地质导向技术

（二）地质导向
地质导向是在拥有几何导向能力的同时，又能根据随钻测井（LWD）得出的地层岩性、地层层面、油层特点等地质特征参数，随时控制井下轨迹，使钻头沿地层最优位置钻进。

在预先并不掌握地层性质特点、层面特征的情况下，实现精确控制。

美国Anadrill公司的地质导向钻井系统已取得商业性成功，并在一些油田得到较好应用。

值得一提的是，目前导向技术大多是以几何导向为特征，而且由于控制机构在地面，还没有实现井下自动导向控制。

在实际钻井中究竟使用哪一种导向方式，应视其具体工作环境而定。

对于一些油层变化不大、油层较厚、对地层性质特点了解较清楚的场合，使用几何导向较适宜，既能满足精度要求，又能降低成本。

而对于一些地层性质特点了解较少、油层厚度很薄的场合，使用地质导向更为合适。

根据导向工具特点及导向方式，井下自动导向钻井系统可采用如下四种组合方式：
1、几何导向十滑动式井下自动导向钻井系统；
2、地质导向十滑动式井下自动导向钻井系统；
3、几何导向十旋转式井下自动导向钻井系统；
4、地质导向十旋转式井下自动导向钻井系统。

井下自动导向钻井系统采用上述哪种方式更为合适，应从发展的观点加以论证。

目前国外的几何导向系统与地质导向系统还是分离的，尚无一家公司的样机兼备这两项功能。

今后的发展方向是把二者结合在一个系统中，实现真正的“几何--地质”导向控制。

四、地质导向技术
（一）地质导向技术的概况
地质导向技术是水平井钻井的一项重大发展，它标志着水平井钻井技术上升到一个更高的层次。

地质导向技术是根据钻头处的实时地质数据和储层数据作出调整井眼轨迹的决定，引导钻头前进。

其中的技术关键是要求能实时测量钻头处有关地层、井眼和钻头作业参数等方面的数据，并及时将这些数据传送至地面，便于作业人员迅速作出决策。

应用地质导向技术可以确保水平井眼准确进入和保持在目标层内（即使储层很薄），保证在产层内井眼与油水或油气界面之间保持一定距离，并可连通数个断裂储层。

应用常规导向钻井技术时，MWD工具离钻头较远（10--30m之间），所测得的井斜、方位和地层评价数据只反映了测量点处而不是钻头处的地层情况，也许钻头已经偏离了设计轨迹，也许钻头已经离开了目的层，从而降低了作业人员决策的及时性和准确性。

为了实时准确地测量钻头处的真实地层情况，便于作业人员及时、准确地作出决策，国外开展了对地质导向技术的研究。

1993年，Sch1umberger-Anadrill公司推出的综合钻井评价和测井系统--IDEAL系统，弥补了这一缺陷，实现了地质导向。

地质导向技术的优越性有以下几个方面：
1、连续的井眼轨迹控制、减少了起下钻次数。

2、钻头处的井斜传感器减少了大斜度井、水平井的井斜误差，减少了井眼的曲折度，增强了井眼位移延伸能力，减少了摩阻对钻柱的磨损。

3、钻头钻速传感器能使司钻最佳使用导向马达，由此可提高机械钻速，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藏内。

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。

正是由于地质导向技术具备以上优点，地质导向工具在老油田后期开发，提高采收率，开采那些油层薄、形状特殊的难采油区效果明显，经济效益显著。

（二）地质导向的原理和方法
地质导向可以精确地控制大斜度井和水平井的动靶。

地质导向技术包括导向系统、改进的新型地层物理测量、测井数据模型、近钻头传感器和测传马达，另外还要具有三维地震方法处理的详细储层图。

地质导向设计的步骤为：
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、在水平入口点处着陆（1and well）；
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到的异常情况的位置；
15、钻水平段时，用定向钻进方式改变方向，用旋转钻进方式稳斜；
16、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；
17、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；
18、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。

钻井之前首先要了解地质结构。

把地震数据、邻井的相关测井资料和其它石油物理数据结合在一起进行精心细致地分析。

地震资料能揭示出大量的地质特性，如地层倾角、断裂、横向延伸以及不连续性。

利用对结构模型与地下特性有关的不确定性进行定性和定量分析。

通过以上研究分析可得到7.6-15.2m的结构分辨率。

因为通常水平井的靶区在量级上较小，所以需要较高的分辨率进行修正。

这是通过把石油物理及取心资料同地震资料结合在一起来完成的。

现在能分辨出小尺度地层特征，如层状、页岩柱以及砂质变化，提高了倾角计算精度，减小了这些小尺度地层特征的空间分布的不确定性。

正是这些小尺度地层特性会引起意想不到的地质情况，其结果会错过一些层段。

在垂直井中，0.6m的页岩柱是不显眼的，但当钻一口216mm（8 1/2”）水平井眼时，它会显得无限大。

了解这些小尺度特征的三维分布，大大减少了钻井时碰到意外地质情况的机会，这使钻遇产层的机会有所增加。

根据掌握的资料可绘出详细的油藏图，它可以确定流体的接触情况、压力分布以及油藏参数的空间变化，能够用于敏感性研究，以确定井眼位置对产能的影响。

把以上资料、限制条件以及轨迹设计中有关的不确定因素结合起来设计定向井轨迹，对不同的方案进行成本／利益分析，可得到一个优化的目标和井身设计。

钻水平井眼时，有多种实时测量方法能用于地层评价。

在墨西哥湾，伽马射线、密度及中子测量在储层内一般变化很小。

在这些环境中电阻率的测量是第一位的。

在白垩系储层，用伽马射线的测量数据来显示裂缝。

在碳酸盐储层，电阻率值一般很高，伽马射线的响应没有规律，而且由于孔隙率低，密度测量精度偏低，最好选用中子测量。

测量方法的选择也受到其它因素的制约，像井眼状况、钻机在用时间、井底钻具组合设计限制以及排量要求等。

对一种测量方法的评价必须依据它在地质导向中的有用程度。

石油物理数据在地质导向中的主要用途是确定地质结构，地层评价是第二位的。

项目的成功取决于在目的层中实时确定井身，轨迹的位置。

近钻头测量及方位传感器对地质导向十分关键。

当进行地质导向时，可获得优质的测井数据，而在水平井中，不论是电缆测井还是钻杆测井都是昂贵的。

因此，地层评价需求必须适当和正确，过分强调测量方面的实时地层评价就会限制地质导向的能力。

任何地层评价都必须与相关的地质结构解释联系起来。

石油物理特性的变化可区别岩性及流体的界面。

为了细化项目最初建立的地质结构，对这些信息必须进行解释。

各种测井方法都在一定程度上受到各向异性的影响，即传感器从不同方向对一个单元体进行测量时，将显示不同结果。

在水平井中的测井特性响应明显不同于垂直井。

大多数的测井仪器是为垂直井而设计的，它们测量的是垂直于井眼和平行于层面的地层特性。

在水平井中这些测量垂直于地层界面，大多数的传感器受这些差别的影响不大。

然而，电阻率测量明显受各向异性的影响。

感应式和电式测量是阻抗式测量的两种主要形式这两种传感器各向异性的影响。

电阻率和各向异性与层间的粒度变化有关，但这些异常通常很小，以致多数电阻率测量仪器都测量
不到。

在水平面（Rh）中电阻测量结果小于垂直平面（Rv）中电阻率测量结果，Rv／M 可高达50。

当这一比率大子10时，各向异性对油井数据的影响是显著的。

除了各向异性的影响之外，在大斜度井中感应测量还受到地层界面处的“尖角”影响。

这些尖角对边界提供了很大的区别显示。

在有尖角的情况下，不能做出定量的电阻率数据分析。

当地层厚度大于1.5m时，一个界面可由于存在尖角而且尖角对感应电阻率测量有影响而被识别出来。

地层厚度小于1.5m时。

电阻率就小于相邻地层，单独使用传播式电阻率测量就不能进行识别。

在层状和薄地层的情况下，电式电阻率测量能给出非常好的地层界面显示。

感应式电阻率装置是测量垂直于仪器方向的电阻率。

仪器是随勘测不同深度而设计的，这样便可检测到距仪器较远且垂直于井眼的界面。

仪器的响应模型可用来估算到界面的距离，这一距离称为地质导向系统的前探距离。

界面检测是建立在电阻率变化的基础上的，一般2％的电阻率变化被认为是指示一个地层界面。

对实际测井，粒度及渗透性方面的差异使电阻率数据的变化减少为10％一20％的量级。

如果看不到电阻率的显著变化，就不可能精确检测界面。

仅当仪器位于界面0.3m之内或穿过该界面时，这种变化才是可能的。

两种不同类型传感器结合检测地层界面比任何一单独测量方法都有效。

把邻井数据的预测响应进行模型化处理，可以减小电阻率数据因各向异性影响所造成的混乱。

测井数据是一维的，通常呈线性关系，因而无法获得地层的三维特性。

如果没有邻井数据，遇到层状页岩之类的情况将导致不正确的关系或不正确的地质结构解释。

模型化可把所测到的数据同已经模型化的仪器响应特性联系起来加以比较，从而确定地质结构，显示边界的存在。

模型还能提供关于各向异性量级的信息，但不能提供足够的信息对边界的方向做出明确的判断。

所有的标准测井数据都受到这一方法的限制。

地质导向设计的关键是识别界面，以及用这些信息来确定方位的测试方法是否适用。

一旦地层的位置和方向被确定，就能进行定量分析（包括地层评价）。

还需要一些新的术语来对大斜度井所钻穿的地层进行标定：真垂深（TVT）定义为在垂直方向上的一个测量段的厚度，它与在垂直井看到的地层厚度相类似；真实地层厚度（TST）定义为垂直于地层面的测量厚度。

在钻过倾斜地层的斜井和水平井的地质结构图上，只有用TVT或TST才能获得精确的相互关系。

大斜度井电阻率的测量受各向异性影响并且读值比直井大得多。

为了与邻井成功地联系起来，测得的电阻率值必须转换成相当于直井的电阻率值。

这是用上述两个电阻率计算来完成的。

Rh是在水平所测得的电阻率值，这与电缆测井或标准测井的情况类似，该仪器是垂直或接近垂直的。

Rv是在垂直平面的电阻率值，这种情况发生在水平井测井。

在水平段中，从多次感应电阻率计算得到的Rh，实际上与垂直井的电阻率相类似。

在地质导向中遇到的风险或不确定因素主要表现在以下四个方面：
1、结构；
2、地层；
3、数据解释；
4、钻井和控制。

结构的不确定性是产生地质导向问题的最主要原因。

分析数据中的一些信号能预示突发事件。

因此，分析时可估算一个钻井深度缓冲区，大约应取60m。

当出现不希望的测井数据而且缓冲区降到9m以下时，技术人员就要研究意外的轨迹，检查方位，将突发事件的影响限制到最小。

地层的不确定性是指储层或目的层的岩相或沉积环境可能发生意外的变化。

处理这些突发事件应根据地层类型。

如果砂层尖灭并且是一窄道，就应向下钻进直到进入高能的沉积段；如果砂层为一条状，最好转向向上钻进。

地质导向要明确解决所钻井眼的三维空间位置和井眼位置周围的状况，数据的不确定性是影响实际位置的主要原因。

这是一个深度控制问题，处理深度问题最好事先调研邻井的深度测量质量。

模型化可减少各种因素造成的混乱，但只有地层被钻过之后才能知道各向异性的量级。

导向钻进比旋转的定向钻进可预测性更强，但是当岩性变化时，曲率就会发生不可预测的变化。

对水平段的最佳策略是设计井底地质导向组合。

该组合在旋转钻进时有一稳斜居中的趋势。

在导向方式下可改变井眼轨迹，曲率的范围通常为4°-8°／30m。

地质导向定向钻井还存在失去滑动钻进能力的风险，发生这种情况的条件是：
1、水平段超过600米；
2、总位移超过2700米；
3、位移与真垂直深度之比大于3。

这些指标是按软砂岩及正常的钻井情况建立的，指标可随钻井条件和岩性而变化。

测量井底钻压与扭矩可确定摩擦力的方向。

在定向或控制能力丧失前，摩阻将加速增加。

长的大于90°的向上拱起段增加了受压钻柱的长度，并推压钻柱使之拱起，导致定向能力丧失，其影响严重性大于狗腿度。

地质导向中钻进及控制的主要问题是确定有关的距离，尤其是当从一种地层钻出再恢复到该地层中钻进时更是这样。

减少恢复钻进距离长度的关键参数是地质导向数据传感器到钻头的距离。

传感器至钻头的距离每向上增加0.3m，则这一恢复距离就要增加0.6m，夹角大时更加突出。

实时地质结构评价必须了解构造解释的三维特性。

三维的形象化软件已逐步进入实用阶段，但至今尚未用于地质导向的钻井实时决策。

这就意味着三维信息和一些问题必须转化成二维的，以便使用导向技术和定向钻井技术。

地质导向设计通常包括三维定向设计轨道及实际地层倾角。

方位变化影响地层中井眼的计算位置或井眼的真实地层厚度。

在高难度的项目设计中，必须对每一段线或一系列的线段加以说明，并且要与设置的参考系统相一致，而且要在这种参考系统中计算出当前的位置和设计的轨迹。

地质结构随着各段的变化而不同。

钻井时，井眼会偏离初始垂直井段位置产生一定的井斜，在地质导向中对这一方位漂移必须定量。

如果真的发生偏斜，就需要增加一个新的井段，在高陡地层内更有可能发生这种情况。

在地层倾角大于50°的情况下，就应该计算偏离原设计剖面的钻进距离。

对于一个给定的剖面，与地质标记有关的位置修正量可由计算确定。

当修正量大时，要考虑增加一个新井段。

在垂直井和标准的定向井中校正十分简单，但在水平井中，尤其是井斜角大于90°。

的情况下，单独用标准的测井图校正测井数据是非常困难的。

石油物理数据需要转换成某种类型的工作结构图，然后把跟踪预测的地层异常画到图中。

实际上深度测量、工具面的设置以及数据采样率等数据很容易受各种变化影响而变得模糊不清，方位检查可起补救作用。

方向传感器被定向在已知的方向，并与在不同方向之处通常是相反方向得到的数据相比较。

导向马达上装有方位伽马射线和电阻率传感器。

多数情况是直上直下进行检测，即分别设置0°和180°。

的重力工具面，最好的方法是在地质或测井异常的接触点处及其上方、下方做检查。

导向系统不仅仅是测井工具，而是在MWD的下部带有一旋转钻头的泥浆马达组合。

根据计算出的深度，把传感器组件放置在检测的深度，十个数据收集为一组，以30s的采集率要用5min，然后把传感器组件放置在下一个深度，采集下一系列的数据。

经常检查方位可对情况的处理提供线索，并使工作人员对地质构造有进一步的了解。

（三）地质导向系统
所谓地质导向系统是把测量井身几何参数与油藏特性的一系列传感器以短节形式放置于钻头附近，可测到离钻头1-2米范围内的井斜、方位、地层电阻率、伽马射线等。

然后通过电磁波或电缆把信息传给MWD，再通过泥浆脉冲把信息送至地面的监控台，以便控制人员及时识别井底的情况，调整钻进轨迹。

这种系统的功能相当于给钻头装上“眼睛”。

为地质导向时所使用的典型BHA。

国外对地质导向系统的研究最早始于八十年代未，目前主要有美国、英国、德国、法国和挪威5个国家的6家公司在进行竞争。

其中Anadrill公司研制的IDEAL系统最具有代表性，仅在欧洲和非洲，就已有13家公司运用该系统在6个国家钻井近50口，总进尺超过32000米。

另外Baker Hughes公司也于1993年5月12日申报了专利：带有综合地层评估测井能力的导向马达系统。

下面根据收集的资料，对几种不同的地质导向系统进行简要介绍。

1、IDEAL系统
Anadrill公司是斯伦贝谢（Schlumbderg）公司的子公司，是世界最先进钻井技术的代表。

1993年5月在美国体斯顿召开的海上技术会议期间，Anadrill公司展示了其综合钻井评价和测井系统，即IDEAL系统。

该系统由井下测量工具和井场信息系统组成，其中井下测量工具主要包括：地质导向工具或近钻头电阻率工具（RAB工具）、钻压扭矩工具、动力脉冲
MWD工具以及补偿双电阻率和方位密度中子仪器。

（1）地质导向工具
在导向马达的壳体内装上多传感器组件，使导向马达完全仪器化。

该工具直接与钻头相连，能够测量钻头处电阻率、自然伽马、井斜及钻头转速等参数，可用于中长半径水平井的钻进，这些数据通过电磁遥测传至地面，使司钻及地质专家能实时了解钻头处的井眼参数、检测钻头处的油气显示及对钻头进行导向
（2）近钻头电阻率工具（RAB）
这是一种仪器化的近钻头稳定器，直接与钻头相连，可测量近钻头处电阻率、自然伽马、井斜和振动等参数。

其最大特点是可以利用这些实时测量数据，在地层被污染之前进行高质量的地层评价及裂缝、薄产层或渗透性产层的检测。

RAB工具也可接在导向马达上方或与MWD串接。

该工具的测量机理为用环状电极测量电阻率的示意图。

（3）钻压扭矩工具
接在MWD工具下端，用于接收地质导向或RAB工具的电磁信号，并传至MWD，它可测量井下钻井力学参数，如钻压、粗矩、压降及环空压力等。

（4）动力脉冲MWD工具
应用连续载波编码技术将数据传至地面，传输速率高达10位／秒，传输质量因信噪比的提高而得到改善，它可测量井斜、方位及钻井振动等参数。

（5）补偿双电阻率（CDR）及方位密度中子仪器
可实时测量井眼补偿感应电阻率、自然伽马、密度和中子，借此可进行初期地层评价、地质对比及孔隙压力评价。

补偿双电阻率仪为CDR／RAB测井曲线对比。

井场信息系统（WIS）是IDEAL系统的中枢，它通过所有的地面数据和井下数据监测钻井全过程。

原始数据由解释程序转换成井场决策人员所需信息，并在高分辨率监视器上以彩图方式直观显示，其内容有：井眼轨迹、早期气体监测、卡钻指示、实时防碰报警、井眼冲刷报警、卡牙轮报警、地质对比及多种测井曲线。

IDEAL系统的关键是定向和测井传感器接近钻头，而不象以前那样离钻头有12.2-15.2m 远。

近钻头传感器可测量到离钻头1-2m范围内的方位、地层电阻率、伽马射线、转速和井斜等，然后通过无线传输系统（电磁波）把数据从钻头处传到MWD系统。

这样可以更好地指导钻井井眼穿过薄层和复杂地层，利用测井数据直接进行地质导向，而不是按预先设计的井眼轨迹钻井。

这是第一个在导向马达上安装仪器的工具，好像把汽车驾驶员的座位从后排移向前排，也好像是在钻头上开了一个“窗子”，使得司钻知道钻头确切地位于什么地方，可以怎样控制。

另一种IDEAL工具是RAM，是装在近钻头扶正器上，能与旋转钻井组合一起使用，能够钻直，钻快，能够测量井斜、钻头振动、侧向测井、电阻率和伽马。

在旋转钻井时它紧挨钻头，在向钻井时可安在导向马达或地质导向工具的上方。

Anadrill公司已经在一些井中成功地试用了IDEAL系统，包括用在挪威北海C2大位移井中。

Anadrill公司的技术销售经理说：“今天，我们可在储层中朝上或朝下看几英寸，最
终要能上下看到几英尺，使钻井正好通过储层的中间，把三维地震与井下数据结合起来就可做到这一点。

目标是在设计阶段和实时阶段把三维地震与井下数据结合起来，预计5年内会实现这种技术”。

2、Baker Hughes 公司的地质导向工具
Baker Hughes公司的地质导向工具的钻柱组合它主要有井下导向马达、双线传输电阻率测井装置（DPR）、表面信号设备组成。

表面信号设备与马达上部连接，DPR安装在马达近钻头稳定器和马达动力段之间。

同时，岩性测井装置和孔隙度测井装置放置在表面信号设备的上部。

DPR放置在加工好的壳体内，通过电缆与表面信号设备相连，并具有发射和接收装置。

动力信号电缆放置在马达外壳的导向保护槽内，驱动轴通过亮体内的空间连接马达动力部分并驱动钻头旋转。

表面信号设备也与岩性测井和孔隙度测井装置连接，借助泥浆脉冲或超声波的形式把地层参数传到地面。

所有测量仪器都是由泥浆驱动的涡轮发电机供能。

地质导向工具与常规钻具的不同之处在于弯壳体设计成可安装测井装置的结构，并且定子外部加上了具有径向槽的套筒，用于放置电缆以连接表面信号设备和下部测井装置，并供给能量。

整个工具的外部布置有马达外壳稳定器、近钻头稳定器、岩性测井装置部位的稳定器，以此来加强井眼轨迹的控制。

另外，也有DPR放置在近钻头稳定器和钻头之间的工具。

（四）国外几家公司的地质导向技术应用状况
1．Baker Rughes INTEQ公司
Baker Hughes INTEQ公司在个能够测量岩层电阻率、伽马射线和方位参数的双电阻率随钻测井仪（LWD）用于该井的加利福尼亚州贝克尔油田附近的Coalinga重油田上，采用地质导向技术为Chevron公司钻了一口水平井，该井周围有大量的直井。

随钻测井仪器（LWD）被用于检测钻具正在接近的油水界面及油层边界。

该井的水平段位于砂层的底部附近，这是因为在衰竭油藏中，重力驱油是主要的开采机制。

一地质导向钻具之上。

利用对比电阻率以确定地层界面的方法有三种：
（1）在边界附近1.8m范围内，Rpd／Rar曲线发生分离；
（2）在1.2m以内时电阻率发生变化；
（3）在0.5m以内时出现极化角。

极化角是探测岩层边界最可靠的方法，但它通常只在钻头穿透边界后才出现。

当在497m井深处钻水平段时，电阻率传感器检测到电阻率下降。

这说明所钻井眼己处于油水界面或砂岩底部1.2m范围之内。

因此，导向动力钻具向上调整方向，而真垂深已增加1.5m。

电阻率重新又回到在井深5101m处的水平上。

初期试验表明，采取热力增产措施后，该水平井产油率比垂直补偿井增加了3-5倍。