方位伽馬隨鉆測量技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展展望

劉克強(qiáng)，陳財(cái)政，李 欣，楊曉峰，高永偉，曹 沖

（1.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院,陜西西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室,陜西西安 710018）

1 技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

方位伽馬是近年來發(fā)展起來的一種新型隨鉆測量技術(shù),和常規(guī)自然伽馬隨鉆測量相比,主要具有三個(gè)方面的技術(shù)優(yōu)勢。

（1）自然伽馬地質(zhì)導(dǎo)向所測伽馬值為地層平均伽馬值,根據(jù)伽馬值的變化可以判斷鉆頭進(jìn)入或離開儲層,但不具備方向性,無法準(zhǔn)確判斷鉆頭從儲集層頂部或是底部進(jìn)出,只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或預(yù)判調(diào)控井眼軌跡,容易出現(xiàn)丟掉儲層的情況。方位伽馬能夠根據(jù)伽馬值變化和相關(guān)圖線分辨出當(dāng)前井眼軌跡處于儲層頂部或底部,為軌跡調(diào)整提供準(zhǔn)確依據(jù),有利于軌跡精準(zhǔn)控制。

（2）常規(guī)方位伽馬探管一般加接在MWD 儀器中,測量零長一般為8～20 m,測量信息相對滯后,當(dāng)發(fā)現(xiàn)井眼軌跡穿出儲層后進(jìn)行糾正,將會損失比較長的有效鉆井進(jìn)尺。方位伽馬隨鉆測量零長較短,尤其是近鉆頭方位伽馬測點(diǎn)距井底一般在1 m 以內(nèi),更有利于及時(shí)識別地層變化和調(diào)整井眼軌跡,減少糾正井段長度。

（3）通常利用常規(guī)伽馬數(shù)值計(jì)算地層傾角時(shí),很難得到準(zhǔn)確的視地層傾角值,只有在滿足特定條件的前提下,即當(dāng)同一個(gè)層面被穿越兩次或在準(zhǔn)確知道儲集層厚度并同時(shí)穿越該層頂?shù)捉缑娴那闆r下,才可以計(jì)算視地層傾角。方位伽馬可以根據(jù)數(shù)據(jù)方位特性準(zhǔn)確快速反演計(jì)算地層構(gòu)造情況,不但經(jīng)過一個(gè)層面就可以實(shí)時(shí)計(jì)算視地層傾角,還可以通過數(shù)據(jù)成像拾取真地層傾角。在得知地層傾角的情況下,通過方位伽馬、井斜、儀器長度可以進(jìn)一步計(jì)算出鉆頭與地層界面之間的距離,有利于優(yōu)化控制井眼軌跡在儲層的相對位置和進(jìn)行實(shí)時(shí)地質(zhì)構(gòu)造研究分析［3-5］。

2 國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀

按照工作原理、結(jié)構(gòu)形式、連接位置等的不同,目前國內(nèi)外的方位伽馬隨鉆測量工具（儀器）主要有探管式、鉆鋌式兩種類型。

2.1 探管式方位伽馬

探管式方位伽馬是在傳統(tǒng)MWD 基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展,在MWD 儀器串中加裝方位伽馬測量探管或用方位伽馬探管替代自然伽馬探管,測量數(shù)據(jù)由MWD 系統(tǒng)傳輸至地面,并通過在地面解碼程序中加載的伽馬解碼單元進(jìn)行解碼識讀。與鉆鋌式方位伽馬相比,探管式方位伽馬具有結(jié)構(gòu)簡單、安全性高、使用成本低等優(yōu)點(diǎn)。主要缺點(diǎn)為：①測量探管距鉆頭比較遠(yuǎn),測量信息滯后,不利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)出入儲層和及時(shí)回調(diào)軌跡；②儀器居于無磁鉆鋌水眼內(nèi),地層伽馬信號被環(huán)空鉆井液、鉆鋌吸收后,儀器測量靈敏度降低。

目前國內(nèi)外該項(xiàng)技術(shù)均比較成熟(見表1)。國外方位伽馬大多采用對稱排列的2 個(gè)傳感器或是90°排列的4 個(gè)傳感器進(jìn)行測量。國產(chǎn)儀器則通常采用聚焦方位伽馬技術(shù),即在普通自然伽馬儀器的基礎(chǔ)上加裝270°～300°的屏蔽,保留60°～90°的開放測量區(qū),使傳感器只能測量特定角度的伽馬值,同時(shí)增加了窗口掃描位置判斷功能以及井眼姿態(tài)測量單元［6-8］。

表1 國內(nèi)外探管式方位伽馬主要技術(shù)參數(shù)對比

2.2 鉆鋌式方位伽馬

和探管式方位伽馬相比,鉆鋌式方位伽馬的顯著特征是將伽馬探測器置于鉆鋌或鉆鋌式工具（儀器）本體的表面開槽中,較大限度地降低了鉆鋌、鉆井液對伽馬探測器計(jì)數(shù)率的吸收,提高了計(jì)數(shù)率。國外以斯倫貝謝、貝克休斯、哈里伯頓、威德福等公司為代表,擁有成熟的鉆鋌式方位伽馬隨鉆測量產(chǎn)品。國內(nèi)近年來多家技術(shù)服務(wù)公司、儀器裝備制造商開展了相關(guān)研發(fā)（見表2）,但整體上仍處于研究與試驗(yàn)應(yīng)用階段。

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表2 國內(nèi)外主要鉆鋌式方位伽馬工具（儀器）技術(shù)參數(shù)

目前國內(nèi)外的鉆鋌式方位伽馬儀器在機(jī)械結(jié)構(gòu)、連接位置、系統(tǒng)獨(dú)立性等方面有很大不同（見表3）。按照機(jī)械結(jié)構(gòu)形式的不同,可以分為蓋板式和套筒式（見圖1）,蓋板式安裝簡易,如SureLog-AZG、Inc@Bit和T-Tracker等；套筒式配件較少、抗扭和抗泥漿沖蝕能力強(qiáng),但工具長度不能太長,如BitSub、HAGR 等。根據(jù)伽馬儀器在BHA 的連接位置不同,有近鉆頭和遠(yuǎn)鉆頭之分,如iPZIG、BitSub、Inc@Bit、ABG 等屬于近鉆頭（連接于鉆頭后面、動力鉆具或旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向前面）,Ontrak、SureLog-AZG 等屬于遠(yuǎn)鉆頭（連接在動力鉆具或旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向后面）。

圖1 兩類方位伽馬儀器結(jié)構(gòu)剖面

表3 國內(nèi)外鉆鋌式方位伽馬工具（儀器）對比

根據(jù)方位伽馬模塊的相對獨(dú)立性,可以分為獨(dú)立式和集成式兩大類型,獨(dú)立式即方位伽馬工具（儀器）以相對獨(dú)立的系統(tǒng)存在,一般由近鉆頭測量發(fā)射短接、接收通訊短節(jié)（實(shí)現(xiàn)與MWD/LWD 的數(shù)據(jù)傳輸）兩大部分組成,如iPZIG、BitSub、Inc@Bit 和T-Tracker 等；集成式即方位伽馬測量功能是集成在LWD、螺桿、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向等其他系統(tǒng)上的,比如Ontrak、SureLog-AZG、ABG、GABI、CGDS-Ⅰ等。

3 應(yīng)用情況及存在問題

3.1 應(yīng)用情況

目前國外方位伽馬隨鉆測量關(guān)鍵技術(shù)已比較成熟,工具（儀器）已經(jīng)實(shí)現(xiàn)系列化,同時(shí)商業(yè)化程度也很高。近年來,一方面隨著國內(nèi)油氣勘探開發(fā)中后期“薄、散、碎、多”儲層工作量增大和頁巖油氣、致密油氣、煤層氣等非常規(guī)資源的勘探開發(fā),對井眼軌跡控制精度的要求越來越高,方位伽馬隨鉆測量技術(shù)在國內(nèi)多個(gè)油田已開展應(yīng)用［9-13］。以鄂爾多斯盆地的現(xiàn)場應(yīng)用情況為例,方位伽馬隨鉆測量技術(shù)應(yīng)用效果顯著,推廣前景廣闊。

3.1.1 探評井應(yīng)用情況

針對探評井存在的參考鄰井距離遠(yuǎn)、資料少、地質(zhì)不確定性大等難題,在多口探評井中開展了方位伽馬隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)的試驗(yàn)應(yīng)用,提高發(fā)現(xiàn)率、降低鉆井地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)、減少地質(zhì)循環(huán)時(shí)間等效果突出。以風(fēng)險(xiǎn)勘探水平井LY1H 井為例,該井目的層下甜點(diǎn)儲層變化快、砂體鉆遇難度大,因此優(yōu)選采用了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向和onTrack 方位伽馬隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù),高效完成了2 000 m 水平段的任務(wù)目標(biāo),砂巖鉆遇率達(dá)74%,初期測試求產(chǎn)獲得日產(chǎn)116.8 t 的高產(chǎn)工業(yè)油流。

3.1.2 致密氣開發(fā)井應(yīng)用情況

鄂爾多斯盆地致密氣主力含氣層為河流相-三角洲砂巖儲層,砂體類型主要為辮狀河河道砂壩、邊灘（點(diǎn)壩）砂體,儲層具有縱向多期疊置,橫向連續(xù)性差、厚度薄且變化快、存在透鏡狀泥巖薄層等特點(diǎn)。在此地質(zhì)條件下,常規(guī)自然伽馬很難高效指導(dǎo)鉆進(jìn)“找砂避泥”,因此試驗(yàn)應(yīng)用了方位伽馬隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)。以Q1-*-*H1 井為例,該井為三開結(jié)構(gòu)水平井,完鉆井深5 470 m,水平段長1 200 m。在水平段應(yīng)用APS 方位伽馬及地質(zhì)導(dǎo)向儀器,水平段2 趟鉆完成,水平段鉆井周期13.5 d,最高機(jī)械鉆速5.48 m/h,最高日進(jìn)尺達(dá)206 m,與采用常規(guī)自然伽馬的鄰井水平井相比,儲層鉆遇率提高了13.27%,并超越了所在井區(qū)多項(xiàng)鉆井技術(shù)指標(biāo)。再如J45-24H2井,水平段使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向及近鉆頭伽馬成像工具,不但解決了水平段常規(guī)儀器無法精確控制軌跡的難題,而且刷新了致密氣水平段平均機(jī)械鉆速13.28 m/h和水平井鉆井周期44.44 d兩項(xiàng)記錄,該井完鉆井深6 666 m,水平段長3 321 m,儲層鉆遇率93.3%。

3.1.3 頁巖油開發(fā)井應(yīng)用情況

鄂爾多斯盆地頁巖油儲層具有地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、厚度薄、隔夾層發(fā)育、地層傾角變化大等特征,給造斜段入窗中靶和水平段追蹤有效儲層帶來很大困難,因此在頁巖油開發(fā)井中進(jìn)行了方位伽馬隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)小規(guī)模推廣應(yīng)用。以HH 井區(qū)隨機(jī)抽取的40 口井為例,其中使用onTrack 方位伽馬10 口,應(yīng)用井型主要為施工難度較大的大偏移距長水平段三維水平井,平均儲層鉆遇率72.7%,平均完鉆水平段長2 545.38 m,和同平臺或同井區(qū)常規(guī)自然伽馬隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向相比,在鉆井施工難度增大的情況下,儲層鉆遇率、完鉆水平段長度分別提高9.3%、53.6%。其他30 口井使用的是GIT 方位伽馬,平均儲層鉆遇率為76.9%,在鉆井施工難度相當(dāng)?shù)那闆r下,和同平臺或同井區(qū)常規(guī)自然伽馬地質(zhì)導(dǎo)向井相比,平均儲層鉆遇率提高15.1%,個(gè)別平臺提高了32.5%（見圖2）。

圖2 同平臺GIT方位伽馬與常規(guī)自然伽馬平均儲層鉆遇率對比

3.2 存在的主要問題

（1）目前國外公司的方位伽馬隨鉆測量技術(shù)一般在中國只做技術(shù)服務(wù),不出售相關(guān)產(chǎn)品,國內(nèi)產(chǎn)品在穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)精確性、安全性等方面和國外同類產(chǎn)品相比還存在一定差距。費(fèi)用、產(chǎn)品成熟度等因素在一定程度上限制了該技術(shù)的應(yīng)用,雖然局部已進(jìn)行小規(guī)模推廣,但整體應(yīng)用規(guī)模較小。

（2）目前國內(nèi)外研制的方位伽馬隨鉆測量設(shè)備尺寸類型主要有?120.7 mm、?165.1 mm、?171.5 mm、?203.2 mm、?209.6 mm、?215.9 mm、?241.3 mm,適用直徑范圍為146.1～669.9 mm 的井眼,適用于146.1 mm直徑以下井眼的成熟小尺寸儀器缺乏。

（3）目前國內(nèi)外所有的方位伽馬隨鉆測量儀器,其數(shù)據(jù)一般通過MWD 或LWD 傳輸?shù)降孛?。我國現(xiàn)在各油田使用的MWD 數(shù)據(jù)傳輸速率普遍小于1 bit/s,傳輸速度相對于國外還有一定差距,不利于方位伽馬測量數(shù)據(jù)上傳和實(shí)時(shí)成像。

4 結(jié)論與建議

（1）方位伽馬隨鉆測井技術(shù)（尤其是近鉆頭方位伽馬）可提供軌跡調(diào)整精準(zhǔn)依據(jù)、有利于及時(shí)回調(diào)軌跡、減少糾正井段長度,在提高儲層鉆遇率和鉆井效率、優(yōu)化井眼軌跡、降低井下地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)等方面效果明顯。隨著復(fù)雜儲層油氣資源和頁巖油油氣、致密油氣等非常規(guī)資源的勘探開發(fā),應(yīng)用前景廣闊。

（2）靠近鉆頭的數(shù)據(jù)測量能及時(shí)了解鉆進(jìn)軌跡和地層變化,能更加及時(shí)、精準(zhǔn)地指導(dǎo)鉆頭重新回到原儲層中,因此近鉆頭方位伽馬、井斜一體化設(shè)計(jì)是目前該技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的大趨勢。

（3）進(jìn)一步完善提高?120.7 mm 及以上尺寸國產(chǎn)化方位伽馬隨鉆測量產(chǎn)品的技術(shù)性能,加快? 120.7 mm 以下小尺寸方位伽馬隨鉆測量儀器研發(fā),滿足老井套管開窗側(cè)鉆或小井眼井提高儲層鉆遇率、減少泥巖段井下復(fù)雜的迫切需要。

（4）加強(qiáng)MWD/LWD 數(shù)據(jù)傳輸速率、地質(zhì)導(dǎo)向軟件、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向等配套技術(shù)的研發(fā),進(jìn)一步提升國內(nèi)方位伽馬隨鉆測量技術(shù)的應(yīng)用效果。