地质导向技术的应用原则.pdf

4 2 测井与射轧 1 9 9 9年 第 3期 地 质导 向技 术的应 用原则 n 1 洲L c f 旦 审 校 r 中油技术鞋舞有限责任公司 e D 擒要车文对地质导向技术组成 井下仪器组成 现场开发背景 目前所面临的挑战和现场 使用 风 险及 应 用原 则进 行 了教 为详 细的探 讨 和 总结 并 运用 实恻 加 以说 明 对 MWD LWD现 场操 作 使用 资 料解 释及 随钻 测井 技 术研 究开发 具 有很 好 的参考 价值 主题词 些 重量 堕 堕翌 唑 开发 背景 应用 原 则 资斟 解 释 地质导 向技术简介 脊 懈督 j 钻 水平井是 为 了解 决 已开发或正 在开 发 油气 田的大 规模生 产问题 如水 锥 气 锥 由致 密 地层 或完井困难 造成 的产量过 小及 由孤立 产层引起 的低回报 问题 其优点主要 在于水 平层段 能精确 定位 于 目的层 中 水平 井钻井要求 井身轨迹 误差小 澳 l 量传感器 的精确度高 使靶 区可 依据随钻测量的地质信息来确定 地质导向技术是解决上述问题的最佳途径 它运用地质标准 对井 身进 行交互 式的轨迹 设计 由以下几部分组 成 可靠 的仪 表化导 向马达 先进 的岩石 物理 学 测量 测井 数据模拟 近钻 头传感器及借 助于三维地 震资料处理的油藏详绘 图 该技术是智 能化 自动化钻 井 系统的重要组 成部 分 是 以随钻测 井及其资料解释为核心 钻大斜度 井 水平 井 的系统 工程 由于 新 的随钻测 井系统中传感器采集和相关计算 产生了大量 数据和控 翩参 数 经营 者就能根 据服务 公司提供 的技术 方面 的建 议 对这些 数据和 参数进 行实 时判断分析 和决 策 这些决策对项 目的纯利润具有重要影响 团队人员必须相互之间依靠彼此的专业技能 搞 清 地质导 向的总 目标 要做 到这点 将 来 自不同专业技术人 员的数据进行综合 而形 成三维可 视 化地 质构造图和钻进轨 迹至关重要 应 用于地质 导 向 的典 型 LWD 仪 的 BHA 井底 钻具 组 合 与大 斜度 井 的 中 长 曲率 半 径 B HA配 置非常相似 主要 的区别 在于导 向马达 内嵌有数 据传输部 分 可将 测量数据 传送 到上 部的 MWD系统 其扶正器指示表和钻铤长度要调整到与底部马达上套筒扶正器的指示表相 吻合 使在旋转钻进时能获得自然流畅的井身轨迹 由于近钻头传感器和数据传输部分镶嵌在 钻头 马达和钻铤上 使随钻测井与钻井密不可分 极大地增加 了定向井钻井对测井的依赖程 度 引发了钻井技术革命 地质导向时充分利用地震数据 油藏描述 测井 随钻测井 录井等信 息知识 属 石油勘探 开发 领域 的高新技术 具有 鲜明的知识经济时代特 征 国内首次 引进 的随 钻测井设备 P a t h f i n d e r 与 S l i m1 分别在塔中 4 0 4 大庆古平 1 井圆满完成随钻测井任务 本文 联 系实际工作经验 及相关实例讨论地 质导向的动因和应用原则 收墙 日期 t 1 9 9 9 一 O 3 2 6 维普资讯 第 3期 地质 导 向技 术的应用原 则 4 3 目前地质导向技术面 的挑战及现场开发背景 钻大斜度井 水平井时对未知或意料外情况的定量化是很困难的 这也是地质导向技术所 面 临的挑 战和该技术得 以开发 的井场背景 实际工作时 即使对所有资料进行 了面 面俱 到的分 析 得到较理 想的构造 解释和井 身轨 迹设计 也还要 给一些 意外情况 留有余地 处理 这些风 险 的办法是搞 清风险 的来源并 制定应急计划 要达到 地质 导 向项 目的 目标一般情况 下存在四个 方 面 的挑 战 即风 险源或不确定性 即构造 地层 数据解释 钻井及导向 四个方 面 对 意外 事 件 的评估和 实时处理 是地质导 向技术得 以不断发展 的基础和推动力 地质导 向技术是 目前解 决 这些 问题 的晟佳途径 地质构 造方面的不确定性 是地质导向钻井中遇到 的最大问题 约有 4 0 的地质导向项目因为构造解释方面存在大 的变 化而不 得不 侧钻或重新考虑 整个 项 目 这是本文之所 以强调 地质导 向的关键就是 不断进 行 好构造解 释的原因 对预料 外地质 情况 的分析能 显示将要发生事情 的一些征兆 对变化 着 的岩石物理学 线索进行连续分析能对 钻井深度缓冲垫进行估计 缓冲垫是指现场钻井 人 员能 预 测沿 目前 的钻 井轨迹继续钻进 风 险最 小 的距离 这个数字 一般约 为 2 0 0 I t 当发现预计岁 卜 的测量数据 时 缓 冲垫 就可 能降到 3 0 f t 或一个单根 长 以下 现场 人员就应把它做 为一个地 质 意 外情况 的警示 此时要考虑 马上改变井 身轨迹 并且要通知所有 有关瑰场 人 员 做好 包括 方 位 测试在 内的所有 测量工作 以最大 限度 降低在 事故处理过程中时 间 资金 的花费 提 高效率 地层方面的 不确定性 是 由于 油藏 或 目的层在沉积相或 沉积 环境方面可能发生预计外 的变 化 处理这种情况 的 方法与处理构造方面的思路相同 但由于起因不同 处理方法上应与地层类型相符合 钻井上 采取的方法也与处理构造方面情况时不同 不同构造表现出的不同特点可用于地质导 向决策 比如 如果 砂层尖灭且知道它 的立体形状 比较狭细 一般 就会决定 向下钻进 到更纯 的高能量沉 积环 境部 分 但 如果该砂岩 只是条状 就可能决定钻 头向上 调头钻进 资料解释方面的 不确定性 钻井方面的 轨迹方面的和岩石物理学的测量资料是地质导向要用到的三种资料 而地质 导 向眼务 要 明确 的两个 问题 是 井身在三 维空 间的位置和井身周 围的环境 深度控制 的不确定 能影响井身物理位置 所以一般地质导向服务都要求提供精确的深度控制 但邻井深度是一 个大问题 如邻井深度测量的质量及测量距现在的时间间隔等都很容易导致 T VD 真实垂直 深度 上存 在约 1 5 f t 的不确 定性 如 果是 投产多年的油藏 更 会增 加这 种不确定性 深度 问题 能 明显导 致构造 对 比的不一 致 突出的例子就是 地层倾角 的计算要 随不同原 因 引起的位置偏 移变 化而变化 地质导 向服务 之前 解决 深度问题的最好办 法是 调查邻井深度控制的质量 岩 石物理 学资料对 比时通 常存在 的 问题 是不 同类 的仪器 或不 同类 的传 感器 所测 的资料 进行对 比 MWD L WD通常都有几种不同的电阻率测量仪器 它们之间要互相对比 还要与电缆测 井的资料 进行 对比 在大 斜度 井 水平 井时还 要受各 向异性 或不 同程度侵 入效应等的综合效应 影 响 前导 模拟能 帮助减少因这些原 因而 引起的混乱 但 各向异性 只有 在地层被钻过才能知 道其大小 这些 导致 地质模型 的明显错误 钻井和导向方面的不确定性 维普资讯 4 4 洲井与射孔 1 9 9 9鼻 一 般说来 地质导向能使造斜率接预计的进行 它比旋转钻井更易控制 但在岩性发生变 化时造 斟率就可 能发 生意外变化 对特 定的导 向系统监控和更 新地层数据库是 定向井服务 的 内容之 一 其 中要用到多种预 测的算法 以降低不确定性 预 测旋转钻 进轨迹 比预 测滑动钻进轨 迹要 难得 多 因此水 平段地 质导 向时最好 的办法就 是设计 出能在旋转 钻进 时有 自然流 畅井身 轨迹的 B HA 当改变井身轨迹时 通常曲率范围在 4 8 1 0 0 f t 时就采用滑动钻进方式 地质 导 向的另一重要难题是 钻井时失去 滑动钻进 的能力 滑动钻进时钻柱稳定 不动 只使 用马达按 给 定的角度钻进并 控制井身轨迹 在水平段钻进 时很 有可能丧失这种能力 特别是在 水 平段 超过 2 0 0 0 f t 时 总水平位穆超过 9 0 0 0 t 时 水平位移与 T V D的比值大于 3 时 当然这些 情况也与钻井环境 钻遇岩性及在软砂泥岩环境中好的钻井经验有关 钮矩 拖曳力 变曲效应 等 的计算 要在 钻井轨迹设 计 阶段及 采集 了测斜等数 据后的钻 井期 间进 行 这样便 于根据 造斜 率或 狗腿 弯度效应 定量计算 出应传送到钻头上钻 压 的大小 井底测量的钻压和钮矩 用于计算 钻具与井身间的摩阻系数 在导 向或滑动钻进能力丧失之前 拖曳力摩阻系数呈加速增长的趋 势 虽然在水平 段狗腿弯度维 持在一定范 围内是必要的 但 它不 是丧 失滑动钻进能力 的主要原 因 水平 段的关 键是张力 剖面 大于 9 0 的长 上举段 能增加钻柱长度 的 压缩程度 钻柱上 举 比 狗腿 弯度更 能增加 丧失滑动钻进能力 的可能性 现场应用原则 地质导向的人员配置与工作流程 大斜度井 水平井对所涉及的每一学科都提 出了新的要求 钻井工程师不得不处理变化 与钻井设计相比 的靶区 三维井身轨迹 搞清适合岩石物理学靶区要求的地质解释 地质师 和地球物理学家必须了解钻井技术 以便能对井身准确定位 并充分了解钻此类井的复杂性 岩石物理学家必须了解新的测量方法在直井和大斜度井仪器响应的不同 理想的团组由服务 公 司 中油公 司 的不 同学 科技术 人 员组成 钻 井工 程师 地质师 地 球物理 学家 油藏 完井工程 师 MWD I L WD专家 测井工程师 定向井工程师及地质导向调度 员 这些成员的协调合作使 优化靶 区选择成为 现实 从根本上 讲地质导 向属多学 科交 叉技 术 地 质导 向开始时要设计 出明 确的钻井目标 此时在不同专家之 间建立密切的通讯联系是很重要的 需要时要根据对不确定 地质情况的一些初步评价进行局部钻井 目标修正 钻前 工作组要确定每步应完成的任务和专 家之 间的通讯对象 通常面临的各种工作 由谁来做都很明确 一般都是一个人要执行几项任 务 在地质导向服务的各个步骤所需要的专业人员是不同的 但这些人一般都有很强的地质 学 岩石物理学及在整个过程中所使用工具方面的知识 地质导向的成功实施紧紧依靠各专家 提供信息的数量和质量 队长要对专家们交换的各种不同建议 或数据 进行综合处理 优选井 身位置 归纳 出 自己的决定 保证钻井的及时性 经济性和 各 目标的实现 地质导向是交互式靶 区选 择和轨迹设计 的互 相关 联过程 这些 过程 的每一 细节 的复 杂性 都显著增加 如通常包 含多 个靶 区的井身轨迹设计 使用的是复杂的三维设计方法 所有这 些要求必须在靶 区 井身设 计和 完井设计中有机地体现出来 整体方案合作必须在接到钻井任务时就开始 以利于进行全井设 计工作 搞 l 地质拘造 地质构造 的详细分析 是 由综合 应用地震 邻井测井 对 比资 料和其 他一 些岩 石物理学 资料 维普资讯 第 3期 地 质 导 向技 术 的 应 用 原 则 4 5 而得 出的 地震 资料可显示大规横的地 质特 征 t 地层倾角 断层 侧 向延伸和不整合 对地下地 质特征 的不确定性 也要 进行 评价 不确定性 的性 质和大小 由所用地质构造 横型的数据类型 数 据密度和 所用构造 横型的可靠程度来决定 上述研 究结果使构造识别 的分辨率达到 2 5 5 0 t 因为一般情 况水平井 的靶区极小 要求 有较 高的分辨率 这就要 综合利用地球 物理和岩 心数据 井结合地 震资料来 完成 小规模 的地质特征如薄层 泥岩夹层和 砂岩质量 的变 化现 在都可 以分 辨 地 层倾角计 算的准 确率 也在提高 使小规横地质特征的空 间分布 的不确定性 在不断降低 这些 小规 横地质 体能引 起地质上 意外情 况的发生 而导致 漏掉 产 层 如一个 2 f t 的泥岩 薄层对 于直井 来说不 算什 么 但 当钻 一个 8 i n平行岩层 的井眼时它就变成无 穷大 钻井时搞清 这些 小规模地 质情况 的三维分布可 以大大降低地 质上 意外情 况的发生 并增加 钻穿产层的 比例 详 细油 藏分布 图的建 立可决定流体 界面 压力区间和空 间立体变化等油 藏参 数 这些研 究的精确 性使 之可用于有效确 定井身轨迹在油层 中的位置 综 合上述资料及 各种 不确 定性 和局限性就 能生成 定 向井的井身轨迹 各种消耗 利润分析可优化靶 区选择和钻井设 计 搞清和使 用岩 石物理学资料 钻水 平 井时有许多实时测量 数据可 用来进行地 层评价 每一个测量 数据都有其特定作用 在 墨西哥 湾 自然伽马 密度 中子测量在油层 中一般变化率很小 在这里 主要 是区分产层中的 水 层 这些情况 下 电阻率测量 极为重要 而在 白垩 层伽 马数据用来识别裂 键 在碳酸盐岩地层 电阻 率值 通常很高 伽马响 应漂 移不 定 密度 测量 由于孔 隙度低而 精确度下 降 因此 中子数据 就成 为最好 的选 择 另外 的 因素如井筒条件 钻机时间限制 B HA 设计 的局限性 流速要求等 在选 择测 量方 式时要考虑其相应 限制 最终对每种测量 的评价要 基于其在 地质导 向时的作用 地 质导 向时岩 石物理学数据 主要 用于确 定构造 地层评价是第二 位的 项 目的成功依赖于能否 实时地将 井轨 迹放 在 目的层 中 在钻头处或近钻头测量 及方位角 传感 器对 地质导 向很关 键 地 质导 向时可得 到高质量测井数 据 而水平井的 电缆测 井和钻柱 测井耗 费很 大 地质评价必须有 预 见性 过 分依赖实 时测量数 据的地层评价会对地质导 向的顺 利进行 造成 一定 障碍 任何 一个 地层评价都必须尽量与其相应的构造解释联 系起来 岩石物理性质变化是岩性或流体边界的 标志 在 项 目设计初期就应将这些 信息转化到地质构造方面 如果 不能 将岩 石物理数据变化 转化成相 应的构造信 息 将导致地质导 向的失败 识别 地层边界 地 层厚 度大 于 5 f t时 感 应 电阻 率测 井 I n d u c t i o n Re s i s t i v i t y 时的极 化角 可 用于识 别地 层边 界 互层和薄 层的极化角很难 用于地层 真实电阻 率的计算 图 l所示 为 2 MHz感应 电阻 率和 电子电阻率 E l e c t r i c Re s i s t i v i t y 对互层 的响应 从 图中可看 出薄层的真实电阻率值被极 化角掩盖了 层厚低于 5 f t 且电阻率值小于围岩时只用感应电阻率是分辨不出来的 而电子电 阻率在互 层和薄层 中非常适用于检 测地 层边 界 感应 电阻率仪器 测量与 仪器 相垂直方 向地层 的电阻率 这些仪器有不同的探测深度 可允许检测与井身相垂直 离仪器较远处存在的地层 界 对 仪器 响应进行 横拟可用来估计仪器 离地层边 界的距离 理 论上 钻 井工具离地 层界面 的 距离 是可以计算 出来 的 该距离在地 质导 向系统中有时被称 为前瞻距 离 图 2 所示 为这种理论 计算在实际当中所存在的局限性 前瞻距离计算的前提是假设地层构造相对稳定不变 而地 层倾角 或从断层 引起的局部 变化不在 考虑 范 围之 内 且地 层边 界可能存在 于井身 的上方或 下 方也未知 但在钻井设计阶段搞清这些地质构造方面的情况有助于现场操作时消除上述不确 定性 当钻 井时遇到 这种解释上 的障 碍时 唯 一有 效的办法是 能取得具有对井身 的不 同方位进 维普资讯 4 6 测井与射孔 1 9 9 9生 目 口 岛 删 TvD耀 度 f t 图 1 感 应 与电 子电 阻率 剽井 对互 层 的反 应 行测量能力 的近钻头 或在钻头 处 的测量数据 只依据 传感器 的探 测深度对到地层边 界的距离进 行 估计 和确定有可能会 对地 质导 向 的实 施产生误导 对 任何地层边 界的估计 都是基于 电阻率 的变 化 幅度 一般 来说 电阻率发生 2 0 的变 化 时会 认 为 是遇 到 地 层 边 界 在 实际 曲线 上 岩 石颗粒和 饱 和度 的不 同对 电阻率 曲线 的影 响 能达到 l 0 2 0 的数量级 精 确的边界探测不是等到电阻率 曲 线有 大 的变化 时才 注意 到 大 的 变化 只有当 仪器离边 界 l f t 或 正 在穿 过边 界 时才 能看 到 电子 电 阻率测量对钻遇 较低 电阻率 界面 时显 示特 征较 明显 此 时 电流按 电阻 率最 小 的路径 穿 过 就 能给 圉 2 车 q 用感应电阻率仪器的不 同探测深重可 捡剽出地层边界 量簿 麈 f O 圉 3 出地层边界的早期显示 图 3 a 3 b为同时使用电子和感应电阻率测量时对地层边界的响应曲 线 图 3 a中电子电阻率测量很快就能检 测出低 电阻率 界面 而图 3 b中感应 电阻率对 高阻层的 地层边界较敏感 综合运用这两种传感器对层边界的检测比使用单一的传感器更有效 地 层信息 的定量化 维普资讯 第 3期 地 质导向技 术的应 用原 则 4 7 一 旦地 层 的位置和方 向确定下来 就可对它 包括 地层评价 进 行定量分析 大斜度井用真 实 垂 直厚度 TVT 为该地 层在 垂直 方 向 的厚度 和 真实 地层 厚度 TS T 对钻遇 地 层进行 描 述 大 斜度井或水平井对 钻穿有一定倾 角的地层时 传统 的基于 T VD进行 的 比较 有时能导致 构造 解释 方面 明显 的错 误 这种情况 下只有 使用 TvT 或 Ts T才能进行精 确的对 比 受 各向 异性影响的测量电阻率值 比在相应垂直井中获得的值要高很多 要成功地与邻井曲线进行对 比 必须要将测量电阻率转换为相应垂直井中的电阻率值 实现这一步要使用两种电阻率值的 计算 R 是水平方向的测量电阻率值 它可和仅器与地层垂直时或近似垂直时电缆测井或标 准测井的数据进行比较 R 是垂直方向的真实电阻率 这是水平井测井的特别之处 虽然在地 层评价方 面有 一定 的局 限性 这些 计算 R R 还是很有用 的 由多源距 的感 应电阻率测井仪 在水平方 向的计算值 R 可与垂直井 的电阻率 曲线进行有 效对 比 小 结 地质 导 向最 主要考虑 的因 素是 钻头 离地层边 界的距离 特 别是在钻头 钻 出 目的层后返 回 时 考虑 是否有必 要采取侧钻等 措旌 时 计算钻头离 边界的距 离就特 别重要 有时 这种 事故 发 生 的特别 快 甚至于钻头离边 界的距离 很远 地质导向项 目的组织方式 确定要打大斜度井的激励因素和原因t 对可用地震数据进 行评价 定量评价 邻井测井数 据 评价邻井 油 田的生产数 据 选 择 目的层段 设计 和 优选井身轨迹剖面 确定井身轨迹能位于目的层的可能程度和风险性 确定项 目所需的服 务水准 项 目组成 员的最终选定 完成钻井 评价 完井设计 I 举行钻前会议 开钻 垂 直钻探至起始造斜点 开始定向钻探 I 确定地层对比和靶区控制t 根据造斜段的需要调整 轨迹剖面 确定水平段起始位置 复查大斜度井段轨迹及导 向能力 充分 了解钻头前方 的地质构造 预测异常情况 断层 地层尖灭 侧向河道变迁等 的位置