【技术】塔里木深井旋转地质导向钻井技术文/张程光吴千里王孝亮吕宁，中国石油钻井工程技术研究院中国石油塔里木油田公司中国石化石油工程公司胜利分公司引言对于埋藏深、地质构造复杂的油藏，应用弯壳体导向螺杆钻具通常无法有效引导井身轨迹准确达到或穿越储集层，而旋转地质导向钻井因其技术优势被越来越广泛地应用，目前已成为一项主流技术。
近年来全球范围内的地质导向与旋转导向服务井数快速增长：以斯伦贝谢公司为例，地质导向作业井由2006年的近300 口上升至2009 年的700 口，旋转导向系统进尺则从2006 年的5 898 km 提高至2011 年的19 740km；2004—2010 年在国内各种复杂、难动用油气藏应用地质导向技术的水平井超过345 口。
塔里木油田某区块的薄砂层油层埋藏深、厚度小，且构造边缘横向发育不稳定。
为了更高效地开发该类油层，引入旋转地质导向技术，并通过不断摸索试验使该技术更好地适应区块地层条件，确保井眼轨迹始终处于油层中最佳位置。
1 塔里木油田深井薄油层钻井技术难点及对策①的层埋藏深、厚度薄。
目的层垂深超过5 000m，完钻井深5 500～6 000 m，采用传统滑动钻进方式会因井深增加造成摩阻扭矩的增加，对MWD（随钻测量）信号传输的要求也会提高；目的层为两套砂岩，油层薄，厚度仅为1～2 m。
为获得较好的开发效果，需采用双台阶水平井钻井。
旋转地质导向钻井技术的旋转钻进方式有利于岩屑运移和井眼清洁，能降低摩阻，从而提高水平井段延伸能力。
②裸眼井段长、岩性变化大。
二开裸眼井段长达5 000 m 左右，易出现托压和黏卡现象，渗漏层和垮塌层均处于同一井眼内，地层砂泥岩互层多，钻时不均匀，地层研磨性强。
因此，需控制合适的钻井液黏度和切力、根据导向工具的作业特点选择钻头型号，同时在旋转钻进的基础上加强短程起下钻协助带砂。
③构造边缘储集层横向展布不均、地层对比困难。
油藏构造边缘的砂体发育不稳定、地层倾角变化大，地层对比困难，增加了着陆位置判断和油层追踪的难度。
因此，在作业过程中需特别保证随钻测井数据的准确性以及导向工具快速稳定的造斜调整能力。
④轨道控制要求精度高。
在斜井段，泥岩中的工具造斜率不易稳定，需实时监测、准确判断井斜角，当发现实钻轨迹落后于设计轨迹时应提早处理；薄油层靶窗窄，半靶高仅0.5 m，且需要以合适的角度着陆，否则会没有余地调整井眼轨迹[6]；水平段油层钻进过程中则需依靠随钻测井获得实钻轨迹与地层的交角等信息，保证油层钻遇率。
2 旋转地质导向技术原理“地质导向”将钻井技术、随钻测井技术及油藏工程技术三者有机地合为一体。
其目标是优化水平井轨迹在储集层中的位置、降低钻井风险、提高钻井效率、实现单井产量和投资收益的最大化。
旋转地质导向技术利用旋转导向工具辅助完成地质导向作业，即借助先进的旋转导向工具钻井，代替以往的弯壳体马达滑动钻进方式，并在此基础上配以随钻测井仪器测量地质/工程参数，地面软件系统则根据MWD 仪器实时上传的参数及时更新地层构造模型、进行实时解释、控制调整井下工具的钻进轨道。
旋转导向工具根据导向方式可以划分为推靠式（以贝克休斯公司AutoTrack RCLS、斯伦贝谢公司PowerDrive X5/X6 为代表）、指向式（以斯伦贝谢公司PowerDriveXceed为代表）及复合式3 类。
推靠式是根据实测工程参数与设计参数的对比，实时调整井下工具的工作指令，通过控制电路与液压系统控制钻头附近的推靠块伸向井壁，给钻头提供侧向力，改变井斜和方位，使钻头按预定的井眼轨迹前进，其最大造斜率为8°/30 m；指向式类似于弯壳体导向螺杆钻具，由伺服电动机带动内部偏心轴为钻头驱动轴提供1个与钻铤轴线成0.6°的倾角，同时电机与钻铤转速相同但转动方向相反，保持该倾角指向恒定，以使井眼轨迹向目标方向延伸，其最大造斜率为8°/30 m；复合式可视为前两者的结合，即依靠其工具内部的推靠系统伸向钻铤内壁（而非地层），改变钻头驱动轴与上部钻铤的倾角以达到定向效果，其名义造斜率高达17°/30 m。
根据国内外的使用经验及效果，指向式和复合式因工作性能受地层岩性影响小并具有较高的造斜率，可视为未来旋转导向工具的发展方向。
实际施工时，可根据井区地层特征及施工需要，选取适当的LWD 仪器接入钻具组合中，实时测量地层自然伽马、地层电阻率、岩石孔隙度、地层温度、井斜、方位、工具面角、钻压、扭矩等参数。
将实时测量数据通过MWD 仪器按一定的编码格式向上传至地面后，现场地质导向工程师根据数据曲线或成像结果分析岩石性质、岩层界面、构造倾角等，以更好地调整井眼轨迹、指导水平段着陆。
3 现场应用塔里木油田2012 年完钻的双台阶水平井H4 位于某油藏构造边缘，井深5 965 m，在斜井段及水平段应用了旋转地质导向钻井技术，平均机械钻速达2.6 m/h，在目的层两套薄油层厚度均不足1 m 的情况下，钻遇率达到82.2%。
该井施工过程中使用了PowerDrive X6和PowerDriveXceed两种导向工具，钻具组合为：8 ½″（215.9 mm）PDC 钻头+ 6 ¾″（171.4 mm）X6/Xceed旋转导向+ 6 ¾″（171.4 mm）geoVISION LWD + 6 ¾″（171.4 mm）TeleScope MWD+5″（127 mm）无磁承压钻杆+5″（127 mm）钻杆+5″（127 mm）加重钻杆+5″（127 mm）钻杆。
H4 井在井深4 620 m 处定向侧钻成功后，下入PowerDriveXceed工具进行旋转导向增斜钻进，但在作业过程中发现：在井斜小（小于22°）或泥岩段钻速低的情况下，PowerDriveXceed造斜能力略显不足，平均造斜率3.3°/30 m，落后于设计轨迹（4.2°/30 m）。
更换弯壳体导向螺杆钻具增斜至45°后，为保证井眼质量，再次下入PowerDriveXceed钻进。
在着陆阶段，利用geoVISION LWD 提供的自然伽马和电阻率曲线判断油层顶部位置，但由于标志层发育不稳定，与邻井以及本井直导眼测井资料对比较困难，导致在A 点（即靶窗着陆点，井深5 310 m，见图1）着陆后又从油层下部（井深5 312 m）钻出，通过分析随钻测井资料（见图2）发现该现象后及时调整PowerDriveXceed工作指令使其全力增斜，于A1 点（井深5 360 m，见图1）追回。
在后续整个水平井段（井深5 360～5 965m）钻进过程中，由于PowerDriveXceed失效以及地层倾角突然变化，钻头又有两次钻出油层（图1 中A2—A3 段，井深5 436～5 470 m；A4—A5 段，井深5 492～5 560 m），发现后立即调整PowerDriveXceed工作指令，使钻头沿着与原井斜相反的趋势全力追回油层。
旋转地质导向工具较好地保证了井眼轨迹始终处于薄砂层中，图1 中CD 段的油层钻遇率甚至达到了100%。
近几年来，塔里木油田主要以PowerDrive X5/X6/Xceed+LWD+MWD为主要工具进行深井薄油层的旋转地质导向钻井作业。
随着钻井数量的不断增多与钻井参数的不断优化，旋转地质导向钻井技术逐渐与该区块地层相适应，其优势逐步体现。
表1、表2 分别为使用旋转地质导向钻井技术和使用传统弯壳体马达钻井的部分井的作业情况，通过对比可以看出：与传统的滑动/复合钻井方式相比，旋转地质导向钻井在单井进尺大致相同的情况下，平均机械钻速及平均油层钻遇率均有不同程度的提高。
4 现场应用分析通过对旋转地质导向钻井技术在塔里木油田深井薄油层现场应用情况的分析，总结得出如下认识。
4.1 旋转导向钻进效果斜井段和水平段的旋转钻进，有效地将钻压传递到钻头，从而消除了使用螺杆钻具滑动钻进时的托压问题。
三维定向控制使井眼更平滑，降低了扭矩及摩阻，有利于降低作业风险。
全过程旋转加强了钻井液和岩屑的搅动，有利于岩屑运移，缓解岩屑堆积，使井眼更清洁。
4.2 随钻测井的作用随钻测井是旋转导向轨迹控制的关键。
随钻测井作为旋转导向的“眼睛”，在薄油层的着陆段和水平段作用重大，自然伽马和电阻率测量结果与邻井资料的对比，对卡准标志层起到了关键作用。
几何形态和地质形态的双重测量精确制导钻头寻找或进入目的层。
通过识别岩性、探测地层分界和流体界面、判断钻头上行或下行，监控了井眼的延展方向，使其保持在储集层中。
4.3 现场应用出现的问题及措施4.3.1 工具造斜率影响因素多在直井段或井斜较小的井段进行造斜作业时，如果井眼轨道还未形成增斜的趋势，导向工具的性能发挥会受到一定程度的影响，尤其是在地层较硬的小井斜井段。
此外，PowerDriveXceed伺服电动机的转速与钻铤的测量转速相同，但方向相反，以此带动钻头驱动轴使其指向固定不变。
因此，当钻具受到的黏滞力大时，转速的测量存在误差，导致发电机转速不稳，最终表现为钻头指向不确定，造斜效果不佳，而钻头指向不明确也会造成不能有效切削地层岩石，则钻速慢与造斜率低同时发生。
此时，司钻需大幅度上下活动钻具、优化钻进参数（减小钻压、增大转盘转速等），最大程度地消除井下工具憋扭现象。
4.3.2 工具稳定性不足在H4 井的施工过程中，分别因为下钻过程中灌浆间隔过大、工具内外压差大导致内部柔性管爆裂以及供电电压不稳定等原因导致PowerDriveXceed失效3次，MWD 发电机线圈电阻异常导致信号丢失1 次，均被迫起钻更换工具，累计耗时190.25 h。
为了提升工具在深井、长时间工作中的稳定性，生产厂商应尽量使用可靠程度高的配件，现场施工也需规范操作。
4.3.3 深井MWD 信号传输受干扰井深的增加会使MWD 钻井液脉冲信号传输的路径变长，信号衰减增大，信噪比随之减小。
此外，钻井液流动性能、钻井液中气泡、泵噪等因素都会对MWD 信号产生较大影响[14]，在深井中尤为突出。
为了减少信号干扰，现场施工时可采用调整传输信号频带，利用钻井液固控、过滤设备控制钻井液质量和性能，换泵以减小泵噪等措施。
4.4 可供其他油田借鉴的经验旋转导向钻具组合普遍比螺杆钻具组合刚性大，井眼轨迹全角变化率变化大处易发生起下钻困难。
H4井水平段每钻进40～50 m，就需要短起下通井，产生了较多的非进尺时间。
建议采用更平缓的轨迹设计，避免出现局部全角变化率较大的情况，同时增加柔性短节等钻具。
推靠式旋转导向工具依靠其推靠块对井壁的拍击改变井眼轨迹，在硬地层使用时较易磨损。
内部指向式工具本体磨损小，因此建议研磨性强的地层使用内部指向或复合式旋转导向工具。
