高造斜率旋转地质导向技术在哈得逊油田的应用

王　磊　周　波　黎　强　苏小飞　张连成　滕鑫淼

（1.中国石油集团钻井工程技术研究院，北京　102206；2.塔里木油田公司，新疆库尔勒　841000；3.中国石油大学石油工程教育部重点实验室，北京　102249）

高造斜率旋转地质导向技术在哈得逊油田的应用

王磊1，2周波2黎强2苏小飞3张连成1滕鑫淼1

（1.中国石油集团钻井工程技术研究院，北京102206；2.塔里木油田公司，新疆库尔勒841000；3.中国石油大学石油工程教育部重点实验室，北京102249）

塔里木油田哈得逊薄油藏埋藏深、构造变化大，水平井钻井井眼轨迹控制困难，传统的旋转导向工具侧钻初期造斜率普遍不足，需使用弯螺杆马达增斜至30°左右后再更换工具，增加了钻井风险与周期。2013年，该区块应用高造斜率旋转导向工具（PowerDriver Archer RSS）及新一代地质导向技术（Scope系列），从侧钻点开始旋转导向钻进，在着陆及水平段加装地质导向工具，相比2012年，水平段平均井深增加214 m，钻井周期缩短36.7 d。在介绍高造斜率旋转导向以及随钻测井技术的基础上，结合现场应用实例分析，认为在哈得逊油藏，全井段旋转导向有利于降低井眼摩阻，节约钻进周期；地层探边及储层评价技术的应用提高了水平井的储层钻遇率，有利于该油藏的规模开采。

埋藏深；水平井；高造斜率旋转地质导向；随钻测井；钻进周期

塔里木盆地哈得逊油田构造位于满加尔凹陷的哈得逊构造带，自早古生代起处于凹陷构造格局，在其地质历史演化过程中，总体上表现为相对稳定的凹陷特征，具有十分有利的成藏地质条件［1］。油田自上而下主要由石炭系中泥岩段薄砂层油藏和东河砂岩油藏2个油藏构成，中泥岩段薄砂层油藏纵向上发育有2、3、4、5号4个砂层， 2、3号砂层厚度为1.0~1.2 m，4号砂层厚度更薄，约为0.7~1.2 m，储层平面上均具有南向北逐渐变薄的分布特性；东河砂岩呈南厚北薄的分布趋势，西南部东河砂岩沉积最厚，可达30 m以上，向北东方向减薄，直至尖灭。

在勘探开发过程中，哈得逊油田遇到诸多钻井难题［2-4］：油藏埋藏深、裸眼段长，钻井过程中摩阻大，钻具黏卡及托压现象严重；地层非均质性强，构造变化大，地层倾角不定；油层厚度薄且油水界面不定，井眼轨迹控制难度大，影响钻遇率。针对以上难点，哈得逊油田引进国外旋转地质导向钻井技术进行深井定向及水平导向作业，应用效果较好。

1　旋转地质导向技术

旋转地质导向技术包含旋转导向钻井技术与随钻地质导向测井技术两部分。旋转导向钻井技术的核心部件是导向单元，目前实现旋转导向功能主要有推靠式和指向式2种方式［5-8］，与传统的滑动导向相比，旋转导向钻井技术在钻井过程中，井下工具一直处于旋转状态，有利于井眼的清洁以及井壁的光滑、提高水平段的延伸能力、提高机械钻速，尤其适用于深井、大位移井及三维复杂结构井等特殊工艺井的应用；而随钻地质导向测井技术可以随钻实时测量近钻头处的各类工程参数及地质参数，既保证了井眼轨迹的准确着陆，又有利于水平段储层边界探测及储层物性评价，可在钻进过程中实时调整井眼轨迹，保证其在储层中展布以提高钻遇率［9-11］。

现场施工中发现：旋转导向钻井工具的选择上，无论是推靠式或指向式旋转导向工具，在造斜初期（小于30°），工具实际造斜率均无法满足哈得逊油田设计轨迹要求［12］，因此需从造斜点开始先使用常规螺杆马达增斜至30~40°后，更换旋转导向工具完成后续造斜段及水平段的钻井作业，造成前期井眼质量下降，影响水平段长度；并且，上述旋转导向工具在砂泥岩夹层段或机械钻速较低的泥岩段导向时造斜能力受限，无法及时调整钻进轨迹。

为了实现钻具全造斜段旋转导向钻进，2013年，引进了斯伦贝谢公司最新研制的高造斜率旋转导向系统PowerDriver Archer RSS，并结合近2年在此区块所应用的随钻测井新技术，形成了1套从造斜至完钻井段的旋转地质导向钻井技术提速模板，为高效开发哈得逊薄油藏提供了技术支撑。

2　高造斜率旋转导向系统

2.1系统特点

PowerDriver Archer RSS商业化应用始于2011年，结合了推靠式与指向式旋转导向特点，具有传统旋转导向工具的一切优势，最初应用于北美页岩钻井领域［13］。由于其具备高的造斜能力，因此可以替代以前只有马达才能完成的高造斜率轨迹要求，使得造斜点更深、进入储层更早，增加了水平段揭开储层长度（见图1）；另外，独特的结构设计可以使其完成多种形式的钻井作业，保证工具一次下钻完成直井段至水平段的钻进任务，提高钻头的纯钻时间。

图1　高造斜率旋转地质导向钻井轨迹

2.2工作原理

PowerDriver Archer RSS由控制单元和导向单元两部分组成［14］。控制单元主要由控制电路以及旋转控制阀组成；导向单元主要由卡盘、过流导管、稳定器内部的4个推靠块、中心轴以及万向节组成（见图2）。控制电路控制旋转控制阀与工具钻铤转速反向一致，这样保证其相对地层静止；卡盘开孔与过流导管相通，并与工具钻铤固联一体，当钻头需要向某一方向定向钻进时，旋转控制阀会分流4%~5%的钻井液推动其中2个推靠块，使中心轴产生一个与定向方向成180°的方向，后通过万向节变向，实现钻头向预定方向调整。由于推靠组件都在工具钻铤内部，免受复杂钻井环境影响，因此，这种结构设计出现故障或损坏的风险较低，有助于延长工具使用寿命。

稳定器的偏移角度受调节环控制，包括：0.6°、0.8°、0.9°、1.0°等4种，选择哪一角度须在地面调节好，角度越大，推靠块的行程越大，中心轴的偏移角度也相应增大，通常情况，0.6°的偏移角可以达到8 （°）/30 m的造斜率，1.0°的偏移角可以达到17 （°）/30 m的造斜率，当系统工作时，地面可以选择控制其在造斜率最大的定向模式或造斜率为零的稳斜模式下钻进。

3　随钻地质导向测井新技术

随钻地质导向测井技术是指在下部钻具组合中安装一系列测量仪器，实时探测钻头附近区域的井斜、方位、自然伽马、地层电阻率、岩石孔隙度、环空/地层压力等参数［15］。近年来，斯伦贝谢推出Scope系列随钻测井仪器［16］，通过补充与完善，已经满足随钻测井所需各项工程及地质参数的测量。结合哈得逊油田2013年现场应用分析：地层边界探测仪PeriScope及无化学源随钻综合测井仪NeoScope非常适合该区块薄砂层水平井的有效开发。

3.1PeriScope

PeriScope地层边界探测仪是一种多间隙、多频率定向传播测量的实时地质导向工具，仪器布置有横向和斜向接收传感器，用以测量工具的方向性信号，提供与地质边界的距离和倾斜方位，反映环井眼的地质构造。仪器分别具有100 kHz、400 kHz和2 MHz频率，能够测量2.4 m、2.1 m、0.86 m和0.56 m距离的定向相位和衰变，可产生环形压力和方位伽马射线，2.4 m的远距离探测可提供远达4.6 m的深探测范围。工具兼有地层评价功能，通过测量轨迹周边地层电阻率的各向异性，可探测地层破裂、显现地层构造倾角［17-18］。

3.2NeoScope

NeoScope无化学源随钻综合测井仪是目前行业内唯一采用无放射性化学源随钻储层评价工具，无需运输和储存放射性化学源，省去化学源安装时间，避免了复杂的侧钻和弃井工作流程。无化学源的脉冲中子发生器是NeoScope测量的关键，可提供无化学源中子孔隙度、中子伽马密度SNGD、元素俘获能谱ECS和热中子俘获截面Sigma（见图3），可以更准确地进行复杂储层综合地层评价，改善数据解释及产量和储量计算结果的可靠性。

图2　工具导向原理

图3　NeoScope测量参数

4　现场应用

从2013年起，哈得逊区块薄砂油藏开始使用PowerDriver Archer RSS旋转地质导向系统，至年底共完钻14口井，平均水平段长494 m，钻遇率86.5%，其中4口井钻遇率达100%，相比2012年，钻井周期由134 d降至97 d。

4.1应用简介

某H1井目的层垂深5 029 m，为双台阶水平井，1号目的层厚0.9 m，2号目的层厚0.6 m，该井从造斜点4 766 m开始至完钻井深6 033 m应用PowerDriver Archer RSS旋转地质导向系统。

造斜段钻具组合为Ø215.9 mm PDC钻头+Ø171.4 mm PowerDriver Archer RSS+Ø171.4 mm UBHO浮阀接头+CLPS柔性短节+Ø171.4 mm Slimpulse MWD+Ø127 mm 无磁加重钻杆+Ø127 mm 钻杆+Ø127 mm 加重钻杆+Ø127 mm 钻杆；着陆/水平段钻具组合为Ø215.9 mm PDC钻头+Ø171.4 mm PowerDriver Archer RSS+ Ø171.4 mm UBHO浮阀接头+Ø171.4 mm PeriScope/NeoScope LWD+Ø171.4 mm TeleScope MWD+Ø127 mm 无磁加重钻杆+Ø127 mm 斜坡钻杆+Ø127 mm 加重钻杆+Ø127 mm 钻杆。

H1井第一趟钻地面调节Archer工具调节环为0.9°，从4 766 m开始定向钻进，工具初期在50%~60%的定向设置获得了（6.5~7） （°）/30 m造斜率，钻至4 821 m提高定向设置至75%~100%，工具造斜率只提高至（7~7.5）（°）/30 m，未达到8 （°）/30 m的轨迹设计要求，实钻轨迹落后于设计，钻至4 866 m，井斜17°后，工具造斜率逐步提高至（8~10）（°）/30 m，随后在造斜率满足的情况下，调整方位，逐渐向设计轨迹靠近，钻至5 033 m追上设计轨迹，然后按照设计要求继续钻进，钻至5 177 m增斜至85.8°后起钻更换NeoScope工具着陆及水平段导向。

如图4所示，工具至井底后，对比Archer（调节环0.6°，随后下钻均为0.6°）和Neoscope的伽马基线值后正常钻进至5 242 m，井斜88.9°，钻进1号目的层成功着陆。钻至5 314 m，近钻头井斜90.3°，判断当前轨迹位于近储层中部穿行，继续钻进至5436 m，Neoscope下伽马升高，成像显示轨迹下切储层，增斜控制轨迹回到储层中上部位稳斜，钻至5511m，发现地层自然降斜趋势较强，稳斜效果差，进行增斜操作至5 525.5 m，由于井下仪器开泵时间达150 h，决定更换井下工具，总结该趟钻Neoscope测得中子密度及中子孔隙度变化不大，储层物性较平均，但工具对地层边界预判能力较差，增加了导向难度，因此下趟钻改装PeriScope探边工具。

图4　H1井部分井段随钻测井实钻图

新工具下至4 940~5 050 m遇阻，现场决定增加钻井液混油比例，以提高井筒润滑性，经过频繁短起下钻最终通过遇卡井段。工具下入井底继续增斜至5619 m后，开始降斜控制轨迹慢慢切向油层底部并穿越泥岩隔层，后稳斜钻进至近钻头伽马及PeriScope伽马均降低，判断进入2号目的层，此时改增斜操作期望轨迹在油层中部运行，由于增斜效果不明显加之此段地层倾角0.7°上倾，轨迹钻至5 730m从油层底部钻穿，此时借助Archer的高造斜能力，轨迹从5 750 m处返回油层。后续井段由两次下钻完成，起钻原因是更换钻头，两次钻进分别借助PeriScope和Neoscope的提早预判及Archer的及时调整，较好地保证了井眼轨迹在储层中行进，此井钻遇率达95.9%。

4.2应用认识

4.2.1全程旋转导向降低风险提高时效哈得逊油藏水平井造斜段靶前位移设计为250~300 m，造斜率最大达到9°/30 m。PowerDriver Archer RSS可进行裸眼悬空侧钻，实现了全造斜井段旋转钻进作业，有利于岩屑运移、降低井眼摩阻，为后期完井作业提供有利保证；同时，可以有效传递钻压，机械钻速更高，能在任意时刻发送指令，无需花费大量时间调整工具面，提高了钻进效率，造斜段周期由2012年的16 d降至目前10 d以内。

H1井应用时发现，侧钻初期工具造斜率受地层影响大，调节环为0.9°时，造斜率无法满足设计要求，但计算造斜后段可追回设计轨迹，因此没有起钻，但考虑到后期水平段着陆风险，推荐后续实施井侧钻初期将工具调节环角度调为1°。

4.2.2结合新型随钻测井工具导向效果显著

PowerDriver Archer RSS近钻头井斜及伽马距钻头更近，更有利于明确钻头处地层岩性，便于及时调整轨迹，对于地质导向发挥重要参考作用，结合PeriScope探边工具及NeoScope物性分析工具，对于薄油层成功着陆及复杂水平段钻进非常有利。H1井使用NeoScope工具水平段着陆，随后导向过程中发现该段薄砂层中子孔隙度及密度变化不大，但地层降斜及漂方位趋势明显，轨迹不易控制，容易偏离储层，因此下趟钻改用PeriScope工具，通过工具的方向性电阻率曲线以及伽马成像能清晰地预判轨迹和地层之间的关系，给实时轨迹调整带来很大帮助，导向效果更好。

4.2.3配套工具与工艺的成熟有利于技术推广

PowerDriver Archer RSS+ PeriScope/NeoScope的钻具组合相比其他钻具组合刚性更大，在造斜率较高的井段容易发生卡钻，需多次短起下，钻井风险较大，考虑结合地质情况，利用钻井模拟软件对井下工具进行模拟和优化，适当引入柔性短节或柔性无磁钻铤等工具以降低钻具整体刚性。

通过不断地应用与优化，摸索出适合于PowerDriver Archer RSS的钻头，该类钻头需具有侧向切削齿，可充分发挥工具的造斜能力，在钻压增高和地层软硬交替的情况下，钻进中能保持切削齿平滑切削，避免钻头扭矩剧烈变化而提早损坏。

尽量选用混油钻井液体系，该类钻井液抗高温效果好、携砂及井壁维护性能强、润滑性能高，可进一步发挥旋转导向工具特点。

5　结论

（1）通过一年的应用与探索，高造斜率旋转导向工具PowerDriver Archer RSS具备了现场规模化应用的条件，工具从造斜段开始全过程旋转钻进，解决了哈得逊油田深井油藏因地层砂泥岩夹层多，地层研磨性强等特点而带来的常规旋转导向造斜率不足的开采难题，全井段井眼轨迹光滑，有效地减少了井下托压等不利因素，降低钻进风险，提高钻井速度。

（2）新型随钻地质导向测井技术的应用使得薄砂层油藏的开发成为可能，PeriScope可有效判断薄砂层边界，NeoScope可提供储层物性评价，借助两种工具的实时地质分析及PowerDriver Archer RSS在软硬地层及夹层时高造斜能力，可有效控制轨迹在储层中展布。

（3）高造斜率旋转地质导向技术的规模化应用离不开相关配套技术的完善，需继续优化钻井施工方法，研究储层地质资料，选择合理钻头型号，减少配套工具故障。

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（修改稿收到日期2015-04-14）

〔编辑薛改珍〕

Application of rotary geo-steering technology with high build-up rate in Hadson Oilfield

WANG Lei1, 2, ZHOU Bo2, LI Qiang2, SU Xiaofei3, ZHANG Liancheng1, TENG Xinmiao1
（1. CNPC Drilling Engineering and Technology Research Institute, Beijing 102206, China;
2. Tarim Oilfield Company, Korla 841000, China; 3. Key Laboratory of Education Ministry for Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Beijing 102249, China）

The Hadson thin reservoirs in Tarim Oilfield has great burial depth and large structural variations. The wellbore trajectories in horizontal wells are hard to control. The traditional rotary steering tools could not realize enough build-up rate at the early stage of sidetracking, so the bent screw motor was used first to build up hole angle to about 30°, then changed to other tools, which increased drilling risks and drilling cycle. In 2013, the rotary geo-steering tool with high build-up rate (PowerDriver Archer RSS) and a new generation of geo-steering technology (Scope series) were used in this Block, which started drilling with rotary steering from the sidetracking point, and geo-steering tools were added at landing and horizontal sections. Compared with 2012, the well depth in horizontal hole was increased by 214 m in average, and drilling cycle was less by 36.7 d. Based on rotary steering with high build-up rate and logging while drilling, and in conjunction with analysis of field application cases, it was thought that full-hole rotary steering helps reduce hole friction in Hadson reservoir and so save drilling time. The application of formation delineation drilling and reservoir evaluation techniques has improved the reservoir drilling ratio by horizontal wells, which helps large-scale production of this reservoir.

deep burial; horizontal well; rotary geo-steering with high build-up rate; logging while drilling; drilling cycle

TE243

A

1000 – 7393（ 2015 ） 03 – 0023 – 05

10.13639/j.odpt.2015.03.006

国家油气重大专项“旋转导向及随钻测录、酸性气层测试技术与装备”（编号：2011ZX05021-005）。

王磊，1981年生。2007年毕业于北京理工大学机械与车辆工程学院，现主要从事石油钻井井下随钻工具机械结构研究工作，硕士学位，高级工程师。电话：010-80162199。E-mail：wanglei_1214@126.com。

引用格式：王磊，周波，黎强，等.高造斜率旋转地质导向技术在哈得逊油田的应用［J］.石油钻采工艺，2014，37（3）： 23-27.