连续管近钻头地质导向钻井技术
时间：2018-10-09 16:12
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在上游业务投资收紧或削减的情况下，如何提高油气井单井产量显得尤为重要，这其中起到决定性作用的是优质储层的钻遇率。目前常用的技术手段主要是依靠地震数据、储层物性等参数通过数值模拟确定合理的井位、井型、储层穿越长度；其次是利用地质导向技术根据钻遇储层情况实时调整井眼轨迹，有利于提高储层钻遇 率。Antech 公 司 在 2018 美 国SPE 连续管和修井技术年会正式发布 RockSense 连续管高分辨率地质导向系统，可以实时提供钻头处的地层数据信息，解决了传统工具的信息滞后问题。
数值模拟及其局限性
油藏数值模拟是根据油气藏地质及开发实际情况，通过建立描述油气藏中流体渗流规律的数学模型，并利用计算机求得数值解来研究其运动变化规律，其实质就是利用数学、地质、物理、计算机等理论方法对实际油藏的复制，其基础理论是基于达西渗流定律。地震资料是井位部署的重要依据，但是对于储层深度的评估和判断仍然会有误差存在，这在一定程度上可以通过将地震解释资料与邻井实钻地层结合起来进行修正，但是对于储层顶部深度仍存在一定不确定性。图 1a 显示了仅仅依靠数值模拟可能带来的储层钻遇偏差问题，根据数值模拟结果，可以确定储层深度、倾角，然后据此设计开窗侧钻点、造斜率和着陆角度，从而确定合理的井眼轨道数据。
随着钻井技术的进步，可以在钻井过程中向地面实时提供井斜和方位数据，从而模拟钻头在储层三维空间的穿行状态。因此，在原始的地震数据之外，还需要精确的地质导向数据，从而使作业者具有实时调整轨迹的能力。但如果储层厚度较薄，可能会由于储层深度的偏差，造成着陆位置提前，导致实钻轨迹在储层以上或以下，从而错过优质储层，造成产量不理想，如图1b 所示。
地质导向优势及存在的问题地质导向钻井技术是一项集定向测量、导向工具、地质参数测量、随钻解释等一体化的测量控制技术，其特点在于把钻井技术、测井技术和油气藏工程融合为一体，被广泛应用于薄油藏、复杂油气藏的勘探开发中。
常规的地层识别时需要地面人员配合做好岩屑录井工作，岩屑经振动筛返出后，需要进行相关的光学、化学、光谱或电子分析，但由于岩屑从井底返出至地面需要一段时间，因此岩性的识别具有一定延迟， 导致钻头继续钻进了一段距离。另一个缺点是分辨率较低，岩屑在井筒内运移上返过程中，由于钻井液、泥饼等作用，可能导致岩屑识别产生误差。
地质导向系统能够根据实钻地层属性实时调整井眼轨道，相比数值模拟有了巨大进步，但仍存在一些局限性，由于测量传感器与钻头之间存在较长的测量盲区，造成地质参数滞后，尤其在多夹层或储层较薄的情况下，由于没有合适的标记来区分不同的层系，可能会造成储层钻遇率下降。如图 2 左所示，传 统 的 传 感 器 距 离 钻 头 35ft， 当传感器识别出储层时，钻头已钻过35ft，可能已错过优质储层，从而导致轨迹频繁调整，影响井眼轨迹的平滑度，给后续的下套管、投产等作业造成不利影响。如果传感器安装在钻头位置，则可以避免数据的滞后，新型的连续油管地质导向系统就具有此功能。
带近钻头传感器的连续管钻井系统
目前的 LWD 随钻测井工具能够精确识别储层的伽马曲线特征、电阻率、密度和孔隙度，工具上的传感器技术成熟可靠，能够有效识别地层，但缺点是安装位置距离钻头较远，因为从钻头开始，安装的工具依次是动力马达、MWD 短节，然后才是 LWD 工具。在一些小井眼施工中，储层评价传感器距离钻头一般达到 25 英尺，降低了储层识别评价的准确度和及时性。AnTech公司新研发的 RockSense 系统克服了这些问题，与 LWD 系统相比，具有成本更低、精度更高的优势。
钻进就是通过钻头破岩实现进尺的过程，钻速取决于岩石破碎的速度和体积， 对于同类岩性的地层，胶结疏松的岩石破岩速度要显著高于胶结致密的岩石。与此相似，对于相同孔隙度，不同材质的岩石，由于晶粒间键合机理的差别，导致破岩能量不同。对于大部分岩石，可以通过实验确定孔隙度与晶粒键合力的关系。在最理想的状态下，马达的能量 100% 传递到钻头处用于破岩，实际工作中，由于马达自身能量损失，钻头振动、切削齿升温等，都需要消耗能量，使得能量的传递效率不可能达到 100%。在分析前，需要做出两个假设，首先假设马达性能完全掌握，可以预测不同工况下的马达工作效率。可以通过修改马达能量的初始设定值，提供更准确的测量方法；其次假设掌握了钻头和 BHA 组合在井底的工作状态。目前最新的连续油管钻井工具，通过在钻头处安装扭矩 -钻压传感器，这两条假设都可以实现。根据测量的数据结果，建立输出能量与破岩体积（井眼尺寸 × 进尺）之间的关系，然后转换为每米进尺消耗的破岩能量。
当井下动力马达驱动钻头转动破岩时，可以通过测量马达输出能量，判断钻进的岩性。如果是电动马达，可以通过测量电压和电流计算出瞬时能量。对于容积式马达，测量方式要复杂些，通过假定马达的主要工作参数，然后根据流量和压降，综合判断马达工作情况。计算出马达的输出能量后，就可以根据进尺计算每米消耗的能量，结合钻遇地层岩性，得到不同地层对应的破岩能量。
连续管近钻头地质导向技术现场应用
目 前 最 新 型 的 RockSense 连续管钻井系统可以解决此类问题，该系统不需要新的硬件和辅助设备， 不 会 额 外 增 加 钻 具 组 合 的 长度，而且传感器安装在钻头处，而不是钻头后十几米的位置，在钻进过程中能够实时获取井下真实的钻压和扭矩数据。连续管钻井技术在北美的一口井进行现场应用，该地区以前未施工过水平井，应用连续管的目的是提高储层钻遇率，增大储层暴露面积。研究人员应用三维地震数据对储层进行了前期评价，识别出地下可能存在隆起，设计井轨道要求在储层顶部以下 15ft 左右的位置穿越，油水界面在储层顶部以下 40ft，通过控制井斜追踪储层，避免进入水层。钻头处安装了伽马曲线传感器，由于储层深度是根据地震数据计算，因此可能存在误差。前期的数据处理结果表明，RockSense 测井曲线和中子孔隙度测井曲线具有较高的可信度。现场实施时，可以看到新井段的实钻轨迹与原始数据较为吻合，从图形能够看出地层变化的影响，利用这些数据可以实时跟踪钻头在储层的穿越轨迹，并及时调整。地面录井人员利用返出岩屑判断是否进入储层，结合 RockSense 测井曲线作出定向轨迹调整决策。
综上所述，RockSense 近钻头地质导向系统可以为作业者提供有价值的实时储层信息，为储层段的轨迹控制提供更加精确的参考依据。连续管钻井时，可以通过电缆向地面提供高精度数据，识别出储层孔隙度等物性特征的变化，判断储层的顶部和边界条件。地面的定向井技术团队可以据此判断钻头在储层的穿行情况，及时作出调整，最大限度的提高储层钻遇率，通过提高产量，达到经济开发的目标。
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