超深井隨鉆測量儀器適應性分析

摘 要

摘要：隨著對深部油氣藏的陸續(xù)開發(fā)，深井超深井數(shù)量逐步增多。由于井深的增加，對隨鉆測量儀器的抗高溫、耐高壓性能都提出了更高的要求，同時長距離傳輸?shù)拿}沖信號衰減超出儀器解碼
摘要：隨著對深部油氣藏的陸續(xù)開發(fā)，深井超深井數(shù)量逐步增多。由于井深的增加，對隨鉆測量儀器的抗高溫、耐高壓性能都提出了更高的要求，同時長距離傳輸?shù)拿}沖信號衰減超出儀器解碼范圍的問題也屢見不鮮，制約了上述儀器的使用。通過在川東北多個工區(qū)的隨鉆測量實踐，總結了不同井深和溫度條件下隨鉆測量儀器的選用原則：①垂深在5000m以內(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130℃、井底循環(huán)動壓不超過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可，若溫度或壓力超過這個指標，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6000m時，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，若溫度進一步升高或改良脈沖信號的措施無法實施時，則要引入抗溫性能更高的MWD儀器。還結合工程實例體會，進一步總結了不同儀器在超深井中的適用情況及改良措施。
關鍵詞：深井；超深井；隨鉆測量；儀器；適用性；選用原則；四川盆地東北部
   隨著中國石油化工股份有限公司(以下簡稱中國石化)對南方海相碳酸鹽巖儲層油氣藏的勘探開發(fā)工作的持續(xù)推進[1～4]，在川東北地區(qū)出現(xiàn)了一大批井深超過6000m(甚至超過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、信號質(zhì)量差等問題，制約了隨鉆測量儀器的使用范圍，對于保證井眼質(zhì)量、最大限度地發(fā)現(xiàn)油氣藏產(chǎn)生了不利影響。中國石化中原油田普光分公司在普光氣田開發(fā)和元壩區(qū)塊的勘探中，積累了大量的經(jīng)驗，總結了MWD隨鉆測量儀器在超深井中的使用情況及改良措施，為超深井的隨鉆測量提供了借鑒。
1 超深井隨鉆測量難點
   在川東北地區(qū)，中國石化為開發(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，平均設計井深為6591.96m；在大灣區(qū)塊，共部署9口水平井，平均設計井深為6105.1m；在元壩地區(qū)，2010年部署的水平井約5口，平均設計井深約7620m，垂深大于6700m。
1.1 對儀器抗溫性能提出更高的要求
    對于井深超過6000m的井，以地溫梯度2.3℃/100m計算，井底靜止溫度接近160℃，循環(huán)溫度可達140℃左右，國內(nèi)市場現(xiàn)有的很多儀器已不能滿足實際施工的需要。比如元壩2井在5600m井深儀器測溫達到131℃，多支隊伍因探管在高溫下的加速損壞而無法順利完成施工任務。
1.2 井底壓力高對儀器抗壓性能提出考驗
    由于超深井在鉆井過程中所鉆遇地層的復雜性，地層壓力變化較大，繼而鉆井液密度變化大，在鉆進過程中一般來說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)鉆井液密度有時可達到2.1g/cm3。此時，如果井底垂深超過6000m，則在鉆進過程中井下儀器所承受的壓力將超過18000psi(約124MPa，1psi～0.006895MPa，下同)；如果井底垂深超過6500m則儀器所承受的壓力將超過20000psi(約138MPa，下同)。
1.3 鉆井液黏度大會影響脈沖信號的傳輸距離
    由于超深井在鉆井過程中所鉆遇地層的復雜性，為滿足攜砂要求，設計的鉆井液黏度較大；而鉆井液黏度大會導致壓力波的幅值在單位傳輸距離內(nèi)更大的衰減[5]，最終導致地面壓力傳感器接收不到有效信號[6]。
2 國內(nèi)主要MWD儀器特點及選用原則
    目前國內(nèi)用于隨鉆測量的儀器有多個種類、多個生產(chǎn)廠家[7～8]，如美國HALLIBURTON公司生產(chǎn)的適用于各種排量的MWD或LWD儀器；美國GE公司生產(chǎn)的QDT和GEOLIN K MWD；美國BAKER HUGHES公司生產(chǎn)的MWD儀器；俄羅斯一家公司生產(chǎn)的ZTS-AP隨鉆測量儀器；國內(nèi)多個廠家也生產(chǎn)有各種MWD儀器。
2.1 國內(nèi)現(xiàn)有主要泥漿脈沖MWD儀器的特點
2.1.1美國HALLIBURTON公司生產(chǎn)的MWD儀器
    美國HALLIBURTON公司生產(chǎn)的MWD儀器根據(jù)所允許通過的排量大小分為1200、900、650、350、Slimhole和Superslim等類，根據(jù)其抗高溫、高壓性能分為普通儀器和高溫、高壓儀器，但由于其對中國出口的限制，國內(nèi)各油田都還沒有引進其高溫、高壓儀器。該公司所生產(chǎn)的普通儀器的井下部分標稱耐溫140℃、耐壓18000psi，采用正脈沖信號傳輸數(shù)據(jù)。這種儀器長期在井下工作實際耐受溫度可達130℃，如果長時間處于接近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GE公司生產(chǎn)的GEOLINK MWD儀器
    GEOLINK MWD儀器有正負脈沖兩種，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屬于負脈沖儀器，標稱耐溫165℃、耐壓23000psi(158.56MPa)。在實際應用過程中，國內(nèi)公司尚沒有應用于如此嚴酷的環(huán)境條件下，因為隨著井深的增加，信號越來越弱，井深一旦超過6000m將出現(xiàn)解碼困難，而要想滿足信號強度的需要則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小于70s，現(xiàn)場實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GE公司生產(chǎn)的QDT MWD儀器
    美國GE公司生產(chǎn)的QDT MWD儀器是一種正脈沖MWD儀器，普通儀器標稱耐溫150℃、耐壓20000psi。該公司還生產(chǎn)QDT高溫儀器，國內(nèi)遼河油田和北京安東石油公司引進有這種儀器，曾在循環(huán)溫度140℃的環(huán)境下成功應用。
2.1.4美國BAKER HUGHES公司生產(chǎn)的MWD儀器
    國內(nèi)大慶油田、大港油田有該公司的MWD產(chǎn)品，標稱耐溫150℃、耐壓20000psi，實際應用中有達到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各種國產(chǎn)MWD儀器
    目前國內(nèi)有多個廠家生產(chǎn)多種MWD儀器，標稱耐溫125℃或150℃、耐壓18000psi。國產(chǎn)儀器的性能在不斷提高、應用范圍也在不斷拓展，但與進口儀器相比，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
    實踐證明，對于垂深在5000m以內(nèi)的井，有很多MWD儀器可供選擇，至于定向作業(yè)能否順利進行將取決于其他一些因素。
    對于垂深介于5000～6000m的井，如果井底溫度不超過130℃、井底循環(huán)動壓不超過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可。如果溫度或壓力超過這個指標，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。
    對于垂深超過6000m的井，循環(huán)溫度都應超過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，底部鉆具壓降應處于800psi以上且鉆井液漏斗黏度應小于70s。
    對于垂深超過6000m，若溫度條件或其他條件限制BAKER HUGHES和GEOLINK MWD應用的，則只有引進國外更先進的MWD儀器。
3 超深井MWD儀器應用實例
中石化中原石油勘探局鉆井工程技術研究院在用東北多個工區(qū)完成了多口超深水平井和定向井的隨鉆測量施工，開展了相應的工藝措施改善與優(yōu)化攻關，積累了不同儀器在超深井中的工作特性經(jīng)驗，進一步完善了MWD隨鉆測量儀器的適應性評價體系。
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造帶普光構造東南翼的一口開發(fā)井，設計井深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儀器進行隨鉆服務，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負脈沖儀器為元壩3井進行隨鉆服務。隨鉆開始井深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，信號幅度在40～50psi(0.276～0.345MPa)，儀器有效工作時間123h，隨鉆結束井深5900m。4月26日儀器起出，發(fā)現(xiàn)APC外筒、電池A外筒、4個扶正器嚴重沖蝕，無法繼續(xù)使用。
隨鉆測量工作中，儀器脈沖器部分安裝在專用的懸掛短節(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，滿足了信號強度要求，同時也造成儀器過度沖蝕。
3.2.2元壩101井
元壩101井工程設計是一口直井，設計井深7224m，在鉆至5600m時用多點儀器測斜，顯示井斜較大，為地質(zhì)中靶需要，必須進行糾斜。糾斜過程中采用GEOUNK ORIENTEER2 HTHP MWD負脈沖儀器。
針對元壩3井中儀器過度充蝕的問題，設計了外徑125mm、內(nèi)徑68mm和外徑172mm、內(nèi)徑80mm的特殊無磁鉆具加以改善。
由于前期鉆具底部壓降較低且鉆井液黏度較大，隨鉆測量儀器難以正常工作。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左右的技術措施，保證了儀器的正常工作。但是，隨著井深的進一步增加，該型儀器接收的信號幅值逐步衰減，當鉆至6100m后，出現(xiàn)了信號弱、解碼困難的情況(表1)。
3.2.3元壩2-側平1井
元壩2-側平1井是中國石化勘探南方公司的一口探井，設計井深6940m，側鉆點在老井5450m深處。
第一趟鉆使用5級螺桿加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級螺桿加牙輪鉆頭，底部鉆具壓降約550psi(3.79MPa)，儀器信號弱，不能正常解碼。經(jīng)與井隊現(xiàn)場技術人員結合，現(xiàn)實條件不能滿足增大底部鉆具壓降的要求。
在施工過程中，先后使用了QDT MWD儀器、GEOLINK ORIENTEER2 HTHP MWD負脈沖儀器和HALLIBURTON 350 MWD正脈沖儀器。其中，QDT MWD儀器井口測試不成功；在GEOLINK MWD負脈沖儀器不能正常工作后采用HALLIBURTON 350 MWD，下鉆到底工作正常，但不能長時間持續(xù)工作。為此，后期采用了標稱耐溫177℃的斯倫貝謝SlimPulse連續(xù)脈沖式MWD，才最終完成了該井的側鉆施工，如表2所示。

3.3 相關認識
    通過川東北地區(qū)的實踐，普通的HALLIBURTON MWD儀器的工作環(huán)境溫度不宜超過130℃；GEOLINK ORIENTEER2 HTHP儀器可以適應更高的溫度和壓力，但在隨鉆測量過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6000m的井中正常工作底部鉆具壓降應在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 結論
    1) 超深井隨鉆測量的難點主要表現(xiàn)為儀器抗溫、耐壓能力不足，以及泥漿脈沖信號在黏滯性鉆井液中長距離傳輸?shù)膰乐厮p。
    2) 川t東北工區(qū)的實踐表明：普通的HALLIBURTON MWD儀器的工作環(huán)境溫度不宜超過130℃；GEOLINK ORIENTEER2 HTHP儀器可適應更高的溫度和壓力，但必須要求有足夠的底部鉆具壓降，當其應用于井深超過6000m的井時，底部鉆具壓降應在800psi以上且鉆井液漏斗黏度不宜大于70s。
    3) 總結了如下的儀器使用準則：垂深在5000m以內(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130℃、井底循環(huán)動壓不超過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可，若溫度或壓力超過這個指標，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，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，若溫度進一步升高或改良脈沖信號的措施無法實施時，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研究院)