本文出自沙特石油技術(shù)期刊，介紹一種評(píng) 價(jià) 旋 轉(zhuǎn) 導(dǎo) 向 系統(tǒng)導(dǎo)向方式對(duì)水平井井筒扭曲造成影響的新方法。鉆井作業(yè)期間，井筒扭曲是指任何不受歡迎的、與設(shè)計(jì)井眼軌跡有偏差的井眼扭曲或彎曲。隨著鉆入地下油氣藏的井眼軌跡變得更加復(fù)雜和精確，石油公司越來越意識(shí)到井筒扭曲是鉆井、完井和油氣井開采過程中的一個(gè)嚴(yán)重問題。
評(píng)價(jià)過程中制定了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，所研究的井都具有共同的地質(zhì)構(gòu)造和軌跡設(shè)計(jì)，這些井都采用了非常相似的井底鉆具組合（BHA）設(shè)計(jì)；就井身質(zhì)量和測(cè)得的井筒扭曲度而言，電測(cè)測(cè)得的井斜數(shù)據(jù)可以用來說明可獲得的效益。此外，電測(cè)測(cè)得的井斜與實(shí)際隨鉆測(cè)量（MWD）測(cè)得的井斜數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)存在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量無法測(cè)得的微狗腿。
旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向打出更完美的井眼
本文介紹一種連續(xù)比例導(dǎo)向方法（簡稱 CPSM），證明這種導(dǎo)向方式是如何通過減小井筒扭曲打出優(yōu)質(zhì)井身質(zhì)量的。此外，研究發(fā)現(xiàn)，采用 CPSM 導(dǎo)向方法鉆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。鉆出的曲線段井眼更連續(xù)、更圓滑和更順暢，完全符合井眼軌跡設(shè)計(jì)的方向變化，包括鉆井和修井作業(yè)，都可能使用 RSS 系統(tǒng)，該研究對(duì)分析 RSS 導(dǎo)向機(jī)制的性能和效率提供了有用參考。
為了提高 RSS 導(dǎo)向機(jī)制的效率和準(zhǔn)確性，從而提高井身質(zhì)量，減少和減小微狗腿，定向鉆井服務(wù)公司倍受鼓勵(lì)和面臨挑戰(zhàn)。在一口新井設(shè)計(jì)過程中，整個(gè)鉆井作業(yè)導(dǎo)致大的成本損失的一個(gè)主要決策是選擇最佳導(dǎo)向機(jī)制的 RSS，鉆井參數(shù)與挑戰(zhàn)如機(jī)械鉆速、井眼軌跡、造斜率、地層傾角、井漏等都應(yīng)予以考慮，正確決定使用哪種鉆井系統(tǒng)是項(xiàng)目成功的關(guān)鍵。
因此，在決定哪一種鉆井系統(tǒng)最適合項(xiàng)目實(shí)施之前，評(píng)價(jià)市場(chǎng)上每種 RSS 導(dǎo)向機(jī)制的性能尤為重要。根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造、 井 眼 軌 跡 和 BHA， 選 擇 了18 口井進(jìn)行研究。研究重點(diǎn)集中在 6?″的水平段和 5?″的儲(chǔ)層段，這兩個(gè)井段的井筒質(zhì)量變得更為關(guān)鍵。對(duì)于儲(chǔ)層段鉆進(jìn)，通常要求最小的井眼傾角變化，而因?qū)驒C(jī)制造成的任何井筒扭曲可以很容易得到識(shí)別。
評(píng)估油氣井鉆井行業(yè)現(xiàn)有的RSS 導(dǎo)向機(jī)制的準(zhǔn)確性，這項(xiàng)研究是在以不同導(dǎo)向機(jī)制所鉆的井的情況下進(jìn)行的，由同一家電測(cè)服務(wù)商提供電測(cè)，電測(cè)數(shù)據(jù)分析表明，采用 CPSM 導(dǎo)向機(jī)制所鉆的井段，井眼扭曲度有明顯減小，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 變 化（AAC） 降 低 了5~6 倍；作者還觀察到，與采用推靠式和指向式導(dǎo)向機(jī)制的 RSS相 比， 采 用 CPSM 導(dǎo) 向 機(jī) 制 的RSS 鉆出的井眼更連續(xù)、更圓滑和更順暢。
影響井筒扭曲的可能性
“井筒扭曲”一詞有不同的解釋，直至目前，對(duì)這一現(xiàn)象還沒有一致的定義。隨后，井筒扭曲一般可以定義為任何不期望的偏離直線或井眼設(shè)計(jì)軌跡的井筒彎曲。雖然這一術(shù)語有時(shí)在這種環(huán)境下被不正確地使用，但它并不是衡量三維軌跡設(shè)計(jì)的復(fù)雜性指標(biāo)，而測(cè)量設(shè)計(jì)軌跡附近不需要的彎曲或軌跡波動(dòng)是不可避免的，也是必須要做的。
理論上，可以通過比較設(shè)計(jì)軌跡與測(cè)量軌跡來對(duì)井筒扭曲進(jìn)行評(píng)估，軌跡測(cè)量可以判斷實(shí)際井眼軌跡。目前，尚未建立對(duì)井筒扭曲進(jìn)行數(shù)值評(píng)估的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在打定向井時(shí)，由于地層頂部的變化或儲(chǔ)層范圍內(nèi)的地質(zhì)導(dǎo)向等因素，往往需要使井眼軌跡偏離最初的定向設(shè)計(jì)。“任何偏離設(shè)計(jì)軌跡”的井筒扭曲定義意味著“宏觀扭曲”將是整體扭曲的一部分。
另一個(gè)觀點(diǎn)是，考慮在最初定向軌跡設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上所有有目的軌跡改變，這些改變是在鉆進(jìn)期間、在最初軌跡的更新過程中進(jìn)行的。之后，這一更新的井眼軌跡可以與高清晰的小規(guī)模扭曲或“微扭曲”相疊置或重疊對(duì)比。本文主要研究與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向?qū)驒C(jī)制有關(guān)的、運(yùn)用于水平井方向?qū)虻呐で鷨栴}。因此主要關(guān)注的是后一類扭曲，從此開始，“微扭曲”一詞僅被稱為“扭曲”。
導(dǎo)向機(jī)制的影響評(píng)估
本文研究的重點(diǎn)是水平段。通常情況下，這部分井段要求最小的井斜變化，因此任何由導(dǎo)向機(jī)制所致的偏差或扭曲都能很容易被識(shí)別出來；井眼偏差或扭曲也被認(rèn)為是建井過程中最關(guān)鍵的要素，因?yàn)榫操|(zhì)量是影響測(cè)井質(zhì)量、完井質(zhì)量、油井產(chǎn)能及油井壽命的一個(gè)嚴(yán)重問題。扭曲分析是在某個(gè)目標(biāo)井段的一個(gè)間隔段進(jìn)行的，也就是在儲(chǔ)藏中保持同一垂深的傾斜度或井斜傾角保持不變，而不是對(duì)整個(gè)井段進(jìn)行分析；這種方法能對(duì)以 CPSM 導(dǎo)向機(jī)制鉆的井段與以推靠式和指向式導(dǎo)向機(jī)制所鉆的井段直接進(jìn)行扭曲對(duì)比；采用同一區(qū)塊、同一地層、不同導(dǎo)向機(jī)制所鉆井段的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)能夠確保扭曲對(duì)比更準(zhǔn)確。
由于評(píng)價(jià)的復(fù)雜性及影響井筒扭曲的因素很多，如地層的變化、要求的造斜率和曲線剖面等，本研究忽略了曲線段的分析。設(shè)計(jì)定向井眼軌跡，由于其包含在最初的鉆井設(shè)計(jì)中，常在鉆水平段期間被更改，主要是為了地質(zhì)導(dǎo)向。如果將電測(cè)測(cè)得的連續(xù)測(cè)量數(shù)據(jù)與最初設(shè)計(jì)的定向軌跡進(jìn)行比較對(duì)扭曲進(jìn)行評(píng)價(jià)，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)人為造成的扭曲；如果最初設(shè)計(jì)的水平段狗腿度公差為 0°/100ft，那么鉆進(jìn)期間水平段的狗腿度允許有 1.5°/100ft 的變化用于地質(zhì)導(dǎo)向的目的；如果將變化后的測(cè)量結(jié)果與“之前”的定向軌跡設(shè)計(jì)相比較，這種變化會(huì)導(dǎo)致重大的人為因素。
從每次測(cè)量中反算實(shí)際的定向設(shè)計(jì)軌跡，通過將設(shè)計(jì)的狗腿度增加到 1.5°/100ft 來考慮這一影響；對(duì)于所有研究的案例，假設(shè)設(shè)計(jì)的狗腿度為 1.5°/100ft，所研究的井段不存在任何類型的地質(zhì)導(dǎo)向。根據(jù)測(cè)井測(cè)得的數(shù)據(jù)，利用適當(dāng)?shù)淖钚∏蕼y(cè)量方程，計(jì)算這些點(diǎn)之間最小的曲率弧度。
在本研究中，最小曲率方程中的方位角被假設(shè)為常數(shù)，只計(jì)算井斜或井筒傾角。從成熟的定向鉆井作業(yè)區(qū)域收集所有測(cè)量數(shù)據(jù)，確保消除油田開發(fā)初期 RSS 井底鉆具組合設(shè)計(jì)所經(jīng)歷的學(xué)習(xí)曲線。在可能的地區(qū)，在 CPSM 導(dǎo)向機(jī)制所鉆的相同區(qū)塊，收集推靠式和指向式 RSS 所鉆同井段的測(cè)量數(shù)據(jù)。研究還考慮了目標(biāo)儲(chǔ)層或同區(qū)塊的地層，確保直接進(jìn)行對(duì)比。
圖 1 給出了一個(gè)電測(cè)井斜與MWD 實(shí)測(cè)井斜的總體比較，是在采用 CPSM 導(dǎo)向機(jī)制所鉆要求的井段時(shí)，以井眼井斜或井筒傾角作為測(cè)量深度的一個(gè)函數(shù)繪制而成的。圖 1 還顯示，電測(cè)測(cè)得的井斜與 MWD 的測(cè)量結(jié)果相吻合，顯示出 CPSM 導(dǎo)向機(jī)制鉆切線段時(shí)的準(zhǔn)確性，同時(shí)還表明，局部狗腿幾乎沒有。圖 2 示 意 了 電 測(cè) 井 斜 與 采用指向式導(dǎo)向機(jī)制所鉆水平段實(shí)測(cè)井斜的比較，顯示電測(cè)井斜與MWD 實(shí)測(cè)井斜之間存在一定差異。圖示表明，指向式導(dǎo)向機(jī)制在鉆水平段期間井斜保持能力不佳，而且還觀察到井斜角在不斷變化，整個(gè)水平段顯示出可能存在微狗腿，有些狗腿可能會(huì)變?yōu)殒I槽，鍵槽會(huì)影響井眼凈化，增大卡鉆幾率。
圖 3 顯 示 了 電 測(cè) 井 斜 與MWD 實(shí)測(cè)結(jié)果的比較，在此案例中，采用的是推靠式 RSS 鉆水平段。顯示電測(cè)井斜與 MWD 實(shí)測(cè)井斜存在很大差異，暴露出推靠式導(dǎo)向機(jī)制無法沿水平段保持井斜。此外，還觀察到測(cè)量點(diǎn)之間存在巨大波動(dòng)。圖 2 和圖 3 清晰地表明，實(shí)際井眼軌跡存在嚴(yán)重的微狗腿，這些微狗腿在采用指 向 式 和 推 靠 式 RSS 鉆 進(jìn) 時(shí)，MWD 測(cè)量工具是探測(cè)不到的。對(duì)井筒扭曲度和平均角度變化，簡稱 AAC 進(jìn)行了對(duì)比，確保不同區(qū)塊每種導(dǎo)向機(jī)制對(duì)比的準(zhǔn)確性，給出了已進(jìn)行的三種導(dǎo)向機(jī)制 RSS 之間的對(duì)比，仔細(xì)分析了扭曲度、AAC 和狗腿度；利用每口所選的井電測(cè)獲得的整個(gè)水平段的井斜數(shù)據(jù)，顯示的數(shù)值被計(jì)算作為平均值。
區(qū)塊 A 抽查了 6 口井，鉆水平段分別為：1 口采用 CPSM 導(dǎo)向，4 口 采 用 指 向 式，1 口 采 用推靠式；研究發(fā)現(xiàn)，與其它兩種導(dǎo) 向 方 式 相 比， 推 靠 式 RSS 鉆水平段時(shí)不能保持良好的恒定井斜，這就是井 -3A，打出平均扭曲度 19.01/100ft、AAC 0.94°/ft、 狗 腿 度 10.45 °/100ft 的 指標(biāo)；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 的指標(biāo)，排名第二；盡管如此，連續(xù)比例導(dǎo)向 CPSM 表現(xiàn)的最好，打出扭曲度 5.65°/100ft、AAC0.0165°/ft、狗腿度 3.8°/100ft的指標(biāo)。
區(qū)塊 B 只有 2 口條件類似的井，第 1 口采用了 CPSM 導(dǎo)向，打出扭曲度 0.05°/100ft、AAC0.01°/ft、狗腿度 1.02°/100ft的 指 標(biāo)； 第 2 口 采 用 指 向 式 導(dǎo)向，打出扭曲度 23.15°/100ft、AAC 0.303 °/ft、 狗 腿 度12.52°/100ft 的指標(biāo)；在這個(gè)區(qū)塊，沒能評(píng)價(jià)推靠式 RSS，因?yàn)橹斑x不出相同條件的井。C 區(qū)塊精心選擇了 3 口井，每口井都采用了不同的導(dǎo)向機(jī)制實(shí)施水平段鉆進(jìn)。CPSM 導(dǎo)向打出 扭 曲 度 4.531°/100ft、AAC0.176°/ft、狗腿度 3.25°/100ft的指標(biāo)，與其它兩種導(dǎo)向方式相比，顯示出較好的井斜保持能力；相比之下，指向式在所有 3 口井水平段鉆進(jìn)中表現(xiàn)最差，扭曲度22.85 °/100ft、AAC 0.479 °/ft、狗腿度 12.37°/100ft；接著是推靠式，打出的指標(biāo)為扭曲度16.54 °/100ft、AAC 0.257 °/ft、狗腿度 7.84°/100ft。
D 區(qū) 塊 只 選 了 2 口 井， 與推 靠 式 相 比，CPSM 導(dǎo) 向 再 次顯 示 出 高 精 度 定 向 和 井 斜 保 持能 力，CPSM 導(dǎo) 向 打 出 扭 曲 度3.628 °/100ft、AAC 0.024 °/ft、狗腿度 2.8°/100ft 的較高指標(biāo)；而推靠式導(dǎo)向則打出扭曲度14.51 °/100ft、AAC 0.117 °/ft、狗腿度 8.22°/100ft 的較差指標(biāo)；該區(qū)塊沒有可選的指向式RSS 鉆的井。
最后是E區(qū)塊， 選 了 5 口井，其中推靠式 RSS 在水平段鉆進(jìn)時(shí)，在保持井斜方面沒能打出良好指標(biāo)，結(jié)果顯示平均扭曲度12.08 °/100ft、AAC 0.168 °/ft、 平 均 狗 腿 度 6.97°/100ft，指標(biāo)較差；其次是指向式，打出扭 曲 度 6.01 °/100ft、AAC 為0.267°/ft、 狗 腿 度 3.9°/100ft的 指 標(biāo)； 然 而 電 測(cè) 顯 示 CPSM導(dǎo) 向 打 出 的 指 標(biāo) 為 平 均 扭 曲 度3.53 °/100ft、AAC 0.056 °/ft、 平 均 狗 腿 度 2.75°/100ft，CPSM 導(dǎo)向表現(xiàn)的最好。
在所有 5 個(gè)區(qū)塊中，由于推靠式與指向式之間出現(xiàn)交替結(jié)果，選擇了一種不同的方法來比較水平段傾角的保持能力，研究了所有 5 個(gè) 區(qū) 塊 18 口 井 的 扭 曲 度、AAC 和狗腿度的平均值。每種導(dǎo)向方式鉆切線段時(shí)的表現(xiàn)可以通過繪制一個(gè)放大的直方圖來說明。圖 4 分別展示了 CPSM 方式、指向式及推靠式的性能表現(xiàn)，所分 析 的 18 口 井，CPSM 導(dǎo) 向 顯示的平均扭曲度為 3.49°/100ft；其 次 是 推 靠 式 14.84°/100ft；最后是指向式 17.88°/100ft。基于這些結(jié)果，CPSM 導(dǎo)向打出的井筒質(zhì)量較好，避免了微狗腿。就扭曲度而言，與推靠式相比，CPSM 方式有著令人印象深刻的4.25 倍的提高。
此外，與指向式相比，性能提高了 5.12 倍。圖 5 展示了不同導(dǎo)向系統(tǒng)之間 AAC 的比較，對(duì)所研究的 18口井進(jìn)行了各種導(dǎo)向 AAC 的對(duì)比，結(jié)果顯示，CPSM 導(dǎo)向的井斜保持能力比推靠式和指向式好很多，AAC精度分別提高了5.5和4.5倍。用 AAC 分析取代扭曲分析，結(jié)果表明，推靠式 RSS 表現(xiàn)最差，其次是指向式，平均 ACC 分別為0.33°/ft 和 0.27°/ft。
圖 6 展示了所有 18 口井不同導(dǎo)向機(jī)制打出的井筒狗腿度的對(duì)比，CPSM 導(dǎo)向打出的井平均狗腿度為 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。
圖 7 分別說明了 CPSM、指向式和推靠式 RSS 的性能表現(xiàn)，區(qū) 塊 A 圖 示 說 明 了 CPSM 導(dǎo) 向切線段鉆進(jìn)保持井斜精度、避免微狗腿及提高井身質(zhì)量的表現(xiàn)；圖 6圖 7可以看到，多數(shù)推靠式和指向式RSS 所鉆的井段呈現(xiàn)出正弦波式的圖形走勢(shì)，這是“啟停”導(dǎo)向造成的自然表現(xiàn)，是由于井底鉆具鉆水平段時(shí)的降斜趨勢(shì)、同時(shí)還要試圖保持井斜、需要通過激活導(dǎo)向朝著期望的方向再增斜的糾斜結(jié)果；這些井眼軌跡類似于彎殼體泥漿馬達(dá)旋轉(zhuǎn)與滑動(dòng)交替模式鉆切線段的性能表現(xiàn)。
作者認(rèn)為，水平井水平段鉆井 期 間，CPSM 導(dǎo) 向 能 有 效 保持井斜或井眼傾角，鉆出高質(zhì)量的水平軌跡。此外，電測(cè)井斜數(shù)據(jù)分析表明，與指向式和推靠式RSS 相 比，CPSM 導(dǎo) 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。在水平井應(yīng)用中，為了盡可能準(zhǔn)確地保持某一垂深，采用 CPSM導(dǎo)向 的 RSS 鉆 進(jìn)， 井 斜 保 持 能力可以直接轉(zhuǎn)化為良好的垂深控制，這種表現(xiàn)能降低因微狗腿致完井設(shè)備過早損壞造成的成本損失。此外，電測(cè)密度數(shù)據(jù)代表了一個(gè)真實(shí)的狗腿度，是水平段電測(cè)時(shí)連續(xù)測(cè)量讀數(shù)得出的實(shí)際狗腿度。
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