劉行軍, 張炳軍, 閆海鵬, 何旭, 寇小攀, 趙寶華

(中國石油集團(tuán)測井有限公司長慶事業(yè)部, 陜西 西安 710201))

0 引 言

井眼軌跡是水平井地層真電阻率求取、儲層參數(shù)精確計(jì)算、油水層識別等測井評價(jià)的基礎(chǔ)[1-2]。通過水平井井眼軌跡分析,可以明確油藏與地層之間關(guān)系[3-4],井眼軌跡通過隨鉆測斜或電纜連斜數(shù)據(jù)得到,但在實(shí)際生產(chǎn)中,隨鉆測斜與測井連斜數(shù)據(jù)計(jì)算的垂深誤差較大,給井眼軌跡與地層關(guān)系分析帶來了困難。因此,需要對比分析隨鉆測斜與電纜連斜數(shù)據(jù)提供的井眼軌跡,找出兩者差異的原因,建立井眼軌跡誤差校正方法,這對于正確分析水平井眼與地層關(guān)系、評價(jià)水平井測井資料有著重要意義。

1 井眼軌跡誤差產(chǎn)生原因

制作井眼軌跡的數(shù)據(jù)主要來源于隨鉆測斜與電纜連斜,對比分析了長慶油田近幾年32口水平井井眼軌跡,對同一口井的隨鉆測斜與電纜連斜數(shù)據(jù),均采用平均角法計(jì)算井眼軌跡。計(jì)算結(jié)果表明,32口水平井中有24口井的垂深誤差大于3 m,個(gè)別井垂深誤差達(dá)十多米(見圖1)。產(chǎn)生誤差的原因可能是多方面的,可從測量儀器精度、測井工藝、深度計(jì)量方法等方面作進(jìn)一步分析。

圖1 水平井隨鉆測斜與電纜連斜垂深、測深對比圖

1.1 測量儀器精度

長慶油田水平井使用的隨鉆測斜儀傾角測量范圍0°～180°、測量精度±0.15°,方位角測量范圍0°～360°、測量精度±1.5°[5];電纜連斜儀器傾角測量范圍0°～180°、測量精度±0.2°,方位角測量范圍0°～360°、測量精度±2.0°[6]。測井原始資料驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求傾角的重復(fù)誤差在±0.5°以內(nèi);當(dāng)井斜角大于1°時(shí),方位角重復(fù)誤差在±10°以內(nèi)[7]。從測斜儀器精度來看,目前使用的隨鉆測斜和電纜連斜儀精度均能達(dá)到要求。

1.2 隨鉆測井方式及深度計(jì)量

水平井、大斜度井等復(fù)雜工程鉆井環(huán)境中,電纜測井施工困難,測井資料獲取及評價(jià)需要隨鉆測井[8-9]。隨鉆測井在鉆井的同時(shí)獲取井斜、巖性、孔隙度、飽和度等地層信息,儀器測量時(shí)地層初被鉆開,侵入、井眼垮塌等電纜測井所遇到的問題降到了最低,既可以提供鉆井工程參數(shù),又可以獲取地層信息。隨鉆測斜儀主要應(yīng)用于定向井、水平井井身軌跡測量。鉆井過程中,隨鉆測斜儀器裝在鉆具內(nèi),儀器相對于井眼居中,測量時(shí)井下測斜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成泥漿壓力波信號,通過鉆桿內(nèi)鉆井液傳送到地面,再通過地面處理,得到井身的井斜、方位等基礎(chǔ)數(shù)據(jù),根據(jù)鉆進(jìn)情況,可隨時(shí)調(diào)整井斜和方位,以確保鉆頭沿著設(shè)計(jì)軌跡鉆達(dá)靶區(qū)。

隨鉆測量包括地面深度測量和井下數(shù)據(jù)測量,兩者的記錄以時(shí)間為驅(qū)動,地面深度系統(tǒng)記錄深度時(shí)間,井下儀記錄測量數(shù)據(jù)時(shí)間,通過時(shí)間橋梁將深度和井下數(shù)據(jù)聯(lián)系在一起。隨鉆深度測量通過地面絞車碼盤計(jì)數(shù)器計(jì)量,碼盤計(jì)數(shù)器安裝在鉆井絞車的轉(zhuǎn)軸上,隨絞車一起轉(zhuǎn)動,記錄絞車轉(zhuǎn)動圈數(shù),根據(jù)起始位置、轉(zhuǎn)動一圈鋼絲繩所走距離、絞車記錄游車帶鉆桿時(shí)轉(zhuǎn)動的圈數(shù)計(jì)量深度,將計(jì)量深度與下入井中鉆桿長度作對比,最終給出測量點(diǎn)的深度[10]。

1.3 電纜測井方式及深度計(jì)量

水平井電纜測井常采取分段施工。通常情況下,井斜小于55°的井段測井儀器能夠靠自身重力通過,進(jìn)行第1次電纜測井。大于55°以上的大斜度井段及水平段(井斜角85°～95°)要借助鉆桿推送濕接頭測井工藝。第2次濕接頭測井工藝與第1次常規(guī)電纜測井至少有50 m的重復(fù)測量,以便2次測井深度能夠拼接。

鉆桿推送濕接頭測井是將儀器串通過過渡短節(jié)連接到鉆桿上,由鉆桿把儀器串推送到目的層測井。當(dāng)儀器串到達(dá)某一深度后,在鉆桿中間連接一個(gè)旁通短節(jié),電纜由旁通短節(jié)外部進(jìn)入到旁通內(nèi)部,然后連接濕接頭母槍,進(jìn)入到鉆桿內(nèi)腔,連接旁通短節(jié)上下鉆具,下放電纜并開泥漿泵,泵送濕接頭母接頭裝置與過渡短節(jié)內(nèi)連接儀器的公接頭對接,建立地面儀器和井下儀器供電與通訊,在鉆具下放或上提過程中保持測井絞車與鉆具運(yùn)動速度同步,完成數(shù)據(jù)采集[11]。

電纜測井深度系統(tǒng)是通過測量電纜位移量確定測井儀器下井深度。電纜測井位移測量時(shí),采用增量式光電編碼器作為傳感器,光電編碼器與傳動錕同軸,測井電纜安裝在傳動錕上,測井電纜移動時(shí),帶動光電編碼器測量輪轉(zhuǎn)動,光電編碼器轉(zhuǎn)動時(shí)輸出脈沖信號,信號脈沖數(shù)對應(yīng)于測井電纜線位移量,對脈沖信號進(jìn)行計(jì)量,得到電纜長度。由于馬丁代克測量輪磨損、電纜與測量輪打滑、電纜抖動及電纜拉伸影響,計(jì)量深度與實(shí)際井深有時(shí)會有較大誤差[12-13]。

實(shí)際測井中常采用注磁法將磁記號深度作為實(shí)際井深,以標(biāo)準(zhǔn)井某些深度段內(nèi)每根套管長度作為標(biāo)尺,在電纜上等間隔25 m注磁記號,每500 m加注大磁記號,通過磁記號校深處理方法,可消除電纜拉伸和光電編碼計(jì)量輪磨損、測井作業(yè)“深度不對零”帶來的深度誤差[14],井斜角小于55°井段的常規(guī)電纜測井可利用磁記號校深。采用井斜角大于55°以上的大斜度井段及水平段采用濕接頭測井工藝,鉆桿輸送濕接頭測井無法記錄電纜磁記號深度,地面系統(tǒng)是依靠電纜移動帶動滑輪,進(jìn)而帶動馬丁代克產(chǎn)生深度信號,這就要求電纜與鉆具移動達(dá)到同步,但實(shí)際測井時(shí)電纜起下與鉆具起下不可能達(dá)到完全同步,所以會造成深度計(jì)量誤差。

1.4 2種測井方式及深度計(jì)量比較

隨鉆測斜儀是居中的,測井深度從直井段到大斜度段,再到水平井段是一個(gè)連續(xù)的記錄,但該深度計(jì)量基于地面鉆具丈量,未考慮到鉆井過程中,受鉆桿自重、熱膨脹、泥漿浮力等因素的影響,鉆桿也會發(fā)生一些彈性形變、伸長或縮短,導(dǎo)致深度計(jì)量誤差。

水平井電纜測井時(shí),連斜儀器接在鉆具的前端,在水平段和大斜度段由于儀器不居中而產(chǎn)生誤差,第1次常規(guī)電纜測井深度誤差可通過磁記號控制,在第2次鉆桿輸送濕接頭測井段,由于無法記錄電纜磁記號深度,需要一種深度校正方法。測井時(shí)電纜起下與鉆具起下盡可能同步,減少深度計(jì)量誤差。

隨鉆測斜儀與電纜連斜儀精度均能達(dá)到測量要求,隨鉆測斜與電纜連斜數(shù)據(jù)井眼軌跡誤差主要是由2種測井工藝的深度誤差造成。

2 井眼軌跡誤差校正

2.1 隨鉆測井深度誤差校正

隨鉆測量過程中,影響鉆具伸縮的主要因素:①由于鉆具數(shù)量不斷增加,鉆具在重力作用下,自身會被拉長。②隨著鉆井深度的增加,地層溫度不斷升高,鉆桿熱膨脹效應(yīng)更加明顯,鉆桿就變得更容易被拉長。③由于井內(nèi)充滿泥漿,鉆具受泥漿浮力的影響,鉆具有效重量會減小,鉆具拉長幅度減小。④當(dāng)井斜增大時(shí),一方面鉆具軸向力減小,鉆具的拉張減小;另一方面鉆具的重量受井壁支撐力增大,鉆具與井壁的摩擦力增大,也會減少鉆具伸長。⑤泥漿循環(huán)泵壓產(chǎn)生的作用力會使鉆具伸長。⑥鉆井過程中鉆具的一部分重量會轉(zhuǎn)化為鉆壓,導(dǎo)致對底部鉆具組合及底部鉆桿產(chǎn)生壓縮。⑦鉆頭和鉆柱的旋轉(zhuǎn)造成的鉆桿扭曲,會造成鉆柱一定程度的縮短。在實(shí)際的鉆井過程中,鉆具伸縮主要由自身重量、泥漿的浮力,井壁對鉆桿靜摩擦力決定。隨著深度增加,井內(nèi)溫度逐漸升高,鉆具的熱膨脹形變也隨之增大。

在計(jì)算鉆具伸縮量時(shí),首先考慮單個(gè)構(gòu)件(一般選一根鉆桿),該構(gòu)件受自身重力、泥漿浮力、井壁彈力及摩擦力(見圖2)。通過垂直于構(gòu)件法向力Fn和沿著構(gòu)件的軸向力Ft,計(jì)算出整個(gè)構(gòu)件軸向在合力Haxial,利用虎克定律計(jì)算構(gòu)件在軸向上伸長量δwt。隨井深增加,井內(nèi)溫度不斷升高,根據(jù)構(gòu)件目前深度的溫度和地面溫度之差,估算出熱膨脹引起的伸長量δt,δt與δwt之和就得到該構(gòu)件總伸長量。

圖2 鉆具構(gòu)件受力示意圖

(1) 單個(gè)構(gòu)件伸長量的計(jì)算。計(jì)算構(gòu)件的法向力Fn,以便計(jì)算構(gòu)件沿軸向的摩擦力。采用Johancsik等提供的法向力計(jì)算公式[15]

Fn=[(FtΔαsinθavg)2+(FtΔθ+Wsinθavg)2]1/2

(1)

式中,漂浮重量W=mg-ρgV排。

計(jì)算構(gòu)件的軸向力ΔFt,構(gòu)件軸向力既有漂浮重力W沿軸向的分量,又有摩擦力(公式中摩擦力前面的“-”表示鉆具下行,“+”表示鉆具上行)

ΔFt=Wcosθavg±μFn

(2)

計(jì)算構(gòu)件軸向力之和Haxial。單個(gè)構(gòu)件軸向力不但有自身重力的作用,還有該構(gòu)件下方到鉆頭之間的所有構(gòu)件對它的共同作用力

(3)

計(jì)算構(gòu)件在軸向力作用下彈性伸長量。采用胡克定律進(jìn)行計(jì)算

(4)

式中,A為鉆桿金屬部分橫截面積,m2;E為鉆桿彈性模量,Pa;ΔL為構(gòu)件長度,m;Fn為構(gòu)件法向力,N;Ft為構(gòu)件底部軸向力,N;Δα為構(gòu)件長度方向角增加量,rad;θavg為構(gòu)件平均傾角,(°);Δθ為構(gòu)件長度上傾角增加量,rad;W為構(gòu)件漂浮重量,N。

鉆桿熱膨脹伸長量估算

δt=αt(T-Ttally)ΔL

(5)

式中,δt為鉆桿熱膨脹增量,m;αt為鉆桿線性熱膨脹系數(shù),m/ ℃;T為構(gòu)件局部處溫度, ℃;Ttally為鉆桿計(jì)數(shù)時(shí)地面溫度, ℃。

鉆桿總的伸長量

δs=δt+δwt

(6)

(2) 鉆具總伸長量計(jì)算。實(shí)際應(yīng)用中需要計(jì)算從鉆頭到地面各構(gòu)件伸長量,然后累加得到總伸長量。以長慶油田隴東地區(qū)陳平×井為例,該水平井斜深3 225 m,水平段長度1 009 m。表1為陳平×井鉆具規(guī)格、物理性質(zhì)參數(shù)表,MWD隨鉆儀質(zhì)量20 kg,鉆井泥漿密度1.05 g/cm3。由以上計(jì)算步驟得到,鉆至500 m處鉆具伸長量為0.21 m,計(jì)算鉆至1 897.9、2 149.4、2 793.9 m處鉆具伸長量分別為2.30、2.60、3.21 m。依據(jù)鉆具伸長后的深度對原隨鉆測斜數(shù)據(jù)進(jìn)行了深度校正,用校正后的數(shù)據(jù)制作了井眼軌跡(見圖3)。從圖3看,原始測斜數(shù)據(jù)做出的軌跡在斜深2 845.2～2 872.3 m段向上鉆入了泥巖,但實(shí)際測井資料顯示,軌跡在砂巖中穿行,深度校正后的軌跡向下偏移,與實(shí)際測井資料符合。

2.2 電纜測井深度誤差校正

鉆桿推送濕接頭測井時(shí),鉆桿中間連接一個(gè)旁通短節(jié),使測井電纜從鉆桿內(nèi)穿到鉆桿外,當(dāng)濕接頭對接成功后,將電纜在旁通孔處鎖死,使測井過程中進(jìn)入鉆桿內(nèi)的電纜長度不再變化,確保濕接頭公母接頭不脫落。當(dāng)完成濕接頭對接以后,旁通短節(jié)以下電纜向下合力實(shí)際全部施加在短節(jié)的密封固定螺栓上了。水平井電纜拉伸受力主要是旁通短節(jié)以上電纜的重力,根據(jù)這段電纜的受力情況可以建立深度誤差校正方法。

表1 陳平×井鉆具規(guī)格及物理性質(zhì)參數(shù)表

圖3 陳平×井隨鉆測斜深度校正前后井眼軌跡對比圖

(1) 利用磁記號對第1次大斜度段電纜測井連斜數(shù)據(jù)進(jìn)行深度校正。

(2) 計(jì)算濕接頭工藝測井時(shí)旁通短節(jié)上部電纜受力情況,根據(jù)受力情況建立深度校正卡,依據(jù)深度校正卡,對第2次濕接頭工藝測井段連斜數(shù)據(jù)進(jìn)行深度校正。

(3) 通過對比2次測井自然伽馬曲線形態(tài),采取曲線平移方法,完成第1次常規(guī)測井與第2次濕接頭工藝測井連斜數(shù)據(jù)的拼接。

隴東地區(qū)川平×井從井底起測時(shí),旁通短節(jié)上部電纜重力312 kg,隨著向上測量,旁通短節(jié)上部電纜重力逐漸減少,電纜拉伸量也在縮短,在斜深2 784.1、2 011.5 m處電纜伸長量分別為0.87、0.13 m,將濕接頭工藝測井段連斜數(shù)據(jù)經(jīng)過深度校正后,通過自然伽馬曲線,與第1次經(jīng)過磁記號校深的電纜連斜數(shù)據(jù)拼接,用拼接后的數(shù)據(jù)制作井眼軌跡。從圖4可看出,利用深度校正后拼接的連斜數(shù)據(jù)作出的井眼軌跡向下偏移。

2.3 深度誤差校正結(jié)果對比分析

基于以上分析認(rèn)為,隨鉆測斜與電纜連斜數(shù)據(jù)井眼軌跡誤差主要是2種測井的深度誤差,應(yīng)用本文提出的隨鉆測斜與電纜連斜深度誤差校正方法,對華慶地區(qū)10口水平井進(jìn)行了深度校正,統(tǒng)一使用最小曲率法計(jì)算了深度校正前后的垂深。經(jīng)過深度校正后,10口水平井電纜和隨鉆測井垂深差均有不同程度縮小,平均垂深差絕對值從校正前的3.57 m下降到了1.51 m,其中6口井垂深差在2.5 m以內(nèi),誤差明顯減小,井眼軌跡逐漸逼近真實(shí)深度(見圖5、表2)。

圖4 川平×井電纜斜深度正前后井眼軌跡對比圖

表2 隨鉆測斜與電纜連斜深度校正前后垂深差對比表

圖5 固平×井隨鉆測斜與電纜連斜深度校正前后井眼軌跡對比圖

3 結(jié) 論

(1) 受井下鉆具重力拉伸、泥漿浮力、溫度、儀器精度等因素影響,隨鉆測井深度、井斜和方位角與實(shí)際有誤差。水平井電纜測井受電纜伸長、濕接頭測井工藝、光電編碼器測量輪磨損等因素影響,測井記錄的深度、井斜角和方位也與實(shí)際有一定誤差。這些誤差因素導(dǎo)致了水平井隨鉆測斜與電纜連斜數(shù)據(jù)計(jì)算的垂深誤差較大。

(2) 從測井工藝、深度計(jì)量、測量儀器精度等方面分析了垂深誤差產(chǎn)生的原因,隨鉆測斜與電纜連斜數(shù)據(jù)的井眼軌跡誤差主要是由于測井深度誤差造成,提出了隨鉆測斜與電纜連斜井眼軌跡誤差校正方法。實(shí)際計(jì)算結(jié)果表明,應(yīng)用本文的誤差校正方法后,計(jì)算出的井眼軌跡更接近實(shí)際,這對于正確分析水平井眼與地層關(guān)系,進(jìn)而評價(jià)水平井測井資料有著重要意義。

參考文獻(xiàn):

[1] 孔繁達(dá), 何濤, 姜洪福. 薄互層水平井測井電阻率的各向異性校正 [J]. 北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2011, 47(2): 302-308.

[2] 覃世銀, 管志寧, 王昌學(xué), 等. 層狀各向異性地層的識別與評價(jià) [J]. 測井技術(shù), 2003, 27(3): 194-197.

[3] 周燦燦, 王昌學(xué). 水平井測井解釋技術(shù)綜述 [J]. 地球物理學(xué)進(jìn)展, 2006, 21(1): 152-160.

[4] 趙軍, 海川. 水平井測井解釋中井眼軌跡與油藏關(guān)系分析技術(shù) [J]. 測井技術(shù), 2004, 28(2): 35-42.

[5] 中國石油集團(tuán)測井有限公司. FELWD地層評價(jià)隨鉆測井系統(tǒng) [Z]. 2014.

[6] 張新江, 鄺學(xué)農(nóng). 連續(xù)測斜儀測量誤差分析及一致性試驗(yàn) [R]. 中國石油集團(tuán)測井有限公司, 2006.

[7] 中國石油測井專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化委員會. SY/T5132—2003測井原始資料質(zhì)量要求 [S]. 2003.

[8] 張辛耘, 王敬農(nóng), 郭彥軍. 隨鉆測井技術(shù)進(jìn)展和發(fā)展趨勢 [J]. 測井技術(shù), 2001, 30(1): 10-15.

[9] 張守欽, 盛明仁. 一種新型的隨鉆測量系統(tǒng) [J]. 西部探礦工程, 2001, 13(1): 43-44.

[10] 黃媚. 影響LWD井深精度的因素及其簡單修正 [J]. 西部探礦, 2008, 24(3): 74-78.

[11] 習(xí)昌俊, 季金龍, 劉云崖. “濕接頭”水平井測井深度精度的提高 [J]. 石油儀器, 2010, 24(1): 89-91.

[12] 仵杰, 劉珍. 測井?dāng)?shù)據(jù)深度校正方法綜述 [J]. 國外測井技術(shù), 2011, 10(6): 13-17.

[13] 林浩, 王鐵鋼. 井眼深度測量及校正 [J]. 石油儀器, 2005, 19(1): 77-78.

[14] 劉江偉, 李建華, 葉文軍, 等. 測井電纜深度記號標(biāo)定新方法實(shí)現(xiàn)的研究與應(yīng)用 [J]. 測井技術(shù), 2007, 31(6): 580-583.

[15] 冷露. 挪威海Kristi油田改進(jìn)隨鉆測井和電纜測井深度控制的作業(yè)程序和方法 [J]. 測井技術(shù)信息, 2006, 19(6): 1-19.