LWD發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)展望

梁永恒　李武生　王雲(yún)

摘要：在對(duì)隨鉆測(cè)井進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了隨鉆測(cè)井技術(shù)的發(fā)展過(guò)程，重點(diǎn)介紹了HL-MWD+伽馬和FEWD隨鉆地質(zhì)評(píng)價(jià)測(cè)井技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，簡(jiǎn)單介紹了貝克休斯AutoTrak旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，對(duì)于今后可能形成的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，認(rèn)為旋轉(zhuǎn)地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)將成為中長(zhǎng)期發(fā)展方向，加大國(guó)內(nèi)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向研發(fā)力度，培養(yǎng)技術(shù)人才，縮小與國(guó)外技術(shù)差距，才能立于競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：LWDHL-MWD+伽馬;FEWD;旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向發(fā)展現(xiàn)狀;技術(shù)展望

1 隨鉆測(cè)井發(fā)展關(guān)鍵階段

1.1 隨鉆測(cè)井簡(jiǎn)介

隨鉆測(cè)井英文簡(jiǎn)稱LWD（logging while drilling），是在隨鉆測(cè)量基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種功能更齊全、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的隨鉆測(cè)量系統(tǒng)，主要是在常規(guī)基礎(chǔ)上增加電阻率、孔隙度、中子、密度和聲波等測(cè)量短節(jié)，用以獲取測(cè)井信息。與隨鉆測(cè)量系統(tǒng)相比，傳輸?shù)男畔⒏啵捎镁麓鎯?chǔ)（起鉆后回放）和部分信息實(shí)時(shí)上傳方式處理所需測(cè)井信息，無(wú)導(dǎo)向決策功能。

1.2 隨鉆測(cè)井技術(shù)發(fā)展階段

1.2.1隨鉆測(cè)井技術(shù)發(fā)展早期

第一個(gè)隨鉆測(cè)井的專利是在1929年由Jakosky提出的，用的就是鉆井液脈沖遙測(cè)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(shí)的隨鉆測(cè)量方法主要有兩種，一是利用測(cè)量電極和導(dǎo)電鉆桿絕緣，測(cè)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(jì)40年代和50年代隨鉆測(cè)井進(jìn)展緩慢，僅有的幾個(gè)專利文獻(xiàn)表明，研究單位和個(gè)人繼續(xù)致力于實(shí)時(shí)、可靠的隨鉆測(cè)井系統(tǒng)研究，注意力從地面設(shè)備和井下設(shè)備的硬聯(lián)結(jié)轉(zhuǎn)向用電磁波或無(wú)線電波通過(guò)地層傳輸?shù)降孛婊蚴怯寐曅盘?hào)通過(guò)地層或鉆桿傳輸信息。遺憾的是，傳輸技術(shù)發(fā)展緩慢，難以有實(shí)質(zhì)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(jī)械測(cè)斜儀出現(xiàn)，并應(yīng)用至今;1964年第一個(gè)機(jī)械脈沖遙測(cè)系統(tǒng)研究成功。60年代前蘇聯(lián)出版的專著也對(duì)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(hào)處理裝置作了系統(tǒng)的理論分析。20世紀(jì)60、70年代，盡管隨鉆測(cè)井系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論上是可行的，但由于工藝原因仍然達(dá)不到商用水平。

1.2.2隨鉆測(cè)井技術(shù)誕生階段

第一支可靠的商用隨鉆測(cè)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(cè)量數(shù)據(jù);1980年又推出了能進(jìn)行自然伽馬和短電位電阻率測(cè)量的隨鉆測(cè)井儀;至此，用于地層評(píng)價(jià)的隨鉆測(cè)井儀器問(wèn)世。由于鉆井液信道傳輸方式在可靠性和經(jīng)濟(jì)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(cè)井參數(shù)和鉆井參數(shù)的需要，于是在二十世紀(jì)80、90年代眾多公司相繼投入隨鉆測(cè)井儀器的研究和開(kāi)發(fā)，鉆井液信道的隨鉆測(cè)井系統(tǒng)主宰了整個(gè)隨鉆測(cè)井市場(chǎng)。

1.2.3隨鉆測(cè)井技術(shù)快速發(fā)展階段

1984年隨鉆電磁波電阻率測(cè)井儀器上市，1987年補(bǔ)償中子和密度測(cè)井也相繼引入隨鉆測(cè)量，1993年斯倫貝謝公司推出第一代集地層評(píng)價(jià)和地質(zhì)導(dǎo)向?yàn)橐惑w的地質(zhì)導(dǎo)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(cè)井，90年代后期斯倫貝謝公司開(kāi)發(fā)成功電阻率和密度測(cè)井的隨鉆成像測(cè)井，Path Finder公司成功地試驗(yàn)了隨鉆地層測(cè)試器。90年代哈里伯頓公司先后收購(gòu)了長(zhǎng)于核磁測(cè)井的NUMAR公司和長(zhǎng)于隨鉆測(cè)量的SPERRY-SUN公司，這兩家公司通過(guò)合作，于2001年開(kāi)發(fā)成功隨鉆核磁共振成像測(cè)井儀。

2 現(xiàn)階段LWD技術(shù)使用現(xiàn)狀

2.1 LWD使用現(xiàn)狀

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

2.2 HL-MWD+伽馬隨鉆測(cè)井技術(shù)使用現(xiàn)狀

HL-MWD是由北京海藍(lán)科技科技開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司開(kāi)發(fā)的一種可打撈式的正脈沖無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀，具有設(shè)計(jì)巧妙、組裝靈活、使用方便、易于維修的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)提供井斜、方位、工具面、溫度等參數(shù)。在HL-MWD測(cè)量工具串基礎(chǔ)上加入無(wú)線隨鉆側(cè)斜器配套的地層巖性測(cè)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(dāng)?shù)貙又械姆派湫院怂兀ㄖ饕校衡櫋⑩Q、鉀）發(fā)生核衰變時(shí)，放射出伽馬射線，部分的伽馬射線被伽馬探頭探測(cè)到并轉(zhuǎn)化為電脈沖信號(hào)，由電子組件進(jìn)行測(cè)量和處理即得到地層的自然伽馬放射性強(qiáng)度。根據(jù)地球物理、地球化學(xué)以及巖層沉集、油氣運(yùn)移、儲(chǔ)積與巖層的相關(guān)性等理論，結(jié)合其他測(cè)井參數(shù)來(lái)推出被測(cè)巖層的巖性及油氣田儲(chǔ)藏情況。其測(cè)量數(shù)據(jù)可以通過(guò)泥漿脈沖調(diào)制后實(shí)時(shí)的傳輸?shù)降孛妫⒖赏瑫r(shí)進(jìn)行井下測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，使鉆井工程師和地質(zhì)工程師只通過(guò)伽馬數(shù)值實(shí)時(shí)、有效的了解鉆遇地層的巖性變化，及時(shí)調(diào)整鉆井參數(shù)（鉆具、鉆壓、鉆速、泥漿參數(shù)等）。這種隨鉆測(cè)井方式使用成本低廉，實(shí)現(xiàn)了快速鉆井，提高了采收率，鉆井成本較低，在長(zhǎng)慶、山西等地得到了規(guī)范的應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)效益明顯，但是其只能通過(guò)伽馬測(cè)量參數(shù)預(yù)告地層巖性變化情況，無(wú)法區(qū)分油水界面或其他液相界面，無(wú)法進(jìn)行地層物性的初步地質(zhì)評(píng)價(jià)，特別是在薄油層中精確導(dǎo)向井眼軌跡穿行于儲(chǔ)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(guó)哈利伯頓公司生產(chǎn)的一種無(wú)線隨鉆地質(zhì)評(píng)價(jià)儀器，它可以在鉆進(jìn)作業(yè)進(jìn)行的同時(shí)，隨鉆實(shí)時(shí)錄取地質(zhì)參數(shù)，繪制出各種類型的測(cè)井曲線，作為地質(zhì)分析的依據(jù)，從而幫助現(xiàn)場(chǎng)人員隨時(shí)監(jiān)控地質(zhì)參數(shù)的變化，對(duì)地層做出準(zhǔn)確的判斷，從而實(shí)現(xiàn)隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向，精確地控制井眼軌跡穿行于儲(chǔ)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(fēng)險(xiǎn)，從而顯著地提高鉆井效率，整體上提高油田的勘探開(kāi)發(fā)效果。

2.3.1 FEWD組成及作用^[1]

FEWD由測(cè)井傳感器、定向工程參數(shù)傳感器、鉆具振動(dòng)傳感器等部分組成，可以實(shí)時(shí)獲得地層自然伽馬、電阻率、補(bǔ)償中子孔隙度、巖石密度四道地質(zhì)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(shí)儀器自動(dòng)記錄井下鉆具的振動(dòng)情況，當(dāng)井下鉆具的振動(dòng)超過(guò)允許的范圍時(shí)，井下儀器優(yōu)先將該鉆具劇烈振動(dòng)的信息傳遞至地面，以警示施工人員采取措施減振、預(yù)防井下復(fù)雜情況或井下事故的發(fā)生。

使用FEWD具有如下優(yōu)勢(shì)：①實(shí)時(shí)獲得真實(shí)的地質(zhì)參數(shù);②利用測(cè)井參數(shù)實(shí)現(xiàn)地質(zhì)導(dǎo)向;③風(fēng)險(xiǎn)回避;④提高勘探開(kāi)發(fā)效率。

2.3.2 FEWD功能簡(jiǎn)介

FEWD的主要作用有：①隨鉆測(cè)井提供油藏地質(zhì)實(shí)時(shí)地質(zhì)參數(shù)、巖性變化情況及隨鉆測(cè)井圖;②利用 FEWD 測(cè)井確定標(biāo)志層垂深、準(zhǔn)確的劃分地層界面、確定標(biāo)志層深度位置;③利用 FEWD 曲線劃分地層、確定巖性界面、預(yù)測(cè)實(shí)鉆軌跡距離油頂?shù)木嚯x，預(yù)測(cè)井眼軌跡在油層中行進(jìn)情況，實(shí)時(shí)指導(dǎo)鉆井施工;④利用實(shí)時(shí)隨鉆測(cè)井曲線指導(dǎo)精確入靶，精細(xì)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(píng)價(jià);⑥分辨油、氣、水層以及油/氣、油/水界面，判斷油氣的運(yùn)移;⑦分辯薄油氣層，有效開(kāi)發(fā)地下油氣資源。

2.3.3 FEWD主要應(yīng)用領(lǐng)域

FEWD地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)是一種綜合性的鉆井技術(shù)，實(shí)際施工過(guò)程中用以解決以下問(wèn)題：①隨鉆測(cè)井：隨鉆獲取實(shí)時(shí)地質(zhì)參數(shù)，可準(zhǔn)確確定目的層的垂深，取消中途測(cè)試和部分完井電測(cè)內(nèi)容，縮短鉆井、完井周期;②地層預(yù)測(cè)：在造斜段通過(guò)隨鉆測(cè)井方式進(jìn)行地層對(duì)比測(cè)試，確定實(shí)鉆軌跡地層的變化，使實(shí)鉆軌跡及時(shí)、準(zhǔn)確進(jìn)入目的層;③軌跡預(yù)測(cè)：在軌跡進(jìn)入設(shè)計(jì)目的層前，通過(guò)隨鉆地質(zhì)參數(shù)超前效應(yīng)，確定軌跡的著陸點(diǎn)，找到著陸點(diǎn)后再控制軌跡進(jìn)入目的層;④軌跡適時(shí)優(yōu)化與調(diào)整：在目的層中鉆進(jìn)時(shí)，及時(shí)預(yù)測(cè)鉆頭與儲(chǔ)層間的位置關(guān)系，通過(guò)對(duì)鉆壓、井斜角、方位角等鉆井參數(shù)的調(diào)整，實(shí)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(cè)：根據(jù)井下振動(dòng)傳感器采集的數(shù)據(jù)，采取措施減振，嚴(yán)防井下復(fù)雜情況或井下事故的發(fā)生。

2.3.4 FEWD應(yīng)用現(xiàn)狀

FEWD地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的攻關(guān)和推廣應(yīng)用過(guò)程，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，服務(wù)地區(qū)不斷擴(kuò)大，目前在以下七種難動(dòng)用油氣藏鉆探開(kāi)發(fā)方面取得良好效果：①薄層油藏;②斷塊復(fù)雜地層油藏;③邊/底水油藏;④邊遠(yuǎn)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(xiàng)目水平井施工服務(wù)過(guò)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(zhǔn)確無(wú)誤，依據(jù)深淺電阻率值，結(jié)合伽馬值確定儲(chǔ)層位置，實(shí)現(xiàn)了水平段軌跡的精準(zhǔn)控制，但同時(shí)我們也看到，由于哈法亞項(xiàng)目的特殊性，井下事故頻發(fā)，地層復(fù)雜，井漏、井壁垮塌等極易發(fā)生，托壓現(xiàn)象嚴(yán)重，定向施工難度大，這就使得入井FEWD儀器滅失風(fēng)險(xiǎn)很大，在與斯倫貝謝旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具施工競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中劣勢(shì)明顯。

3 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向閉環(huán)鉆井系統(tǒng)

傳統(tǒng)隨鉆測(cè)井技術(shù)采用的滑動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)，在鉆長(zhǎng)水平段水平井時(shí)，由于上部鉆柱不旋轉(zhuǎn)，會(huì)引起摩阻和扭矩過(guò)大、方位漂移失控、井眼軌跡不平滑等問(wèn)題。計(jì)算和實(shí)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(zhuǎn)導(dǎo)向隨鉆測(cè)控技術(shù)，能有效地解決上述難題。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向隨鉆測(cè)井系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)隨鉆測(cè)井系統(tǒng)的單向通訊模式，實(shí)現(xiàn)了可在地面實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)測(cè)量近鉆頭井斜、旋轉(zhuǎn)方位，實(shí)時(shí)計(jì)算井底軌跡，并含有多種智能化鉆進(jìn)模式，大幅提高控制軌跡的精準(zhǔn)性。由于全井段旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，因此可以減小鉆具磨阻扭矩，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，平滑井眼，最大限度延長(zhǎng)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(jìn)和隨鉆測(cè)量為一體的隨鉆測(cè)井系統(tǒng)，含有多種自動(dòng)化旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)模式、三參數(shù)全系列隨鉆測(cè)井儀器、實(shí)時(shí)成像、近鉆頭測(cè)量、上下傳輸閉環(huán)通訊系統(tǒng)、大功率井下發(fā)電機(jī)、高速脈沖器等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)中改變井眼軌跡和全系列測(cè)井。AutoTrak 系統(tǒng)主要由旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭短節(jié)、ONTRAK 測(cè)量短節(jié)、BCPM通訊供電短節(jié)和SDN放射性測(cè)量短節(jié)4部分組成。它測(cè)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(biāo)數(shù)據(jù)，還有地質(zhì)導(dǎo)向和測(cè)井評(píng)價(jià)所需的各種數(shù)據(jù)，如當(dāng)量循環(huán)密度、伽馬成像、電磁波電阻率、超聲波井徑、補(bǔ)償中子及密度成像等。

對(duì)于水平段地質(zhì)導(dǎo)向來(lái)講，隨鉆測(cè)量?jī)x器離鉆頭越近越好，其成像探邊功能也會(huì)大大提高地質(zhì)導(dǎo)向的效果。AutoTrak 有可實(shí)時(shí)測(cè)量近鉆頭井斜、旋轉(zhuǎn)方位的功能，可以幫助工程人員精準(zhǔn)掌握工具在地層中的位置，更好地控制實(shí)鉆軌跡。

4 LWD技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

隨著油氣勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)入后期，現(xiàn)有的油氣藏勘探開(kāi)發(fā)需要借助長(zhǎng)水平段水平井、大位移井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)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(shù)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(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)須在技術(shù)上不斷突破，以適應(yīng)日益復(fù)雜的鉆井環(huán)境。目前旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)在耐高溫高壓性能、無(wú)線信息傳輸方式、與馬達(dá)結(jié)合以及與套管/尾管鉆井相結(jié)合方面取得了進(jìn)步。

國(guó)內(nèi)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)與國(guó)外差距較大，實(shí)際應(yīng)用中的導(dǎo)向鉆井技術(shù)幾乎仍是采用滑動(dòng)導(dǎo)向鉆井技術(shù)，而旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)仍處于試驗(yàn)研究階段。國(guó)外在幾何軌跡旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向方面已經(jīng)趨于成熟，正在逐步發(fā)展以旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具為核心的地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)，國(guó)內(nèi)在這方面還須加大投入，借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，充分利用國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)先進(jìn)技術(shù)，追趕世界先進(jìn)水平。

5結(jié)論

（1）LWD技術(shù)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(dú)立自主的產(chǎn)品研發(fā)力度、逐步淘汰落后單一技術(shù)，形成一套多學(xué)科一體化技術(shù)才能解決日益復(fù)雜的油氣開(kāi)發(fā)需求，密切跟蹤國(guó)外旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向發(fā)展技術(shù)，對(duì)測(cè)控、接口方面的核心技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)攻關(guān)，爭(zhēng)取早日實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井的大規(guī)模應(yīng)用。

（2）FEWD地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，服務(wù)地區(qū)不斷擴(kuò)大，在國(guó)內(nèi)薄層油藏、斷塊油氣藏開(kāi)發(fā)中將繼續(xù)發(fā)揮主要作用。

（3）貝克休斯AutoTrak 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向閉環(huán)鉆井系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)、測(cè)量參數(shù)齊全，迅速掌握這種先進(jìn)技術(shù)，才能占據(jù)競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

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