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地質(zhì)導(dǎo)向鉆井工藝技術(shù)
地質(zhì)導(dǎo)向鉆井工藝技術(shù) 李清濤摘要：地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)以近鉆頭地質(zhì)參數(shù)與工程參數(shù)的隨鉆測(cè)量、傳輸、地面實(shí)時(shí)處理解釋和決策控制為主要技術(shù)特征，在鉆井過(guò)程中取得了顯著技術(shù)效果和重大經(jīng)濟(jì)效益。本文綜述了國(guó)內(nèi)外地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，介紹了地質(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征。國(guó)內(nèi)應(yīng)大力研制力度，促進(jìn)地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)這一高新技術(shù)在我國(guó)的研究與應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：地質(zhì)導(dǎo)向、近鉆頭、隨鉆
引言
20世紀(jì)80年代至今是國(guó)際鉆井工程技術(shù)發(fā)展最快的時(shí)期，最突出的技術(shù)特征之一是信息技術(shù)和控制技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于油氣鉆井工程，表現(xiàn)在井下新測(cè)量?jī)x器和新控制工具的研制成功、不斷改進(jìn)并組成滿足地質(zhì)、開(kāi)發(fā)更高需求和鉆井新工藝的大型技術(shù)系統(tǒng)，以地質(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)和應(yīng)用技術(shù)為典型代表。
地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的特征在于把鉆井技術(shù)、測(cè)井技術(shù)及油藏工程技術(shù)融合為一體，形成帶有測(cè)近鉆頭地質(zhì)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(wú)線信號(hào)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(gòu)造模型、參數(shù)解釋和鉆井設(shè)計(jì)控制3個(gè)主要模塊)適時(shí)做出解釋與決策，實(shí)施隨鉆控制。
采用地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)，能大大提高對(duì)地層、構(gòu)造、儲(chǔ)集層特征的判斷和鉆頭的在儲(chǔ)集層內(nèi)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(shí)現(xiàn)增儲(chǔ)上產(chǎn)，節(jié)約鉆井成本，經(jīng)濟(jì)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(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)已被國(guó)際鉆井界公認(rèn)為是最有發(fā)展前景的、21世紀(jì)的鉆井新技術(shù)。
國(guó)外的地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量近鉆頭處的地質(zhì)參數(shù)和工程參數(shù)。而目前國(guó)內(nèi)因儀器研制與技術(shù)研究起步較晚，基本處于國(guó)外第一代產(chǎn)品的初期水平，實(shí)時(shí)地質(zhì)參數(shù)較少，測(cè)點(diǎn)離鉆頭較遠(yuǎn)。然而，地質(zhì)導(dǎo)向鉆井的重要性和潛在經(jīng)濟(jì)價(jià)值早就為國(guó)內(nèi)鉆井界所矚目，研制地質(zhì)導(dǎo)向工具、研究地質(zhì)導(dǎo)向鉆井工藝已勢(shì)在必行。
1 國(guó)外地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)
1.1 國(guó)外地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r
1993年Anadrill公司首次提出地質(zhì)導(dǎo)向概念并研制出了第一套地質(zhì)導(dǎo)向工具。Halliburton、Baker Hughes Inteq和挪威國(guó)家石油公司（Statoil）等也相繼研制出了他們各自的地質(zhì)向?qū)Чぞ摺nadrill公司研制的綜合鉆井評(píng)價(jià)和測(cè)井系統(tǒng)（IDEAL-Integrated Drilling Evaluation And Logging）由一個(gè)在其外殼內(nèi)裝有定向測(cè)量和地層評(píng)價(jià)測(cè)井傳感器的可轉(zhuǎn)向儀表化泥漿馬達(dá)和一個(gè)可以直接接在鉆頭上的近鉆頭電阻率測(cè)井接頭組成�？梢蕴綔y(cè)出距鉆頭1～2m范圍內(nèi)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(guò)無(wú)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(cè)量（MWD）工具，再經(jīng)MWD把數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛�。目前IDEAL己在實(shí)際鉆井中得到了廣泛應(yīng)用。到1996年底，僅在歐洲和非洲就有13家公司應(yīng)用該技術(shù)在6個(gè)國(guó)家鉆井近50口井，總進(jìn)尺超過(guò)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(dǎo)向系統(tǒng)。 1995年在小井眼隨鉆電阻率測(cè)井儀器方面成果頗豐。Sperry Sun推出Slim1 Phase4內(nèi)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(zhì)導(dǎo)向工具，將它直接裝在泥漿馬達(dá)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(yīng)用。1995年挪威國(guó)家石油公司（Statoil公司）研制出了應(yīng)用聲波反射原理探測(cè)井眼軌跡與地層流體界面和地層界面相對(duì)位置的POSLOG地質(zhì)導(dǎo)向工具。但目前還未見(jiàn)到這種地質(zhì)導(dǎo)向工具成功推廣應(yīng)用的報(bào)道。 20世紀(jì)90年代后期，Anadrill公司擁有隨鉆測(cè)井儀器CDN／CDR、地質(zhì)導(dǎo)向儀器Geostreeing、隨鉆聲波儀器ISONIC以及Powerpulse MWD儀器系列等主導(dǎo)產(chǎn)品。Halliburton以HDSIM、CWRGM、CLSS和DNSC為其主要服務(wù)產(chǎn)品。Anadrill公司的隨鉆成像儀器已投入商業(yè)使用。同時(shí)，Anadrill公司在2000年新推出了 ARC-6和ARC-8等來(lái)取代現(xiàn)有的系列儀器。目前的隨鉆測(cè)量工具己完全具備了隨鉆測(cè)井及地質(zhì)導(dǎo)向的能力，并使隨鉆定向測(cè)量及測(cè)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(zhuǎn)閉環(huán)定向鉆井系統(tǒng)（AutoTrak RCLS-AutoTrak Rotary Closed Loop System，簡(jiǎn)稱AutoTrak），該系統(tǒng)集鉆進(jìn)和隨鉆測(cè)量為一體，由旋轉(zhuǎn)鉆井下部導(dǎo)向鉆具組合、CDR隨鉆測(cè)量系統(tǒng)、帶CDR和AND的隨鉆測(cè)井系統(tǒng)和地面計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成，其核心為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具，能夠在連續(xù)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中提供精確的定向控制，實(shí)現(xiàn)方位和井斜的調(diào)節(jié)。
國(guó)際上的MWD／LWD制造公司主要有八家，生產(chǎn)約20個(gè)系列的8種產(chǎn)品，可以測(cè)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(lái)，在MWD／LWD的實(shí)效性、高利潤(rùn)和先進(jìn)性的誘惑和驅(qū)使下，世界上大的石油工程服務(wù)公司都加強(qiáng)了隨鉆測(cè)井技術(shù)的研發(fā)力度。目前該項(xiàng)技術(shù)主要被Schlumberger、Halliburton和Baker Hughes三大公司所壟斷。Schlumberger為隨鉆測(cè)井技術(shù)的集大成者，服務(wù)領(lǐng)域從早期主要集中在海洋鉆井平臺(tái)服務(wù)逐步向陸地鉆井服務(wù)中推進(jìn)。
目前，國(guó)外不但有較先進(jìn)的地質(zhì)導(dǎo)向硬件工具，而且具有與之配套的隨鉆地質(zhì)工程參數(shù)解釋與地質(zhì)導(dǎo)向應(yīng)用軟件系統(tǒng)。國(guó)外地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是隨鉆測(cè)量?jī)x器的多樣化、測(cè)量參數(shù)向鉆頭靠近的鉆頭智能化、基于地質(zhì)－鉆井可視化的地質(zhì)建模、實(shí)時(shí)對(duì)比解釋和鉆井施工過(guò)程的系統(tǒng)化。
1.2 國(guó)外地質(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征
地質(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)一般包括：鉆頭+測(cè)傳馬達(dá)(含近鉆頭測(cè)量短節(jié))+無(wú)線短傳+MWD/LWD十井場(chǎng)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(píng)價(jià)和測(cè)井系統(tǒng))為例，介紹地質(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征。
1.2.1測(cè)傳導(dǎo)向馬達(dá)(Instrumented Steerable Motor)
這是一種完全儀器化的導(dǎo)向馬達(dá)(其殼內(nèi)裝有傳感器組件)，直接與鉆頭相連，能測(cè)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(zhuǎn)速等參數(shù)。這些參數(shù)通過(guò)電磁波傳送到馬達(dá)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(zhì)家可實(shí)時(shí)了解鉆頭處的巖性變化并檢測(cè)鉆頭處的油氣顯示情況，通過(guò)對(duì)鉆頭進(jìn)行導(dǎo)向，保證井眼在儲(chǔ)集層內(nèi)延伸，達(dá)到增大儲(chǔ)集層泄油面積、提高單位進(jìn)尺的產(chǎn)量和降低完井成本的目的。
1.2.2井場(chǎng)信息系統(tǒng)
井場(chǎng)信息系統(tǒng)是IDEAL系統(tǒng)的中樞，通過(guò)結(jié)合所有的地面數(shù)據(jù)和井下數(shù)據(jù)來(lái)監(jiān)測(cè)鉆井過(guò)程。原始數(shù)據(jù)由解釋程序轉(zhuǎn)換成井場(chǎng)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(dú)立的井下測(cè)量短節(jié)，如近鉆頭電阻率短節(jié)，可不用測(cè)傳馬達(dá)而和轉(zhuǎn)盤鉆井配合使用。由于該系統(tǒng)采用LWD儀器作為隨鉆測(cè)井和上行通道，所以還包括比一般MWD更多的地質(zhì)參數(shù)傳感器。
2 國(guó)內(nèi)地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r
1996年中油北京地質(zhì)錄井技術(shù)公司（現(xiàn)中油測(cè)井公司）從美國(guó)Halliburton引進(jìn)了國(guó)內(nèi)第一套PathFinder LWD和SLIM1 GR MWD裝備。經(jīng)過(guò)近幾年的技術(shù)消化和吸收，組建了自己的作業(yè)隊(duì)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(cè)井作業(yè)。近幾年來(lái)，曾先后在國(guó)內(nèi)的十幾口探井和開(kāi)發(fā)井中提供了隨鉆測(cè)井服務(wù)，取得了很好的測(cè)井效果和經(jīng)濟(jì)效益，培養(yǎng)了一批具有一定隨鉆測(cè)井服務(wù)經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)工程師，為油田勘探開(kāi)發(fā)提供了一項(xiàng)全新的測(cè)井方式。
1999年勝利鉆井工程技術(shù)公司引進(jìn)了美國(guó)Halliburton Sperry-Sun的隨鉆地層評(píng)價(jià)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(jìn)了帶自然伽馬的地質(zhì)導(dǎo)向工具。勝利鉆井院、長(zhǎng)慶油田也引進(jìn)了英國(guó)Geolink公司生產(chǎn)的帶自然伽馬和電阻率兩道參數(shù)的地質(zhì)導(dǎo)向測(cè)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(yīng)用，通過(guò)對(duì)比隨鉆測(cè)井曲線和鄰井資料，及時(shí)獲得地質(zhì)特征的變化，在井眼軌跡實(shí)時(shí)控制方面發(fā)揮了積極作用，為開(kāi)展地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)研究打下了良好的應(yīng)用基礎(chǔ)。
2003年中海油田服務(wù)股份有限公司引進(jìn)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(guó)產(chǎn)化研究項(xiàng)目—“MWD、隨鉆自然伽馬測(cè)量?jī)x國(guó)產(chǎn)化研制”和中石化集團(tuán)公司項(xiàng)目（2002年）“隨鉆感應(yīng)電阻率測(cè)量?jī)x的研制”開(kāi)始了MWD/LWD國(guó)產(chǎn)化研究工作，并成功地研制出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型正脈沖MWD、隨鉆自然伽馬測(cè)量?jī)x和隨鉆感應(yīng)電阻率測(cè)量?jī)x，并投入了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，取得了良好效果。
目前國(guó)內(nèi)總體上處于應(yīng)用引進(jìn)儀器和部分國(guó)產(chǎn)化儀器的地質(zhì)導(dǎo)向初級(jí)階段，尚未形成規(guī)�；瘧�(yīng)用的生產(chǎn)局面，開(kāi)展地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)研究已是當(dāng)務(wù)之急。
3 地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
3.1 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)
地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)在高效開(kāi)發(fā)復(fù)雜油藏方面具有極大的優(yōu)勢(shì),但是它也有自身的不足,那就是在必要的時(shí)候該鉆井技術(shù)仍然需要采用彎殼體馬達(dá)滑動(dòng)鉆進(jìn),這樣會(huì)造成軌跡過(guò)度扭曲。同時(shí),滑動(dòng)鉆進(jìn)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(dá)到一定的程度后難以繼續(xù)向前延伸,使地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)在現(xiàn)代鉆井工業(yè)中的應(yīng)用受到極大限制。
旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)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(dòng)鉆進(jìn)工作方式、使鉆具在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的同時(shí),實(shí)現(xiàn)軌跡的控制,在有效克服地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的一些缺陷、提高油藏開(kāi)發(fā)的整體效益、有效避免鉆井風(fēng)險(xiǎn)方面有重要意義。
世界上多家具有相當(dāng)實(shí)力的鉆井服務(wù)公司都在研究、開(kāi)發(fā)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具,如SPERRY-SUN公司、BAKER - HUGHES INTEQ公司、SCHLUM-BERGER公司、CAMCO鉆井服務(wù)公司、CAM-BRIDGE鉆井自動(dòng)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(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)、BAKER-HUGHES INTEQ公司的旋轉(zhuǎn)閉環(huán)鉆井系統(tǒng)RCLS(Rotary Closed Loop Drilling System)和SCHLUMBERGER公司的POWERDRIVE旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)。
3.2旋轉(zhuǎn)地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)
目前,由于投入應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具都不具有地質(zhì)評(píng)價(jià)功能,旋轉(zhuǎn)地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)因此并未完全成熟,旋轉(zhuǎn)地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)只能和地質(zhì)評(píng)價(jià)儀器配合使用,利用地質(zhì)評(píng)價(jià)儀器測(cè)量的地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向�，F(xiàn)在,世界上有多家鉆井服務(wù)公司或儀器/工具開(kāi)發(fā)的公司,正致力于帶地質(zhì)導(dǎo)向功能的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的研究,并且取得了很大的進(jìn)展。相信在不久的將來(lái),旋轉(zhuǎn)地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)一定會(huì)成為現(xiàn)代鉆井工業(yè)的主流技術(shù),并將進(jìn)一步推動(dòng)自動(dòng)閉環(huán)鉆井技術(shù)的更進(jìn)一步的成熟。
4 認(rèn)識(shí)與體會(huì)
1、地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)是當(dāng)今國(guó)際鉆井界的一項(xiàng)高新技術(shù)，體現(xiàn)了鉆井、測(cè)井和油藏工程的結(jié)合，對(duì)提高勘探開(kāi)發(fā)和鉆井總體效益具有重要意義和作用，應(yīng)大力促進(jìn)這一高新技術(shù)在我國(guó)的研究與應(yīng)用進(jìn)展。
2、地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)能在鉆井施工過(guò)程中通過(guò)井下地質(zhì)評(píng)價(jià)儀器或地質(zhì)導(dǎo)向工具獲取地層被污染前的參數(shù)，使得地質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果更加真實(shí)、可靠。
3、由眾多功能性模塊集成構(gòu)建的地質(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)平臺(tái)在地質(zhì)導(dǎo)向鉆井中真正起到了地質(zhì)導(dǎo)向鉆井軟件平臺(tái)的作用，現(xiàn)場(chǎng)工程師可以在同一平臺(tái)上進(jìn)行軌跡控制、隨鉆解釋、遠(yuǎn)程傳輸與決策、待鉆設(shè)計(jì)等操作，設(shè)計(jì)新穎，功能強(qiáng)大，兼容性與可操作性強(qiáng)。
4、地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)利用實(shí)時(shí)地質(zhì)參數(shù),能有效地控制井眼軌跡的著陸和走向、及時(shí)調(diào)整井身軌跡和產(chǎn)層的位置關(guān)系,在回避鉆井風(fēng)險(xiǎn)、提高產(chǎn)層暴露程度、簡(jiǎn)化施工過(guò)程、提高勘探開(kāi)發(fā)效果和效益等方面,具有重要意義。
5、國(guó)內(nèi)地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)仍處于研究階段，我們應(yīng)加大科研投入力度，廣攬人才、借鑒學(xué)習(xí)國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，使自主研發(fā)的儀器能夠盡快投入使用。
參考文獻(xiàn)
[1] 蘇義腦．地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)概況及其在我國(guó)的研究進(jìn)展．石油勘探與開(kāi)發(fā)，2005年2月：92~95
[2] 榮海波、賀昌華．國(guó)內(nèi)外地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展．鉆采工藝，2006年3月：7～9
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