UTE方位伽马近钻头测量系统原理及现场应用*

杨晓峰

(中国石油集团长城钻探工程有限公司钻井技术服务公司 辽宁 盘锦 124010)

0 引 言

常规随钻测井工具的测点离钻头较远,无法及时准确判断钻头处的地层岩性和倾角,储层钻遇率较低。 随钻测井(Logging While Drilling,LWD)工具测点距离钻头一般都在10 m以上,严重影响了地质导向对于地层位置的判断,致使一些薄油层和边际油层如果采用常规随钻测井工具很难进行再次开发[1]。近钻头地质导向工具将传感器安装在靠近钻头的位置,不但具有随钻地质导向的能力,而且还有随钻地质参数测量的功能[2]。目前近钻头地质导向工具在胜利油田临盘油区、西南油田上罗地区、自贡地区、华北油田煤层气等多个区块推广应用,施工水平井的储层钻遇率得到了明显提高[3]。相比于国产近钻头地质导向工具,加拿大U-Target Energy公司研发的UTE方位伽马近钻头测量系统,其伽马测点距离钻头不足1 m,是一种钻铤式的测量井斜角、方位伽马和振动的高温近钻头随钻测量工具。同时,UTE方位伽马近钻头测量工具系统具有测量井下环空压力、管内压力以及振动测量的功能,提升了井下作业的安全性和地质导向决策功能。

1 UTE方位伽马近钻头测量系统组成及原理

1.1 系统组成

UTE方位伽马近钻头测量系统由地面解码系统和井下工具两部分组成。

地面解码系统主要由防爆司显、解码箱、压力传感器和深度追踪系统组成,其用途主要是接收井下传来的泥浆脉冲信号并解码显示在计算机上。

井下工具主要由近钻头短节、接收短节和探管式随钻测量(Measare While Drilling, MWD)工具组成。近钻头短节位于钻头和螺杆之间,探管式MWD插入到无磁钻铤中、底部总成坐入坐键短节中。

1.2 近钻头短节测量原理

近钻头本体共有5个腔体,腔体中分别安装有发射电路板、测量电路板、方位伽马电路板、电池1和电池2。测量电路板由3个重力计和3个磁力计组成,本身能够测量的参数有静态测斜(井斜角、方位角)、动态井斜角、动态方位角、方位伽马、转速、振动参数[5]。方位伽马由于采用了有效的采样、算法和标定方法,在出入层时能够有效地判断出储层的变化,便于地质导向人员快速做出轨迹决策[6]。同时采用特殊算法处理后的近钻头井斜具有非常高的精度,和后端MWD的静态测斜误差都在0.3°之内,对定向工程中的轨迹控制有很好的指导作用。近钻头本体设计长度100 cm,伽马零长小于50 cm。UTE方位伽马近钻头测量系统近钻头结构如图1所示。

图1 近钻头短节结构示意图

UTE方位伽马近钻头测量系统伽马短节采用8扇区4方位伽马,测量具有很高的采样率,能够保证在最大400 r/min的情况下把每个时刻测得的地层伽马值准确地放入到所对应的扇区中。UTE方位伽马近钻头测量系统的伽马扇区测量示意图如图2所示。

图2 伽马扇区测量示意图

近钻头短节向MWD系统的传输采用无线跳传技术。近钻头短节的所有测量数据通过电磁波发射设备向上传递到位于电机上方和MWD相连的接收短节,接收短节再将信息传递给MWD,最终将自身测量结果和近钻头测量数据一起通过泥浆脉冲或电磁波上传到地面[7]。

1.3 MWD测量原理

MWD系统由泥浆脉冲短节、测量电路板、伽马短节、控制短节和电池短节组成。UTE方位伽马近钻头测量系统MWD系统主要组成如图3所示。

图3 MWD系统组成图

伽马短节用于测量来自地层的伽马值,及时反映岩性的变化。测量电路板由3个三轴重力计和3个三轴磁力计组成,用于测量井斜角、方位角、重力和磁力工具面、总磁场强度、总重力场强度、地磁倾角、转数、振动参数等。中央处理器收集处理伽马短节和测量电路板获得的数据,按要求进行组码,并将测量结果传送给脉冲短节[8]。

控制短节包含控制电路板,主要具有以下功能: 1)电源控制,与电脑同步时间。2)模式控制,可以将数据按照电磁波、泥浆脉冲和二者同时发送这3种方式中的任意一种上传到地面。3)接收近钻头数据。近钻头的测量数据以电磁波方式通过地层跨过螺杆等中间钻具到达控制短节,控制短节再把获得的近钻头数据传递给测量电路板和伽马电路板的中央处理器,经处理后传给泥浆脉冲器[9]。

泥浆脉冲器将中央处理器发来的数据以钻柱管内泥浆柱为媒介,通过特定组码方式以压力脉冲的方式反映在地面压力传感器上,并通过电缆传输到地面解码系统。

2 现场应用

YS129H2平台所处的沐爱向斜位于四川台坳川南低陡褶带南缘,南与滇黔北坳陷相邻,沉积盖层从震旦系到侏罗系,厚约6 000～7 000 m。川南低陡褶带以华蓥山背斜为主体,向南逐渐分支,发育有温塘峡—临峰场等构造带,背斜构造呈左列雁行排列。各个构造带北高南低,北半段褶皱强,断层发育,为狭长梳状构造,轴部多出露三叠系;向南延伸褶皱逐渐减弱,断层少,为膝状和丘状构造,轴部出露自流井群和沙溪庙组。地震资料解释成果表明,YS129H2平台周边断裂不发育,局部区域构造简单,向斜中部地层产状近水平,地层区域展布稳定,为页岩气有利保存区。YS129H2平台钻井轨迹设计如图4所示。

图4 YS129H2平台钻井轨迹设计平面图(龙马溪组底界构造图)

YS129H2-1井位于YS129H2平台,该井三开上部215.9 mm井段降斜曲率较大,三开开钻直接下入旋转导向工具,施工至A点后起钻,用常规随钻测井具有目的层轨迹控制困难、伽马测点距离长导致地质层位判断滞后的问题,故更换UTE近钻头工具施工水平段[10]。

该井由旋导施工至井深2 657 m下入UTE近钻头工具,水平段72 m,剩余1 978 m(含50 m口袋),层位位于龙一1-1小层顶部,井斜89.1°,方位2°。钻具组合为215.9 mmPDC钻头+176 mm近钻头短节+172 mm单弯无扶螺杆(1.25°)+165 mm浮阀+172 mm坐键接头+172 mm无磁钻铤1根+172 mm绝缘接头1根+172 mm保护接头1根+127 mm加重钻杆1柱+165 mm随钻震击器+127 mm加重钻杆1柱+127 mm钻杆×7根+水力震荡器+旁通阀+127 mm钻杆×200根+411/520变扣+139.7 mm钻杆。

该井龙一1-1小层伽马垂直分布,厚度约1.3 m。钻至井深3 967 m,钻进中发现自然伽马一直有降低的趋势,并且上伽马值为261 API,下伽马值为274.5 API,地质导向判断当前轨迹位于龙一1-1小层顶部,为防止顶出箱体进入2小层,依据近钻头井斜93°,要求降斜调整,10 m降斜0.5°至92.5°钻进观察。此后由于地层倾角变化,实钻轨迹进入了龙一1-2小层,自然伽马和方位伽马一直有降低的趋势,地质要求继续降斜,施工至4 019.5 m,近钻头井斜测得91.5°,此时上伽马值为261 API,下伽马值为297 API,重新回到了龙一1-1小层。在实钻轨迹出龙一 1-2小层,并返回龙一1-1小层期间,MWD测斜系统在测点3 961.62 m处测得井斜93.58°,3 990.39 m处测得井斜92.7°, 4 019.16 m处测得井斜91.6°,与实钻过程中近钻头井斜基本一致,误差小于0.1°。

该井在钻进过程中共发现2个比较明显的硬层,一号硬层位于龙一1-1小层上部,距离顶部40 cm,伽马250～270 API左右,二号硬层位于龙一1-1中部偏下,距离底部大约50 cm,伽马320～350 API处,2个硬层之间的厚度约40 cm。该井最适合施工的位置还是第2个硬层以下直到龙一1-1底部,厚度大约50～60 cm,该位置上边有2个硬层作为屏障。利用钻井参数可以控制轨迹稳斜钻进,同时UTE近钻头测量系统的自然伽马和方位伽马值的变化,结合近钻头井斜,可精确判断出是接近目的层顶界还是穿出目的层底界,提高了对储层特性的判断和钻头在储层内轨迹的控制能力,实现准确的地质导向功能。

YS129H2-1井UTE近钻头工具施工井段2 657～4 635 m,施工段长1 978 m,纯钻时间238.3 h,平均机械钻速8.3 m/h,滑动进尺306 m,滑动比列15.47%,目的层钻遇率100%。YS129H2-1井地质导向图如图5所示。

图5 YS129H2-1井地质导向图

同平台YS129H2-2井,水平段仍由UTE近钻头测量系统施工,下入井深2 707 m,此时水平段施工57 m,剩余1 493 m(含50 m口袋),层位位于龙一1-1小层顶部,井斜90.5°,方位181°。该井地质要求在龙一1-1小层的中下部穿行,距五峰较近,水平段前1 350 m地层相对稳定,倾角变化频繁,依靠近钻头工具实时参数调整轨迹及时控制能保证钻遇率[11]。后100 m突遇倾角变大,定向增斜到98.5°,实钻轨迹相对龙一1-1小层仍在不断下切,导致出箱体进入五峰组。实钻水平段长1 450 m,钻遇率为94.5%。

3 结 论

1)UTE近钻头测量系统具有方位伽马和近钻头井斜测量功能,并能够实时地进行井眼的伽马成像。它适用性广,故障率低,地质导向和实时决策能力更强。

2)UTE近钻头测量系统MWD部分具有测量井下环空压力、管内压力以及振动测量的功能,可以协助判断井下工况和钻进震动情况,实现安全钻井。

3)四川昭通区块的实践证明,UTE近钻头测量系统是针对薄储层和构造复杂地层开发的有力工具,提高了目的层钻遇率、钻井成功率和采收率。