第10讲 地质导向

自动化钻井的全过程分六个环节：
* * * * * * 地面实时测量 主要用综合录井仪。 井下随钻测量 目前主要用MWD/LWD/FEWD等。 数据实时采集 由相关计算机（井下或地面）完成。 数据综合解释并发出指令 应用人工智能优化钻井措施。 地面操作自动化 地面操作自动化（铁钻工/自动排管机） 井下操作自动控制 钻头自动导向（轨迹自动控制）。 以上六个环节中，井下随钻测量和井下自动控制是关键 环节，同时也是关键技术，二者结合起来实际上是井眼 轨迹自动控制技术（即自动导向钻井技术）（Auto Trak 自动跟踪 / Closed Loop Steering Drilling 闭环钻井）。
自动导向钻井技术是钻井工程领域的高新技术，代表着 世界最先进的钻井技术发展方向。目前，在世界范围内水平 井、大位移井、分支井等高难度的复杂井正蓬勃发展，常规 钻井技术难以适应需要，必须依靠先进的导向技术才能保证 井眼轨迹的准确无误。
二、导向工具
导向钻井的实现主要靠导向工具，导向工具分两大类： 滑动式导向工具 旋转式导向工具 1、 滑动式导向工具 滑动式导向工具的特征是导向作业时钻柱不旋转，钻 柱随钻头向前推进，沿井壁滑动。这就带来以下问题： （1）钻柱的扭矩、摩阻问题。 （2）井眼清洗问题。 （3）机械钻速慢。 （4）钻头选型受限。 滑动式导向工具虽存在诸多缺点，但目前仍占主导地 位，因导向钻井大多使用井下动力钻具。主要的滑动式导 向工具有弯外壳马达、可调弯接头等。 工具组合方式 钻柱 + MWD/LWD + 动力钻具 +导向工具+ 钻头
四、地质导向钻井
地质导向 利用近钻头处实时采集的地质地层参数，超前 预测和识别油气层，并根据需要调整井眼轨迹，引导钻头 准确钻达油气富集区域。 地质导向的技术关键是近钻头处地层参数、井眼轨迹 参数和钻头工作参数的实时测量。 国外对地质导向的研究始于八十年代末，主要有美国、 英国、德国、法国和挪威等国家。1993年由Anadrill公司研 制成功了钻井、测井综合评价系统，实现了地质导向。
典型的地质导向BHA图
Anadrill公司研制的IDEAL系统
2、地质导向工具 在导向马达的壳体内安装多种传感器组件，使导向马达仪器化。工 具直接与钻头相连，测量近钻头处的电阻率、自然伽玛、井斜及钻头转 速等。
（1）近钻头电阻率工具（RAB） RAB是一种仪器化的近钻头稳定器，直接与钻头相连，测量近钻头 处的电阻率、自然伽玛、井斜和振动等参数。其最大特点是利用测得的数 据进行地层评价、裂缝、薄产层或渗透性产层的检测。
1、VDS系统的基本原理
VDS系统是在传动轴外壳上装有自动伸缩的扶正器的井下马达系 统。系统由井下工具、压力传感器、地面控制装置和司钻显示器组成。
工作原理 在钻井过程中，当井眼偏离垂直方向而向某一方向造斜时，其内部的 电子控制电路检测到井斜传感器测出的井斜信号，并通过控制电磁阀的电 流，改变四个液缸内的压力，推动其上面的四个可伸展的翼肋，使其压靠 并支撑井壁，同时利用井壁的反作用力推动钻头沿井斜相反的方向钻进。 由于电子控制电路实时采集井斜数据，并对液缸加以控制，就保证了钻头 始终以垂直状态钻进。
第十讲
导向钻井技术
（Steering Drilling）
主要内容
• • • • • 概述 导向工具 导向方式 地质导向 自动垂直钻井 系统 • 自动导向钻井 的关键技术
一、概述
钻井技术发展的新阶段是自动化钻 井。所谓自动化钻井就是钻井的全部过 程依靠传感器测量各种参数，并用计算 机采集，进行综合解释与处理，然后再 发出指令，最后由各相关设备自动执行， 使整个钻井过程变成一个无人操作的自 动控制过程。
RAB的测量原理图
利用环状电极测电阻率
（2）钻井参数测量工具 测量井下的钻压、扭矩、钻头压降及环空压降等。 （3）动力脉冲MWD 可测量井斜、方位和钻柱振动等参数，并用连续载波编码技术将数据 传至地面。 （4）补偿双电阻率（CDR）及中子密度仪 测井眼补偿感应电阻率、自然伽玛、中子密度等。
Anadrill公司的地质导向工具
三、导向方式
导向方式主要有两种：几何导向和 地质导向。
1、 几何导向
由井下随钻测量工具（MWD/LWD） 测量的几何参数，井斜、方位和工具面 的数值传给控制系统，由控制系统及时 纠正和控制井眼沿预定的井眼轨迹前进。
2、 地质导向
地质导向是在拥有几何导向的能力 的同时，又能根据随钻测井（LWD） 得出的地质参数（地层岩性、地层层面、 油层特点等），实时控制井眼轨迹，使 钻头沿着地层的最优位置钻进。这样可 在预先不掌握地层特性的情况下实现最 优控制。
2、旋转式导向工具
旋转式导向工具是在钻具旋转条件下直接引导钻头 沿着期望的轨迹钻进，从而避免了钻柱躺在井壁上滑动， 使井眼得到很好的清洗，同时允许根据地层选择合适的 钻头。这样可显著地减轻或消除了滑动式导向工具的不 足。 旋转式导向工具的缺点 由于阻力矩、钻头扭矩和可能的钻柱扭转弯曲可能 导致下部钻柱的扭转振动，同时导向控制难度大，投资 也大。 目前旋转式导向工具主要有：VDS自动垂直直井钻 井系统、SDD自动直井钻井系统、ADD自动定向钻井系 统、RSD旋转导向钻井系统、RCLS旋转闭环钻井系统 等。
（三）地质导向系统
地质导向系统是把井眼轨迹测量和地层特性参数测量的传感器以短节 的形式装在近钻头位置，测量的数据通过电磁波或电缆传给MWD，再通过 泥浆脉冲把信息传到地面，供控制人员识别地下情况，调整井眼轨迹。 1、地质导向系统的组成
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
地质导向系统： 马达 近钻头电阻率测井仪 伽马射线测井仪 几何参数测井仪
2、导向装置工作方式
为最大限度地增大导想作用力，导向工具应尽可能靠近钻头。导向 装置有两种工作方式： 近钻头外部导向 近钻头内部导向
SDD自动直井钻井系统
SDD自动直井钻井系统是由Agip公司和Baker Hughes公司在VDS系统 基础上联合研制的新一代自动直井钻井系统。该系统具有商业性推广价值 。该系统提供了一种能够自动连续钻直井，而无须地面人员参于过程控制 的垂直导向装置。
（二）地质导向设计的步骤 钻井之前首先了解地质结构.把地震资料、邻井的相关 测井资料和其他石油物理数据结合在一起进行分析。地震 质料能揭示大量的地质地层特性，如地层倾角、断层、横 向延伸以及不连续性。根据掌握的资料可绘出详细的油藏 图，确定流体的接触情况、压力分布情况，以及油藏参数 的空间变化，进行敏感性研究，以确定井眼位置对产能的 影响。 把以上资料、限制条件以及轨道设计中的不确定因素 结合起来设计井眼轨道，同时对不同的方案进行成本或效 益分析，可得到一个优化的目标和井眼轨道设计。
SDD系统的技术特点 （1）连续测量井斜； （2）连续校正任何微小的井斜； （3）井下自动导向； （4）地面可实时监控井眼轨迹和井下工具的工作状态； （5）寿命可超过钻头寿命。
六、自动导向的关键技术
导向 导向 工具 工具
1、旋转导向工具
2、参数（地质参数、钻头工作参数、井眼轨 迹参
数）的实时 测量、评价与控制 3、信号传输技术（双向通讯）
设计步骤： 1、对大斜度井的预期目标建立依据； 2、评估可用的地震资料； 3、计算和评估邻井的测井数据； 4、评估邻井/油田的生产数据； 5、选择目标段；
6、设计和优化井身轨迹剖面； 7、确定目的层内井眼合适位置的允许误差及风险； 8、完成钻井评估/完井计划； 9、开钻，将垂直井段钻至造斜点并进行初始定向钻井； 10、进行地质对比和目标控制； 11、需要时在最后的造斜段调整井眼轨迹剖面； 12、使钻头准确定位于水平井入口点处； 13、监测大斜度井段的轨迹及导向能力； 14、确定钻头的前探距离及预测异常情况的位置； 15、对地质上的意外情况采取补救方法，必要时采取绕 障法或做出侧钻决策； 16、用关于井眼稳定性风险评价的最新资料来有效地 确定总井深； 17、根据达到的设计目标或已钻井段中所遇到的不可 接受的风险值来确定总井深。
（一）地质导向的优越性 1、连续井眼轨迹控制，减少起下钻次数； 2、近钻头处的井斜传感器减少了大斜度井、水平井的井 斜误差，增强了井眼位移延伸的能力，减少了钻柱的摩阻； 3、近钻头钻速传感器可帮助司钻最佳使用导向马达，提 高机械钻速，延长马达的使用寿命，减少起下钻换钻具的时 间； 4、近钻头传感器使钻头处参数测量的滞后时间接近于零， 能使井眼最大限度地保持在油气层内； 5、方位伽马射线测量能在钻头处进行地层对比，这对探 测标志层、确定套管下深和取心层位是非常有用的，同时还 可使司钻确知是否钻穿地层的顶部或者底部； 6、定性的电阻率测量能够实时显示油气和岩性，这对地 层对比和确定油气水界面是非常有用的； 7、方位电阻率可使司钻得知油水、油气和其它液相界面 流体边界的方向。
是德国 专为KTB计划而设计的，1988年到1992年，先 后开发了5种型号的VDS系统。在钻进过程中可自动使井 眼保持垂直。 在KTB项目中，VDS系统共下井80多次，每次工作 42小时，最大使用井深达到7200米，大部分的井井斜都 小于10，最大的2.50, 对井斜的控制取得了显著的效果。
1988--1992年，德国和美国 联合研制了5种VDS垂直钻 井系统 VDS--1 VDS--2 VDS--3 VDS--4 VDS--5
随钻地层评价系统
五、自动垂直钻井系统（VDS）
概念 自动垂直钻井系统实际上是垂直导向钻井系统，该系统利用 自动变径工具，对钻头施加径向力，克服钻头的侧向力，自动纠斜， 保证钻头垂直钻进。 自动垂直钻井系统的研究始于80年代末，以德国、美国为代表。 当时德国正实施KTB（超深井钻井）计划，自动垂直钻井系统