地质导向钻井工艺技术

地质导向钻井工艺技术李清涛
摘要：地质导向钻井技术以近钻头地质参数与工程参数的随钻测量、传输、地面实时处理解释和决策控制为主要技术特征，在钻井过程中取得了显著技术效果和重大经济效益。本文综述了国内外地质导向钻井技术发展状况，介绍了地质导向钻井系统的结构特征。国内应大力研制力度，促进地质导向系统这一高新技术在我国的研究与应用。
关键词：地质导向、近钻头、随钻
引言
20世纪80年代至今是国际钻井工程技术发展最快的时期，最突出的技术特征之一是信息技术和控制技术开始应用于油气钻井工程，表现在井下新测量仪器和新控制工具的研制成功、不断改进并组成满足地质、开发更高需求和钻井新工艺的大型技术系统，以地质导向钻井系统和应用技术为典型代表。
地质导向钻井技术的特征在于把钻井技术、测井技术及油藏工程技术融合为一体，形成带有测近钻头地质参数(伽马、电阻率)、近钻头钻井参数(井斜角、方位角)及其他辅助参数的短节，用无线信号短传方式传至MWD/LWD，再传至地面控制系统；用地面软件系统(含地层构造模型、参数解释和钻井设计控制3个主要模块)适时做出解释与决策，实施随钻控制。
采用地质导向钻井技术，能大大提高对地层、构造、储集层特征的判断和钻头的在储集层内轨迹控制能力，从而提高油层钻遇率、钻井成功率和采收率，实现增储上产，节约钻井成本，经济效益重大。1993年Schlumberger公司(Anadrill)首先推出的以IDEAL系统为代表的地质导向钻井系统已被国际钻井界公认为是最有发展前景的、21世纪的钻井新技术。
国外的地质导向钻井技术已经相当成熟，能够实时测量近钻头处的地质参数和工程参数。而目前国内因仪器研制与技术研究起步较晚，基本处于国外第一代产品的初期水平，实时地质参数较少，测点离钻头较远。然而，地质导向钻井的重要性和潜在经济价值早就为国内钻井界所瞩目，研制地质导向工具、研究地质导向钻井工艺已势在必行。
1 国外地质导向钻井技术
1.1 国外地质导向钻井技术发展状况
1993年Anadrill公司首次提出地质导向概念并研制出了第一套地质导向工具。Halliburton、Baker Hughes Inteq和挪威国家石油公司（Statoil）等也相继研制出了他们各自的地质向导工具。Anadrill公司研制的综合钻井评价和测井系统（IDEAL-Integrated Drilling Evaluation And Logging）由一个在其外壳内装有定向测量和地层评价测井传感器的可转向仪表化泥浆马达和一个可以直接接在钻头上的近钻头电阻率测井接头组成。可以探测出距钻头1～2m范围内的地层电阻率、伽马射线、井斜、地层孔隙压力以及其他有用数据，然后通过无线电传输系统把数据从钻头处传送到位于钻柱上部位置的随钻测量（MWD）工具，再经MWD把数据传输到地面。目前IDEAL己在实际钻井中得到了广泛应用。到1996年底，仅在欧洲和非洲就有13家公司应用该技术在6个国家钻井近50口井，总进尺超过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系统和NaviGator产层导向系统。 1995年在小井眼随钻电阻率测井仪器方面成果颇丰。Sperry Sun推出Slim1 Phase4内存型φ120.65mm（）仪器。Anadrill研制出ARC-5仪器。Baker Hughes Inteq推出NaviMPR、IDS仪器。Halliburton公司在1995年研制出了名为PZST（Pay Zone Steering Tool）的地质导向工具，将它直接装在泥浆马达和钻头之间，可以提供伽马射线、井斜和地层电阻率数据。该工具己于1996年起纳入工业应用。1995年挪威国家石油公司（Statoil公司）研制出了应用声波反射原理探测井眼轨迹与地层流体界面和地层界面相对位置的POSLOG地质导向工具。但目前还未见到这种地质导向工具成功推广应用的报道。 20世纪90年代后期，Anadrill公司拥有随钻测井仪器CDN／CDR、地质导向仪器Geostreeing、随钻声波仪器ISONIC以及Powerpulse MWD仪器系列等主导产品。Halliburton以HDSIM、CWRGM、CLSS和DNSC为其主要服务产品。Anadrill公司的随钻成像仪器已投入商业使用。同时，Anadrill公司在2000年新推出了 ARC-6和ARC-8等来取代现有的系列仪器。目前的随钻测量工具己完全具备了随钻测井及地质导向的能力，并使随钻定向测量及测井工具传感器更加接近钻头。Baker Hughes Inteq公司最新推出了连续旋转闭环定向钻井系统（AutoTrak RCLS-AutoTrak Rotary Closed Loop System，简称AutoTrak），该系统集钻进和随钻测量为一体，由旋转钻井下部导向钻具组合、CDR随钻测量系统、带CDR和AND的随钻测井系统和地面计算机监控系统组成，其核心为旋转导向钻具，能够在连续旋转过程中提供精确的定向控制，实现方位和井斜的调节。
国际上的MWD／LWD制造公司主要有八家，生产约20个系列的8种产品，可以测量30多种参数。仪器外径从到，基本上能够满足各种定向井类型的需要。近年来，在MWD／LWD的实效性、高利润和先进性的诱惑和驱使下，世界上大的石油工程服务公司都加强了随钻测井技术的研发力度。目前该项技术主要被Schlumberger、Halliburton和Baker Hughes三大公司所垄断。Schlumberger为随钻测井技术的集大成者，服务领域从早期主要集中在海洋钻井平台服务逐步向陆地钻井服务中推进。
目前，国外不但有较先进的地质导向硬件工具，而且具有与之配套的随钻地质工程参数解释与地质导向应用软件系统。国外地质导向钻井技术的发展趋势是随钻测量仪器的多样化、测量参数向钻头靠近的钻头智能化、基于地质－钻井可视化的地质建模、实时对比解释和钻井施工过程的系统化。
1.2 国外地质导向钻井系统的结构特征
地质导向钻井系统一般包括：钻头+测传马达(含近钻头测量短节)+无线短传+MWD/LWD十井场信息接收和处理系统。本文以Anadrill公司1993年推出的IDEAL系统(Integrated Drilling Evaluation and Logging，综合钻井评价和测井系统)为例，介绍地质导向钻井系统的结构特征。
1.2.1测传导向马达(Instrumented Steerable Motor)
这是一种完全仪器化的导向马达(其壳内装有传感器组件)，直接与钻头相连，能测量近钻头处地层电阻率、方位电阻率、自然伽马以及井斜和钻头转速等参数。这些参数通过电磁波传送到马达以上的MWD(Measurement While Drilling)或LWD(Logging While Drilling)，再由钻井液脉冲传送到地面。借此，司钻和地质家可实时了解钻头处的岩性变化并检测钻头处的油气显示情况，通过对钻头进行导向，保证井眼在储集层内延伸，达到增大储集层泄油面积、提高单位进尺的产量和降低完井成本的目的。
1.2.2井场信息系统
井场信息系统是IDEAL系统的中枢，通过结合所有的地面数据和井下数据来监测钻井过程。原始数据由解释程序转换成井场决策人员所需信息，并在高分辨率彩色监控器上以彩图的方式直观显示，使用方便。此外，IDEAL系统还有一些独立的井下测量短节，如近钻头电阻率短节，可不用测传马达而和转盘钻井配合使用。由于该系统采用LWD仪器作为随钻测井和上行通道，所以还包括比一般MWD更多的地质参数传感器。
2 国内地质导向钻井技术发展状况
1996年中油北京地质录井技术公司（现中油测井公司）从美国Halliburton引进了国内第一套PathFinder LWD和SLIM1 GR MWD装备。经过近几年的技术消化和吸收，组建了自己的作业队伍和研究力量，分别在大庆、塔里木、华北、大港、海上油田顺利完成了随钻测井作业。近几年来，曾先后在国内的十几口探井和开发井中提供了随钻测井服务，取得了很好的测井效果和经济效益，培养了一批具有一定随钻测井服务经验的现场工程师，为油田勘探开发提供了一项全新的测井方式。
1999年胜利钻井工程技术公司引进了美国Halliburton Sperry-Sun的随钻地层评价仪器（FEWD-Formation Evaluation While Drilling），新疆石油管理局、大庆石油管理局等油田也陆续引进了带自然伽马的地质导向工具。胜利钻井院、长庆油田也引进了英国Geolink公司生产的带自然伽马和电阻率两道参数的地质导向测量工具，并在胜利油田的边底水剩余油区块和塔里木油田的超薄油藏区块投入了生产应用，通过对比随钻测井曲线和邻井资料，及时获得地质特征的变化，在井眼轨迹实时控制方面发挥了积极作用，为开展地质导向钻井技术研究打下了良好的应用基础。
2003年中海油田服务股份有限公司引进了Halliburton Sperry-Sun的FEWD和Baker Hughes的LWD。
2001年胜利钻井院依托重大装备国产化研究项目—“MWD、随钻自然伽马测量仪国产化研制”和中石化集团公司项目（2002年）“随钻感应电阻率测量仪的研制”开始了MWD/LWD国产化研究工作，并成功地研制出了具有自主知识产权的新型正脉冲MWD、随钻自然伽马测量仪和随钻感应电阻率测量仪，并投入了现场应用，取得了良好效果。
目前国内总体上处于应用引进仪器和部分国产化仪器的地质导向初级阶段，尚未形成规模化应用的生产局面，开展地质导向钻井技术研究已是当务之急。
3 地质导向钻井技术的发展趋势
3.1 旋转导向钻井技术
地质导向钻井技术在高效开发复杂油藏方面具有极大的优势,但是它也有自身的不足,那就是在必要的时候该钻井技术仍然需要采用弯壳体马达滑动钻进,这样会造成轨迹过度扭曲。同时,滑动钻进不利于井眼清洁和有效克服摩阻,轨迹控制难度增加,井眼轨迹在达到一定的程度后难以继续向前延伸,使地质导向钻井技术在现代钻井工业中的应用受到极大限制。
旋转导向钻井技术就是为了克服上述缺陷而产生的,其目的就是为了取消滑动钻进工作方式、使钻具在旋转钻进的同时,实现轨迹的控制,在有效克服地质导向钻井技术的一些缺陷、提高油藏开发的整体效益、有效避免钻井风险方面有重要意义。
世界上多家具有相当实力的钻井服务公司都在研究、开发旋转导向工具,如SPERRY-SUN公司、BAKER - HUGHES INTEQ公司、SCHLUM-BERGER公司、CAMCO钻井服务公司、CAM-BRIDGE钻井自动化公司等,但到目前为止,其中获得商业性成功的只有SPERRY-SUN公司的GEO-PILOT旋转导向钻井系统、BAKER-HUGHES INTEQ公司的旋转闭环钻井系统RCLS(Rotary Closed Loop Drilling System)和SCHLUMBERGER公司的POWERDRIVE旋转导向钻井系统。
3.2旋转地质导向钻井技术
目前,由于投入应用的旋转导向工具都不具有地质评价功能,旋转地质导向钻井技术因此并未完全成熟,旋转地质导向钻井技术只能和地质评价仪器配合使用,利用地质评价仪器测量的地质参数进行地质导向。现在,世界上有多家钻井服务公司或仪器/工具开发的公司,正致力于带地质导向功能的旋转导向工具的研究,并且取得了很大的进展。相信在不久的将来,旋转地质导向钻井技术一定会成为现代钻井工业的主流技术,并将进一步推动自动闭环钻井技术的更进一步的成熟。
4 认识与体会
1、地质导向钻井技术是当今国际钻井界的一项高新技术，体现了钻井、测井和油藏工程的结合，对提高勘探开发和钻井总体效益具有重要意义和作用，应大力促进这一高新技术在我国的研究与应用进展。
2、地质导向钻井技术能在钻井施工过程中通过井下地质评价仪器或地质导向工具获取地层被污染前的参数，使得地质评价结果更加真实、可靠。
3、由众多功能性模块集成构建的地质导向钻井系统平台在地质导向钻井中真正起到了地质导向钻井软件平台的作用，现场工程师可以在同一平台上进行轨迹控制、随钻解释、远程传输与决策、待钻设计等操作，设计新颖，功能强大，兼容性与可操作性强。
4、地质导向钻井技术利用实时地质参数,能有效地控制井眼轨迹的着陆和走向、及时调整井身轨迹和产层的位置关系,在回避钻井风险、提高产层暴露程度、简化施工过程、提高勘探开发效果和效益等方面,具有重要意义。
5、国内地质导向钻井技术仍处于研究阶段，我们应加大科研投入力度，广揽人才、借鉴学习国外的先进技术，使自主研发的仪器能够尽快投入使用。
参考文献
[1] 苏义脑．地质导向钻井技术概况及其在我国的研究进展．石油勘探与开发，2005年2月：92~95
[2] 荣海波、贺昌华．国内外地质导向钻井技术现状及发展．钻采工艺，2006年3月：7～9