LWD發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢展望

梁永恒　李武生　王雲(yún)

摘要：在對隨鉆測井進行分析的基礎上，詳細闡述了隨鉆測井技術的發(fā)展過程，重點介紹了HL-MWD+伽馬和FEWD隨鉆地質評價測井技術的應用現(xiàn)狀，簡單介紹了貝克休斯AutoTrak旋轉導向鉆井系統(tǒng)，對于今后可能形成的技術發(fā)展趨勢進行了預測，認為旋轉地質導向鉆井技術將成為中長期發(fā)展方向，加大國內(nèi)旋轉導向研發(fā)力度，培養(yǎng)技術人才，縮小與國外技術差距，才能立于競爭制高點。

關鍵詞：LWDHL-MWD+伽馬;FEWD;旋轉導向發(fā)展現(xiàn)狀;技術展望

1 隨鉆測井發(fā)展關鍵階段

1.1 隨鉆測井簡介

隨鉆測井英文簡稱LWD（logging while drilling），是在隨鉆測量基礎上發(fā)展起來的一種功能更齊全、結構更復雜的隨鉆測量系統(tǒng)，主要是在常規(guī)基礎上增加電阻率、孔隙度、中子、密度和聲波等測量短節(jié)，用以獲取測井信息。與隨鉆測量系統(tǒng)相比，傳輸?shù)男畔⒏啵捎镁麓鎯Γㄆ疸@后回放）和部分信息實時上傳方式處理所需測井信息，無導向決策功能。

1.2 隨鉆測井技術發(fā)展階段

1.2.1隨鉆測井技術發(fā)展早期

第一個隨鉆測井的專利是在1929年由Jakosky提出的，用的就是鉆井液脈沖遙測系統(tǒng)。1940年David G.Hawthon和John E.owen公布第一條隨鉆電阻率曲線，此時的隨鉆測量方法主要有兩種，一是利用測量電極和導電鉆桿絕緣，測量井底電極附近的地層電阻率;二是信息傳輸，在鉆桿中埋電纜。但由于在鉆桿和鉆桿連接部位很難保證絕緣，以上方法均告失敗。20世紀40年代和50年代隨鉆測井進展緩慢，僅有的幾個專利文獻表明，研究單位和個人繼續(xù)致力于實時、可靠的隨鉆測井系統(tǒng)研究，注意力從地面設備和井下設備的硬聯(lián)結轉向用電磁波或無線電波通過地層傳輸?shù)降孛婊蚴怯寐曅盘柾ㄟ^地層或鉆桿傳輸信息。遺憾的是，傳輸技術發(fā)展緩慢，難以有實質性的突破。1950年J.J.Arps發(fā)明正向泥漿脈沖系統(tǒng)，1960年利用正向泥漿脈沖的機械測斜儀出現(xiàn)，并應用至今;1964年第一個機械脈沖遙測系統(tǒng)研究成功。60年代前蘇聯(lián)出版的專著也對鉆井液信道的傳播特性、脈沖發(fā)生器、接收器以及地面信號處理裝置作了系統(tǒng)的理論分析。20世紀60、70年代，盡管隨鉆測井系統(tǒng)設計理論上是可行的，但由于工藝原因仍然達不到商用水平。

1.2.2隨鉆測井技術誕生階段

第一支可靠的商用隨鉆測井儀器是Teleco公司于1978年推出的，采用鉆井液壓力脈沖傳輸測量數(shù)據(jù);1980年又推出了能進行自然伽馬和短電位電阻率測量的隨鉆測井儀;至此，用于地層評價的隨鉆測井儀器問世。由于鉆井液信道傳輸方式在可靠性和經(jīng)濟性方面都優(yōu)于其他傳輸方式，在傳輸速率上也能滿足傳輸測井參數(shù)和鉆井參數(shù)的需要，于是在二十世紀80、90年代眾多公司相繼投入隨鉆測井儀器的研究和開發(fā)，鉆井液信道的隨鉆測井系統(tǒng)主宰了整個隨鉆測井市場。

1.2.3隨鉆測井技術快速發(fā)展階段

1984年隨鉆電磁波電阻率測井儀器上市，1987年補償中子和密度測井也相繼引入隨鉆測量，1993年斯倫貝謝公司推出第一代集地層評價和地質導向為一體的地質導向系統(tǒng)，1994年斯倫貝謝和哈里伯頓公司相繼研發(fā)成功隨鉆聲波測井，90年代后期斯倫貝謝公司開發(fā)成功電阻率和密度測井的隨鉆成像測井，Path Finder公司成功地試驗了隨鉆地層測試器。90年代哈里伯頓公司先后收購了長于核磁測井的NUMAR公司和長于隨鉆測量的SPERRY-SUN公司，這兩家公司通過合作，于2001年開發(fā)成功隨鉆核磁共振成像測井儀。

2 現(xiàn)階段LWD技術使用現(xiàn)狀

2.1 LWD使用現(xiàn)狀

LWD技術從最初的鉆井液脈沖遙測系統(tǒng)發(fā)展至今，已經(jīng)走過了將近百年的光輝歲月。在這近百年的發(fā)展過程中，隨鉆測井技術不斷發(fā)展進步，如今司鉆已經(jīng)能用實時方位測量，并結合井眼成像、地層傾角和密度數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)目標位置，并且已擁有了裸眼井電纜測井所擁有的各種測井方法，在石油勘探開發(fā)中的作用也日益明顯。

2.2 HL-MWD+伽馬隨鉆測井技術使用現(xiàn)狀

HL-MWD是由北京海藍科技科技開發(fā)有限責任公司開發(fā)的一種可打撈式的正脈沖無線隨鉆測斜儀，具有設計巧妙、組裝靈活、使用方便、易于維修的優(yōu)點，能夠實時提供井斜、方位、工具面、溫度等參數(shù)。在HL-MWD測量工具串基礎上加入無線隨鉆側斜器配套的地層巖性測量功能單元伽馬探管。伽馬探管由伽馬探頭和電子組件組成，伽馬探頭主要由耐高溫、高抗振型 NaI晶體和耐高溫、高抗振光電倍增管等組成。當?shù)貙又械姆派湫院怂兀ㄖ饕校衡?、釷、鉀）發(fā)生核衰變時，放射出伽馬射線，部分的伽馬射線被伽馬探頭探測到并轉化為電脈沖信號，由電子組件進行測量和處理即得到地層的自然伽馬放射性強度。根據(jù)地球物理、地球化學以及巖層沉集、油氣運移、儲積與巖層的相關性等理論，結合其他測井參數(shù)來推出被測巖層的巖性及油氣田儲藏情況。其測量數(shù)據(jù)可以通過泥漿脈沖調制后實時的傳輸?shù)降孛?，并可同時進行井下測量數(shù)據(jù)存儲，使鉆井工程師和地質工程師只通過伽馬數(shù)值實時、有效的了解鉆遇地層的巖性變化，及時調整鉆井參數(shù)（鉆具、鉆壓、鉆速、泥漿參數(shù)等）。這種隨鉆測井方式使用成本低廉，實現(xiàn)了快速鉆井，提高了采收率，鉆井成本較低，在長慶、山西等地得到了規(guī)范的應用，經(jīng)濟效益明顯，但是其只能通過伽馬測量參數(shù)預告地層巖性變化情況，無法區(qū)分油水界面或其他液相界面，無法進行地層物性的初步地質評價，特別是在薄油層中精確導向井眼軌跡穿行于儲層中有利于產(chǎn)油的最佳位置。

2.3 FEWD使用現(xiàn)狀

FEWD（Formation Evaluation While Drilling）是美國哈利伯頓公司生產(chǎn)的一種無線隨鉆地質評價儀器，它可以在鉆進作業(yè)進行的同時，隨鉆實時錄取地質參數(shù)，繪制出各種類型的測井曲線，作為地質分析的依據(jù)，從而幫助現(xiàn)場人員隨時監(jiān)控地質參數(shù)的變化，對地層做出準確的判斷，從而實現(xiàn)隨鉆地質導向，精確地控制井眼軌跡穿行于儲層中有利于產(chǎn)油的最佳位置，有效地回避油/氣和油/水界面回避風險，從而顯著地提高鉆井效率，整體上提高油田的勘探開發(fā)效果。

2.3.1 FEWD組成及作用^[1]

FEWD由測井傳感器、定向工程參數(shù)傳感器、鉆具振動傳感器等部分組成，可以實時獲得地層自然伽馬、電阻率、補償中子孔隙度、巖石密度四道地質參數(shù)和井斜角、方位角、磁 / 高邊工具面角等工程參數(shù)，同時儀器自動記錄井下鉆具的振動情況，當井下鉆具的振動超過允許的范圍時，井下儀器優(yōu)先將該鉆具劇烈振動的信息傳遞至地面，以警示施工人員采取措施減振、預防井下復雜情況或井下事故的發(fā)生。

使用FEWD具有如下優(yōu)勢：①實時獲得真實的地質參數(shù);②利用測井參數(shù)實現(xiàn)地質導向;③風險回避;④提高勘探開發(fā)效率。

2.3.2 FEWD功能簡介

FEWD的主要作用有：①隨鉆測井提供油藏地質實時地質參數(shù)、巖性變化情況及隨鉆測井圖;②利用 FEWD 測井確定標志層垂深、準確的劃分地層界面、確定標志層深度位置;③利用 FEWD 曲線劃分地層、確定巖性界面、預測實鉆軌跡距離油頂?shù)木嚯x，預測井眼軌跡在油層中行進情況，實時指導鉆井施工;④利用實時隨鉆測井曲線指導精確入靶，精細控制軌跡在油層內(nèi)穿行;⑤分辨地層，確定地層巖性、泥砂/砂泥巖含量評價;⑥分辨油、氣、水層以及油/氣、油/水界面，判斷油氣的運移;⑦分辯薄油氣層，有效開發(fā)地下油氣資源。

2.3.3 FEWD主要應用領域

FEWD地質導向鉆井技術是一種綜合性的鉆井技術，實際施工過程中用以解決以下問題：①隨鉆測井：隨鉆獲取實時地質參數(shù)，可準確確定目的層的垂深，取消中途測試和部分完井電測內(nèi)容，縮短鉆井、完井周期;②地層預測：在造斜段通過隨鉆測井方式進行地層對比測試，確定實鉆軌跡地層的變化，使實鉆軌跡及時、準確進入目的層;③軌跡預測：在軌跡進入設計目的層前，通過隨鉆地質參數(shù)超前效應，確定軌跡的著陸點，找到著陸點后再控制軌跡進入目的層;④軌跡適時優(yōu)化與調整：在目的層中鉆進時，及時預測鉆頭與儲層間的位置關系，通過對鉆壓、井斜角、方位角等鉆井參數(shù)的調整，實現(xiàn)水平段軌跡的高精度控制，使軌跡在目的層內(nèi)的最佳部位穿行，提高油層的穿透率;⑤井下鉆具狀態(tài)監(jiān)測：根據(jù)井下振動傳感器采集的數(shù)據(jù)，采取措施減振，嚴防井下復雜情況或井下事故的發(fā)生。

2.3.4 FEWD應用現(xiàn)狀

FEWD地質導向鉆井技術的攻關和推廣應用過程，應用領域不斷擴展，服務地區(qū)不斷擴大，目前在以下七種難動用油氣藏鉆探開發(fā)方面取得良好效果：①薄層油藏;②斷塊復雜地層油藏;③邊/底水油藏;④邊遠油藏;⑤超稠、特稠油油藏;⑥低滲透油藏;⑦碳酸鹽巖地層油氣藏。FEWD在伊拉克哈法亞項目水平井施工服務過程中發(fā)揮了很重要的作用，工程師依據(jù)伽馬判斷巖性變化準確無誤，依據(jù)深淺電阻率值，結合伽馬值確定儲層位置，實現(xiàn)了水平段軌跡的精準控制，但同時我們也看到，由于哈法亞項目的特殊性，井下事故頻發(fā)，地層復雜，井漏、井壁垮塌等極易發(fā)生，托壓現(xiàn)象嚴重，定向施工難度大，這就使得入井FEWD儀器滅失風險很大，在與斯倫貝謝旋轉導向鉆井工具施工競爭過程中劣勢明顯。

3 旋轉導向閉環(huán)鉆井系統(tǒng)

傳統(tǒng)隨鉆測井技術采用的滑動導向系統(tǒng)，在鉆長水平段水平井時，由于上部鉆柱不旋轉，會引起摩阻和扭矩過大、方位漂移失控、井眼軌跡不平滑等問題。計算和實踐均證明，水平井的水平段極限延伸能力受到了限制。而旋轉導向隨鉆測控技術，能有效地解決上述難題。旋轉導向隨鉆測井系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)隨鉆測井系統(tǒng)的單向通訊模式，實現(xiàn)了可在地面實時發(fā)送指令，保證了地面與井下工具的有效通訊。該系統(tǒng)也可實時測量近鉆頭井斜、旋轉方位，實時計算井底軌跡，并含有多種智能化鉆進模式，大幅提高控制軌跡的精準性。由于全井段旋轉鉆進，因此可以減小鉆具磨阻扭矩，降低施工風險，平滑井眼，最大限度延長水平位移。

3.1 貝克休斯AutoTrak介紹^[2]

貝克休斯AutoTrak 系統(tǒng)是一套集鉆進和隨鉆測量為一體的隨鉆測井系統(tǒng)，含有多種自動化旋轉鉆進模式、三參數(shù)全系列隨鉆測井儀器、實時成像、近鉆頭測量、上下傳輸閉環(huán)通訊系統(tǒng)、大功率井下發(fā)電機、高速脈沖器等多項先進技術，可實現(xiàn)旋轉鉆進中改變井眼軌跡和全系列測井。AutoTrak 系統(tǒng)主要由旋轉導向頭短節(jié)、ONTRAK 測量短節(jié)、BCPM通訊供電短節(jié)和SDN放射性測量短節(jié)4部分組成。它測量參數(shù)齊全，不僅有工程數(shù)據(jù)、地面數(shù)據(jù)、鉆井安全指標數(shù)據(jù)，還有地質導向和測井評價所需的各種數(shù)據(jù)，如當量循環(huán)密度、伽馬成像、電磁波電阻率、超聲波井徑、補償中子及密度成像等。

對于水平段地質導向來講，隨鉆測量儀器離鉆頭越近越好，其成像探邊功能也會大大提高地質導向的效果。AutoTrak 有可實時測量近鉆頭井斜、旋轉方位的功能，可以幫助工程人員精準掌握工具在地層中的位置，更好地控制實鉆軌跡。

4 LWD技術發(fā)展趨勢

隨著油氣勘探開發(fā)進入后期，現(xiàn)有的油氣藏勘探開發(fā)需要借助長水平段水平井、大位移井等復雜結構井，旋轉導向鉆井系統(tǒng)是各種高難度井和特殊油藏鉆井工藝的技術支撐。隨著深井、超深井、特殊工藝井、高溫高壓井的數(shù)量和比例逐漸增多，旋轉導向系統(tǒng)須在技術上不斷突破，以適應日益復雜的鉆井環(huán)境。目前旋轉導向系統(tǒng)在耐高溫高壓性能、無線信息傳輸方式、與馬達結合以及與套管/尾管鉆井相結合方面取得了進步。

國內(nèi)旋轉導向鉆井技術與國外差距較大，實際應用中的導向鉆井技術幾乎仍是采用滑動導向鉆井技術，而旋轉導向鉆井技術仍處于試驗研究階段。國外在幾何軌跡旋轉導向方面已經(jīng)趨于成熟，正在逐步發(fā)展以旋轉導向鉆井工具為核心的地質導向鉆井技術，國內(nèi)在這方面還須加大投入，借鑒國外先進技術經(jīng)驗，充分利用國內(nèi)相關行業(yè)先進技術，追趕世界先進水平。

5結論

（1）LWD技術的發(fā)展史就是一部石油工業(yè)的發(fā)展史、變革史。只有不斷創(chuàng)新、加大獨立自主的產(chǎn)品研發(fā)力度、逐步淘汰落后單一技術，形成一套多學科一體化技術才能解決日益復雜的油氣開發(fā)需求，密切跟蹤國外旋轉導向發(fā)展技術，對測控、接口方面的核心技術進行重點攻關，爭取早日實現(xiàn)旋轉導向鉆井的大規(guī)模應用。

（2）FEWD地質導向鉆井技術應用領域不斷擴展，服務地區(qū)不斷擴大，在國內(nèi)薄層油藏、斷塊油氣藏開發(fā)中將繼續(xù)發(fā)揮主要作用。

（3）貝克休斯AutoTrak 旋轉導向閉環(huán)鉆井系統(tǒng)技術先進、測量參數(shù)齊全，迅速掌握這種先進技術，才能占據(jù)競爭的制高點。

參考文獻：

[1] 劉玉榜，劉華，賀昌華等.FEWD地質導向鉆井技術及其應用[J].鉆采工藝，2016，29（3）：102.

[2] 王忠良，李金剛，黃川等.旋轉導向隨鉆測控技術[J].測控園地，2016，04： 48.