超深井隨鉆測(cè)量?jī)x器適應(yīng)性分析

摘 要

摘要：隨著對(duì)深部油氣藏的陸續(xù)開(kāi)發(fā)，深井超深井?dāng)?shù)量逐步增多。由于井深的增加，對(duì)隨鉆測(cè)量?jī)x器的抗高溫、耐高壓性能都提出了更高的要求，同時(shí)長(zhǎng)距離傳輸?shù)拿}沖信號(hào)衰減超出儀器解碼
摘要：隨著對(duì)深部油氣藏的陸續(xù)開(kāi)發(fā)，深井超深井?dāng)?shù)量逐步增多。由于井深的增加，對(duì)隨鉆測(cè)量?jī)x器的抗高溫、耐高壓性能都提出了更高的要求，同時(shí)長(zhǎng)距離傳輸?shù)拿}沖信號(hào)衰減超出儀器解碼范圍的問(wèn)題也屢見(jiàn)不鮮，制約了上述儀器的使用。通過(guò)在川東北多個(gè)工區(qū)的隨鉆測(cè)量實(shí)踐，總結(jié)了不同井深和溫度條件下隨鉆測(cè)量?jī)x器的選用原則：①垂深在5000m以?xún)?nèi)的井，有很多MWD儀器可供選擇；②垂深介于5000～6000m的井，如果井底溫度不超過(guò)130℃、井底循環(huán)動(dòng)壓不超過(guò)17000psi(約117MPa)，HALLIBURTON公司生產(chǎn)的MWD儀器以其工作的穩(wěn)定性高得到比較普遍的認(rèn)可，若溫度或壓力超過(guò)這個(gè)指標(biāo)，則可用BAKER HUGHES公司生產(chǎn)的MWD儀器或GE公司生產(chǎn)的GEOLINKMWD儀器；③垂深超過(guò)6000m時(shí)，推薦使用BAKER HUGHES公司生產(chǎn)的MWD儀器或GE公司生產(chǎn)的GEOLINKMWD儀器，若溫度進(jìn)一步升高或改良脈沖信號(hào)的措施無(wú)法實(shí)施時(shí)，則要引入抗溫性能更高的MWD儀器。還結(jié)合工程實(shí)例體會(huì)，進(jìn)一步總結(jié)了不同儀器在超深井中的適用情況及改良措施。
關(guān)鍵詞：深井；超深井；隨鉆測(cè)量；儀器；適用性；選用原則；四川盆地東北部
   隨著中國(guó)石油化工股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)中國(guó)石化)對(duì)南方海相碳酸鹽巖儲(chǔ)層油氣藏的勘探開(kāi)發(fā)工作的持續(xù)推進(jìn)[1～4]，在川東北地區(qū)出現(xiàn)了一大批井深超過(guò)6000m(甚至超過(guò)7000m)的超深定向井或水平井。由于井深的增加，出現(xiàn)了井底溫度高、壓力大、信號(hào)質(zhì)量差等問(wèn)題，制約了隨鉆測(cè)量?jī)x器的使用范圍，對(duì)于保證井眼質(zhì)量、最大限度地發(fā)現(xiàn)油氣藏產(chǎn)生了不利影響。中國(guó)石化中原油田普光分公司在普光氣田開(kāi)發(fā)和元壩區(qū)塊的勘探中，積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了MWD隨鉆測(cè)量?jī)x器在超深井中的使用情況及改良措施，為超深井的隨鉆測(cè)量提供了借鑒。
1 超深井隨鉆測(cè)量難點(diǎn)
   在川東北地區(qū)，中國(guó)石化為開(kāi)發(fā)海相碳酸鹽巖氣藏部署了一大批超深井。在普光氣田，主體部分共部署6口水平井，平均設(shè)計(jì)井深為6591.96m；在大灣區(qū)塊，共部署9口水平井，平均設(shè)計(jì)井深為6105.1m；在元壩地區(qū)，2010年部署的水平井約5口，平均設(shè)計(jì)井深約7620m，垂深大于6700m。
1.1 對(duì)儀器抗溫性能提出更高的要求
    對(duì)于井深超過(guò)6000m的井，以地溫梯度2.3℃/100m計(jì)算，井底靜止溫度接近160℃，循環(huán)溫度可達(dá)140℃左右，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)現(xiàn)有的很多儀器已不能滿足實(shí)際施工的需要。比如元壩2井在5600m井深儀器測(cè)溫達(dá)到131℃，多支隊(duì)伍因探管在高溫下的加速損壞而無(wú)法順利完成施工任務(wù)。
1.2 井底壓力高對(duì)儀器抗壓性能提出考驗(yàn)
    由于超深井在鉆井過(guò)程中所鉆遇地層的復(fù)雜性，地層壓力變化較大，繼而鉆井液密度變化大，在鉆進(jìn)過(guò)程中一般來(lái)說(shuō)井底鉆井液壓力要大于地層壓力。在普光、大灣等區(qū)塊鉆井液密度大多介于1.3～1.5g/cm3，在元壩地區(qū)鉆井液密度有時(shí)可達(dá)到2.1g/cm3。此時(shí)，如果井底垂深超過(guò)6000m，則在鉆進(jìn)過(guò)程中井下儀器所承受的壓力將超過(guò)18000psi(約124MPa，1psi～0.006895MPa，下同)；如果井底垂深超過(guò)6500m則儀器所承受的壓力將超過(guò)20000psi(約138MPa，下同)。
1.3 鉆井液黏度大會(huì)影響脈沖信號(hào)的傳輸距離
    由于超深井在鉆井過(guò)程中所鉆遇地層的復(fù)雜性，為滿足攜砂要求，設(shè)計(jì)的鉆井液黏度較大；而鉆井液黏度大會(huì)導(dǎo)致壓力波的幅值在單位傳輸距離內(nèi)更大的衰減[5]，最終導(dǎo)致地面壓力傳感器接收不到有效信號(hào)[6]。
2 國(guó)內(nèi)主要MWD儀器特點(diǎn)及選用原則
    目前國(guó)內(nèi)用于隨鉆測(cè)量的儀器有多個(gè)種類(lèi)、多個(gè)生產(chǎn)廠家[7～8]，如美國(guó)HALLIBURTON公司生產(chǎn)的適用于各種排量的MWD或LWD儀器；美國(guó)GE公司生產(chǎn)的QDT和GEOLIN K MWD；美國(guó)BAKER HUGHES公司生產(chǎn)的MWD儀器；俄羅斯一家公司生產(chǎn)的ZTS-AP隨鉆測(cè)量?jī)x器；國(guó)內(nèi)多個(gè)廠家也生產(chǎn)有各種MWD儀器。
2.1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)有主要泥漿脈沖MWD儀器的特點(diǎn)
2.1.1美國(guó)HALLIBURTON公司生產(chǎn)的MWD儀器
    美國(guó)HALLIBURTON公司生產(chǎn)的MWD儀器根據(jù)所允許通過(guò)的排量大小分為1200、900、650、350、Slimhole和Superslim等類(lèi)，根據(jù)其抗高溫、高壓性能分為普通儀器和高溫、高壓儀器，但由于其對(duì)中國(guó)出口的限制，國(guó)內(nèi)各油田都還沒(méi)有引進(jìn)其高溫、高壓儀器。該公司所生產(chǎn)的普通儀器的井下部分標(biāo)稱(chēng)耐溫140℃、耐壓18000psi，采用正脈沖信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)。這種儀器長(zhǎng)期在井下工作實(shí)際耐受溫度可達(dá)130℃，如果長(zhǎng)時(shí)間處于接近140℃的臨界狀態(tài)，探管工作將不穩(wěn)定甚至損壞。
2.1.2美國(guó)GE公司生產(chǎn)的GEOLINK MWD儀器
    GEOLINK MWD儀器有正負(fù)脈沖兩種，也有普通和高溫高壓之分。該公司生產(chǎn)的高溫高壓儀器ORIENTEER2 HTHP屬于負(fù)脈沖儀器，標(biāo)稱(chēng)耐溫165℃、耐壓23000psi(158.56MPa)。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，國(guó)內(nèi)公司尚沒(méi)有應(yīng)用于如此嚴(yán)酷的環(huán)境條件下，因?yàn)殡S著井深的增加，信號(hào)越來(lái)越弱，井深一旦超過(guò)6000m將出現(xiàn)解碼困難，而要想滿足信號(hào)強(qiáng)度的需要?jiǎng)t必須增加底部鉆具壓降到800psi(5.5MPa)以上，且鉆井液漏斗黏度應(yīng)小于70s，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況不一定能滿足這一要求。這種儀器在新疆地區(qū)曾用到井深6500m。
2.1.3美國(guó)GE公司生產(chǎn)的QDT MWD儀器
    美國(guó)GE公司生產(chǎn)的QDT MWD儀器是一種正脈沖MWD儀器，普通儀器標(biāo)稱(chēng)耐溫150℃、耐壓20000psi。該公司還生產(chǎn)QDT高溫儀器，國(guó)內(nèi)遼河油田和北京安東石油公司引進(jìn)有這種儀器，曾在循環(huán)溫度140℃的環(huán)境下成功應(yīng)用。
2.1.4美國(guó)BAKER HUGHES公司生產(chǎn)的MWD儀器
    國(guó)內(nèi)大慶油田、大港油田有該公司的MWD產(chǎn)品，標(biāo)稱(chēng)耐溫150℃、耐壓20000psi，實(shí)際應(yīng)用中有達(dá)到140℃的先例，屬正脈沖儀器，在新疆地區(qū)曾用到井深6500m。
2.1.5各種國(guó)產(chǎn)MWD儀器
    目前國(guó)內(nèi)有多個(gè)廠家生產(chǎn)多種MWD儀器，標(biāo)稱(chēng)耐溫125℃或150℃、耐壓18000psi。國(guó)產(chǎn)儀器的性能在不斷提高、應(yīng)用范圍也在不斷拓展，但與進(jìn)口儀器相比，產(chǎn)品功能不夠豐富、性能上仍顯不足。
2.2 MWD儀器的選用原則
    實(shí)踐證明，對(duì)于垂深在5000m以?xún)?nèi)的井，有很多MWD儀器可供選擇，至于定向作業(yè)能否順利進(jìn)行將取決于其他一些因素。
    對(duì)于垂深介于5000～6000m的井，如果井底溫度不超過(guò)130℃、井底循環(huán)動(dòng)壓不超過(guò)17000psi(117.2MPa)，HALLIBURTON公司生產(chǎn)的MWD儀器以其工作的穩(wěn)定性高得到比較普遍的認(rèn)可。如果溫度或壓力超過(guò)這個(gè)指標(biāo)，則可用BAKER HUGHES公司生產(chǎn)的MWD儀器或GE公司生產(chǎn)的GEOLINK 儀器。
    對(duì)于垂深超過(guò)6000m的井，循環(huán)溫度都應(yīng)超過(guò)130℃，推薦使用BAKER HUGHES公司生產(chǎn)的MWD儀器或GE公司生產(chǎn)的GEOLINK MWD儀器；在循環(huán)溫度超過(guò)140℃的情況下，立足現(xiàn)有條件推薦使用GEOLINK MWD儀器。如果要用GEOLINK MWD儀器，底部鉆具壓降應(yīng)處于800psi以上且鉆井液漏斗黏度應(yīng)小于70s。
    對(duì)于垂深超過(guò)6000m，若溫度條件或其他條件限制BAKER HUGHES和GEOLINK MWD應(yīng)用的，則只有引進(jìn)國(guó)外更先進(jìn)的MWD儀器。
3 超深井MWD儀器應(yīng)用實(shí)例
中石化中原石油勘探局鉆井工程技術(shù)研究院在用東北多個(gè)工區(qū)完成了多口超深水平井和定向井的隨鉆測(cè)量施工，開(kāi)展了相應(yīng)的工藝措施改善與優(yōu)化攻關(guān)，積累了不同儀器在超深井中的工作特性經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步完善了MWD隨鉆測(cè)量?jī)x器的適應(yīng)性評(píng)價(jià)體系。
3.1 普光區(qū)塊
P204-2H是部署在四川盆地川東斷褶帶黃金口構(gòu)造帶普光構(gòu)造東南翼的一口開(kāi)發(fā)井，設(shè)計(jì)井深7001.09m(斜深)/5942.O0m(垂深)，完鉆井深7010.00m(斜深)/5942.18m(垂深)，井底水平位移1628.68m。采用HALLIBURTON 650 MWD儀器進(jìn)行隨鉆服務(wù)，連續(xù)正常工作1400h。
3.2 元壩區(qū)塊
3.2.1元壩3井
2008年4月，采用GEOLINK ORIENTEER2 HTHP MWD負(fù)脈沖儀器為元壩3井進(jìn)行隨鉆服務(wù)。隨鉆開(kāi)始井深5700m，循環(huán)溫度120℃，排量14L/s，鉆井液密度1.52g/cm3、含砂量為0.3%。同年4月16日23：00儀器入井工作，其間儀器工作完全正常，信號(hào)幅度在40～50psi(0.276～0.345MPa)，儀器有效工作時(shí)間123h，隨鉆結(jié)束井深5900m。4月26日儀器起出，發(fā)現(xiàn)APC外筒、電池A外筒、4個(gè)扶正器嚴(yán)重沖蝕，無(wú)法繼續(xù)使用。
隨鉆測(cè)量工作中，儀器脈沖器部分安裝在專(zhuān)用的懸掛短節(jié)里，下部置于Φ88.9mm加重鉆桿中。這種安裝方式，由于儀器與鉆桿內(nèi)壁環(huán)空比較小，增加了底部鉆具壓降，滿足了信號(hào)強(qiáng)度要求，同時(shí)也造成儀器過(guò)度沖蝕。
3.2.2元壩101井
元壩101井工程設(shè)計(jì)是一口直井，設(shè)計(jì)井深7224m，在鉆至5600m時(shí)用多點(diǎn)儀器測(cè)斜，顯示井斜較大，為地質(zhì)中靶需要，必須進(jìn)行糾斜。糾斜過(guò)程中采用GEOUNK ORIENTEER2 HTHP MWD負(fù)脈沖儀器。
針對(duì)元壩3井中儀器過(guò)度充蝕的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了外徑125mm、內(nèi)徑68mm和外徑172mm、內(nèi)徑80mm的特殊無(wú)磁鉆具加以改善。
由于前期鉆具底部壓降較低且鉆井液黏度較大，隨鉆測(cè)量?jī)x器難以正常工作。為此，提出了將底部鉆具壓降提升至680psi(4.69MPa)、鉆井液漏斗黏度降低至70s左右的技術(shù)措施，保證了儀器的正常工作。但是，隨著井深的進(jìn)一步增加，該型儀器接收的信號(hào)幅值逐步衰減，當(dāng)鉆至6100m后，出現(xiàn)了信號(hào)弱、解碼困難的情況(表1)。
3.2.3元壩2-側(cè)平1井
元壩2-側(cè)平1井是中國(guó)石化勘探南方公司的一口探井，設(shè)計(jì)井深6940m，側(cè)鉆點(diǎn)在老井5450m深處。
第一趟鉆使用5級(jí)螺桿加PDC鉆頭，底部鉆具壓降為650psi左右(4.48MPa)，儀器工作正常，但由于PDC鉆頭工具面不穩(wěn)而起鉆。第二趟鉆用4級(jí)螺桿加牙輪鉆頭，底部鉆具壓降約550psi(3.79MPa)，儀器信號(hào)弱，不能正常解碼。經(jīng)與井隊(duì)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員結(jié)合，現(xiàn)實(shí)條件不能滿足增大底部鉆具壓降的要求。
在施工過(guò)程中，先后使用了QDT MWD儀器、GEOLINK ORIENTEER2 HTHP MWD負(fù)脈沖儀器和HALLIBURTON 350 MWD正脈沖儀器。其中，QDT MWD儀器井口測(cè)試不成功；在GEOLINK MWD負(fù)脈沖儀器不能正常工作后采用HALLIBURTON 350 MWD，下鉆到底工作正常，但不能長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作。為此，后期采用了標(biāo)稱(chēng)耐溫177℃的斯倫貝謝SlimPulse連續(xù)脈沖式MWD，才最終完成了該井的側(cè)鉆施工，如表2所示。

3.3 相關(guān)認(rèn)識(shí)
    通過(guò)川東北地區(qū)的實(shí)踐，普通的HALLIBURTON MWD儀器的工作環(huán)境溫度不宜超過(guò)130℃；GEOLINK ORIENTEER2 HTHP儀器可以適應(yīng)更高的溫度和壓力，但在隨鉆測(cè)量過(guò)程中必須要求有足夠的底部鉆具壓降，為保障其在井深超過(guò)6000m的井中正常工作底部鉆具壓降應(yīng)在800psi以上且鉆井液漏斗黏度不宜大于70s；若工藝條件不能滿足GE0LINK高溫儀器的壓降和黏度要求，而垂深超過(guò)6000m，若環(huán)境溫度高于130℃，則需要引入抗溫性能更高的MWD儀器。
4 結(jié)論
    1) 超深井隨鉆測(cè)量的難點(diǎn)主要表現(xiàn)為儀器抗溫、耐壓能力不足，以及泥漿脈沖信號(hào)在黏滯性鉆井液中長(zhǎng)距離傳輸?shù)膰?yán)重衰減。
    2) 川t東北工區(qū)的實(shí)踐表明：普通的HALLIBURTON MWD儀器的工作環(huán)境溫度不宜超過(guò)130℃；GEOLINK ORIENTEER2 HTHP儀器可適應(yīng)更高的溫度和壓力，但必須要求有足夠的底部鉆具壓降，當(dāng)其應(yīng)用于井深超過(guò)6000m的井時(shí)，底部鉆具壓降應(yīng)在800psi以上且鉆井液漏斗黏度不宜大于70s。
    3) 總結(jié)了如下的儀器使用準(zhǔn)則：垂深在5000m以?xún)?nèi)的井，有很多MWD儀器可供選擇；垂深介于5000～6000m的井，如果井底溫度不超過(guò)130℃、井底循環(huán)動(dòng)壓不超過(guò)17000psi，HALLIBURTON公司生產(chǎn)的MWD儀器以其工作的穩(wěn)定性高得到比較普遍的認(rèn)可，若溫度或壓力超過(guò)這個(gè)指標(biāo)，則可用BAKER HUGHES公司生產(chǎn)的MWD儀器或GE公司生產(chǎn)的GEOLINK MWD儀器；垂深大于6000m時(shí)，推薦使用BAKER HUGHES公司生產(chǎn)的MWD儀器或GE公司生產(chǎn)的GEOLINK MWD儀器，若溫度進(jìn)一步升高或改良脈沖信號(hào)的措施無(wú)法實(shí)施時(shí)，則要引入抗溫性能更高的MWD儀器。
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(本文作者：李文凱 蘭凱 孫豫紅 中石化中原石油勘探局鉆井工程技術(shù)研究院)