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1、钻 井 工 艺2011年 第2期 江 汉 钻 井CGDS172NB近钻头地质导向钻井技术在江汉油田的应用王 伟摘 要 目前，常规LWD在钻井实际应用中由于测量盲区长，无法准确判断近钻头处的井眼倾角、相关地层岩性、储层特性及储层位置，无法实现真正意义上的地质导向钻井。针对这一难题，本文介绍了我国首套CGDS172NB近钻头地质导向钻井系统的性能特点，并结合在江汉油田的应用实例，分析了近钻头地质导向钻井技术的优越性和重要性，对在国内推广应用国产化近钻头地质导向仪器及近钻头地质导向钻井技术具有重要意义。关键词 近钻头 地质导向 LWD 6引 言地质导向钻井（Geo-Steering Drilling
2、）技术是近年来国内外发展起来的前沿钻井技术之一，它是一项集定向测量、导向工具、地层地质参数测量、随钻实时解释等一体化的测量控制技术，其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，被广泛应用于水平井（尤其是薄油层水平井）、大位移井、分支井、侧钻井和深探井。目前，国内对地质导向钻井系统的研究还处于较为落后阶段，能够实时测量近钻头处的多种地质参数和工程参数的先进的地质导向钻井系统等前沿钻井技术只有Schlumberger、Halliburton、Baker Hughes等几家大公司能够掌握，并且实施技术垄断政策：只租借不出售，日租金高达数万甚至数十万美元，而且无法得到地质导向钻井核心技术。
3、而国内现用的各种地质导向仪器均存在较大的测量盲区（测量传感器至钻头的距离），无法实时测量近钻头地质参数，技术比较落后，无法实现真正意义上的地质导向。本文通过分析常规LWD存在的弊端，介绍了我国首套CGDS172NB近钻头地质导向钻井系统在江汉油田超薄油层水平井的成功应用，总结了技术经验，对近钻头地质导向钻井技术在国内油田的发展具有重要意义。1、存在问题分析对地质导向钻井来讲，仪器越靠近钻头越好，可以及时确定井底地层情况和井眼轨迹，进而制定相应方案。目前国内在水平井和大斜度井施工中基本采用的是常规LWD+导向钻具组合进行地质导向，LWD仪器各测量传感器都装在远离钻头位置的螺杆上方的无磁钻铤内，存
4、在很大的测量盲区（见图1）。电阻率探测点距钻头约89 m， 伽玛测量点距钻头约1315 m，井斜、方位测量点距钻头约1721 m。井眼轨迹参数测量相对滞后，井底工程数据预测十分困难，无法准确预计井眼轨迹的走向。同时，地质参数的严重滞后造成地质人员无法掌握实时的地层资料，现场地层分析困难，无法准确判断近钻头处的井眼倾角、相关地层岩性、储层特性及储层位置。图1 常规LWD测量盲区示意图水平段导向成功与否，直接影响水平井的钻探效果。地质导向的基本要求是使钻头轨迹在油层中上部顺层经过，尽量控制在目的层顶面1 m之内。由于地下油层展布的不确定性，在实钻过程中，并不是所有的井都能与设计一样符合，按照设计轨
5、迹钻进时，往往会出现油层提前、滞后、钻头出层或其它异常情况。由于常规LWD测量盲区的存在，现场地质人员只能采用原始的捞取砂样、钻时对比、测录井的方法进行地质分析卡层，而这些方法只能作为参考，并不能准确、直接地反应出当前所钻地层的特性，因为：（1）井斜较大，井底往往形成岩屑床，造成上返岩屑量少、岩样混杂、代表性差，甚至滞后多个录井间距，直接影响到岩屑录井质量。加之目的层多为松散砂岩，砂粒极细，经振动筛振动和淘洗后，岩屑中很难发现真实含油岩屑，给岩屑描述和落实油气显示增加了难度。（2）由于钻进模式的多变（定向钻进、复合钻进交替），钻压、转速等工程参数变化较大，钻时与岩性相关性降低，钻时资料难以真实
6、反映地层岩性，钻时参考价值低。（3）在水平井及大斜度井中，为保证井下施工安全顺利，原油、柴油等大量有机润滑剂的混入，直接造成气测假异常，或基值全线抬升，掩盖了地层中真正的油气显示，使气测异常预报难度加大，同时直接影响荧光录井发现和落实油气显示。在实钻过程中，如果出现油层薄、工具造斜率发生突变、地层构造发生变化等现象，极有可能会导致无法找到油层。因此，在实际施工中，常规LWD仪器较大的测量盲区对地质参数测量、地层识别、寻找储层、轨迹预测和计算都十分不利，基本起不到真正的地质导向作用，只是起到了对所钻过的地层岩性起到验证作用，不适应于薄油层水平井施工，但可应用于油层较厚、地质结构稳定的水平井、大斜
7、度井施工。2、CGDS172NB近钻头地质导向系统简介由中国石油集团钻井工程技术研究院、北京石油机械厂和中国石油集团测井仪器厂共同研发完成的CGDS172NB近钻头地质导向系统填补了国内近钻头地质导向仪器的空白，是我国具有独立知识产权的钻井装备。2.1仪器结构CGDS172NB近钻头地质导向系统由测传马达、无线接收系统、正脉冲无线随钻测量系统和地面信息处理与导向决策软件系统组成。近钻头测传短节可测量钻头电阻率、方位电阻率、方位自然伽玛、井斜、温度、工具面等参数。用无线短传的方式把近钻头测量参数传至上方的无线短传接收系统。正脉冲无线随钻测量系统通过钻柱内泥浆通道中的压力脉冲信号进行通信并协调工作
8、，实现钻井过程中井下工具的状态、井下工况、及有关测量参数（包括井斜、方位、工具面等定向参数，伽玛、电阻率等地质参数及钻压等其它工程参数）的实时监测。2.2仪器特点（1）测量盲区短，实现了实时地质导向。近钻头参数具有钻头电阻率、方位电阻率、方位自然伽玛三条地质曲线及井斜、工具面两个工程参数，并且测量零长都在23m范围内，其中近钻头电阻率可探测钻头以下0.7m的范围，真正实现了实时地质导向（见图2）。由于可提供近钻头实时地质参数，能够帮助现场人员随时监控地质参数的变化情况，实时判断是否钻遇泥岩以及识别泥岩位于井眼的位置，能够比常规LWD更早发现油层，并能根据实时地质参数及时随时调整钻头姿态，保证钻
9、头始终在油层中钻进，适合于复杂地层、薄油层钻进的水平井，可提高油层钻遇率、成功率和采收率，大幅度提高进入油层的准确性和在油层内的进尺，具有随钻辨识油气层、导向功能强的特点。图2 仪器测量零长示意图（2）可用于判断钻头在油层中所处位置。在水平穿越油层时，可通过方位电阻率、方位自然伽玛及时判断钻头在油层中所处的位置，提前判断钻头是否即将出层。在钻头钻出油层时，可以判断出钻头是从上方还是下方出层，非常适用于探井、薄油层及超薄油层水平井施工。（3）可通过近钻头工程参数指导定向施工。近钻头工程参数包括井斜和工具面两个参数，由于测量盲区很小（2.85m），能根据近钻头的井斜定性指导定向工程师及时进行轨迹计
10、算和工具造斜率预测，并在第一时间发现角差是否存在误差，避免了因造斜率预测不准、角差误差等因素导致的井眼轨迹控制失败。（4）仪器分辨率高，数据传输速度快，全套参数（工具面+伽玛+电阻率）测量只需要5060秒，十分有利于定向施工和地层识别。（5）具有较强的信号处理和识别能力，可传深度4500m以上。（6）供电方式有锂电池和涡轮发电机两种。（7）测传马达为可调式弯螺杆，度数调整范围为0.75、1、1.25、1.5，检测周期200小时。该仪器近钻头模块安装在测传马达内，如测传马达需要检修，可单独将近钻头模块拆卸下来对马达进行修理。（8）由于采用开放式总线设计，该仪器可兼容其它型号的脉冲发生器正常工作。
11、3、实例分析为了解决目前存在的地质难题，江汉油田于2010年先后在浩平2、严7平1和广13平1三口薄油层水平井应用了北石厂生产的GDS172NB近钻头地质导向钻井系统，取得了很好的使用效果。下面以近钻头地质导向钻井技术在江汉油田严7平1井的应用进行实例分析。3.1基本数据A靶垂深2820.48m，设计闭合位移282.44m，设计闭合方位278.82；B靶垂深2820.98m，设计闭合位移417.66m，设计闭合方位289.34；设计水平段长149.16m，设计水平段井斜89.81，靶框半径上下0.5m、水平方向6m。3.2施工难点（1）地层构造陡，磁偏角大，井眼轨迹可控性不高； （2）油层前标
12、志层不确定；（3）地层倾角不确定；（4）地质结构不明，油层薄，预计油层1.8m厚，实钻油层垂厚0.551.33m，穿层难度大，风险高。3.3近钻头地质导向施工过程在井深2942m、井斜74时下入近钻头地质导向仪器，可调弯螺杆度数调为1.25，并从井深2800m开始补测伽玛、电阻率曲线，同地质捞砂描样曲线进行数据对比，曲线基本吻合。根据所测地质曲线与邻井资料对比，确认标志层垂深，将垂深2816m暂定为砂顶（比设计提前4.48m）。为了把工具造斜率和地层油顶的不确定性，以及仪器本身因测量滞后所产生的误差影响控制在探油顶段，决定应用“安全着陆法”，即将井斜控制在86稳斜探油顶，探到油层后再增至水平。
13、钻进至井深3079m时，井斜86.7，垂深2817.22m，钻时加快，同时伽玛值由泥岩基值120API下降为60API，烃值升高，确认已进入油层，实际目的层垂深比设计提前3.26m。继续复合钻进4m下切油层后，准备增斜至水平。但在循环测量方位电阻率、方位伽玛时，发现向下时伽玛值为61.37API、电阻率14.77.m，向上时伽玛值为99.31 API、电阻率2.9.m，判断此时钻头在油层顶部穿行，靠近上部泥岩。如按原设计进行增斜，会从上部穿出油层，同时由于地质捞砂显示该油层物理特性不佳，因此决定改变计划进行定向降斜施工。降斜施工至3091m 时，井斜85.05，伽玛值上升至120 API，结合
14、捞砂、气测值数据，显示钻头已出层。根据地质资料及邻井对比，认为钻遇泥岩夹层，并且实际地层倾角要大于设计倾角，决定继续以较小井斜钻进。在钻至井深3115.10m时，循环测量方位电阻率、方位伽玛，发现向下时伽玛值为82.29API、电阻率4.47.m，向上时伽玛值为114.62 API、电阻率3.85.m，判断钻头正贴着油层上顶部穿行，继续控制85左右井斜钻进。在井深3131.5m时再次钻遇油层，伽玛值稳定在40 API左右，证明前期通过近钻头仪器所测的方位伽玛、方位电阻率值得出的“油层在井眼轨迹下方”的结论的正确性。复合钻稳斜钻进至井深3157m时，油砂含量降低，循环测量方位电阻率、方位伽玛，发
15、现向下时伽玛值为93API、电阻率7.m，向上时伽玛值为44.2 API、电阻率14.4.m，中间伽玛值47 API、电阻率10.m，判断轨迹目前虽然仍在油层中穿行，但随时有可能从下部出层，决定定向增斜钻进。由于定向钻进时托压严重、粘卡，摩阻大，定向增斜十分困难，无法保证井下施工安全。同时，地质捞砂情况显示油砂显示不理想，下部油层变薄变差。综合考虑后，决定继续稳斜探下部地层，争取把下部油层情况和含油性做到详细了解。下探砂层过程中又发现一层油层显示，由于物性显示不理想，稳斜穿出后打足口袋完钻（随钻测井曲线见图3、图4）。 图3 严7平1斜深随钻测井曲线 图4 严7平1垂深随钻测井曲线最终钻遇油层：井段3079.003091.00m，斜长12m，油层垂厚0.83m；井段3131.503157.00m，斜长25.5m，油层垂厚1.33m；井段3185.53191.50m，斜长6m，油层垂厚0.55m。4、结论（1）地质导向钻井技术是当今钻井的一项高新前沿技术，它体现了钻井、测井和油藏工程的结合，对提高勘探开发具有重要意义和作用。地质导向钻井技术具有几何导向无可比拟的技术优势，它将井眼轨迹控制标准由原来几何导向的“工程中靶”上升为“地质中靶”，大大降低了因地质目标不确定性而带来的钻探风险，大幅度提高了复杂油气藏的开发成功率，具有巨大的社会经
