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水平井开发超薄油藏技术的应用 论文作者：燕金华( 机械设计及理论) 指导教师：刘猛教授 贺昌华高级工程师 摘要 超薄油层是指油层厚度小于2 0 m 的油层，它可分为自然形成的超 薄油藏和老油田长期开采剩余的边底水构造油藏，如塔里木哈得逊油田 哈得1 区块石炭系中泥岩段的薄砂层油藏和胜利油田桩1 区块、临2 区 块的边底水构造油藏。由于这类油藏油层较薄，同时埋藏深度较深或地 质复杂，利用普通直井开采，难以获得经济效益，几乎没有开采价值， 利用水平井、采用新技术开采这类油藏，则可获得较大的经济回报，水 平井开发超薄油藏是一项新的钻井技术。本文结合h d l 一l 井的开发施 工，对水平井开发超薄油藏的可行性和经济性进行了探讨和研究。 本文首先介绍、对比了水平井技术在国内、外各大油田的应用情况， 简要地说明了水平井技术的特点，相关理论知识及水平井的发展趋势。 指出水平井技术在超薄油藏开发中的地位，具有不可替代性。接着对国 内、外水平井开采超薄油藏在当代所采用的先进技术地质导向、无线随 钻等进行阐述，本文通过塔里木油田h d l 一l 井的设计与施工实践，介 绍了利用阶梯式水平井技术开采超薄油藏的设计、施工、井眼轨迹控制 技术及f e w d ( 地质参数评价系统) 测量技术。并对采用f e w d 技术开 发超薄油藏的水平井在技术、效益上进行分析，结果说明水平井采用先 进的f e w d 技术开发超薄油藏，能够获得巨大的经济效益和社会效益， 具有较大的发展潜力，是值得在国内大力推广的一项新技术。 关键词：超薄油藏，开发，水平井，跚卜l 井，推广应用 t h e a p p l i c a t i o no f t h eh o r i z o n t a lw e l lt e c h n o l o g yi n u l t r at h i no i lr e s e r v o i r y a nj i n - h u a ( m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db y ：p r o f e s s o rl i um e n g a d v a n c e de n g i n e e rh ec h a n g - h u a a b s t r a c t t h eu l t r at h i no i lr e s e r v o i rr e f e r st ot h er e s e r v o i rt h i c k n e s sl e s st h a n2 0 m e t e r sr e s e r v o i r ，w h i c hc a l lb ed i v i d e di n t ot h eu l t r at h i no i lr e s e r v o i rb y n a t u r ea n dt h em a r 西nw a t e rc o n s t r u c t i o no i ld e p o s i tf o r m e db yt h el o n g - t e r m e x p l o i t a t i o no fs o m eo l do i lf i e l d s t h ef a c to f t h et h i n n e ro i ld e p o s i t sl a y e r a n dt h ed e e p e rc o n c e a l e d ，c o m p l i c a t e dt o p o g r a p h ym a k e si td i f f i c u l tf o ru st o o b t a i ne c o n o m i cb e n e f i t si fw eu s et h et e c h n o l o g yo fo r d i n a r ys t r a i g h to i l w e l lt oe x p l o i tt h i sk i n do ff i e l d ；w h e r e a s ，i fw ea d o p tt h et e c h n o l o g yo ft h e h o r i z o n t a lo i lw e l lt oe x p l o i tt h i sk i n do fo i lf i e l d w ec a no b t a i ng r e a t e r e c o n o m i cb e n e f i t s c o m b i n i n gt h ee x p l o i t a t i o no f h d l - io i lw e l l ，t h i sp a p e r e x p l o r e st h ef e a s i b i l i t ya n de c o n o m i co fu s i n gt h eh o r i z o n t a l o i lw e l lt o e x p l o r et h eu l t r at h i no i lr e s e r v o i n f i r s t ，t h i sp a p e ri l l u s t r a t e s t h ec h a r a c t e r i s t i c s ，r e l e v a n tt h e o r e t i c a l k n o w l e d g ea n dt h et r e n d so f t h et e c h n o l o g yo f t h eh o r i z o n t a lo i lw e l lb r i e f l y b yi n t r o d u c i n ga n dc o m r a s f i n gt h ea p p l i c a t i o no ft h et e c h n o l o g yo ft h e h o r i z o n t a lo i lw e l li nm a j o ro i lf i e l d sa th o m ea n da b r o a d t h e n t h i sp a p e r p o i n t so u tt h ei n d i s p e n s a b l eo ft h et e c h n o l o g yo ft h eh o r i z o n t a lo i lw e l li n e x p l o r i n gt h eu l t r at h i no i lr e s e r v o i r s e c o n d ，t h i sp a p e re x p a n d s t h ea d v a n c e d i “ t e c h n o l o g yg e o l o g i c a lo r i e n t a t i o na n dw i r e l e s sd r i l l i n go ne x p l o i t i n gt h eu l t r a t h i no i lr e s e r v o i rb yt h em e a n so ft h et e c h n o l o g yo ft h eh o r i z o n t a lo i lw e l l a n d ，t h ed e s i g n ，c o n s t r u c t i o n ，b o r e h o l et r a j e c t o r yc o n t r o lt e c h n o l o g ya n d f e w d ( g e o l o g i c a lp a r a m e t e r sw i r e l e s sm e a s u r e m e n ts y s t e mw i t hd r i l l i n g ) o ft h el a d d e rl e v e lw e l l sa l ei n t r o d u c e db ya n a l y z i n gt r i mo i l f i e l dh d i - 1 w e l l s d e s i g na n dc o n s t r u c t i o np r a c t i c e a tl a s t ，t h i sp a p e rc o n c l u d e st h a t u s i n g t h e a d v a n c e d t e c h n o l o g y o f f e w d t oe x p l o i t t h e u l t r a t h i n o i lr e s e r v o i r c a l lb r i n g su se n o r r l o u se c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s ，i ti san e wt e c h n o l o g y c o m m a n d i n gt op o p u l a r i z ew i t hag r e a t e rp o t e n t i a i k e yw o r d s ：e x t r at h i no i lr e s e r v o i r , d e v e l o p m e n t , h o r i z o n t a lw e l lt e c h n o l o g y , w e l lh d l 1 ，p o p u l a r i z a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得石油 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 签名：加舞月磐日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 “杲密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 盘坌笠 丞! ! 羔 加舞f 月毋日 厕年r 月d 日 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 第l 章前言 1 1 课题研究的目的和意义 石油和天然气在能源结构中占有相当重要的地位，石油是现代工业 的“血液”，我国陆上油气资源经过长期、大规模开采之后石油资源富 集区数量已有限，国产石油供应能力越来越弱。当前，我国石油进口依 赖度为3 5 ，到2 0 2 0 年，将增至6 0 ，这表明，我国的石油资源形势非 常严峻，这将严重影响我国经济的发展。而超薄油藏在我国分布广，总 体含油量非常可观，这对于我国相对资源不足、开发日趋紧张的、不可 再生的油气资源来讲，如何高效、成功开发这一资源，是摆在我们面前 必须考虑的能源问题，也是我国经济发展的战略问题，有效开发超薄油 藏势在必行。 钻井是地下油气资源勘探开发工程中的基本环节之一，当前，国际 石油钻井技术发展的总趋势是以信息化、智能化、自动化为特点，向自 动化钻井阶段发展。国际钻井界自2 0 世纪8 0 年代以来，在随钻测量和 随钻地层评价技术、实时钻井数据采集、处理与应用技术、复杂结构井 的产业化技术、闭环旋转导向钻井技术以及自动化钻机( 样机) 的研制、 海洋钻井技术等方面不断取得突破性进展【“。这些都是为了最终实现自 动化钻井，本世纪全球钻井技术将会有重大进展。发展钻井科技，我们 应坚持有所为有所不为，选准内容制定规划，针对不同油藏，采用不同 的开采手段，降低钻井成本，减少钻井污染，对于地下油气资源的高效 勘探与开发具有十分重要的战略意义。对于超薄油藏，根据其特点，我 们只有选择水平井技术对其开发，才有经济效益。 本课题研究的目的和意义就是通过对正在服役的水平井钻井平台的 现场测试，采集数据并对其进行分析，深入了解油藏油层的分布规律、 确定油藏的开发方式，提出一套有效的可行性方案，为老油田的调整和 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第l 章前言 其他类似油田的开发提供依据：以确认超薄油藏水平井的开发在技术上 具有可行性，能够取得巨大的社会、经济效益，具备在我国有推广应用 的价值。 超薄油藏的开发，需要极高的技术，如何控制井眼轨迹在漳油层中 水平钻进，是水平井h d l l 开发是否成功的关键。如何精确的获得油层 信息，准确的控制或改变井眼轨迹，这得借助当今的高科技。实践证明， 具有地质导向功能的无线随钻测井技术特别适合于斜度井，尤其适用于 水平井。随着地质勘探目标的更加精细，特别是水平井对地下靶心的准 确定位，对井眼轨迹的确定提出了更高的要求。井眼轨迹的确定包含井 眼轨迹的测斜、测斜数据的处理工作两部分【2 1 。井眼轨迹的测斜，现在 是由无线随钻测井系统来获得的；井眼轨迹计算就是测斜数据的处理。 两者相辅相成。精确定位，以确保井眼轨迹在油层内水平行进。 1 2 水平井地质导向系统 钻井时经常发生钻头偏离设计钻井轨迹的现象，有时是井眼轨迹设 计有误差，导致钻井偏靶事件的发生，在钻井施工中也出现过没有钻遇 地质目标层以及钻井取心时由于深度误差造成取心错误的情况。这些问 题不论是由什么原因引起的，在钻井过程中进行实时监控、及时修改钻 井设计轨迹或钻井设计方案是很必要的。正确评价地层，准确地确定井 眼轨迹，必须选择合适的钻井跟踪手段，提高中靶成功率。传统技术无 法解决这类问题，具有地质导向功能的测井技术使得井眼轨迹控制成为 可能1 3 j 。 1 2 1 随钻测并 在钻井过程中同时进行的测井称之为随钻测井。是测井技术与钻井 技术相结合的一种新技术，是在录井、电缆测井、定向钻井技术的基础 上开发出的高新技术，是迈向自动化、智能化钻井的重要中间环节和关 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第l 章前言 键技术，突破了录井，测井、定向钻井单项技术的局限性，形成的新技 术体系f 4 1 。 随钻测井操作模式如图l 一1 所示。 舡撒据埘r 媸 存- 储 图1 1 随钻测井操作模式 随钻测井系统( m 帅) 由井下仪器和并场信息系统两大部分组成。 井场信息系统的核心是前导模拟软件。井下仪器提供实时测量数据，前 导模拟软件完成水平井钻井设计、实时解释和现场决策来指导钻井施工， 完成地质导向钻井”1 。随钻测井技术己经形成体系，其结构体系包括传 感器组、微处理器、脉冲器、井下仪器和由实时采集软件、前导模拟软 件组成的井场信息系统。随钻测井系统如图1 2 所示。 图1 2 水平井随钻测井系统 l堑咀降度莲器 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 ( 1 ) 记录方式 随钻测井有2 种记录方式，一是地面记录，即将井下实时测得的数 据信号通过钻井液脉冲传送到地面进行处理记录；二是井下存储，待起 钻时将数据体起出。 在随钻测量仪中有一个十分重要的系统即钻井液脉冲遥测系统，该 系统的作用是把各传感器采集的信号实时传送到地面。目前在随钻测量 系统中主要使用连续钻井液脉冲进行遥测传输，它在井下用一个旋转阀 在钻井液柱中产生连续压力波，这个旋转阀称为解制器。在井下改变波 的相位( 即调频) ，并在地面检测这些相位变化，就可以把信号连续地 传输到地面【6 1 。 ( 2 ) 随钻测井核心技术现状限9 1 0 l 电阻率随钻测井技术 随钻电阻率测量是随钻测并技术的核心之一，是及时评价油气层的 关键技术，技术核心是在钻杆内设置电磁波及自然伽玛能谱仪器。图1 3 是最新的电阻率随钻测井m p r 井下仪。 图1 - 3m p r 技术井下仪 孔陈度及核参数随钻测井技术 用一台仪器同时测量地层密度一中子参数是核参数随钻测井技术的 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章i ! 宣 特点之一。斯伦贝谢公司的a d n ( a z i m u t h a ld e n s i t yn e u t r o nt 0 0 1 ) 是 新一代方位井眼补偿地层密度中子随钻测井技术产品，是在c d n ( c o m p e n s a t e dd e n s i t y - n e u t r o nt 0 0 1 ) 技术基础上发展起来的。 储层监测 储层监测仪r p m ( r e s e r v o i rp e r f o r m a n c em o n i t o r ) 是小井眼多功能 脉冲中子仪器。r p m 同多功能中子测量系统组合，在精度及准确率上达 到业内领先水平。小井眼仪器应用广泛，可以进行储层评价，给出储层 饱和度计算，产出流体监测、产出剖面评价，油井维修及井报废评价， 井眼诊断，寻找漏失的油气层及识别产水层。 声波参数随钻测井技术 声波特性参数测量技术a p x ( a c o u s t i cp r o p e r t i e se x p l o r e r ) 是贝克阿 特拉斯公司最近推出的声波参数随钻测井新技术。在原有仪器的基础上 集成了先进的声波技术，性能得到很大的提高，组合更加灵活，可以满 足用户的各种需要，其结构、工作分别如图1 4 、1 5 所示。 图1 - - 5a p x 仪器工示意图 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前宣 1 2 2 地质导向系统 地质导向系统( g e o s t e e r i n g ，简称g s t ) 是上世纪9 0 年代中期开 发出来的定向钻井新技术，是对石油钻井工业的一次技术革新。地质导 向系统是在m w d ( 随钻随测) 或l w d ( 随钻测井) 技术基础上发展起 来的新装备，是用地质信息、随钻测井仪器响应和引导井眼进入目的层 并保持在目的层内解释技术的综合，也是对石油钻井工业的一次技术革 新【1 1 1 。在海洋石油的定向井、延伸井和水平井钻井工程中，该系统有着 广泛的应用前景，尤其在地质环境复杂、精度要求较高、工程条件较为 恶劣无法进行电测等情况下，更显出其优越性【i2 1 。 地质导向系统钻井技术的特征在于把钻井技术、测并技术及油藏工 程技术融合为一体，形成带有测近钻头地质参数( 伽玛、电阻率) 、近钻 头钻井参数( 井斜角) 及其他辅助参数的短节，用无线信号( 电磁波) 短传方式传至m w d ( 随钻随测) 或l w d ( 随钻测井) ，再传至地面控 制系统；用地面软件系统( 含地层构造模型、参数解释和钻井设计控制) 适时做出解释与决策，实施随钻控制。 世界上先进的地质导向系统已经应用了近钻头传感器，可以测量距 钻头l 2 m 范围内的井斜角、方位角、地层电阻率、伽玛射线和转速等 数据，通过无线传输系统( 电磁波) 把这些数据从钻头附近传到m w d 系统。这样可以更好地引导钻头穿过薄层和复杂地层，利用测井数据直 接进行地质导向钻井，而不是按预先设计的井眼轨迹钻井。该系统集井 眼轨迹测量控制技术和随钻测井技术为一体，相当于在钻头上开了一个 “窗口”，现场地质师和定向工程师根据仪器反映的所钻地层岩性及其孔 隙流体的客观情况，能够及时“看到”所钻井眼的井身轨迹、地层岩性 及其孔隙流体物性，并以此来设计和控制井跟轨迹的走向，及时调整和 修改原钻井设计，使钻头能够安全有效地沿着油层目标钻进。 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 目前国际钻井界对地质导向的定义尚无统一权威性表述，“对它好的 定义是，用地质准则来设计井眼的位置【1 3 1 。”大多认为：“用近钻头地质 测量和随钻控制手段来保证实际井眼穿过储集层并取得最佳位置”来定 义“地质导向”更为明确。采用地质导向钻井技术，能大大提高对地层、 构造、储集层特征的判断和钻头在储集层内轨迹的控制能力，从而提高 油层钻遇率、钻井成功率和采收率，实现增储上产，节约钻井成本，经 济效益非常显著。 地质导向工具在老油田后期开发、提高采收率及油层薄、形状特殊 的难采油藏开采方面具有明显的效果和显著的经济效益。地质导向钻井 技术为开发复杂断块油藏、隐蔽油藏、薄油藏和老油田长期开采剩余的 边底水构造油藏提供了强有力的技术支撑1 4 1 。 ( 1 ) 地质导向钻井系统的结构特征 地质导向钻井系统一般包括：钻头+ 测传马达( 含近钻头测量短节) + 无线短传+ f e w d ( m w d i 肼d ) + 井场信息接收和处理系统。本文以 a n a d r i l l 公司1 9 9 3 年推出的i d e a l 系统( i n t e g r a t e dd r i l l i n ge v a l u a t i o n a n dl o g g i n g ，综合钻井评价和测井系统) 为例，介绍地质导向钻井系统 的结构特，征【1 6 1 。 测传导向马达 这是一种完全仪器化的导向马达( 其壳内装有传感器组件) ，直接与 钻头相连，能测量近钻头处地层电阻率、方位电阻率、自然伽玛以及井 斜和钻头转速等参数。这些参数通过电磁波传送到马达上的m w d 或 l w d ，再由钻井液脉冲传送到地面。借此，司钻和地质家可实时了解钻 头处的岩性变化并检测钻头处的油气显示情况，通过对钻头进行导向， 保证井跟在储集层内延伸，达到增大储集层泄油面积、提高单位进尺的 产量和降低完井成本的目的。 7 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 井场信息系统 井场信息系统是i d e a l 系统的中枢，通过结合所有的地面数据和井 下数据来监测钻井过程。原始数据由解释程序转换成井场决策人员所需 信息，并在高分辨率彩色监控器上以彩图的方式直观显示，使用方便。 ( 2 ) 国外地质导向钻井技术现状及应用效果【1 1 1 6 1 矾。 国外目前仅有s c h l u m b e r g e r ，b a k e rh u g h e s 和s p e r r ys u n 公司拥有 此项技术。s c h l u m b e r g e r 公司推出i d e a l 系统之后，又推出了p o w e r d r i v e 系统；b a k e rh u g h e s 拥有r c l s ( 闭环旋转自动导向) 系统和n a v i g a t o r 系统。s e h l u m b e r g e r 公司地质导向系统见图1 6 。 图1 - - 6s c h l u m b e r g e r 公司地质导向系统 i d e a l 系统已在北海成功钻成几口复杂的水平并。在墨西哥湾的某 油田，钻前8 口井的总日产量仅为1 4 6 8 m 3 ；a n a d r i l l 公司应用地质导 向技术在该油田钻成一口高质量的水平井，日产原油达2 8 5 1m 3 ：使这 一枯竭的油田得以复活。有资料表明，地质导向钻井系统问世后的3 年 中，已被1 3 家公司用于欧洲和非洲6 个国家的近5 0 口井，累计进尺超 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第l 章前言 过3 2 1 8 7 m ，取得了显著技术效果和重大经济效益。 目前，随钻测量工具己完全具备了随钻测井及地质导向的能力，并 使随钻定向测量及测井工具传感器更加接近钻头。国外地质导向钻井技 术的发展趋势是随钻测量仪器的多样化、测量参数向钻头靠近的钻头智 能化、基于地质一钻井可视化的地质建模、实时对比解释和钻井施工过 程的系统化。 ( 3 ) 我国地质导向钻井系统现状和研究进展 由于地质导向钻井系统可根据随钻监测到的地层特性来实时调整和 控制井眼轨道，所以广泛用于水平井( 尤其是薄油层水平井) 、大位移井、 分支井、侧钻井和深探井，是国内十分需要的一项高新技术，为解决我 国钻井在地质导向技术方面对国外的依赖，我国决心研制和开发具有独 立自主知识产权的地质导向钻井系统。 c g d s 1 型地质导向钻井系统 1 2 l 中国石油勘探开发研究院钻井工艺研究所从1 9 9 9 年开始对地质导 向钻井系统技术进行攻关，目标是研制出一套带近钻头传感器( 电阻率、 伽玛、井斜及其它辅助参数) 的地质导向钻井系统c g d s - - l 。c g d s l 型地质导向钻井系统由3 个子系统组成：c g m w d 无线随钻测斜仪、 c a l m s 测传马达、c f d s 地面信息处理与决策软件包。 系统总体设计技术指标如下：井眼直径为2 1 6 2 4 4 m m ，造斜能力 为中、长半径，传输深度大于4 5 0 0 m ，最高工作温度1 2 5 o ，传输速 率5b i t s ，连续工作时间不小于2 0 0 h ，可测近钻头参数：井斜、伽玛、 电阻率。 已完成的c g m w d 仪器系统于2 0 0 3 年l o 月至1 2 月在大港油田和 冀东油田的2 口定向并中进行了实钻试验和应用，试验指标达到设计要 求。冀东油田柳北l 1 9 一1 6 井试验结果如表l 一1 。 9 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 表1 1c g m w d 在柳北l 1 9 一1 6 井的实验结果表 测点井深c g m w d 测量结果 单点测斜结果 ( m ) 井斜( 。) 方位( 。) 温度( ) 井斜( 。)方位( 。) 2 3 2 03 6 21 46 03 6 21 4 2 3 9 03 63 5 0 5 l6 73 63 5 3 2 4 9 23 5 4 3 5 8 5 97 23 7l 2 6 0 21 3 6 3 2 1 87 5i 4 13 5 2 7 5 22 3 72 2 07 82 7 2 2 1 8 注：2 种测斜结果不完全一致的原因与测点井深不完全一致有关 实验结果表明c g m w d 仪器性能稳定可靠，可适应恶劣的工作环 境。在国内首次实现了近钻头地质参数的测量，完整地测到了钻头电阻 率、侧向电阻率、自然伽玛、钻柱内温度和压力等参数，并与完井电测 曲线进行了对比。以电阻率为例，c g m w d 测出的侧向电阻率曲线与完 井电测的侧向电阻率曲线形态吻合很好，但数据更真实。图l 一7 为 c g m w d 随钻测井数据与电缆测井数据的比较。 图l 一7 随钻测井数据与屯缆测井数据的比较。 胜利钻井院地质导向钻井技术 j o 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 胜利钻井院通过近十年的m w d 应用实践，2 0 0 1 年胜利钻井院依托 重大装备国产化研究项目一“m 、i ) 、随钻自然伽玛测量仪国产化研制” 和中石化集团公司项目( 2 0 0 2 年) “随钻感应电阻率测量仪的研制”开 始了m w d l w d 国产化研究工作，并成功地研制出了具有自主知识产权 的新型正脉冲m w d 、随钻自然伽玛测量仪和随钻感应电阻率测量仪， 配套形成了带两道地质参数的纯国产地质导向钻井系统。目前，应用自 行研制的新型正脉冲m w d 和自然伽玛测量系统，配合引进或自行研制 的随钻电阻率测量仪，已经完成了2 5 口薄油层水平井的地质导向钻井现 场试验( 其中利用国产地质导向钻井系统完成5 口井) ，成功地实施了地 质导向钻井，初步形成了地质导向现场应用技术，为薄油层、厚油层顶 部剩余油等复杂油气藏开发提供了技术支撑，应用效果良好。 2 0 0 4 年完成和推出的c g m w d 新型正脉冲测斜仪和胜利钻井院研 制的新型正脉冲m 、d 、随钻自然伽玛测量仪、随钻感应电阻率测量仪 是具有我国独立知识产权的产品，这对于打破国外垄断，满足国内市场 需求。解决生产急需，增强我国钻井在国际市场的竞争能力，有着非凡 的意义。 1 2 3 随钻测井常用工具简介 测量系统主要应用的有电缆测井、m w d l w d 、f e w d 等几种1 1 1 。 电缆测井是1 9 2 7 年s e h l u m b e r g e r 兄弟第一次成功地在法国实施开 始的，是成本最低，最简单的一种测井技术，但能够提供较多的地层评 价数据。在某些场合下，具有不可替代性，是测井系统的基础。 随钻测量( m e a s u r e m e n tw 1 1 i l ed r i l l i n g ，简称m w d ) 该系统可以测量井斜、井斜方位、井下扭矩、钻头承重、自然伽玛、 电阻率等参数。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 m w d 随钻测量系统主要有井斜、井斜方位测量部分、仪器相对方 位测量部分、振动测量部分、钻头承重和扭矩测量部分、温度测量部分、 短电位电阻率仪等组成。 随钻测井系统( l o g g i n gw h i l ed r i l l i n g ，简称l w d ) 在2 0 世纪8 0 年代，在原来随钻测量系统的基础上又增加了补偿双 电阻率测井仪和补偿密度一中子测井仪，由这种仪器组成的系统常被称 为l w d ，是一种无线随钻测井系统，井下工具外径有6 y 2 i n 、8i n 、9 y 2 i n 三种。l w d 随钻测量测得的参数有：自然伽玛能谱、2 m h z 感应电阻率、 岩性密度、中子孔隙度和工具温度等。测得的数据既能井下存储又能实 时传输。 在地质导向钻井中，l w d 可提供实时地质参数，帮助现场人员随时 监控地质参数的变化情况，对将要出现的地层变化做出准确的判断。因 此，在定向井、水平井施工中，采用l w d 配合定向参数测量传感器进 行地质导向，能准确地控制井眼轨迹穿行于储层中有利于产油的最佳位 置，有效回避油气和油水界面的干扰。 ( 至) f e w d - - 地质参数无线随钻测量评价系统 1 9 9 9 年胜利钻井工程技术公司引进了美国h a l l i b u n o ns p e r r y - s u n 的 随钻地层评价仪器( f e w d - - f o r m a t i o ne v a l u a t i o nw h i l ed r i l l i n g ) ，f e w d 是在d w d ( d i r e c t i o n a lw h i l ed r i l l i n g ) 基础上发展起来的一种新型无线 随钻测量系统，它将m w d 和l w d 的功能结合在一起，组成随钻测井系 统，f e w d 系统主要由地面系统和井下仪器两部分组成，除实时测量定 向施工所需要的工程参数外，还可以实时提供井下地质参数1 2 2 1 。 随钻测井技术是在电缆测井技术基础上发展起来的。由于电缆测井 技术在满足对实时信息需要方面存在不足，随钻测井技术的应用市场会 越来越大，技术的发展空间也很大，特殊工艺井将以随钻测井取代电缆 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第l 章前言 测井，以地质导向为核心的钻井技术的应用会越来越多。 1 3f e w d 无线随钻测量系统 f e w d 将地质参数测量传感器与定向工程参数传感器组合在一起， 组成随钻测量测井系统，除实时测量定向施工所需要的工程参数外，还 可以实时提供井下地质参数，是m w d 和啪的发展和结合嘲。 1 3 1f e w d 系统构成 f e w d 系统主要由地面系统和井下仪器两部分组成。 地面系统包括数据处理系统n s i t e 和其它进行数据采集、通讯、传 输的辅助设备。井下仪器由d w d 系统和施工所需要的测量地质参数的传 感器组合而成，地质参数传感器包括定向探管、自然伽玛传感器( d g r ) ， 电阻率传感器( e w r ) 、岩石密度传感器( s l d ) 和中子孔隙度传感器 ( c n m ) 等，此外还有测量钻具振动的传感器( d d s ) 2 4 1 。 与常规m w d 不同，f e w d 需要有自身的深度追踪系统，同时在钻 井施工中以地质导向为主，而不仅仅是进行轨迹的几何导向。此外，所 有测量数据除向地面实时传输外。地质参数可存储在井下仪器内，仪器 出井后再在地面获取更详细的资料，所有实时，存储的数据可根据客户和 施工的需要设置，可实时提供任何形式的测井曲线，完钻后可立即提供 全并的任何形式的铡并曲线。 1 3 2f e w d 系统工作原理 井下各传感器根据设置的内容测量数据，并将数据存储于各自使用 的存储器内。p c d 探管根据设置的内容顺序采集最新的工程、地质数据， 统一编码后由脉冲信号发生器以正脉冲的方式，通过钻柱内的钻井液传 至地面。地面设备对钻井液脉冲检波、编码、处理，最后得到井下传递 上来的数据并向需要该数据的地方发送。仪器出井后，再在地面读取各 传感器的测量数据，经处理后得到详尽的地质数据( 测井曲线) 。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 1 3 3f e w d 传感器介绍 ( 1 ) 自然伽玛传感器( d g r ) d g r 包含有两组伽玛射线探测器，每组由8 根2 2 9 m m 长的盖革米勒 计数管组成，1 6 根计数管在仪器周围均匀排列如图卜一8 所示。 图l 一8 自然伽玛传感器示意图 d g r 测量范围为o 3 8 0 a p i 单位，系统测量误差士5 ，统计精度4 a p i 单位l o o a p i 单位，垂直分辨率2 2 9 m m ，探测深度3 0 0 m m 。 ( 2 ) 电磁波电阻率传感器( e t p h a s e 4 ) e w r - p h a s e 4 采用四相位技术，具有高精度、高灵敏度和高可靠性 的特点。它由四个发射极和两个接收极组成，如图1 9 所示。 图1 9 电磁波电阻率传感器e w 髓i 意图 通过测量每一组发射极和接收极之间的相位差和波幅衰减，可以合 成4 条不同探测深度( 极浅、浅、中深、深) 的电阻率曲线和组合电阻 率曲线测量范围为o 2 0 0 0 8 q m ，系统测量误差士1 1 0 q m ，垂直 1 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 分辨率1 5 3 m i l l ，探测深度7 6 2 m m 。利用自然伽玛和电阻率随钻测井曲线， 可以划分岩性并确定地层界面，进行地层物性的初步评价。而且由于其 探测深度分别为3 0 m m 和7 6 2 m m ，故水平井钻进时，根据曲线变化可以 预测地层变化，实现地质导向钻进。事实证明，这一特性对指导水平段 的井眼轨迹控制具有重要的意义。 ( 3 ) 岩石密度传感器( s l d ) s l d 利用铯1 3 7 作为放射源，主要用于测量地层密度和光电指数，同 时和其它参数一道，分辨油、气、水层。 ( 4 ) 中子孔隙度传感器( c n m ) c n o 用镅- 铍中子源作为放射源，主要用于测量地层的中子孔隙度， 同时和其它参数一道，分辨油、气、水层。 1 3 4f e w d 主要功能 ( 1 ) 实时获得真实的地质参数，可对所钻地层进行实时评价。 ( 2 ) 提高勘探开发效率。 ( 3 ) 降低开发风险和施工风险。 ( 4 ) 取消中途对比测试和部分完井电测内容，节省开发投资。 1 3 5 仪器组合的选择 在利用f e w d 配合水平井钻井技术开发复杂乘4 余油藏时，根据地层 性质和钻井施工的要求，f e w d 通常采用两种组合，即包括伽玛、电阻 率、密度、孔隙度四种地质参数的仪器组合和只包括伽玛、电阻率两种 地质参数的仪器组合。 1 3 6f e w d 测井的优点 1 9 9 9 年，胜利油田从美国引进具有世界先进水平的f e w d ，主要用 于难动用储量的开发。f e w d 具有有效识别地层的优点，解决了油层薄 中靶困难和如何保证井眼轨迹在油层内的最佳位置穿行等难题，提高了 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第l 章前言 水平段在油层的穿透率。使难动用储量油藏得以有效开发，取得了可观 的经济效益，也推动了常规水平井钻井技术的进一步发展，与其它测井 技术比较，具有以下优点： ( 1 ) f e w d 地质参数传感器的测量精度高，达到了电缆测井仪器测量 精度水平。 ( 2 ) f e w d 能预测钻头与储层问的位置关系，优化轨迹控制。 f e w d 的电阻率传感器的探测半径为0 7 6 m ，在井斜角接近9 0 。时， 电阻率传感器可以相对钻头提前探测到下部流体性质。可以通过计算， 确定钻头与储层问的位置关系，优化轨迹的控制。计算公式为：预测距 离= 仪器探测深度预测轨迹与地层夹角的正切测点到钻头的距离。图 1 - - 1 0 为计算示意图。 测点到钻头的距离 图1 一l o 预测距离计算示意图 在图1 1 0 中，当e 、r 测量数据发生明显的变化时，预示地层或流 体性质将要改变，通过上述计算方法，可以计算出钻头钻遇其它岩性或 其它流体所需的准确距离，确定钻头与储层问的位置关系，据此可以优 化轨迹控制、有效避开其它岩层或流体，提高油层的穿透率。 ( 3 ) f e w d 无线随钻测井能实现地质导向，精确控制轨迹0 4 1 。 在水平段钻进过程中，当井眼轨迹接近上部或下部泥岩时，电阻率 和自然伽玛禊4 并曲线会发生特征反应，由此可以分析井眼轨迹所处位置 的油藏物性。现场施工的实践表明，塔里木薄油藏中，当伽玛读数为7 0 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 8 0 a p i 单位时，油藏物性最好；当伽玛读数为9 0 a p i 单位时，说明井眼轨 迹接近油藏界面；而伽玛读数大于1 2 0 a p i 单位时，表明井眼轨迹正在脱 离油藏。利用这一点，可以准确确定井眼轨迹在油藏中的位置，提前预 报油藏界面的出现，将井眼轨迹控制在目的层中油藏物性最好的位置。 ( 4 ) f e w d 无线随钻测井可以进行地层的评价，测量数据更加真实、可 靠。 经过多次对比测试，证明了f e w d 的测井数据与常规电缆测井数据 能完全吻合，而且由于其深度控制以钻具为主，测量过程中的深度误差 完全可以避免。同时，测量数据都是在地层刚被打开、没有受到流体污 染前获取的，因此其测量数据更加真实、可靠。图1 一1 1 为f e w d 随钻 测井数据图。 图1 1 1f e w d 随钻测井数据图 ( 5 ) f e w d 无线随钻测井可根据施工要求灵活多变 f e w d 通常有两种组合，可根据地质要求选用不同的组合，以满足 施工的要求。在超薄油藏的开发过程中，f e w d 常采用自然伽玛和电磁 1 7 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第l 章前言 波电阻率2 道参数的仪器组合。 ( 6 ) 当发生意外时，如遇到超压层钻井，不能正常进行电缆测井，使用 无线随钻测量，不致于失去所钻井的信息。 衡量薄油藏开发井是否成功的标准，是看能否将井眼轨迹准确、有 效地控制在油层内穿行。这不仅要求井眼轨迹准确命中a 点，而且要求 入a 点时的井眼轨迹保持理想的姿态，即严格控制入a 点的垂深、井 斜角和方位角，使井眼轨迹进入a 点后，有效地穿越油层。因此，在钻 井过程中准确地预告油层，帮助现场工程师准确地作出判断，及时调整 井眼轨迹，是施工中需要解决的关键技术环节。 由于f e w d 地质参数可准确预报储层的位置，及时调整井眼轨迹精 确命中目的层，并控制轨迹在储层中穿行。特殊工艺井对于地质状况复 杂、埋藏深度较深的超薄油层应选用造价相对高但功能多、具有多种仪 器组合、测量多种参数的f e w d ；对于地质状况不复杂的工艺井钻井可 选用造价相对低、功能相对少的m w d 或l w d 。 在超薄油藏的开发中为了获得最佳的开发效果，要求必须准确确定 油层位置，控制水平段轨迹处于油层中的最佳位置，运用具有地质导向 功能的地层参数评价系统f e w d ，可以准确得获得地层信息，这为水平 井井眼轨迹的设计、轨迹控制、轨迹调整有着重要的作用。近几年来， f e w d 在胜利油田水平井技术中得到广泛应用。 1 4 水平井井眼轨迹控制 在钻井过程中，由于各种因素的影响，实钻轨迹往往偏离设计的井 眼轨迹，该偏离为既有距离又有方向的空间几何偏离，将其定义为偏差 矢量。偏差矢量的方向就是导向工具控制合力( 偏置方向) 或工具面的 方向。因此，通过计算实钻轨迹与设计轨迹的偏差矢量，并在综合考虑 偏差大小、方向、轨迹控制所要求的造斜率和导向钻井工具的造斜能力 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第l 章前言 的前提下，给出导向钻井系统轨迹控制指令，即导向力的方向和大小。 井下旋转导向工具根据控制指令改变工具面位置和造斜率，使实钻轨迹 尽量向设计轨迹靠近。控制过程是一个使偏差矢量逐步减小的过程。当 偏差矢量值小于工程允许偏差( 轨迹控制的允许圆柱半径) 时，可以认 为实钻轨迹与设计轨迹基本一致，以当前的井底位置继续沿设计轨迹的 路径钻进而不会脱靶1 2 5 - 2 9 1 。 如下图i 1 2 所示，实现轨迹控制的方式主要有以下2 种： 图1 1 2 钻井系统井目艮轨迹控制方式 井下闭环控制( 图中虚线环1 所示) 。 具有井下一地面双向通信系统的大闭环控制或地面监控系统控制 ( 图中实线环2 所示) 。 对于前者，测量系统对检测出的轨迹参数( 包括实钻轨迹的井斜角、 方位角、工具面角、井斜变化率、方位变化率) 与预置在井下微电脑的 给定值进行比较，得出相应的控制指令，并将指令传给控制系统以操纵 井下调制式旋转导向工具( 井下执行机构) ，达到轨迹控制的目的。对于 后者，测试系统将被控制量以脉冲信号方式直接传输到地面，地面采集 1 9 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第l 章前言 单元将脉冲信号转化为电信号并进行解码，以获得被控制量的参数，再 将此参数传至地面监控中心进行计算机分析处理，形成控制指令，然后 将控制指令下传给控制系统来操纵调制式旋转导向工具，实现对轨迹的 控制。 控制井眼轨迹的过程是依托闭环信息系统，并基于随钻测量计算实 时偏差矢量。当偏差矢量的值小于控制圆柱半径时，按照设计轨迹的趋 势给出控制指令：当偏差矢量的值大于控制圆柱半径但小于工具的最大 纠偏能力时，按偏差矢量法产生控制指令，使实钻轨迹尽量靠近设计轨 迹。当偏差矢量的值大于工具的纠偏能力时，就必须采用调整井底钻具 组合乃至更换井下工具，增大纠偏能力：或根据当前点和指定目标点设 计出新的修正轨迹，并在后续钻进时按照新设计的修正井身轨迹进行控 制。轨迹控制原理如图l 1 3 所示。 x