此定向），故針對大風、高浪天氣、平臺震動較大時無法像有線陀螺使用瞄準鏡的方式定向，從而造成現場停工。

4.2.2 測量速度慢

隨鉆陀螺儀測斜時每2分鐘獲得一個測斜，實際操作時每個點需至少取樣3次，相互對比以保證測斜成功率，故隨鉆陀螺測量時需至少保持鉆具靜止7分鐘以上，相對于有線陀螺的快速測量，GyroSphere在長井段測量中時效性不足。

4.2.3 測量間距大

現場測量時平均每30米一個點（即一柱一個點），無法達到有線陀螺每10米一個點的測點密度（或者說10米一個測點時時效性很低，不符合現場實際），故而在淺層井段相對于有線陀螺軌跡精度偏低。

4.3 應用展望

4.3.1 震動敏感隔水管/直井段糾偏

通過實時測斜，提前預斜、精準繞障，發揮工具一趟鉆處理隔水管/直井段偏斜能力。

4.3.2 震動敏感實時防碰繞障作業

防碰井段加密測斜，獲取準確的實測數據，提高軌跡精度。尤其對于大斜度井、大位移井及深井、超深井等有線陀螺無法測量的井段進行實時測量，從而指導更精準防碰繞障作業。

4.3.3 震動敏感MWD受干擾的特殊作業

針對地磁場異常區域、非非區的作業，MWD測量受限或受磁干擾，軌跡誤差較大，可使用隨鉆陀螺工具獲取更精確的軌跡數據。

4.3.4 震動敏感直井開窗側鉆

針對直井，特別是深直井開窗側鉆作業，隨鉆陀螺工具定向精確且不受磁干擾，利用實時工具面，可以消除MWD預留反扭角的誤差，從而實現準確定向。

5 結束語

隨鉆陀螺GyroSphere可以有效規避磁干擾對測量的影響，實時提供準確的工具面和測量數據，在防碰施工、開窗側鉆等特殊作業時可充分提高作業時效和安全性。