随钻陀螺在海上丛式井防碰中的应用

刘东东

中海石油（中国）有限公司天津分公司（天津 300459）

渤海油田历经40年的开发，部分油田进入开发中后期，面临着综合含水上升快、产量递减快等问题。由于海上油田开发高投入、高风险的特点，单纯增加油井数量和平台数量来提高产量的方式经济性差，采取依托现有设施最大限度降低开发成本的区域性开发思路，结合油层水淹规律及剩余油分布规律，在油田原有平台的基础上通过老井侧钻、内挂槽口、外挂槽口及新建平台等方式实施密集丛式井网，提高油田采收率。为在2025 年实现上产4 000×104t的生产目标，渤海油田每年作业开发调整500 井次，油井间距横向350 m、纵向175 m、垂向90 m，定向井轨迹犹如“见缝插针”，同时部分老井浅部数据缺失，井眼碰撞风险高。海上油田开发受平台空间限制，一般采用丛式井网，槽口分布集中，间距一般为2.0 m×1.8 m，井眼防碰是丛式井开发的主要难题[1-5]，尤其是浅层防碰。

1 丛式井浅层防碰难点

在浅层钻井过程中，由于井眼中心距较小，广泛应用的MWD 磁性测斜工具受邻井套管磁干扰严重，所测量方位不稳定，井眼碰撞风险较高。对于此问题严峻的井，一般采用牙轮钻头钻进至离防碰井段一定距离，停止钻进，在电缆绞车的配合下，从钻杆中下入电缆陀螺测斜工具通过座键在底部钻具定向短节进行陀螺定向并复测上部井眼轨迹。然后起出陀螺，按照电缆陀螺定向的方位进行定向钻进，待与邻井轨迹成功分离摆脱磁干扰后，利用MWD 随钻测斜工具进行定向钻进[6-7]。该作业程序在磁干扰井段不能实时准确测量井眼轨迹，在长防碰井段，需要多次停止钻进，通过下入电缆陀螺测斜工具测量轨迹，增加了作业时间和钻具长时间静止粘卡的风险[8]。另一方面，钻杆的柔性会导致工具面波动，而且根据反扭角预留泥浆马达滑动工具面不一定准确。针对上述问题，随钻陀螺提供了一种解决方案，有效弥补了运用常规MWD 加电缆陀螺传统作业模式的不足，能够实现磁干扰环境下井眼轨迹的精确测量。国内相关学者基于研究课题，进行了随钻陀螺测量系统的研制及试验，取得了一定的效果[6-7,9]。美国某钻井公司的随钻陀螺（GyroMWD）已被用于海上丛式井的定向钻井作业中，并取得了良好的效果[8]。针对渤海油田丛式井防碰难题，采用美国某钻井公司的随钻陀螺（GyroMWD）能得到实时陀螺工具面数据进行定向钻进，有效缓解了浅层防碰的难题，保障了钻井作业的安全。

2 随钻陀螺系统组成及工作方式

常规MWD以地球的磁场强度及磁力线分布为测量依据，测出的井眼方位以磁北为基准。在井斜角大于等于3°时，使用重力工具面角；当井斜角小于3°时，重力工具面不准，切换使用磁性工具面角。在不受磁干扰的情况下，常规MWD 磁性工具面测量准确，但当MWD距离金属套管12 m以内时，磁性工具面测量误差较大[10]。随钻陀螺测量仪器是利用高速旋转陀螺的定轴性原理，利用陀螺仪和加速度传感器测量测点的地球自转角度速度和重力加速度分量，以地理北极为基准，计算出测点井斜角及方位角[11]。

2.1 随钻陀螺系统组成

随钻陀螺系统由地面计算机系统和井下测量系统两部分组成。井下测量系统的功能是测量井眼的各种参数，主要由脉冲发生器、扶正器、MWD电池（电压1 V、电容量26 AH）、MWD 探管、陀螺电池（电压36 V、电容量24 AH）、陀螺探管等组成，如图1所示。随钻陀螺和常规MWD一样均借助脉冲发生器产生的钻井液压力脉冲进行井下数据的传输，通过陀螺探管和MWD 探管将抗震陀螺和MWD 磁性测量技术进行结合。MWD 探管有重力加速度计和磁通门传感器，重力加速度计测量井斜角和重力工具面角，磁通门测量磁性工具面，重力加速度计和磁通门共同测量方位角；陀螺探管有Keeper陀螺和重力加速度计传感器。探管将测量得到的井眼轨迹数据按照一定的编码方式传给脉冲发生器，由钻井液脉冲发生器将测斜数据通过压力脉冲信号传输至地面，井架立管上的压力传感器将感应到压力脉冲信号传给地面计算机系统进行解码，最终显示出井眼轨迹数据。

图1 随钻陀螺井下测量系统结构图

地面计算机系统接收井下测量信息，经解码后获得实时方位、井斜和工具面测量数据，定向井工程师将获得的测斜及工具面参数输入定向井设计软件及时调整井眼轨迹，随钻陀螺的传输示意图如图2所示。

图2 随钻陀螺地面计算机系统

2.2 随钻陀螺工作方式

在磁干扰的情况下，随钻陀螺可以提供准确的方位、实时连续的陀螺工具面等数据。随钻陀螺有两种测斜模式，分别为陀螺测斜模式、普通MWD测斜模式，这两种模式可以切换。可将两种模式下得到的方位进行比较，以判断井下磁场干扰情况和磁干扰消失点。在丛式井初始造斜时，有磁干扰的情况，用随钻陀螺提供的连续、实时的陀螺工具面进行定向作业，并可以停泵测量得到准确的方位值；一旦摆脱磁场干扰后，可以关闭陀螺，使用MWD提供的工具面进行定向作业，同时可获得方位、井斜及其他状态参数。MWD 测斜和陀螺测斜这两种测斜模式的自动切换可以通过时间和井斜角两种方式控制。

1）关开泵间隔控制。传输MWD 测量数据：接立柱前关泵，放到测点，坐卡瓦，开始计时；钻具静止30 s后测量，采样时间30 s；计时1 min后开泵，等待MWD 磁性数据信号，整体测量时间持续4 min。传输陀螺测量数据：接立柱前关泵，放到测点，坐卡瓦，开始计时；保持钻具静止5 min，开泵，等待陀螺测量数据传输，整体测量时间持续8 min。

2）井斜控制。根据井眼轨迹设计，由地面监测软件计算自动切换的临界井斜角度A、B。在初始定向时，井斜＜3°，以陀螺工具面为准进行定向钻进；当井斜处于3°～A，以重力工具面为准进行定向钻进，测斜数据仍选陀螺数据；当井斜处于A～B，将两种测斜数据进行比较，以此判断MWD 是否仍受磁干扰，测斜仍选陀螺数据；当井斜＞B时，此时无磁干扰，测斜选取MWD测斜数据，如图3所示。

图3 井斜控制测斜模式切换

随钻陀螺测量流程如图4 所示：①开泵至少60 s 激活随钻陀螺，开始发送测量请求；②停泵，控制器探测到静止，陀螺模块通电，陀螺旋转，并执行自寻北；③漂移校正；④运行低井斜角测量模式；⑤重新开泵，控制器探测到连续震动，以脉冲方式传输陀螺测量数据、连续的陀螺工具面等数据。

图4 随钻陀螺测量流程

2.3 技术指标

随钻陀螺MWD 模块工作时间上限为200 h，随钻陀螺模块累计工作时间上限为30 h，最高工作压力达14 MPa，最高工作温度达150 ℃。该仪器的测量精度高，见表1，同时抗振动及抗冲击能力强。表1数据表明：随钻陀螺中，陀螺模块的测量精度高于MWD模块，存在磁干扰的情况下会选用陀螺模块的测量数据，摆脱磁干扰后，由于MWD模块单个数据点测斜时间较短，此时选择MWD 进行测斜。由于测斜仪均有一定的测量误差，因此计算出来的井眼轨迹同样存在误差，而误差的累加造成椭圆随井深的增加而增大，井眼轨迹可能位于椭圆内任意位置[2]，因此选用高精度的随钻陀螺测量仪器能有效降低丛式井碰撞风险。

表1 随钻陀螺测量精度

3 现场应用

3.1 应用背景

渤海某油田主要目的层为明化镇组和馆陶组，储层埋藏浅，岩性较疏松，具高孔高渗的特征，纵向储层物性变化不大。原有一个生产平台D，共70个槽口，已钻78口井。该油田于2004年7月投产，截至2019年6月30日，综合含水上升至95.19%，地质储量动用程度72.1%，地质储量采出程度仅9.9%。存在储量动用程度不高、井网控制程度偏低等问题。同时整个生产系统的处理能力已达到最大极限，在部分油井含水日益增加的情况下，提液稳产将受到严重限制。为进行剩余油挖潜，对该油田实施综合调整，新建一座中心处理平台J。J平台槽口结构为6排×10列，共60个槽口，槽口间距2.0 m×1.8 m，均为单筒单井，通过栈桥与相距50 m的D平台连接。两座平台共计131口井，井网分布如图5所示，主要采用水平井开发，着陆垂深较浅在700～1 400 m，设计狗腿度高，井网错综复杂，防碰井数量大，轨迹需从多口井中间穿行，绕障难度大；同时防碰井段长，个别井全井段碰撞问题非常严峻，不仅存在本平台井与井之间的防碰，还存在与D平台井之间的防碰。

图5 D、J平台井网分布图

3.2 老井轨道数据处理

不同的测量仪器和测量环境以及不同的测量方法和建模技术都会带来不同的误差。由于该平台部分老井作业时间久远，井眼轨道的测量精确度不高，各井眼轨道测量仪器不同，测点不连续、测点间距大等各种系统误差和计算误差，同时老井所用坐标系统为WGS72，与现用WGS84 坐标系统不一致，使得老井眼轨道数据具有较大的不确定性。在设计中对老井轨道数据进行处理，包括坐标系、坐标原点、参考北、井口补心海拔高度、轨道计算方法、地磁计算更新等，使新旧轨道数据基础保持一致。MWD 仪器广泛认可的误差模型为ISCWSA 误差模型，随后也扩展到各种陀螺测量仪器，该误差模型适用于现代测量工具，因此在处理MWD 和随钻陀螺测斜数据时，误差模型均采用的是ISCWSA误差模型，使不同测斜工具误差计算基础保持一致。对于存在严重碰撞风险的老井，在作业前进行了陀螺复测，确保数据准确。

3.3 防碰情况

J平台J51H井508 mm（20″）隔水导管入泥深度45 m，设计一开406.4 mm（16″）井眼中完井深500 m。设计造斜点150 m，随后增斜扭方位钻进至240 m，降斜降方位反扣至380 m，随后增斜扭方位钻进至中完井深。采用最精确和常用的最小距离扫描法进行井组扫描，计算J51H 井和邻井间的最小距离，确定井眼碰撞和趋近风险。通过定向井轨迹扫描发现本井与6 口井存在浅层防碰关系，防碰形势异常严峻，见表2。本井与J09H 井从150 m 开始中心距有渐近趋势，在200.43 m处最近距离0.76 m，处于同一垂深，在319 m 时中心距才能达到4 m；与J42H井从60 m开始呈渐进趋势，在438.09 m处最小距离2.77 m；与J45H 井260 m 之前分离较慢，在137.81 m 处最近距离1.83 m；与J46H 井在117.19 m处最近距离1.61 m，在370 m之前与本井分离较慢；与J50H 井从180 m 开始渐近，在341.08 m 处最近距离2.05 m，之后逐渐远离，期间与本井平行；与J61井从190 m 开始与本井渐近，在276.79 m 处最近距离2.85 m，与本井平行至400 m左右开始逐渐远离。

表2 J51H邻井防碰扫描数据

3.4 作业情况

采用牙轮钻头绕障，减少钻穿邻井套管的风险，选取1.5°弯角马达保证浅部软地层高造斜的要求。一开马达预斜钻具组合：Φ406.4 mm牙轮钻头+Φ244.475 mm 泥浆马达（弯角1.5°）+Φ203.2 mm 浮阀+Φ311.15 mm 扶正器+Φ203.2 mm 非磁钻铤+Φ 209.55 mm 随钻陀螺+Φ203.2 mm 非磁钻铤+Φ203.2 mm 定向接头+Φ203.2 mm 震击器+Φ139.7 mm 加重钻杆×13。MWD 测点距钻头22.88 m，陀螺测点距钻头18.36 m。非磁钻铤用于定向井作业时减轻地磁场对测量仪器的磁干扰。

随钻陀螺现场组合流程如图6 所示，在组合钻具期间，首先标定陀螺，连接管串并测试随钻陀螺，然后将陀螺模块的高边校正到MWD 模块的高边上，然后将随钻陀螺装入钻铤中，将随钻陀螺高边调整到与泥浆马达弯角刻线一致并固定。随后浅层测试陀螺测斜工具，工作正常，下钻。

图6 随钻陀螺现场组合流程

下钻探泥面57 m，直井段MWD 的总磁场强度和磁偏角出现异常，超出该地区正常值的2%（该地区正常值总磁场强度为53 618 nT，磁偏角为57.44°），采取轻压吊打，注意防斜打直，避免加剧与邻井的碰撞。钻井参数：钻压0～3 t，排量3 200 L/min，转速30 r/min。实际钻进至防碰井段时，轨迹控制要尽量贴合设计线，做好实时防碰扫描。本井钻进至140 m开始造斜，采用陀螺工具面初始定向，期间在滑动钻进后，为保证井眼轨迹平滑，进行旋转钻进，最终定向钻进至中完井深478 m，陀螺测点17 个，入井时间27 h，作业进尺达到431 m。滑动钻进钻井参数，钻压1～10 t，排量2 000～3 600 L/min，泵压2～9 MPa；旋转参数，钻压1～12 t，排量3 000～3 600 L/min，泵压3～9 MPa，转速30～60 r/min。为保证轨迹的准确性，下完Φ244.475 mm 套管到位后，不占井口使用电缆陀螺复测上部井段轨迹，如图7所示，结果表明：

图7 随钻陀螺与电缆陀螺测量数据对比

1）随钻陀螺测量井眼轨迹与电缆陀螺套管轨迹测量吻合度高，能有效规避大型丛式井碰撞风险，提高作业时效。

2）在时效方面，表层采用电缆陀螺定向时间约2 h/次，由于本井防碰井段长，防碰形式严峻，与6口邻井最近距离在3 m以内，且几乎处于同一垂深，因此计划在钻至最近防碰点前采用电缆陀螺进行复测，共计测6趟陀螺，预计用时12 h。测斜时间共计2.67 h，节约9.33 h，提高了作业时效，增强了安全性。

4 结论

1）随钻陀螺由地面计算机系统和井下测量系统两部分组成，通过钻井液压力脉冲传输数据，可根据磁干扰情况在MWD测斜和陀螺测斜两种测斜模式自由切换。

2）随钻陀螺和电缆陀螺测斜数据吻合度高，随钻陀螺抗振动及抗冲击能力强，可以在复杂的钻井过程中实时提供准确的测斜数据，有效降低碰撞风险。

3）对于碰撞风险大特别是防碰段长的井，随钻陀螺可节约一趟或者多趟表层电缆陀螺定向和轨迹测量时间，并且不动用电缆绞车，节省了现场人力和设备的使用，更安全高效。

随钻陀螺在小井斜套管开窗方面，将随钻陀螺和斜向器一起入井，斜向器陀螺定向、开窗、定向钻进可一趟钻完成。在对大地磁场要求比较严格的情况下，随钻陀螺配合磁测距工具可运用于钻探救援井等，应用前景广阔。