在上游業(yè)務(wù)投資收緊或削減的情況下，如何提高油氣井單井產(chǎn)量顯得尤為重要，這其中起到?jīng)Q定性作用的是優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的鉆遇率。目前常用的技術(shù)手段主要是依靠地震數(shù)據(jù)、儲(chǔ)層物性等參數(shù)通過(guò)數(shù)值模擬確定合理的井位、井型、儲(chǔ)層穿越長(zhǎng)度；其次是利用地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)根據(jù)鉆遇儲(chǔ)層情況實(shí)時(shí)調(diào)整井眼軌跡，有利于提高儲(chǔ)層鉆遇 率。Antech 公 司 在 2018 美 國(guó)SPE 連續(xù)管和修井技術(shù)年會(huì)正式發(fā)布 RockSense 連續(xù)管高分辨率地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)提供鉆頭處的地層數(shù)據(jù)信息，解決了傳統(tǒng)工具的信息滯后問(wèn)題。
數(shù)值模擬及其局限性
油藏?cái)?shù)值模擬是根據(jù)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)實(shí)際情況，通過(guò)建立描述油氣藏中流體滲流規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，并利用計(jì)算機(jī)求得數(shù)值解來(lái)研究其運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律，其實(shí)質(zhì)就是利用數(shù)學(xué)、地質(zhì)、物理、計(jì)算機(jī)等理論方法對(duì)實(shí)際油藏的復(fù)制，其基礎(chǔ)理論是基于達(dá)西滲流定律。地震資料是井位部署的重要依據(jù)，但是對(duì)于儲(chǔ)層深度的評(píng)估和判斷仍然會(huì)有誤差存在，這在一定程度上可以通過(guò)將地震解釋資料與鄰井實(shí)鉆地層結(jié)合起來(lái)進(jìn)行修正，但是對(duì)于儲(chǔ)層頂部深度仍存在一定不確定性。圖 1a 顯示了僅僅依靠數(shù)值模擬可能帶來(lái)的儲(chǔ)層鉆遇偏差問(wèn)題，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，可以確定儲(chǔ)層深度、傾角，然后據(jù)此設(shè)計(jì)開(kāi)窗側(cè)鉆點(diǎn)、造斜率和著陸角度，從而確定合理的井眼軌道數(shù)據(jù)。
隨著鉆井技術(shù)的進(jìn)步，可以在鉆井過(guò)程中向地面實(shí)時(shí)提供井斜和方位數(shù)據(jù)，從而模擬鉆頭在儲(chǔ)層三維空間的穿行狀態(tài)。因此，在原始的地震數(shù)據(jù)之外，還需要精確的地質(zhì)導(dǎo)向數(shù)據(jù)，從而使作業(yè)者具有實(shí)時(shí)調(diào)整軌跡的能力。但如果儲(chǔ)層厚度較薄，可能會(huì)由于儲(chǔ)層深度的偏差，造成著陸位置提前，導(dǎo)致實(shí)鉆軌跡在儲(chǔ)層以上或以下，從而錯(cuò)過(guò)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層，造成產(chǎn)量不理想，如圖1b 所示。
地質(zhì)導(dǎo)向優(yōu)勢(shì)及存在的問(wèn)題地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)是一項(xiàng)集定向測(cè)量、導(dǎo)向工具、地質(zhì)參數(shù)測(cè)量、隨鉆解釋等一體化的測(cè)量控制技術(shù)，其特點(diǎn)在于把鉆井技術(shù)、測(cè)井技術(shù)和油氣藏工程融合為一體，被廣泛應(yīng)用于薄油藏、復(fù)雜油氣藏的勘探開(kāi)發(fā)中。
常規(guī)的地層識(shí)別時(shí)需要地面人員配合做好巖屑錄井工作，巖屑經(jīng)振動(dòng)篩返出后，需要進(jìn)行相關(guān)的光學(xué)、化學(xué)、光譜或電子分析，但由于巖屑從井底返出至地面需要一段時(shí)間，因此巖性的識(shí)別具有一定延遲， 導(dǎo)致鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)了一段距離。另一個(gè)缺點(diǎn)是分辨率較低，巖屑在井筒內(nèi)運(yùn)移上返過(guò)程中，由于鉆井液、泥餅等作用，可能導(dǎo)致巖屑識(shí)別產(chǎn)生誤差。
地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)鉆地層屬性實(shí)時(shí)調(diào)整井眼軌道，相比數(shù)值模擬有了巨大進(jìn)步，但仍存在一些局限性，由于測(cè)量傳感器與鉆頭之間存在較長(zhǎng)的測(cè)量盲區(qū)，造成地質(zhì)參數(shù)滯后，尤其在多夾層或儲(chǔ)層較薄的情況下，由于沒(méi)有合適的標(biāo)記來(lái)區(qū)分不同的層系，可能會(huì)造成儲(chǔ)層鉆遇率下降。如圖 2 左所示，傳 統(tǒng) 的 傳 感 器 距 離 鉆 頭 35ft， 當(dāng)傳感器識(shí)別出儲(chǔ)層時(shí)，鉆頭已鉆過(guò)35ft，可能已錯(cuò)過(guò)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層，從而導(dǎo)致軌跡頻繁調(diào)整，影響井眼軌跡的平滑度，給后續(xù)的下套管、投產(chǎn)等作業(yè)造成不利影響。如果傳感器安裝在鉆頭位置，則可以避免數(shù)據(jù)的滯后，新型的連續(xù)油管地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)就具有此功能。
帶近鉆頭傳感器的連續(xù)管鉆井系統(tǒng)
目前的 LWD 隨鉆測(cè)井工具能夠精確識(shí)別儲(chǔ)層的伽馬曲線特征、電阻率、密度和孔隙度，工具上的傳感器技術(shù)成熟可靠，能夠有效識(shí)別地層，但缺點(diǎn)是安裝位置距離鉆頭較遠(yuǎn)，因?yàn)閺你@頭開(kāi)始，安裝的工具依次是動(dòng)力馬達(dá)、MWD 短節(jié)，然后才是 LWD 工具。在一些小井眼施工中，儲(chǔ)層評(píng)價(jià)傳感器距離鉆頭一般達(dá)到 25 英尺，降低了儲(chǔ)層識(shí)別評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確度和及時(shí)性。AnTech公司新研發(fā)的 RockSense 系統(tǒng)克服了這些問(wèn)題，與 LWD 系統(tǒng)相比，具有成本更低、精度更高的優(yōu)勢(shì)。
鉆進(jìn)就是通過(guò)鉆頭破巖實(shí)現(xiàn)進(jìn)尺的過(guò)程，鉆速取決于巖石破碎的速度和體積， 對(duì)于同類巖性的地層，膠結(jié)疏松的巖石破巖速度要顯著高于膠結(jié)致密的巖石。與此相似，對(duì)于相同孔隙度，不同材質(zhì)的巖石，由于晶粒間鍵合機(jī)理的差別，導(dǎo)致破巖能量不同。對(duì)于大部分巖石，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定孔隙度與晶粒鍵合力的關(guān)系。在最理想的狀態(tài)下，馬達(dá)的能量 100% 傳遞到鉆頭處用于破巖，實(shí)際工作中，由于馬達(dá)自身能量損失，鉆頭振動(dòng)、切削齒升溫等，都需要消耗能量，使得能量的傳遞效率不可能達(dá)到 100%。在分析前，需要做出兩個(gè)假設(shè)，首先假設(shè)馬達(dá)性能完全掌握，可以預(yù)測(cè)不同工況下的馬達(dá)工作效率?？梢酝ㄟ^(guò)修改馬達(dá)能量的初始設(shè)定值，提供更準(zhǔn)確的測(cè)量方法；其次假設(shè)掌握了鉆頭和 BHA 組合在井底的工作狀態(tài)。目前最新的連續(xù)油管鉆井工具，通過(guò)在鉆頭處安裝扭矩 -鉆壓傳感器，這兩條假設(shè)都可以實(shí)現(xiàn)。根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)結(jié)果，建立輸出能量與破巖體積（井眼尺寸 × 進(jìn)尺）之間的關(guān)系，然后轉(zhuǎn)換為每米進(jìn)尺消耗的破巖能量。
當(dāng)井下動(dòng)力馬達(dá)驅(qū)動(dòng)鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)破巖時(shí)，可以通過(guò)測(cè)量馬達(dá)輸出能量，判斷鉆進(jìn)的巖性。如果是電動(dòng)馬達(dá)，可以通過(guò)測(cè)量電壓和電流計(jì)算出瞬時(shí)能量。對(duì)于容積式馬達(dá)，測(cè)量方式要復(fù)雜些，通過(guò)假定馬達(dá)的主要工作參數(shù)，然后根據(jù)流量和壓降，綜合判斷馬達(dá)工作情況。計(jì)算出馬達(dá)的輸出能量后，就可以根據(jù)進(jìn)尺計(jì)算每米消耗的能量，結(jié)合鉆遇地層巖性，得到不同地層對(duì)應(yīng)的破巖能量。
連續(xù)管近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
目 前 最 新 型 的 RockSense 連續(xù)管鉆井系統(tǒng)可以解決此類問(wèn)題，該系統(tǒng)不需要新的硬件和輔助設(shè)備， 不 會(huì) 額 外 增 加 鉆 具 組 合 的 長(zhǎng)度，而且傳感器安裝在鉆頭處，而不是鉆頭后十幾米的位置，在鉆進(jìn)過(guò)程中能夠?qū)崟r(shí)獲取井下真實(shí)的鉆壓和扭矩?cái)?shù)據(jù)。連續(xù)管鉆井技術(shù)在北美的一口井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，該地區(qū)以前未施工過(guò)水平井，應(yīng)用連續(xù)管的目的是提高儲(chǔ)層鉆遇率，增大儲(chǔ)層暴露面積。研究人員應(yīng)用三維地震數(shù)據(jù)對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行了前期評(píng)價(jià)，識(shí)別出地下可能存在隆起，設(shè)計(jì)井軌道要求在儲(chǔ)層頂部以下 15ft 左右的位置穿越，油水界面在儲(chǔ)層頂部以下 40ft，通過(guò)控制井斜追蹤儲(chǔ)層，避免進(jìn)入水層。鉆頭處安裝了伽馬曲線傳感器，由于儲(chǔ)層深度是根據(jù)地震數(shù)據(jù)計(jì)算，因此可能存在誤差。前期的數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明，RockSense 測(cè)井曲線和中子孔隙度測(cè)井曲線具有較高的可信度?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)施時(shí)，可以看到新井段的實(shí)鉆軌跡與原始數(shù)據(jù)較為吻合，從圖形能夠看出地層變化的影響，利用這些數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)跟蹤鉆頭在儲(chǔ)層的穿越軌跡，并及時(shí)調(diào)整。地面錄井人員利用返出巖屑判斷是否進(jìn)入儲(chǔ)層，結(jié)合 RockSense 測(cè)井曲線作出定向軌跡調(diào)整決策。
綜上所述，RockSense 近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)可以為作業(yè)者提供有價(jià)值的實(shí)時(shí)儲(chǔ)層信息，為儲(chǔ)層段的軌跡控制提供更加精確的參考依據(jù)。連續(xù)管鉆井時(shí)，可以通過(guò)電纜向地面提供高精度數(shù)據(jù)，識(shí)別出儲(chǔ)層孔隙度等物性特征的變化，判斷儲(chǔ)層的頂部和邊界條件。地面的定向井技術(shù)團(tuán)隊(duì)可以據(jù)此判斷鉆頭在儲(chǔ)層的穿行情況，及時(shí)作出調(diào)整，最大限度的提高儲(chǔ)層鉆遇率，通過(guò)提高產(chǎn)量，達(dá)到經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)的目標(biāo)。
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