地質導向鉆井工藝技術

地質導向鉆井工藝技術 李清濤
 摘要：地質導向鉆井技術以近鉆頭地質參數(shù)與工程參數(shù)的隨鉆測量、傳輸、地面實時處理解釋和決策控制為主要技術特征，在鉆井過程中取得了顯著技術效果和重大經(jīng)濟效益。本文綜述了國內外地質導向鉆井技術發(fā)展狀況，介紹了地質導向鉆井系統(tǒng)的結構特征。國內應大力研制力度，促進地質導向系統(tǒng)這一高新技術在我國的研究與應用。
 關鍵詞：地質導向、近鉆頭、隨鉆
 引言
 20世紀80年代至今是國際鉆井工程技術發(fā)展最快的時期，最突出的技術特征之一是信息技術和控制技術開始應用于油氣鉆井工程，表現(xiàn)在井下新測量儀器和新控制工具的研制成功、不斷改進并組成滿足地質、開發(fā)更高需求和鉆井新工藝的大型技術系統(tǒng)，以地質導向鉆井系統(tǒng)和應用技術為典型代表。
 地質導向鉆井技術的特征在于把鉆井技術、測井技術及油藏工程技術融合為一體，形成帶有測近鉆頭地質參數(shù)(伽馬、電阻率)、近鉆頭鉆井參數(shù)(井斜角、方位角)及其他輔助參數(shù)的短節(jié)，用無線信號短傳方式傳至MWD/LWD，再傳至地面控制系統(tǒng)；用地面軟件系統(tǒng)(含地層構造模型、參數(shù)解釋和鉆井設計控制3個主要模塊)適時做出解釋與決策，實施隨鉆控制。
 采用地質導向鉆井技術，能大大提高對地層、構造、儲集層特征的判斷和鉆頭的在儲集層內軌跡控制能力，從而提高油層鉆遇率、鉆井成功率和采收率，實現(xiàn)增儲上產(chǎn)，節(jié)約鉆井成本，經(jīng)濟效益重大。1993年Schlumberger公司(Anadrill)首先推出的以IDEAL系統(tǒng)為代表的地質導向鉆井系統(tǒng)已被國際鉆井界公認為是最有發(fā)展前景的、21世紀的鉆井新技術。
 國外的地質導向鉆井技術已經(jīng)相當成熟，能夠實時測量近鉆頭處的地質參數(shù)和工程參數(shù)。而目前國內因儀器研制與技術研究起步較晚，基本處于國外第一代產(chǎn)品的初期水平，實時地質參數(shù)較少，測點離鉆頭較遠。然而，地質導向鉆井的重要性和潛在經(jīng)濟價值早就為國內鉆井界所矚目，研制地質導向工具、研究地質導向鉆井工藝已勢在必行。
1 國外地質導向鉆井技術
1.1 國外地質導向鉆井技術發(fā)展狀況
 1993年Anadrill公司首次提出地質導向概念并研制出了第一套地質導向工具。Halliburton、Baker Hughes Inteq和挪威國家石油公司（Statoil）等也相繼研制出了他們各自的地質向導工具。Anadrill公司研制的綜合鉆井評價和測井系統(tǒng)（IDEAL-Integrated  Drilling Evaluation And Logging）由一個在其外殼內裝有定向測量和地層評價測井傳感器的可轉向儀表化泥漿馬達和一個可以直接接在鉆頭上的近鉆頭電阻率測井接頭組成�？梢蕴綔y出距鉆頭1～2m范圍內的地層電阻率、伽馬射線、井斜、地層孔隙壓力以及其他有用數(shù)據(jù)，然后通過無線電傳輸系統(tǒng)把數(shù)據(jù)從鉆頭處傳送到位于鉆柱上部位置的隨鉆測量（MWD）工具，再經(jīng)MWD把數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛�。目前IDEAL己在實際鉆井中得到了廣泛應用。到1996年底，僅在歐洲和非洲就有13家公司應用該技術在6個國家鉆井近50口井，總進尺超過32000m，取得了良好效果。    1994年Baker Hughes Inteq首次推出第一套NaviTrak小曲率MWD系統(tǒng)和NaviGator產(chǎn)層導向系統(tǒng)。    1995年在小井眼隨鉆電阻率測井儀器方面成果頗豐。Sperry Sun推出Slim1 Phase4內存型φ120.65mm（）儀器。Anadrill研制出ARC-5儀器。Baker Hughes Inteq推出NaviMPR、IDS儀器。Halliburton公司在1995年研制出了名為PZST（Pay  Zone Steering Tool）的地質導向工具，將它直接裝在泥漿馬達和鉆頭之間，可以提供伽馬射線、井斜和地層電阻率數(shù)據(jù)。該工具己于1996年起納入工業(yè)應用。1995年挪威國家石油公司（Statoil公司）研制出了應用聲波反射原理探測井眼軌跡與地層流體界面和地層界面相對位置的POSLOG地質導向工具。但目前還未見到這種地質導向工具成功推廣應用的報道。    20世紀90年代后期，Anadrill公司擁有隨鉆測井儀器CDN／CDR、地質導向儀器Geostreeing、隨鉆聲波儀器ISONIC以及Powerpulse MWD儀器系列等主導產(chǎn)品。Halliburton以HDSIM、CWRGM、CLSS和DNSC為其主要服務產(chǎn)品。Anadrill公司的隨鉆成像儀器已投入商業(yè)使用。同時，Anadrill公司在2000年新推出了 ARC-6和ARC-8等來取代現(xiàn)有的系列儀器。目前的隨鉆測量工具己完全具備了隨鉆測井及地質導向的能力，并使隨鉆定向測量及測井工具傳感器更加接近鉆頭。Baker Hughes Inteq公司最新推出了連續(xù)旋轉閉環(huán)定向鉆井系統(tǒng)（AutoTrak RCLS-AutoTrak Rotary Closed Loop System，簡稱AutoTrak），該系統(tǒng)集鉆進和隨鉆測量為一體，由旋轉鉆井下部導向鉆具組合、CDR隨鉆測量系統(tǒng)、帶CDR和AND的隨鉆測井系統(tǒng)和地面計算機監(jiān)控系統(tǒng)組成，其核心為旋轉導向鉆具，能夠在連續(xù)旋轉過程中提供精確的定向控制，實現(xiàn)方位和井斜的調節(jié)。
 國際上的MWD／LWD制造公司主要有八家，生產(chǎn)約20個系列的8種產(chǎn)品，可以測量30多種參數(shù)。儀器外徑從到，基本上能夠滿足各種定向井類型的需要。近年來，在MWD／LWD的實效性、高利潤和先進性的誘惑和驅使下，世界上大的石油工程服務公司都加強了隨鉆測井技術的研發(fā)力度。目前該項技術主要被Schlumberger、Halliburton和Baker Hughes三大公司所壟斷。Schlumberger為隨鉆測井技術的集大成者，服務領域從早期主要集中在海洋鉆井平臺服務逐步向陸地鉆井服務中推進。
 目前，國外不但有較先進的地質導向硬件工具，而且具有與之配套的隨鉆地質工程參數(shù)解釋與地質導向應用軟件系統(tǒng)。國外地質導向鉆井技術的發(fā)展趨勢是隨鉆測量儀器的多樣化、測量參數(shù)向鉆頭靠近的鉆頭智能化、基于地質－鉆井可視化的地質建模、實時對比解釋和鉆井施工過程的系統(tǒng)化。
1.2 國外地質導向鉆井系統(tǒng)的結構特征
 地質導向鉆井系統(tǒng)一般包括：鉆頭+測傳馬達(含近鉆頭測量短節(jié))+無線短傳+MWD/LWD十井場信息接收和處理系統(tǒng)。本文以Anadrill公司1993年推出的IDEAL系統(tǒng)(Integrated Drilling Evaluation and Logging，綜合鉆井評價和測井系統(tǒng))為例，介紹地質導向鉆井系統(tǒng)的結構特征。
1.2.1測傳導向馬達(Instrumented Steerable Motor)
 這是一種完全儀器化的導向馬達(其殼內裝有傳感器組件)，直接與鉆頭相連，能測量近鉆頭處地層電阻率、方位電阻率、自然伽馬以及井斜和鉆頭轉速等參數(shù)。這些參數(shù)通過電磁波傳送到馬達以上的MWD(Measurement While Drilling)或LWD(Logging While Drilling)，再由鉆井液脈沖傳送到地面。借此，司鉆和地質家可實時了解鉆頭處的巖性變化并檢測鉆頭處的油氣顯示情況，通過對鉆頭進行導向，保證井眼在儲集層內延伸，達到增大儲集層泄油面積、提高單位進尺的產(chǎn)量和降低完井成本的目的。
1.2.2井場信息系統(tǒng)
 井場信息系統(tǒng)是IDEAL系統(tǒng)的中樞，通過結合所有的地面數(shù)據(jù)和井下數(shù)據(jù)來監(jiān)測鉆井過程。原始數(shù)據(jù)由解釋程序轉換成井場決策人員所需信息，并在高分辨率彩色監(jiān)控器上以彩圖的方式直觀顯示，使用方便。此外，IDEAL系統(tǒng)還有一些獨立的井下測量短節(jié)，如近鉆頭電阻率短節(jié)，可不用測傳馬達而和轉盤鉆井配合使用。由于該系統(tǒng)采用LWD儀器作為隨鉆測井和上行通道，所以還包括比一般MWD更多的地質參數(shù)傳感器。
2 國內地質導向鉆井技術發(fā)展狀況
 1996年中油北京地質錄井技術公司（現(xiàn)中油測井公司）從美國Halliburton引進了國內第一套PathFinder LWD和SLIM1 GR MWD裝備。經(jīng)過近幾年的技術消化和吸收，組建了自己的作業(yè)隊伍和研究力量，分別在大慶、塔里木、華北、大港、海上油田順利完成了隨鉆測井作業(yè)。近幾年來，曾先后在國內的十幾口探井和開發(fā)井中提供了隨鉆測井服務，取得了很好的測井效果和經(jīng)濟效益，培養(yǎng)了一批具有一定隨鉆測井服務經(jīng)驗的現(xiàn)場工程師，為油田勘探開發(fā)提供了一項全新的測井方式。
 1999年勝利鉆井工程技術公司引進了美國Halliburton Sperry-Sun的隨鉆地層評價儀器（FEWD-Formation Evaluation While Drilling），新疆石油管理局、大慶石油管理局等油田也陸續(xù)引進了帶自然伽馬的地質導向工具。勝利鉆井院、長慶油田也引進了英國Geolink公司生產(chǎn)的帶自然伽馬和電阻率兩道參數(shù)的地質導向測量工具，并在勝利油田的邊底水剩余油區(qū)塊和塔里木油田的超薄油藏區(qū)塊投入了生產(chǎn)應用，通過對比隨鉆測井曲線和鄰井資料，及時獲得地質特征的變化，在井眼軌跡實時控制方面發(fā)揮了積極作用，為開展地質導向鉆井技術研究打下了良好的應用基礎。
 2003年中海油田服務股份有限公司引進了Halliburton Sperry-Sun的FEWD和Baker Hughes的LWD。
 2001年勝利鉆井院依托重大裝備國產(chǎn)化研究項目—“MWD、隨鉆自然伽馬測量儀國產(chǎn)化研制”和中石化集團公司項目（2002年）“隨鉆感應電阻率測量儀的研制”開始了MWD/LWD國產(chǎn)化研究工作，并成功地研制出了具有自主知識產(chǎn)權的新型正脈沖MWD、隨鉆自然伽馬測量儀和隨鉆感應電阻率測量儀，并投入了現(xiàn)場應用，取得了良好效果。
 目前國內總體上處于應用引進儀器和部分國產(chǎn)化儀器的地質導向初級階段，尚未形成規(guī)�；瘧�用的生產(chǎn)局面，開展地質導向鉆井技術研究已是當務之急。
3 地質導向鉆井技術的發(fā)展趨勢
3.1 旋轉導向鉆井技術
 地質導向鉆井技術在高效開發(fā)復雜油藏方面具有極大的優(yōu)勢,但是它也有自身的不足,那就是在必要的時候該鉆井技術仍然需要采用彎殼體馬達滑動鉆進,這樣會造成軌跡過度扭曲。同時,滑動鉆進不利于井眼清潔和有效克服摩阻,軌跡控制難度增加,井眼軌跡在達到一定的程度后難以繼續(xù)向前延伸,使地質導向鉆井技術在現(xiàn)代鉆井工業(yè)中的應用受到極大限制。
 旋轉導向鉆井技術就是為了克服上述缺陷而產(chǎn)生的,其目的就是為了取消滑動鉆進工作方式、使鉆具在旋轉鉆進的同時,實現(xiàn)軌跡的控制,在有效克服地質導向鉆井技術的一些缺陷、提高油藏開發(fā)的整體效益、有效避免鉆井風險方面有重要意義。
 世界上多家具有相當實力的鉆井服務公司都在研究、開發(fā)旋轉導向工具,如SPERRY-SUN公司、BAKER - HUGHES INTEQ公司、SCHLUM-BERGER公司、CAMCO鉆井服務公司、CAM-BRIDGE鉆井自動化公司等,但到目前為止,其中獲得商業(yè)性成功的只有SPERRY-SUN公司的GEO-PILOT旋轉導向鉆井系統(tǒng)、BAKER-HUGHES INTEQ公司的旋轉閉環(huán)鉆井系統(tǒng)RCLS(Rotary Closed Loop Drilling System)和SCHLUMBERGER公司的POWERDRIVE旋轉導向鉆井系統(tǒng)。
3.2旋轉地質導向鉆井技術
 目前,由于投入應用的旋轉導向工具都不具有地質評價功能,旋轉地質導向鉆井技術因此并未完全成熟,旋轉地質導向鉆井技術只能和地質評價儀器配合使用,利用地質評價儀器測量的地質參數(shù)進行地質導向。現(xiàn)在,世界上有多家鉆井服務公司或儀器/工具開發(fā)的公司,正致力于帶地質導向功能的旋轉導向工具的研究,并且取得了很大的進展。相信在不久的將來,旋轉地質導向鉆井技術一定會成為現(xiàn)代鉆井工業(yè)的主流技術,并將進一步推動自動閉環(huán)鉆井技術的更進一步的成熟。
4 認識與體會
 1、地質導向鉆井技術是當今國際鉆井界的一項高新技術，體現(xiàn)了鉆井、測井和油藏工程的結合，對提高勘探開發(fā)和鉆井總體效益具有重要意義和作用，應大力促進這一高新技術在我國的研究與應用進展。
 2、地質導向鉆井技術能在鉆井施工過程中通過井下地質評價儀器或地質導向工具獲取地層被污染前的參數(shù)，使得地質評價結果更加真實、可靠。
 3、由眾多功能性模塊集成構建的地質導向鉆井系統(tǒng)平臺在地質導向鉆井中真正起到了地質導向鉆井軟件平臺的作用，現(xiàn)場工程師可以在同一平臺上進行軌跡控制、隨鉆解釋、遠程傳輸與決策、待鉆設計等操作，設計新穎，功能強大，兼容性與可操作性強。
4、地質導向鉆井技術利用實時地質參數(shù),能有效地控制井眼軌跡的著陸和走向、及時調整井身軌跡和產(chǎn)層的位置關系,在回避鉆井風險、提高產(chǎn)層暴露程度、簡化施工過程、提高勘探開發(fā)效果和效益等方面,具有重要意義。
 5、國內地質導向鉆井技術仍處于研究階段，我們應加大科研投入力度，廣攬人才、借鑒學習國外的先進技術，使自主研發(fā)的儀器能夠盡快投入使用。
 參考文獻
[1] 蘇義腦．地質導向鉆井技術概況及其在我國的研究進展．石油勘探與開發(fā)，2005年2月：92~95
[2] 榮海波、賀昌華．國內外地質導向鉆井技術現(xiàn)狀及發(fā)展．鉆采工藝，2006年3月：7～9

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