本文出自沙特石油技术期刊，介绍一种评 价 旋 转 导 向 系统导向方式对水平井井筒扭曲造成影响的新方法。钻井作业期间，井筒扭曲是指任何不受欢迎的、与设计井眼轨迹有偏差的井眼扭曲或弯曲。随着钻入地下油气藏的井眼轨迹变得更加复杂和精确，石油公司越来越意识到井筒扭曲是钻井、完井和油气井开采过程中的一个严重问题。
 
评价过程中制定了严格的标准，所研究的井都具有共同的地质构造和轨迹设计，这些井都采用了非常相似的井底钻具组合（BHA）设计；就井身质量和测得的井筒扭曲度而言，电测测得的井斜数据可以用来说明可获得的效益。此外，电测测得的井斜与实际随钻测量（MWD）测得的井斜数据对比发现存在标准测量无法测得的微狗腿。
 
旋转导向打出更完美的井眼
 
本文介绍一种连续比例导向方法（简称 CPSM），证明这种导向方式是如何通过减小井筒扭曲打出优质井身质量的。此外，研究发现，采用 CPSM 导向方法钻出的水平段能保持良好的井斜角，具有出色的井斜保持性能。钻出的曲线段井眼更连续、更圆滑和更顺畅，完全符合井眼轨迹设计的方向变化，包括钻井和修井作业，都可能使用 RSS 系统，该研究对分析 RSS 导向机制的性能和效率提供了有用参考。
 
为了提高 RSS 导向机制的效率和准确性，从而提高井身质量，减少和减小微狗腿，定向钻井服务公司倍受鼓励和面临挑战。在一口新井设计过程中，整个钻井作业导致大的成本损失的一个主要决策是选择最佳导向机制的 RSS，钻井参数与挑战如机械钻速、井眼轨迹、造斜率、地层倾角、井漏等都应予以考虑，正确决定使用哪种钻井系统是项目成功的关键。
 
因此，在决定哪一种钻井系统最适合项目实施之前，评价市场上每种 RSS 导向机制的性能尤为重要。根据地质构造、 井 眼 轨 迹 和 BHA， 选 择 了18 口井进行研究。研究重点集中在 6⅛″的水平段和 5⅞″的储层段，这两个井段的井筒质量变得更为关键。对于储层段钻进，通常要求最小的井眼倾角变化，而因导向机制造成的任何井筒扭曲可以很容易得到识别。
 
评估油气井钻井行业现有的RSS 导向机制的准确性，这项研究是在以不同导向机制所钻的井的情况下进行的，由同一家电测服务商提供电测，电测数据分析表明，采用 CPSM 导向机制所钻的井段，井眼扭曲度有明显减小，平均扭曲度降低了 4~5 倍，平均狗腿度（DLS）降低了 3~4 倍，平 均 角 度 变 化（AAC） 降 低 了5~6 倍；作者还观察到，与采用推靠式和指向式导向机制的 RSS相 比， 采 用 CPSM 导 向 机 制 的RSS 钻出的井眼更连续、更圆滑和更顺畅。
 
影响井筒扭曲的可能性
 
“井筒扭曲”一词有不同的解释，直至目前，对这一现象还没有一致的定义。随后，井筒扭曲一般可以定义为任何不期望的偏离直线或井眼设计轨迹的井筒弯曲。虽然这一术语有时在这种环境下被不正确地使用，但它并不是衡量三维轨迹设计的复杂性指标，而测量设计轨迹附近不需要的弯曲或轨迹波动是不可避免的，也是必须要做的。
 
理论上，可以通过比较设计轨迹与测量轨迹来对井筒扭曲进行评估，轨迹测量可以判断实际井眼轨迹。目前，尚未建立对井筒扭曲进行数值评估的行业标准。在打定向井时，由于地层顶部的变化或储层范围内的地质导向等因素，往往需要使井眼轨迹偏离最初的定向设计。“任何偏离设计轨迹”的井筒扭曲定义意味着“宏观扭曲”将是整体扭曲的一部分。
 
另一个观点是，考虑在最初定向轨迹设计基础上所有有目的轨迹改变，这些改变是在钻进期间、在最初轨迹的更新过程中进行的。之后，这一更新的井眼轨迹可以与高清晰的小规模扭曲或“微扭曲”相叠置或重叠对比。本文主要研究与旋转导向导向机制有关的、运用于水平井方向导向的扭曲问题。因此主要关注的是后一类扭曲，从此开始，“微扭曲”一词仅被称为“扭曲”。
 
导向机制的影响评估
 
本文研究的重点是水平段。通常情况下，这部分井段要求最小的井斜变化，因此任何由导向机制所致的偏差或扭曲都能很容易被识别出来；井眼偏差或扭曲也被认为是建井过程中最关键的要素，因为井筒质量是影响测井质量、完井质量、油井产能及油井寿命的一个严重问题。扭曲分析是在某个目标井段的一个间隔段进行的，也就是在储藏中保持同一垂深的倾斜度或井斜倾角保持不变，而不是对整个井段进行分析；这种方法能对以 CPSM 导向机制钻的井段与以推靠式和指向式导向机制所钻的井段直接进行扭曲对比；采用同一区块、同一地层、不同导向机制所钻井段的测井数据能够确保扭曲对比更准确。
 
由于评价的复杂性及影响井筒扭曲的因素很多，如地层的变化、要求的造斜率和曲线剖面等，本研究忽略了曲线段的分析。设计定向井眼轨迹，由于其包含在最初的钻井设计中，常在钻水平段期间被更改，主要是为了地质导向。如果将电测测得的连续测量数据与最初设计的定向轨迹进行比较对扭曲进行评价，可能会发现人为造成的扭曲；如果最初设计的水平段狗腿度公差为 0°/100ft，那么钻进期间水平段的狗腿度允许有 1.5°/100ft 的变化用于地质导向的目的；如果将变化后的测量结果与“之前”的定向轨迹设计相比较，这种变化会导致重大的人为因素。
 
从每次测量中反算实际的定向设计轨迹，通过将设计的狗腿度增加到 1.5°/100ft 来考虑这一影响；对于所有研究的案例，假设设计的狗腿度为 1.5°/100ft，所研究的井段不存在任何类型的地质导向。根据测井测得的数据，利用适当的最小曲率测量方程，计算这些点之间最小的曲率弧度。
 
在本研究中，最小曲率方程中的方位角被假设为常数，只计算井斜或井筒倾角。从成熟的定向钻井作业区域收集所有测量数据，确保消除油田开发初期 RSS 井底钻具组合设计所经历的学习曲线。在可能的地区，在 CPSM 导向机制所钻的相同区块，收集推靠式和指向式 RSS 所钻同井段的测量数据。研究还考虑了目标储层或同区块的地层，确保直接进行对比。
 
图 1 给出了一个电测井斜与MWD 实测井斜的总体比较，是在采用 CPSM 导向机制所钻要求的井段时，以井眼井斜或井筒倾角作为测量深度的一个函数绘制而成的。图 1 还显示，电测测得的井斜与 MWD 的测量结果相吻合，显示出 CPSM 导向机制钻切线段时的准确性，同时还表明，局部狗腿几乎没有。图 2 示 意 了 电 测 井 斜 与 采用指向式导向机制所钻水平段实测井斜的比较，显示电测井斜与MWD 实测井斜之间存在一定差异。图示表明，指向式导向机制在钻水平段期间井斜保持能力不佳，而且还观察到井斜角在不断变化，整个水平段显示出可能存在微狗腿，有些狗腿可能会变为键槽，键槽会影响井眼净化，增大卡钻几率。
 
图 3 显 示 了 电 测 井 斜 与MWD 实测结果的比较，在此案例中，采用的是推靠式 RSS 钻水平段。显示电测井斜与 MWD 实测井斜存在很大差异，暴露出推靠式导向机制无法沿水平段保持井斜。此外，还观察到测量点之间存在巨大波动。图 2 和图 3 清晰地表明，实际井眼轨迹存在严重的微狗腿，这些微狗腿在采用指 向 式 和 推 靠 式 RSS 钻 进 时，MWD 测量工具是探测不到的。对井筒扭曲度和平均角度变化，简称 AAC 进行了对比，确保不同区块每种导向机制对比的准确性，给出了已进行的三种导向机制 RSS 之间的对比，仔细分析了扭曲度、AAC 和狗腿度；利用每口所选的井电测获得的整个水平段的井斜数据，显示的数值被计算作为平均值。
 
区块 A 抽查了 6 口井，钻水平段分别为：1 口采用 CPSM 导向，4 口 采 用 指 向 式，1 口 采 用推靠式；研究发现，与其它两种导 向 方 式 相 比， 推 靠 式 RSS 钻水平段时不能保持良好的恒定井斜，这就是井 -3A，打出平均扭曲度 19.01/100ft、AAC 0.94°/ft、 狗 腿 度 10.45 °/100ft 的 指标；指向式 RSS 打出平均扭曲度18.29 °/100ft、AAC 0.214 °/ft、平均狗腿度 10.30°/100ft 的指标，排名第二；尽管如此，连续比例导向 CPSM 表现的最好，打出扭曲度 5.65°/100ft、AAC0.0165°/ft、狗腿度 3.8°/100ft的指标。
 
区块 B 只有 2 口条件类似的井，第 1 口采用了 CPSM 导向，打出扭曲度 0.05°/100ft、AAC0.01°/ft、狗腿度 1.02°/100ft的 指 标； 第 2 口 采 用 指 向 式 导向，打出扭曲度 23.15°/100ft、AAC 0.303 °/ft、 狗 腿 度12.52°/100ft 的指标；在这个区块，没能评价推靠式 RSS，因为之前选不出相同条件的井。C 区块精心选择了 3 口井，每口井都采用了不同的导向机制实施水平段钻进。CPSM 导向打出 扭 曲 度 4.531°/100ft、AAC0.176°/ft、狗腿度 3.25°/100ft的指标，与其它两种导向方式相比，显示出较好的井斜保持能力；相比之下，指向式在所有 3 口井水平段钻进中表现最差，扭曲度22.85 °/100ft、AAC 0.479 °/ft、狗腿度 12.37°/100ft；接着是推靠式，打出的指标为扭曲度16.54 °/100ft、AAC 0.257 °/ft、狗腿度 7.84°/100ft。
 
D 区 块 只 选 了 2 口 井， 与推 靠 式 相 比，CPSM 导 向 再 次显 示 出 高 精 度 定 向 和 井 斜 保 持能 力，CPSM 导 向 打 出 扭 曲 度3.628 °/100ft、AAC 0.024 °/ft、狗腿度 2.8°/100ft 的较高指标；而推靠式导向则打出扭曲度14.51 °/100ft、AAC 0.117 °/ft、狗腿度 8.22°/100ft 的较差指标；该区块没有可选的指向式RSS 钻的井。
 
最后是E区块， 选 了 5 口井，其中推靠式 RSS 在水平段钻进时，在保持井斜方面没能打出良好指标，结果显示平均扭曲度12.08 °/100ft、AAC 0.168 °/ft、 平 均 狗 腿 度 6.97°/100ft，指标较差；其次是指向式，打出扭 曲 度 6.01 °/100ft、AAC 为0.267°/ft、 狗 腿 度 3.9°/100ft的 指 标； 然 而 电 测 显 示 CPSM导 向 打 出 的 指 标 为 平 均 扭 曲 度3.53 °/100ft、AAC 0.056 °/ft、 平 均 狗 腿 度 2.75°/100ft，CPSM 导向表现的最好。
 
在所有 5 个区块中，由于推靠式与指向式之间出现交替结果，选择了一种不同的方法来比较水平段倾角的保持能力，研究了所有 5 个 区 块 18 口 井 的 扭 曲 度、AAC 和狗腿度的平均值。每种导向方式钻切线段时的表现可以通过绘制一个放大的直方图来说明。图 4 分别展示了 CPSM 方式、指向式及推靠式的性能表现，所分 析 的 18 口 井，CPSM 导 向 显示的平均扭曲度为 3.49°/100ft；其 次 是 推 靠 式 14.84°/100ft；最后是指向式 17.88°/100ft。基于这些结果，CPSM 导向打出的井筒质量较好，避免了微狗腿。就扭曲度而言，与推靠式相比，CPSM 方式有着令人印象深刻的4.25 倍的提高。
 
此外，与指向式相比，性能提高了 5.12 倍。图 5 展示了不同导向系统之间 AAC 的比较，对所研究的 18口井进行了各种导向 AAC 的对比，结果显示，CPSM 导向的井斜保持能力比推靠式和指向式好很多，AAC精度分别提高了5.5和4.5倍。用 AAC 分析取代扭曲分析，结果表明，推靠式 RSS 表现最差，其次是指向式，平均 ACC 分别为0.33°/ft 和 0.27°/ft。
 
图 6 展示了所有 18 口井不同导向机制打出的井筒狗腿度的对比，CPSM 导向打出的井平均狗腿度为 2.73°/100ft，比推靠式打出的平均狗腿度 8.09°/100ft降 低 了 2.96 倍； 另 外，CPSM方 式 更 高 效， 比 指 向 式 打 出 的10°/100ft 的平均狗腿度降低了3.66 倍。
 
图 7 分别说明了 CPSM、指向式和推靠式 RSS 的性能表现，区 块 A 图 示 说 明 了 CPSM 导 向切线段钻进保持井斜精度、避免微狗腿及提高井身质量的表现；图 6图 7可以看到，多数推靠式和指向式RSS 所钻的井段呈现出正弦波式的图形走势，这是“启停”导向造成的自然表现，是由于井底钻具钻水平段时的降斜趋势、同时还要试图保持井斜、需要通过激活导向朝着期望的方向再增斜的纠斜结果；这些井眼轨迹类似于弯壳体泥浆马达旋转与滑动交替模式钻切线段的性能表现。
 
作者认为，水平井水平段钻井 期 间，CPSM 导 向 能 有 效 保持井斜或井眼倾角，钻出高质量的水平轨迹。此外，电测井斜数据分析表明，与指向式和推靠式RSS 相 比，CPSM 导 向 可 以 降低 井 筒 扭 曲 4~5 倍，AAC 降 低5~6 倍， 微 狗 腿 降 低 3~4 倍。在水平井应用中，为了尽可能准确地保持某一垂深，采用 CPSM导向 的 RSS 钻 进， 井 斜 保 持 能力可以直接转化为良好的垂深控制，这种表现能降低因微狗腿致完井设备过早损坏造成的成本损失。此外，电测密度数据代表了一个真实的狗腿度，是水平段电测时连续测量读数得出的实际狗腿度。