地質(zhì)導向鉆井技術(shù)研究與應用

魏忠利

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

關(guān)鍵詞：地質(zhì)導向；鉆井工藝；LWD；自然伽馬；電阻率；復雜油氣藏

地質(zhì)導向鉆井（Geo-Steering Drilling）技術(shù)是20世紀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)面臨復雜地質(zhì)條件的背景下和隨鉆測量（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、隨鉆測井（LWD-Logging While Drilling）儀器響應和用于引導井眼進入目的層并保持在目的層內(nèi)的解釋技術(shù)的綜合[1]。世界上先進的地質(zhì)導向系統(tǒng)已經(jīng)應用了近鉆頭傳感器，可以測量距鉆頭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鉆頭穿過薄層和復雜地層，利用測井數(shù)據(jù)直接進行地質(zhì)導向鉆井，而不是按預先設計的井眼軌道鉆井。該系統(tǒng)集井眼軌跡測量控制技術(shù)和隨鉆測井技術(shù)為一體，相當于在鉆頭上開了一個“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“看到”所鉆井眼的井身軌跡、地層巖性及其孔隙流體物性，并以此來設計和控制井眼軌跡的走向，及時調(diào)整和修改原鉆井設計，使鉆頭能夠安全有效地沿著油層目標鉆進。油田存在著大量自然形成的復雜斷塊油藏、隱蔽油藏、薄油藏和老油田長期開采剩余的邊底水構(gòu)造油藏等復雜油氣藏，作為技術(shù)支撐的地質(zhì)導向鉆井技術(shù)為開發(fā)這類油藏提供了強有力的技術(shù)保障。

1 地質(zhì)導向鉆井工藝技術(shù)研究

國外經(jīng)過近十年的發(fā)展，地質(zhì)導向鉆井技術(shù)已經(jīng)成熟，具有先進而完善的地質(zhì)導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)導向應用軟件系統(tǒng)，但由于技術(shù)壟斷，我們不可能從他們那里得到地質(zhì)導向鉆井核心技術(shù)。為了在現(xiàn)有儀器基礎(chǔ)上有效地實施地質(zhì)導向鉆井，進一步提高井眼軌跡在油層中的有效穿透率和油氣采收率，彌補國內(nèi)地質(zhì)導向工具測量傳感器距離鉆頭較遠、應用軟件系統(tǒng)存在空白等實際差距，依托中石化集團公司項目“地質(zhì)導向鉆井工藝技術(shù)研究”開展了地質(zhì)導向鉆井工藝技術(shù)系列研究工作。在研究內(nèi)容上，該項目主要圍繞以下四個方面進行了深入研究。

2.1 水平井地質(zhì)導向測量參數(shù)隨鉆解釋系統(tǒng)研究

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

應用結(jié)果表明，水平井地質(zhì)導向測量參數(shù)隨鉆解釋系統(tǒng)能夠較好地指導油氣藏評價和水平井地質(zhì)導向鉆井施工，并取得了良好的地質(zhì)效果和經(jīng)濟效益，具有較高的推廣應用價值。

2.2 基于地質(zhì)導向的水平井待鉆井眼軌道校正設計研究

基于地質(zhì)導向的水平井待鉆井眼軌道校正設計是地質(zhì)導向鉆井工藝技術(shù)的重要內(nèi)容之一。通過開展地質(zhì)靶點不確定條件下中靶優(yōu)化設計研究、基于油藏可視化的水平井靶區(qū)軌道優(yōu)化設計研究、水平井待鉆井眼軌道校正設計研究和摩阻扭矩預測分析研究等一系列的研究工作，提出了一套準確而實用的中靶優(yōu)化設計方法和基于油藏可視化的軌道設計方法，開發(fā)出了相應的理論模型和計算模塊，解決了基于地質(zhì)導向的水平井待鉆井眼軌道校正設計問題。同時，對待鉆軌道設計和靶區(qū)軌道設計的各種情況進行了分析，將任意情況下的軌道設計分解為8個基本計算模塊，通過調(diào)用某個計算模塊或某些計算模塊的組合可以完成任意待鉆軌道和靶區(qū)軌道設計。

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

2.3 地質(zhì)導向鉆井隨鉆預測理論與方法研究

目前我國通常應用的地質(zhì)導向儀器的測量傳感器距離鉆頭普遍較遠（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)測量傳感器距離鉆頭最遠，這就嚴重制約了鉆頭處工程和地質(zhì)參數(shù)的準確獲取，也不利于井眼軌跡在油層中的有效穿行。地質(zhì)導向鉆井隨鉆預測理論與方法研究就是為有效解決上述問題而開展的，并重點對井眼軌跡參數(shù)隨鉆估計和預測、導向標志層隨鉆預測、目標層隨鉆預測、地質(zhì)導向鉆井隨鉆預測軟件進行了研究。通過開展基于地質(zhì)導向鉆井的測量盲區(qū)井眼軌跡參數(shù)隨鉆估計和井眼軌跡預測方法研究，分別提出了基于Kalman濾波的井眼軌跡參數(shù)實時估計和預測新方法以及基于支撐向量機統(tǒng)計學習理論的井眼軌跡預測新方法。實踐表明，軌跡預測新方法不僅提高了BHA測量盲區(qū)的軌跡預測精度，還可以進一步預測待鉆井眼軌跡，具有良好的應用前景。地層可鉆性級數(shù)（Kd）反應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)，可以實時判別鉆頭是否鉆遇蓋層或是否穿出目標層。通過研究地層可鉆性隨鉆估計問題，提出了基于遺傳算法的地層可鉆性級數(shù)估計理論與方法，以便利用地層可鉆性作為判斷鉆頭是否在目標層鉆進的依據(jù)。

在薄油層或有復雜褶皺、斷層的油藏中，如何確定目標層的位置、走向和厚度是地質(zhì)導向鉆井急需解決的一個關(guān)鍵問題。利用Bayes估計理論對地質(zhì)導向鉆井三維地層建模和隨鉆實時修正方法進行了深入研究，提出了基于Bayes估計理論的三維地層建模和隨鉆實時修正方法，并利用模擬數(shù)據(jù)進行了驗證。提出了基于小波變換和沃爾什變換的測井曲線分層新方法。

2.4 基于地質(zhì)導向的井眼軌道設計與井眼軌跡控制軟件研制

在常規(guī)水平井井眼軌道設計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)導向的水平井井眼軌道設計和井眼軌跡控制程序，構(gòu)建出了地質(zhì)導向鉆井系統(tǒng)平臺。該平臺除具有水平井井眼軌道設計和井眼軌跡控制程序的全部功能外，增加了基于地質(zhì)導向鉆井的現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)資源共享和遠程實時決策、LWD曲線實時顯示、地質(zhì)導向測量參數(shù)隨鉆解釋、待鉆井眼軌道校正設計及地質(zhì)導向鉆井三維可視化等多個功能性實用控件，能夠把鉆井現(xiàn)場數(shù)據(jù)及時傳送到基地服務器及各相關(guān)終端上，并將后續(xù)作業(yè)指令實時返回到系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)資源共享和遠程實時決策、隨鉆解釋、真三維顯示等功能，承擔著地質(zhì)導向鉆井軟件平臺的作用。

2.5 地質(zhì)導向鉆井工藝技術(shù)研究

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

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

參考文獻

[1]江國法譯 地質(zhì)導向[J]．測井技術(shù)信息.2000,13（1）：14～23.

[2]王同良 國外水平井大位移井鉆井技術(shù)新進展[J]．世界石油工業(yè).1997,1（1）：37～41.

[3]林廣輝 地質(zhì)導向系統(tǒng)的研究與應用[J]．中國海上油氣（工程）.2000,12（5）：39～47.