地质导向钻井技术研究与应用

魏忠利

摘要：综合介绍了“地质导向钻井工艺技术研究”的部分研究成果，并利用初步形成的地质导向现场应用技术成功地实施了地质导向钻井，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，研究攻关阶段现场试验的25口井，应用效果良好。

关键词：地质导向；钻井工艺；LWD；自然伽马；电阻率；复杂油气藏

地质导向钻井（Geo-Steering Drilling）技术是20世纪90年代国际钻井界发展起来的前沿钻井技术之一。它是在世界范围内的勘探开发面临复杂地质条件的背景下和随钻测量（MWD-Measurement While Drilling）技术日趋成熟的基础上发展起来的，是地质信息、随钻测井（LWD-Logging While Drilling）仪器响应和用于引导井眼进入目的层并保持在目的层内的解释技术的综合[1]。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1～2m范围内的井斜角、方位角、地层电阻率、伽马射线和转速等数据，通过无线传输系统（电磁波）把这些数据从钻头附近传到MWD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道钻井。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眼轨迹的走向，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。油田存在着大量自然形成的复杂断块油藏、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等复杂油气藏，作为技术支撑的地质导向钻井技术为开发这类油藏提供了强有力的技术保障。

1 地质导向钻井工艺技术研究

国外经过近十年的发展，地质导向钻井技术已经成熟，具有先进而完善的地质导向硬件工具和与之配套的随钻地质工程参数解释与地质导向应用软件系统，但由于技术垄断，我们不可能从他们那里得到地质导向钻井核心技术。为了在现有仪器基础上有效地实施地质导向钻井，进一步提高井眼轨迹在油层中的有效穿透率和油气采收率，弥补国内地质导向工具测量传感器距离钻头较远、应用软件系统存在空白等实际差距，依托中石化集团公司项目“地质导向钻井工艺技术研究”开展了地质导向钻井工艺技术系列研究工作。在研究内容上，该项目主要围绕以下四个方面进行了深入研究。

2.1 水平井地质导向测量参数随钻解释系统研究

在文献调研和方法研究基础上，结合LWD仪器在油田的实际应用情况，以带自然伽玛和电阻率两道参数的LWD系统为依托，以实时地质参数为研究对象，以地质测量参数实时解释为研究目标，研制成功了水平井地质导向测量参数随钻解释系统。通过开展随钻测井资料标准化和斜井校正方法研究，实现了LWD曲线与直井曲线的对比分析；利用随钻测井资料与相邻井对应层位测井曲线上具有相似性为基础的相关对比技术，从方差分析和极值分析的角度出发，采用一种直观实用的适合于对称型和非对称型两类曲线分层的数理统计法-极值方差聚类分层法，完成了在钻井的储层自动划分以及与邻井层位的对比连线；根据目前随钻测井资料不全的实际情况，综合利用在钻井自然伽玛、电阻率和邻井资料，建立了无孔隙度测井资料条件下的孔隙度解释模型，在很大程度上弥补了无孔隙度测井资料的缺陷，从而实现本井钻遇地层孔隙度、渗透率、饱和度等储层参数的计算和储层评价及流体性质判别，进而实现了随钻测井资料的实时解释。

应用结果表明，水平井地质导向测量参数随钻解释系统能够较好地指导油气藏评价和水平井地质导向钻井施工，并取得了良好的地质效果和经济效益，具有较高的推广应用价值。

2.2 基于地质导向的水平井待钻井眼轨道校正设计研究

基于地质导向的水平井待钻井眼轨道校正设计是地质导向钻井工艺技术的重要内容之一。通过开展地质靶点不确定条件下中靶优化设计研究、基于油藏可视化的水平井靶区轨道优化设计研究、水平井待钻井眼轨道校正设计研究和摩阻扭矩预测分析研究等一系列的研究工作，提出了一套准确而实用的中靶优化设计方法和基于油藏可视化的轨道设计方法，开发出了相应的理论模型和计算模块，解决了基于地质导向的水平井待钻井眼轨道校正设计问题。同时，对待钻轨道设计和靶区轨道设计的各种情况进行了分析，将任意情况下的轨道设计分解为8个基本计算模块，通过调用某个计算模块或某些计算模块的组合可以完成任意待钻轨道和靶区轨道设计。

建立了油层垂深不确定条件下以“油层穿透率最高” 为目标的地质导向水平井中靶优化设计模型，开发出了相应的优化设计模块，有利于提高靶区水平段油层穿透率；建立了地质导向水平井轨道参数优选模型，使得设计轨道具有最大的适应油层垂深不确定性的能力； 提出了弹性杆挠曲线法设计多目标靶区轨道的新概念和弹性杆挠曲线法靶区轨道设计方法，建立了理论计算模型，开发了相应的计算模块，并与其他方法一起形成了完整的多目标井靶区轨道设计方法； 针对水平井矢量靶的特点，建立了水平井待钻井眼轨道校正设计理论模型，开发了相应的设计模块，解决了水平井待钻井眼轨道校正设计中的矢量中靶问题； 改进并完善了摩阻扭矩计算理论模型，开发了管柱在井眼中的摩阻扭矩分析计算模块。

2.3 地质导向钻井随钻预测理论与方法研究

目前我国通常应用的地质导向仪器的测量传感器距离钻头普遍较远（约为8～20m），一般情况下电阻率距离钻头最近，伽马次之，井眼姿态测量传感器距离钻头最远，这就严重制约了钻头处工程和地质参数的准确获取，也不利于井眼轨迹在油层中的有效穿行。地质导向钻井随钻预测理论与方法研究就是为有效解决上述问题而开展的，并重点对井眼轨迹参数随钻估计和预测、导向标志层随钻预测、目标层随钻预测、地质导向钻井随钻预测软件进行了研究。通过开展基于地质导向钻井的测量盲区井眼轨迹参数随钻估计和井眼轨迹预测方法研究，分别提出了基于Kalman滤波的井眼轨迹参数实时估计和预测新方法以及基于支撑向量机统计学习理论的井眼轨迹预测新方法。实践表明，轨迹预测新方法不仅提高了BHA测量盲区的轨迹预测精度，还可以进一步预测待钻井眼轨迹，具有良好的应用前景。地层可钻性级数（Kd）反应了钻头所在地层的岩性，在钻井的过程中通过获取Kd参数，可以实时判别钻头是否钻遇盖层或是否穿出目标层。通过研究地层可钻性随钻估计问题，提出了基于遗传算法的地层可钻性级数估计理论与方法，以便利用地层可钻性作为判断钻头是否在目标层钻进的依据。

在薄油层或有复杂褶皱、断层的油藏中，如何确定目标层的位置、走向和厚度是地质导向钻井急需解决的一个关键问题。利用Bayes估计理论对地质导向钻井三维地层建模和随钻实时修正方法进行了深入研究，提出了基于Bayes估计理论的三维地层建模和随钻实时修正方法，并利用模拟数据进行了验证。提出了基于小波变换和沃尔什变换的测井曲线分层新方法。

2.4 基于地质导向的井眼轨道设计与井眼轨迹控制软件研制

在常规水平井井眼轨道设计和井眼轨迹控制软件基础上，通过集成和衔接相关功能性模块，编制出了基于地质导向的水平井井眼轨道设计和井眼轨迹控制程序，构建出了地质导向钻井系统平台。该平台除具有水平井井眼轨道设计和井眼轨迹控制程序的全部功能外，增加了基于地质导向钻井的现场实时数据资源共享和远程实时决策、LWD曲线实时显示、地质导向测量参数随钻解释、待钻井眼轨道校正设计及地质导向钻井三维可视化等多个功能性实用控件，能够把钻井现场数据及时传送到基地服务器及各相关终端上，并将后续作业指令实时返回到系统平台，实现现场实时数据资源共享和远程实时决策、随钻解释、真三维显示等功能，承担着地质导向钻井软件平台的作用。

2.5 地质导向钻井工艺技术研究

以地质导向测量工具为依托，以地质导向随钻解释和地质－钻井一体化设计和施工软件为手段，开展了钻具组合优化设计、钻井参数优选技术、随钻跟踪地质目标的井眼轨迹预测和控制技术等地质导向钻井工艺研究工作，形成了具有特色的地质导向钻井工艺配套技术。

实践表明，自行研制的带两道地质参数的地质导向钻井系统与具有胜利特色的地质导向钻井工艺配套技术的有机结合，成功地实施了地质导向钻井，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。

参考文献

[1]江国法译 地质导向[J]．测井技术信息.2000,13（1）：14～23.

[2]王同良 国外水平井大位移井钻井技术新进展[J]．世界石油工业.1997,1（1）：37～41.

[3]林广辉 地质导向系统的研究与应用[J]．中国海上油气（工程）.2000,12（5）：39～47.