浅析ATC旋转导向在大足区的应用

摘要：页岩油作为非常规油气藏资源，是未来石油勘探与开发最为主要的接替资源之一。目前，全球大部分地区例如俄罗斯、美国、加拿大等已发现储量丰富的页岩油。我国在鄂尔多斯、准戈尔、松辽等盆地也形成了亿吨级储量区。对于页岩油开发，美国和加拿大都采用水平井及多段压裂的方式，而井眼轨迹的控制从2011 年之后基本采用先进的旋转导向钻井系统。美国在目的层钻遇水平段一般为3000m 左右，加拿大为1000m 左右[1-3]。中国对页岩油勘探开发正从理论分析阶段向规模化开发模式进军。

关键词：旋转导向；ATC；水平井

近年来，四川盆地上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩气已在中浅层（埋深3500m以浅）区域实现规模效益开发，正逐步向深层（埋深3500～4500m）拓展，并已在渝西大足区块等深层区域取得初步进展。

一、ATC旋转导向工具简介

ATC（AutoTrack Curve）是贝克休斯研发的静态推靠式闭环旋转导向钻井系统。该系统主要有导向头模块（ 包括非旋转套筒、液压驱动翼肋和驱动轴） 、MWD模块和主控单元组成。其中，导向头提供近钻头井斜（测量零长2.0m）、导向以及随钻震动监测等功能，MWD模块提供自然伽马及方位伽马（测量零长3.8m）、井斜角及方位角（测量6.8m）。

钻进时，驱动轴将来自钻柱的动力传递给钻头完成破岩过程。安装在非旋转套筒上三个沿圆周方向120°夹角的液压驱动翼肋，可自动调整伸缩量形成一个力的合成矢量，即导向头的重力工具面（ 相当于弯壳马达的重力工具面）。它的测量是将三个液压驱动翼肋其中一个定义为高边参考基准且与三轴传感器Gz 轴重合。通过测量重力加速度在三个方向的分量就可以算出高边参考翼肋相对于井眼高边的位置，进而得到导向头的重力工具面。

二、足202H3平台概况

1.构造特征

西山构造属于川东南拗褶带，构造西北翼倾末端为威远～龙女寺构造群，构造东南翼隔向斜与东山和西温泉构造平行；构造西南段与新店子构造呈低鞍相对。西山构造位于华蓥山背斜带南段西翼，东侧为开江复向斜，西侧为乐山-龙女隆起。该构造地表出露最老地层为上三叠统须家河组地层，向两翼至向斜逐渐过渡为侏罗系沙溪庙组地层。

2.本井施工难点

（1）足202H3平台具有龙马溪以上地层具有多产层特征，若钻遇油气层，地层压力系数可能大于设计，压井密度窗口狭窄，存在溢流、井涌、井喷的风险。

（2）足202H3平台水平段长都在2000m左右，入靶井斜角较大，水平段的实际地层倾角可能存在局部变化，优质箱体钻遇率不宜保证，同时地层存在增厚和减薄的可能，本井存在钻穿目标层的地质工程风险。此外，2000m水平段将导致钻进后期产生较大的摩阻及扭矩，轨迹控制难度加大，常规螺杆钻具托压严重，工具面摆置困难，定向效果差。

三、轨迹控制技术措施

1.钻具组合及钻进参数

根据井身剖面设计，结合本井水力参数预算、井下摩阻和扭矩分析、钻具屈曲等模拟优化，本次旋转导向施工的BHA钻具组合如下：

Φ215.9mmPDC（MDI516）钻头+6-3/4”旋转导向ATC系统+Φ127.0mm无磁承压钻杆+回压阀+Φ127.0mm加重钻杆1根+随钻震击器+Φ127.0mm加重钻杆8根+Φ127.0mm大水眼钻杆（或Φ139.7mm钻杆）至井口。

2.钻进参数的选择

ATC旋转导向工具转速上限300r/min，最大承受钻压200KN，最大工作扭矩30KN*m，排量范围28-40L/s。在转速的选择上，转速越高对井眼轨迹控制越为有利，转速过低会导致工具无法达到设计造斜率；随着井深增加，钻井循环压耗也随之增加，排量的确定以钻井队地面设备的额定排量为准；顶驱转速一般设定在80-120r/min，至少需要28L/s的排量，才能保证井眼的清洁。 由此选定本井水平段钻进参数：钻压80-120KN，排量28-32L/s， 转速80-120r/min，泵压22-28MPa，扭矩10-25KN*m 。

四、现场运用效果

1.实钻效果

（1）增斜段：本井增斜段设计狗腿度5.5°/30m。井斜30以上时，旋导工具发力在40-50%左右，可满足设计造斜率。旋导工具的近钻头井斜及方位伽马及时准确，为成功着陆提供了强有力的技术保障。

（2）水平段：本平台水平段主要钻探层位为龙马溪-五峰组，利用近钻头井斜及方位伽马可以为地质导向师提供及时可靠的随钻地质参数及几何参数，确保轨迹始终在箱体中钻进。钻进至井深5818米，达到本井钻探目的后，确定完钻。

五、运用效果分析

（1）本井全井采用旋转导向钻进，因此不存在常规螺杆钻具滑动钻进的情况，最大程度上减少了托压现象，保证了钻压能有效传递到钻头上，提高机械钻速。

（2）能满足轨迹调整，中靶精确。旋转导向工具的近钻头随钻测斜精度高，配合地质参数方位伽马，能真实、及时地反馈出轨迹对于目的层箱体的相对位置及姿态，同时通过对井斜和方位精确控制保证了井眼轨迹按地质要求在优质储层中钻进，满足了地质中靶要求，储层钻遇率100%。

（3）旋转导向的钻进方式能提高携砂能力，减少了岩屑床的形成，良好的井眼条件保证了起下钻摩阻及扭矩较小，减少了井下复杂情况和事故率。

六、结论及建议

（1）ATC旋转导向工具设计温度150℃，而实际循环温度130℃左右的施工工况便会出现较高的故障率，无法保证继续施工。建议井队能够提供更为切实有效的降温手段和并严格执行相关泥浆降温技术措施。

（2）水平段施工中建议配合模块马达，一方面可提高PDC 钻头转速提高机械钻速；另一方面配合顶驱低转速复合钻进，既满足了导向工具所需高转速，也降低了地面设备负荷及套管和钻具磨损。

（3）旋转导向工具的组成精细、复杂，对钻井环境提出更高要求。为了减少和规避井下仪器造斜率不足，信号丢失和工具失效等故障，提高钻井时效，在钻进过程中要提前优化钻井液的安全窗口，控制好钻井液密度，提供良好的固控设备，做好井眼清洁工作，提高泥浆泵性能，优选钻头。同时，旋导工具应加强维护保养能力水平，进一步提高工具可靠度。

（4）水平段钻进应综合考虑地质工程一体化作业模式，地质需要兼顾钻井工程质量，以宏观控制井眼轨迹平滑为指导，在确保水平井井筒完整的前提下提高优质储层钻遇率。

参考文献

[1]张成林 张鉴 李武广等渝西大足区块五峰-龙马溪组深层页岩储层特征与勘探前景 天然气地球科学 2019 第30卷 P1794-1804

[2]刘新，张玉纬，张威，等． 全球致密油的概念、特征、分布及潜力预测［J］． 大庆石油地质与开发，2013，32 （ 4） ：168 － 174．

[3]马鸿彦，王大宁，张杰，等 旋转导向系统在深层页岩油水平井的应用 钻采工艺，2019.07 16-18