本文出自沙特石油技術期刊，介紹一種評 價 旋 轉 導 向 系統導向方式對水平井井筒扭曲造成影響的新方法。鉆井作業期間，井筒扭曲是指任何不受歡迎的、與設計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雜和精確，石油公司越來越意識到井筒扭曲是鉆井、完井和油氣井開采過程中的一個嚴重問題。
 
評價過程中制定了嚴格的標準，所研究的井都具有共同的地質構造和軌跡設計，這些井都采用了非常相似的井底鉆具組合（BHA）設計；就井身質量和測得的井筒扭曲度而言，電測測得的井斜數據可以用來說明可獲得的效益。此外，電測測得的井斜與實際隨鉆測量（MWD）測得的井斜數據對比發現存在標準測量無法測得的微狗腿。
 
旋轉導向打出更完美的井眼
 
本文介紹一種連續比例導向方法（簡稱 CPSM），證明這種導向方式是如何通過減小井筒扭曲打出優質井身質量的。此外，研究發現，采用 CPSM 導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、更圓滑和更順暢，完全符合井眼軌跡設計的方向變化，包括鉆井和修井作業，都可能使用 RSS 系統，該研究對分析 RSS 導向機制的性能和效率提供了有用參考。
 
為了提高 RSS 導向機制的效率和準確性，從而提高井身質量，減少和減小微狗腿，定向鉆井服務公司倍受鼓勵和面臨挑戰。在一口新井設計過程中，整個鉆井作業導致大的成本損失的一個主要決策是選擇最佳導向機制的 RSS，鉆井參數與挑戰如機械鉆速、井眼軌跡、造斜率、地層傾角、井漏等都應予以考慮，正確決定使用哪種鉆井系統是項目成功的關鍵。
 
因此，在決定哪一種鉆井系統最適合項目實施之前，評價市場上每種 RSS 導向機制的性能尤為重要。根據地質構造、 井 眼 軌 跡 和 BHA， 選 擇 了18 口井進行研究。研究重點集中在 6?″的水平段和 5?″的儲層段，這兩個井段的井筒質量變得更為關鍵。對于儲層段鉆進，通常要求最小的井眼傾角變化，而因導向機制造成的任何井筒扭曲可以很容易得到識別。
 
評估油氣井鉆井行業現有的RSS 導向機制的準確性，這項研究是在以不同導向機制所鉆的井的情況下進行的，由同一家電測服務商提供電測，電測數據分析表明，采用 CPSM 導向機制所鉆的井段，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向機制的 RSS相 比， 采 用 CPSM 導 向 機 制 的RSS 鉆出的井眼更連續、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，對這一現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計軌跡的井筒彎曲。雖然這一術語有時在這種環境下被不正確地使用，但它并不是衡量三維軌跡設計的復雜性指標，而測量設計軌跡附近不需要的彎曲或軌跡波動是不可避免的，也是必須要做的。
 
理論上，可以通過比較設計軌跡與測量軌跡來對井筒扭曲進行評估，軌跡測量可以判斷實際井眼軌跡。目前，尚未建立對井筒扭曲進行數值評估的行業標準。在打定向井時，由于地層頂部的變化或儲層范圍內的地質導向等因素，往往需要使井眼軌跡偏離最初的定向設計。“任何偏離設計軌跡”的井筒扭曲定義意味著“宏觀扭曲”將是整體扭曲的一部分。
 
另一個觀點是，考慮在最初定向軌跡設計基礎上所有有目的軌跡改變，這些改變是在鉆進期間、在最初軌跡的更新過程中進行的。之后，這一更新的井眼軌跡可以與高清晰的小規模扭曲或“微扭曲”相疊置或重疊對比。本文主要研究與旋轉導向導向機制有關的、運用于水平井方向導向的扭曲問題。因此主要關注的是后一類扭曲，從此開始，“微扭曲”一詞僅被稱為“扭曲”。
 
導向機制的影響評估
 
本文研究的重點是水平段。通常情況下，這部分井段要求最小的井斜變化，因此任何由導向機制所致的偏差或扭曲都能很容易被識別出來；井眼偏差或扭曲也被認為是建井過程中最關鍵的要素，因為井筒質量是影響測井質量、完井質量、油井產能及油井壽命的一個嚴重問題。扭曲分析是在某個目標井段的一個間隔段進行的，也就是在儲藏中保持同一垂深的傾斜度或井斜傾角保持不變，而不是對整個井段進行分析；這種方法能對以 CPSM 導向機制鉆的井段與以推靠式和指向式導向機制所鉆的井段直接進行扭曲對比；采用同一區塊、同一地層、不同導向機制所鉆井段的測井數據能夠確保扭曲對比更準確。
 
由于評價的復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。設計定向井眼軌跡，由于其包含在最初的鉆井設計中，常在鉆水平段期間被更改，主要是為了地質導向。如果將電測測得的連續測量數據與最初設計的定向軌跡進行比較對扭曲進行評價，可能會發現人為造成的扭曲；如果最初設計的水平段狗腿度公差為 0°/100ft，那么鉆進期間水平段的狗腿度允許有 1.5°/100ft 的變化用于地質導向的目的；如果將變化后的測量結果與“之前”的定向軌跡設計相比較，這種變化會導致重大的人為因素。
 
從每次測量中反算實際的定向設計軌跡，通過將設計的狗腿度增加到 1.5°/100ft 來考慮這一影響；對于所有研究的案例，假設設計的狗腿度為 1.5°/100ft，所研究的井段不存在任何類型的地質導向。根據測井測得的數據，利用適當的最小曲率測量方程，計算這些點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為常數，只計算井斜或井筒傾角。從成熟的定向鉆井作業區域收集所有測量數據，確保消除油田開發初期 RSS 井底鉆具組合設計所經歷的學習曲線。在可能的地區，在 CPSM 導向機制所鉆的相同區塊，收集推靠式和指向式 RSS 所鉆同井段的測量數據。研究還考慮了目標儲層或同區塊的地層，確保直接進行對比。
 
圖 1 給出了一個電測井斜與MWD 實測井斜的總體比較，是在采用 CPSM 導向機制所鉆要求的井段時，以井眼井斜或井筒傾角作為測量深度的一個函數繪制而成的。圖 1 還顯示，電測測得的井斜與 MWD 的測量結果相吻合，顯示出 CPSM 導向機制鉆切線段時的準確性，同時還表明，局部狗腿幾乎沒有。圖 2 示 意 了 電 測 井 斜 與 采用指向式導向機制所鉆水平段實測井斜的比較，顯示電測井斜與MWD 實測井斜之間存在一定差異。圖示表明，指向式導向機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，整個水平段顯示出可能存在微狗腿，有些狗腿可能會變為鍵槽，鍵槽會影響井眼凈化，增大卡鉆幾率。
 
圖 3 顯 示 了 電 測 井 斜 與MWD 實測結果的比較，在此案例中，采用的是推靠式 RSS 鉆水平段。顯示電測井斜與 MWD 實測井斜存在很大差異，暴露出推靠式導向機制無法沿水平段保持井斜。此外，還觀察到測量點之間存在巨大波動。圖 2 和圖 3 清晰地表明，實際井眼軌跡存在嚴重的微狗腿，這些微狗腿在采用指 向 式 和 推 靠 式 RSS 鉆 進 時，MWD 測量工具是探測不到的。對井筒扭曲度和平均角度變化，簡稱 AAC 進行了對比，確保不同區塊每種導向機制對比的準確性，給出了已進行的三種導向機制 RSS 之間的對比，仔細分析了扭曲度、AAC 和狗腿度；利用每口所選的井電測獲得的整個水平段的井斜數據，顯示的數值被計算作為平均值。
 
區塊 A 抽查了 6 口井，鉆水平段分別為：1 口采用 CPSM 導向，4 口 采 用 指 向 式，1 口 采 用推靠式；研究發現，與其它兩種導 向 方 式 相 比， 推 靠 式 RSS 鉆水平段時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；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，排名第二；盡管如此，連續比例導向 CPSM 表現的最好，打出扭曲度 5.65°/100ft、AAC0.0165°/ft、狗腿度 3.8°/100ft的指標。
 
區塊 B 只有 2 口條件類似的井，第 1 口采用了 CPSM 導向，打出扭曲度 0.05°/100ft、AAC0.01°/ft、狗腿度 1.02°/100ft的 指 標； 第 2 口 采 用 指 向 式 導向，打出扭曲度 23.15°/100ft、AAC 0.303 °/ft、 狗 腿 度12.52°/100ft 的指標；在這個區塊，沒能評價推靠式 RSS，因為之前選不出相同條件的井。C 區塊精心選擇了 3 口井，每口井都采用了不同的導向機制實施水平段鉆進。CPSM 導向打出 扭 曲 度 4.531°/100ft、AAC0.176°/ft、狗腿度 3.25°/100ft的指標，與其它兩種導向方式相比，顯示出較好的井斜保持能力；相比之下，指向式在所有 3 口井水平段鉆進中表現最差，扭曲度22.85 °/100ft、AAC 0.479 °/ft、狗腿度 12.37°/100ft；接著是推靠式，打出的指標為扭曲度16.54 °/100ft、AAC 0.257 °/ft、狗腿度 7.84°/100ft。
 
D 區 塊 只 選 了 2 口 井， 與推 靠 式 相 比，CPSM 導 向 再 次顯 示 出 高 精 度 定 向 和 井 斜 保 持能 力，CPSM 導 向 打 出 扭 曲 度3.628 °/100ft、AAC 0.024 °/ft、狗腿度 2.8°/100ft 的較高指標；而推靠式導向則打出扭曲度14.51 °/100ft、AAC 0.117 °/ft、狗腿度 8.22°/100ft 的較差指標；該區塊沒有可選的指向式RSS 鉆的井。
 
最后是E區塊， 選 了 5 口井，其中推靠式 RSS 在水平段鉆進時，在保持井斜方面沒能打出良好指標，結果顯示平均扭曲度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； 然 而 電 測 顯 示 CPSM導 向 打 出 的 指 標 為 平 均 扭 曲 度3.53 °/100ft、AAC 0.056 °/ft、 平 均 狗 腿 度 2.75°/100ft，CPSM 導向表現的最好。
 
在所有 5 個區塊中，由于推靠式與指向式之間出現交替結果，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 區 塊 18 口 井 的 扭 曲 度、AAC 和狗腿度的平均值。每種導向方式鉆切線段時的表現可以通過繪制一個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，所分 析 的 18 口 井，CPSM 導 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。基于這些結果，CPSM 導向打出的井筒質量較好，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 展示了不同導向系統之間 AAC 的比較，對所研究的 18口井進行了各種導向 AAC 的對比，結果顯示，CPSM 導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，結果表明，推靠式 RSS 表現最差，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 口井不同導向機制打出的井筒狗腿度的對比，CPSM 導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，區 塊 A 圖 示 說 明 了 CPSM 導 向切線段鉆進保持井斜精度、避免微狗腿及提高井身質量的表現；圖 6圖 7可以看到，多數推靠式和指向式RSS 所鉆的井段呈現出正弦波式的圖形走勢，這是“啟停”導向造成的自然表現，是由于井底鉆具鉆水平段時的降斜趨勢、同時還要試圖保持井斜、需要通過激活導向朝著期望的方向再增斜的糾斜結果；這些井眼軌跡類似于彎殼體泥漿馬達旋轉與滑動交替模式鉆切線段的性能表現。
 
作者認為，水平井水平段鉆井 期 間，CPSM 導 向 能 有 效 保持井斜或井眼傾角，鉆出高質量的水平軌跡。此外，電測井斜數據分析表明，與指向式和推靠式RSS 相 比，CPSM 導 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。在水平井應用中，為了盡可能準確地保持某一垂深，采用 CPSM導向 的 RSS 鉆 進， 井 斜 保 持 能力可以直接轉化為良好的垂深控制，這種表現能降低因微狗腿致完井設備過早損壞造成的成本損失。此外，電測密度數據代表了一個真實的狗腿度，是水平段電測時連續測量讀數得出的實際狗腿度。