随钻陀螺GyroSphere在渤海油田浅层防碰作业中的应用

桑晓高 蒲小亮 安晓会 白旭峰

中海油田服务股份有限公司 天津 300459

1 引言

随着海上油气田勘探开发的深入，井网密集程度越来越高。以渤海为例，通常丛式井槽口间距不足2米，邻井套管产生的磁场干扰使得随钻磁性测量工具方位测量不准确，无法准确判断隔水管及浅层直井段的偏斜方向，极有可能引发井眼碰撞风险。目前渤海地区一般采用有线陀螺表层定向加复测套管轨迹的作业模式确保井眼轨迹的准确，时效较低。随钻陀螺GyroSphere提供了另外一种解决方案，使井下钻具具备钻进的过程中准确测量井眼轨迹的能力，有助于指导更精确的防碰绕障作业施工，切实有效提高了作业时效和安全性。

2 GyroSphere 工具介绍

2.1 GyroSphere 工具简介

斯伦贝谢随钻陀螺GyroSphere采用MEMS（微电子机械系统）陀螺测斜技术，显著提高了陀螺测斜的效率，提高测量准确度，相比较于有线陀螺，可大大减少作业所需的时间。MEMS技术利用内部的一个微型振动结构来确定行星旋转的速度，如图1所示，根据这个旋转速度来确定井斜、方位以及工具面方位数据。

图1 GyroSphere工具结构图

GyroSphere可提供：

（1）静态测斜：方位、井斜、静止惯性工具面

（2）连续测量 （滑动钻进）：实时连续惯性工具面

（3）其他：维度、地球转速、Total G

2.2 GyroSphere 工具测量步骤

GyroSphere使用锂电池供电，停泵后工具进入电池供电模式，首先进入30秒的自检时段，随后进入测斜采样时段（每2分钟测得一个测斜，每组测斜采样10次，采样次数可根据测斜成功率地面设置调整）。测完后，工具自动停止测斜采样。

开泵进入MWD涡轮发电供电模式，工具将自动选择测斜采样时得到的测斜数据及获取的10组数据中有几个Good Survey及几个Bad Survey，通过MWD泥浆脉冲上传到地面系统。

持续15分钟出连续工具面（注：只有得到好的测斜后，后续工具面才准确）。在出连续工具面期间的转动打钻会使得后续测量不准，所以DD在摆好工具面后需要划线。

表1 GyroSphere工具测量精度

2.3 GyroSphere 工具定向操作步骤

钻进至造斜点划眼结束后，上下活动钻具10米以上充分释放扭矩；

停泵，卸开顶驱，座卡瓦保持钻具静止（根据现场震动情况，非必须卸开顶驱）；

游车保持静止，同时平台所有吊机停止工作（根据现场环境情况），钻台不能有产生震动的操作；

停泵6～21min（首次测斜建议停泵21min，后续根据测斜成功率做调整）；

接立柱，提出卡瓦，保持钻具静止并开泵；

等待工具上传测斜数据和工具面数据；

随钻工程师确认测斜和工具面成功后，摆工具面进行滑动作业，缓慢接触井底钻进。

3 现场应用及探究

3.1 应用背景

渤海油田某平台A29井浅层防碰严重，需要提前造斜，进行防碰绕障，但绕障空间极小。作业井A29占用13#槽口，由于A20井隔水导管鞋在110米处井斜1.28度，向A29井（13#槽口）严重偏斜，如图2所示。导致A29井在138米与A20井最近距离0.25米，分离系数1.23，绕障空间极小，如图3所示。且在178米，A29与A24最近距离1.2米，A24井由本井右前方穿至左前方，若初始绕障方位偏大，井斜偏大，则与A24井防碰风险急剧增加。此外，A29在600～900米从A26井、A8井、A27井左下交叉至右下穿过。

图2 槽口图

表2 A20井轨迹数据

图3 A29井与邻井中心距扫描图

综上，本井浅层防碰严重，需要提前造斜，进行防碰绕障，但绕障空间极小。需要陀螺定向2次，另外陀螺定向前需要拉钻杆轨迹，为了更好反映轨迹情况，建议测量陀螺轨迹数据时尽量测量至井底，从而更好地为防碰绕障作业提供数据支撑。由于常规马达组合+有线陀螺作业时测量零长38米左右，绕障盲区较长，无法准确得到管鞋偏斜情况，通常采用起钻下入光钻杆拉钻杆轨迹的测量方法，针对本井的特殊情况需多次起下钻。所以使用随钻陀螺工具，处理隔水管偏斜，一趟钻完成本井段作业。

3.2 作业过程

3.2.1 钻具组合

1 6 ” C O N E + 9 - 5 / 8 ” P D M + 8 ” F /V+1 2-1/4”S T B+8-1/4”G y r o S p h e r e+8-1/4”TeleScope+8”NMDC+8”UBHO+ 8”F/J&JAR+X/O+5”HWDP*14。

牙轮钻头：江汉 型号：GJT115GC 水眼：3×OPEN

马达：立林 型号：U7LZ244*7.0-Ⅷ-SF 弯角：1.5° 马达扶正套：403mm 级数：4.5级

3.2.2 GyroSphere应用方案

GyroSphere必须跟MWD一起使用，不能单独使用；

GyroSphere根据实际情况既可以放在MED上面，也可以放在MWD下面，本井中为了离钻头更近放在MWD下方；

需要单独测量GyroSphere到马达的角差，并输入软件，测量方法同测量MWD到马达角差的方法一致；

本井钻具组合中GyroSphere测点零长14.15米；

GyroSphere提供静态井斜，静态方位和陀螺工具面，不提供连续井斜和连续方位。井斜5度之内使用陀螺工具面，5度之上使用重力工具面；

本井在MWD转换为重力工具面之前使用陀螺工具面进行定向，效果良好；

GyroSphere单个测斜需要2分钟，为保证定向成功率，本井首次定向测斜时静止了15分钟；

测斜完成之后，地面软件会同时显示MWD测斜和GyroShpere测斜。

3.2.3 作业过程组合钻具，测量角差，下钻引马达高边线；第一次定向：

钻进至110米，第一次定向：循环扫稠浆，按引线调整工具面，上下活动钻具释放扭矩后上提钻具至套管内，座卡瓦、卸开顶驱，钻台停止一切其他作业，吊车停止工作；

等待15分钟，开泵，等待上传，工具一共测7组测斜数据，7组均合格。陀螺测斜MD=91.89米，INC=0.88度，Azi=263.51度，判断隔水管偏向西南侧，遂决定从280度方向绕障；引线与定向误差20度，朝工具面M300～330度定向9米。后陀螺斜MD=139.62米，Azi=1.04度，方位278.18度，符合预期。

重新模拟轨迹并防碰计算，过A29井防碰后井斜不宜偏大，为避免井斜偏大造成后续防碰风险，采取小钻压、低转速钻进至212米，期间未按GyroSphere工程师要求的测斜程序专门测斜，接立柱期间即可测得2组测斜，并且90%以上均是合格测斜，对本井防碰绕障作业提供了很好数据支持。

第二次定向：

钻进至212米，第二次定向：循环扫稠浆，按引线调整工具面，上下活动钻具释放扭矩后，座卡瓦、不卸顶驱，钻台停止一切其他作业；

根据已有测斜成功经验，等待10分钟，开泵，等待上传；设计定向方位297度，引线与定向误差10度，调整工具面至M300定向造斜，后测得方位299～301度，定向精准。

3.3 测量结果分析

通过三种工具测量结果的互相对比，轨迹走向一致，如图4所示，中心距偏差最大1米以内，测量数据基本一致（插入测点对比），如表3所示。尤其是隔水管内的测量，受磁干扰影响，MWD无法测得准确方位，而随钻陀螺GyroSphere的测量结果与有线陀螺测斜基本一致，对处理隔水管/直井段偏斜有指导意义。

表3 GyroSphere与MWD及有线陀螺数据

图4 轨迹分析图

4 作业经验及应用展望

4.1 优势分析

4.1.1 实时测量，轨迹更精确

槽口间距2米×1.8米，井间相互磁干扰，MWD测斜仪无法判断隔水管及浅层直井段的偏斜情况，对浅层防碰绕障造成较大难度，个别井防碰严重时，需要下入光钻杆拉轨迹，起下钻浪费时效。使用GyroSphere工具可实现实时测量，使上部井段轨迹更精确，有助于指导更精确的防碰绕障施工。

4.1.2 测点距钻头近，轨迹控制更精准

相较于有线陀螺的测量零长37米左右，并且需要测量2次角差，且座键本身存在一定的角度误差，综合定向误差相对较大；GyroSphere测点距钻头14米左右，可以保证更小的角差测量误差。同时，较短的测斜零长能及时反应出马达滑动效果及井底轨迹走向，为A29井复杂的防碰绕障提供了很好的支持。

4.1.3 实时工具面，确保定向准确

A29井16英寸井段防碰绕障需要陀螺定向2次，第一次定向在110米，第二次定向在220米。引马达高边线下钻，随钻陀螺定向与引线偏差10～20度，在误差允许范围内（第一次定向偏差较大，人为引线误差引起，第二次定向基本无误差）。随钻陀螺定向绕障成功后，MWD测得无磁干扰方位与定向时的理想方位偏差很小，十分精准。

4.1.4 测量及时可靠，确保井下安全

由于本次作业为GyroSphere工具在渤海首次使用，且第一个定向点太浅（110米），故第一次定向时采取了较为严格的防震动措施（钻台停止一切作业，吊车静止），为陀螺测量提供良好的工作环境，第一次停泵测斜用了15分钟；后续正常钻进接力柱期间，发现每次均可测得两组测斜，并且90%以上为合格测斜，故第二次定向停泵测斜用了10分钟。相较于有线陀螺定向每次需要1.5小时左右，减少了钻具静止时间，保障了井下安全。

4.2 缺点分析

4.2.1 震动敏感

目前GyroSphere工具渤海范围内仅在该井应用一井次，陀螺定向当天天气晴好，风平浪静，整体测量环境较好。根据斯伦贝谢以往应用经验，GyroSphere在恶劣天气环境下的测斜成功率较低（测斜不成功时，工具面不可靠，不能以此定向），故针对大风、高浪天气、平台震动较大时无法像有线陀螺使用瞄准镜的方式定向，从而造成现场停工。

4.2.2 测量速度慢

随钻陀螺仪测斜时每2分钟获得一个测斜，实际操作时每个点需至少取样3次，相互对比以保证测斜成功率，故随钻陀螺测量时需至少保持钻具静止7分钟以上，相对于有线陀螺的快速测量，GyroSphere在长井段测量中时效性不足。

4.2.3 测量间距大

现场测量时平均每30米一个点（即一柱一个点），无法达到有线陀螺每10米一个点的测点密度（或者说10米一个测点时时效性很低，不符合现场实际），故而在浅层井段相对于有线陀螺轨迹精度偏低。

4.3 应用展望

4.3.1 震动敏感隔水管/直井段纠偏

通过实时测斜，提前预斜、精准绕障，发挥工具一趟钻处理隔水管/直井段偏斜能力。

4.3.2 震动敏感实时防碰绕障作业

防碰井段加密测斜，获取准确的实测数据，提高轨迹精度。尤其对于大斜度井、大位移井及深井、超深井等有线陀螺无法测量的井段进行实时测量，从而指导更精准防碰绕障作业。

4.3.3 震动敏感MWD受干扰的特殊作业

针对地磁场异常区域、非非区的作业，MWD测量受限或受磁干扰，轨迹误差较大，可使用随钻陀螺工具获取更精确的轨迹数据。

4.3.4 震动敏感直井开窗侧钻

针对直井，特别是深直井开窗侧钻作业，随钻陀螺工具定向精确且不受磁干扰，利用实时工具面，可以消除MWD预留反扭角的误差，从而实现准确定向。

5 结束语

随钻陀螺GyroSphere可以有效规避磁干扰对测量的影响，实时提供准确的工具面和测量数据，在防碰施工、开窗侧钻等特殊作业时可充分提高作业时效和安全性。