地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)研究與應(yīng)用

魏忠利

摘要：綜合介紹了“地質(zhì)導(dǎo)向鉆井工藝技術(shù)研究”的部分研究成果，并利用初步形成的地質(zhì)導(dǎo)向現(xiàn)場應(yīng)用技術(shù)成功地實(shí)施了地質(zhì)導(dǎo)向鉆井，為薄油層、厚油層頂部剩余油等復(fù)雜油氣藏開發(fā)提供了技術(shù)支撐，研究攻關(guān)階段現(xiàn)場試驗(yàn)的25口井，應(yīng)用效果良好。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)導(dǎo)向；鉆井工藝；LWD；自然伽馬；電阻率；復(fù)雜油氣藏

地質(zhì)導(dǎo)向鉆井（Geo-Steering Drilling）技術(shù)是20世紀(jì)90年代國際鉆井界發(fā)展起來的前沿鉆井技術(shù)之一。它是在世界范圍內(nèi)的勘探開發(fā)面臨復(fù)雜地質(zhì)條件的背景下和隨鉆測(cè)量（MWD-Measurement While Drilling）技術(shù)日趨成熟的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是地質(zhì)信息、隨鉆測(cè)井（LWD-Logging While Drilling）儀器響應(yīng)和用于引導(dǎo)井眼進(jìn)入目的層并保持在目的層內(nèi)的解釋技術(shù)的綜合[1]。世界上先進(jìn)的地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用了近鉆頭傳感器，可以測(cè)量距鉆頭1～2m范圍內(nèi)的井斜角、方位角、地層電阻率、伽馬射線和轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，通過無線傳輸系統(tǒng)（電磁波）把這些數(shù)據(jù)從鉆頭附近傳到MWD系統(tǒng)。這樣可以更好地引導(dǎo)鉆頭穿過薄層和復(fù)雜地層，利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)直接進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向鉆井，而不是按預(yù)先設(shè)計(jì)的井眼軌道鉆井。該系統(tǒng)集井眼軌跡測(cè)量控制技術(shù)和隨鉆測(cè)井技術(shù)為一體，相當(dāng)于在鉆頭上開了一個(gè)“窗口”，現(xiàn)場地質(zhì)師和定向工程師根據(jù)儀器反映的所鉆地層巖性及其孔隙流體的客觀情況，能夠及時(shí)“看到”所鉆井眼的井身軌跡、地層巖性及其孔隙流體物性，并以此來設(shè)計(jì)和控制井眼軌跡的走向，及時(shí)調(diào)整和修改原鉆井設(shè)計(jì)，使鉆頭能夠安全有效地沿著油層目標(biāo)鉆進(jìn)。油田存在著大量自然形成的復(fù)雜斷塊油藏、隱蔽油藏、薄油藏和老油田長期開采剩余的邊底水構(gòu)造油藏等復(fù)雜油氣藏，作為技術(shù)支撐的地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)為開發(fā)這類油藏提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障。

1 地質(zhì)導(dǎo)向鉆井工藝技術(shù)研究

國外經(jīng)過近十年的發(fā)展，地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)已經(jīng)成熟，具有先進(jìn)而完善的地質(zhì)導(dǎo)向硬件工具和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)，但由于技術(shù)壟斷，我們不可能從他們那里得到地質(zhì)導(dǎo)向鉆井核心技術(shù)。為了在現(xiàn)有儀器基礎(chǔ)上有效地實(shí)施地質(zhì)導(dǎo)向鉆井，進(jìn)一步提高井眼軌跡在油層中的有效穿透率和油氣采收率，彌補(bǔ)國內(nèi)地質(zhì)導(dǎo)向工具測(cè)量傳感器距離鉆頭較遠(yuǎn)、應(yīng)用軟件系統(tǒng)存在空白等實(shí)際差距，依托中石化集團(tuán)公司項(xiàng)目“地質(zhì)導(dǎo)向鉆井工藝技術(shù)研究”開展了地質(zhì)導(dǎo)向鉆井工藝技術(shù)系列研究工作。在研究內(nèi)容上，該項(xiàng)目主要圍繞以下四個(gè)方面進(jìn)行了深入研究。

2.1 水平井地質(zhì)導(dǎo)向測(cè)量參數(shù)隨鉆解釋系統(tǒng)研究

在文獻(xiàn)調(diào)研和方法研究基礎(chǔ)上，結(jié)合LWD儀器在油田的實(shí)際應(yīng)用情況，以帶自然伽瑪和電阻率兩道參數(shù)的LWD系統(tǒng)為依托，以實(shí)時(shí)地質(zhì)參數(shù)為研究對(duì)象，以地質(zhì)測(cè)量參數(shù)實(shí)時(shí)解釋為研究目標(biāo)，研制成功了水平井地質(zhì)導(dǎo)向測(cè)量參數(shù)隨鉆解釋系統(tǒng)。通過開展隨鉆測(cè)井資料標(biāo)準(zhǔn)化和斜井校正方法研究，實(shí)現(xiàn)了LWD曲線與直井曲線的對(duì)比分析；利用隨鉆測(cè)井資料與相鄰井對(duì)應(yīng)層位測(cè)井曲線上具有相似性為基礎(chǔ)的相關(guān)對(duì)比技術(shù)，從方差分析和極值分析的角度出發(fā)，采用一種直觀實(shí)用的適合于對(duì)稱型和非對(duì)稱型兩類曲線分層的數(shù)理統(tǒng)計(jì)法-極值方差聚類分層法，完成了在鉆井的儲(chǔ)層自動(dòng)劃分以及與鄰井層位的對(duì)比連線；根據(jù)目前隨鉆測(cè)井資料不全的實(shí)際情況，綜合利用在鉆井自然伽瑪、電阻率和鄰井資料，建立了無孔隙度測(cè)井資料條件下的孔隙度解釋模型，在很大程度上彌補(bǔ)了無孔隙度測(cè)井資料的缺陷，從而實(shí)現(xiàn)本井鉆遇地層孔隙度、滲透率、飽和度等儲(chǔ)層參數(shù)的計(jì)算和儲(chǔ)層評(píng)價(jià)及流體性質(zhì)判別，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了隨鉆測(cè)井資料的實(shí)時(shí)解釋。

應(yīng)用結(jié)果表明，水平井地質(zhì)導(dǎo)向測(cè)量參數(shù)隨鉆解釋系統(tǒng)能夠較好地指導(dǎo)油氣藏評(píng)價(jià)和水平井地質(zhì)導(dǎo)向鉆井施工，并取得了良好的地質(zhì)效果和經(jīng)濟(jì)效益，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

2.2 基于地質(zhì)導(dǎo)向的水平井待鉆井眼軌道校正設(shè)計(jì)研究

基于地質(zhì)導(dǎo)向的水平井待鉆井眼軌道校正設(shè)計(jì)是地質(zhì)導(dǎo)向鉆井工藝技術(shù)的重要內(nèi)容之一。通過開展地質(zhì)靶點(diǎn)不確定條件下中靶優(yōu)化設(shè)計(jì)研究、基于油藏可視化的水平井靶區(qū)軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)研究、水平井待鉆井眼軌道校正設(shè)計(jì)研究和摩阻扭矩預(yù)測(cè)分析研究等一系列的研究工作，提出了一套準(zhǔn)確而實(shí)用的中靶優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和基于油藏可視化的軌道設(shè)計(jì)方法，開發(fā)出了相應(yīng)的理論模型和計(jì)算模塊，解決了基于地質(zhì)導(dǎo)向的水平井待鉆井眼軌道校正設(shè)計(jì)問題。同時(shí)，對(duì)待鉆軌道設(shè)計(jì)和靶區(qū)軌道設(shè)計(jì)的各種情況進(jìn)行了分析，將任意情況下的軌道設(shè)計(jì)分解為8個(gè)基本計(jì)算模塊，通過調(diào)用某個(gè)計(jì)算模塊或某些計(jì)算模塊的組合可以完成任意待鉆軌道和靶區(qū)軌道設(shè)計(jì)。

建立了油層垂深不確定條件下以“油層穿透率最高” 為目標(biāo)的地質(zhì)導(dǎo)向水平井中靶優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，開發(fā)出了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，有利于提高靶區(qū)水平段油層穿透率；建立了地質(zhì)導(dǎo)向水平井軌道參數(shù)優(yōu)選模型，使得設(shè)計(jì)軌道具有最大的適應(yīng)油層垂深不確定性的能力； 提出了彈性桿撓曲線法設(shè)計(jì)多目標(biāo)靶區(qū)軌道的新概念和彈性桿撓曲線法靶區(qū)軌道設(shè)計(jì)方法，建立了理論計(jì)算模型，開發(fā)了相應(yīng)的計(jì)算模塊，并與其他方法一起形成了完整的多目標(biāo)井靶區(qū)軌道設(shè)計(jì)方法； 針對(duì)水平井矢量靶的特點(diǎn)，建立了水平井待鉆井眼軌道校正設(shè)計(jì)理論模型，開發(fā)了相應(yīng)的設(shè)計(jì)模塊，解決了水平井待鉆井眼軌道校正設(shè)計(jì)中的矢量中靶問題； 改進(jìn)并完善了摩阻扭矩計(jì)算理論模型，開發(fā)了管柱在井眼中的摩阻扭矩分析計(jì)算模塊。

2.3 地質(zhì)導(dǎo)向鉆井隨鉆預(yù)測(cè)理論與方法研究

目前我國通常應(yīng)用的地質(zhì)導(dǎo)向儀器的測(cè)量傳感器距離鉆頭普遍較遠(yuǎn)（約為8～20m），一般情況下電阻率距離鉆頭最近，伽馬次之，井眼姿態(tài)測(cè)量傳感器距離鉆頭最遠(yuǎn)，這就嚴(yán)重制約了鉆頭處工程和地質(zhì)參數(shù)的準(zhǔn)確獲取，也不利于井眼軌跡在油層中的有效穿行。地質(zhì)導(dǎo)向鉆井隨鉆預(yù)測(cè)理論與方法研究就是為有效解決上述問題而開展的，并重點(diǎn)對(duì)井眼軌跡參數(shù)隨鉆估計(jì)和預(yù)測(cè)、導(dǎo)向標(biāo)志層隨鉆預(yù)測(cè)、目標(biāo)層隨鉆預(yù)測(cè)、地質(zhì)導(dǎo)向鉆井隨鉆預(yù)測(cè)軟件進(jìn)行了研究。通過開展基于地質(zhì)導(dǎo)向鉆井的測(cè)量盲區(qū)井眼軌跡參數(shù)隨鉆估計(jì)和井眼軌跡預(yù)測(cè)方法研究，分別提出了基于Kalman濾波的井眼軌跡參數(shù)實(shí)時(shí)估計(jì)和預(yù)測(cè)新方法以及基于支撐向量機(jī)統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論的井眼軌跡預(yù)測(cè)新方法。實(shí)踐表明，軌跡預(yù)測(cè)新方法不僅提高了BHA測(cè)量盲區(qū)的軌跡預(yù)測(cè)精度，還可以進(jìn)一步預(yù)測(cè)待鉆井眼軌跡，具有良好的應(yīng)用前景。地層可鉆性級(jí)數(shù)（Kd）反應(yīng)了鉆頭所在地層的巖性，在鉆井的過程中通過獲取Kd參數(shù)，可以實(shí)時(shí)判別鉆頭是否鉆遇蓋層或是否穿出目標(biāo)層。通過研究地層可鉆性隨鉆估計(jì)問題，提出了基于遺傳算法的地層可鉆性級(jí)數(shù)估計(jì)理論與方法，以便利用地層可鉆性作為判斷鉆頭是否在目標(biāo)層鉆進(jìn)的依據(jù)。

在薄油層或有復(fù)雜褶皺、斷層的油藏中，如何確定目標(biāo)層的位置、走向和厚度是地質(zhì)導(dǎo)向鉆井急需解決的一個(gè)關(guān)鍵問題。利用Bayes估計(jì)理論對(duì)地質(zhì)導(dǎo)向鉆井三維地層建模和隨鉆實(shí)時(shí)修正方法進(jìn)行了深入研究，提出了基于Bayes估計(jì)理論的三維地層建模和隨鉆實(shí)時(shí)修正方法，并利用模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。提出了基于小波變換和沃爾什變換的測(cè)井曲線分層新方法。

2.4 基于地質(zhì)導(dǎo)向的井眼軌道設(shè)計(jì)與井眼軌跡控制軟件研制

在常規(guī)水平井井眼軌道設(shè)計(jì)和井眼軌跡控制軟件基礎(chǔ)上，通過集成和銜接相關(guān)功能性模塊，編制出了基于地質(zhì)導(dǎo)向的水平井井眼軌道設(shè)計(jì)和井眼軌跡控制程序，構(gòu)建出了地質(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)平臺(tái)。該平臺(tái)除具有水平井井眼軌道設(shè)計(jì)和井眼軌跡控制程序的全部功能外，增加了基于地質(zhì)導(dǎo)向鉆井的現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)資源共享和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)決策、LWD曲線實(shí)時(shí)顯示、地質(zhì)導(dǎo)向測(cè)量參數(shù)隨鉆解釋、待鉆井眼軌道校正設(shè)計(jì)及地質(zhì)導(dǎo)向鉆井三維可視化等多個(gè)功能性實(shí)用控件，能夠把鉆井現(xiàn)場數(shù)據(jù)及時(shí)傳送到基地服務(wù)器及各相關(guān)終端上，并將后續(xù)作業(yè)指令實(shí)時(shí)返回到系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)資源共享和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)決策、隨鉆解釋、真三維顯示等功能，承擔(dān)著地質(zhì)導(dǎo)向鉆井軟件平臺(tái)的作用。

2.5 地質(zhì)導(dǎo)向鉆井工藝技術(shù)研究

以地質(zhì)導(dǎo)向測(cè)量工具為依托，以地質(zhì)導(dǎo)向隨鉆解釋和地質(zhì)－鉆井一體化設(shè)計(jì)和施工軟件為手段，開展了鉆具組合優(yōu)化設(shè)計(jì)、鉆井參數(shù)優(yōu)選技術(shù)、隨鉆跟蹤地質(zhì)目標(biāo)的井眼軌跡預(yù)測(cè)和控制技術(shù)等地質(zhì)導(dǎo)向鉆井工藝研究工作，形成了具有特色的地質(zhì)導(dǎo)向鉆井工藝配套技術(shù)。

實(shí)踐表明，自行研制的帶兩道地質(zhì)參數(shù)的地質(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)與具有勝利特色的地質(zhì)導(dǎo)向鉆井工藝配套技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，成功地實(shí)施了地質(zhì)導(dǎo)向鉆井，為薄油層、厚油層頂部剩余油等復(fù)雜油氣藏開發(fā)提供了技術(shù)支撐，應(yīng)用效果良好。

參考文獻(xiàn)

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