MRC近鉆頭地質導向系統總體設計與應用

王　智　鋒（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營　257017）

MRC近鉆頭地質導向系統總體設計與應用

王智鋒
（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營257017）

地質導向鉆井技術已成為復雜結構井地層評價的重要手段。但常規地質導向系統測量參數測點平均測量零長大于20 m，離正鉆地層較遠，測量信息相對滯后，對薄油層開發尤其不利，并且常規自然伽馬測量不具有測量方位信息能力，不能及時判斷鉆具在油層中發生的變化。勝利鉆井院研制的MRC近鉆頭地質導向系統采用電磁波電阻率、方位伽馬和井斜一體化設計技術，實現近鉆頭地質參數與工程參數集成測量，實現了近鉆頭測量，大大縮短了測量零長（測量零長小于10 m），能夠實時監測地層特征信息、辨別地層變化，測量的參數具有方位特性，能夠確定儲集層邊界的位置，利于及時調整井眼軌跡，降低打穿油層的風險，提高儲層鉆遇率。現場應用證明，該系統測量數據準確、工作穩定可靠，應用單井都獲得了較高的儲層鉆遇率。通過與常規地質導向系統應用效果對比，該系統更能實現對地層特性的判斷和鉆頭在儲層內穿行精確控制，平均單井儲層鉆遇率提高10%以上，可為薄油層的開發提供有力的技術支撐。

地質導向；界面識別；方位伽馬；電磁波電阻率；隨鉆測量 ；MRC；測量零長

地質導向鉆井技術是地質、鉆井施工的綜合信息應用［1］。隨著隨鉆測控技術的迅猛發展，地質導向鉆井技術成為大斜度井、水平井和多分支井等復雜結構井地層評價的重要手段［2］。但常規地質導向系統測量參數測點平均測量零長大于20 m，離正鉆地層較遠，測量信息相對滯后，對薄油層開發尤其不利，其自然伽馬不具有測量方位信息能力，不能及時判斷鉆具在油層中發生的變化。

具有方位特性的近鉆頭地質導向系統由于測量零長相對較小（小于10 m），克服了常規地質導向系統的不足。現場定向井工程師利用獲得的實時測量參數，能夠及時識別儲層頂部巖性信息、識別地層變化，通過方位特性測量，確定鉆具在儲層中的位置，隨時調整井眼軌跡，使軌跡沿油層展布方向鉆進，保證油層鉆遇率。斯倫貝謝、哈利伯頓、貝克休斯等油服公司先后研發了近鉆頭地質導向系統。勝利鉆井院在前期雙參數地質導向系統研制成功的基礎上，開展了具有方位特性的近鉆頭地質導向系統的研究，研發了以多頻多深度隨鉆電磁波電阻率和近鉆頭方位伽馬為核心的MRC近鉆頭地質導向系統。

1　MRC近鉆頭地質導向系統設計特點

MRC近鉆頭地質導向系統是在由感應電阻率和伽馬形成的第1代雙參數地質導向系統基礎之上，以電磁波電阻率取代感應電阻率，前移方位伽馬隨鉆測量儀形成的新的近鉆頭地質導向隨鉆測量系統。

MRC近鉆頭地質導向系統主要包括近鉆頭井斜/伽馬測量系統、隨鉆電磁波電阻率測量系統、高速總線互連系統、MWD無線隨鉆測量系統等。整個系統采用多參數緊湊型設計，以多頻多深度電磁波電阻率測量儀為核心，自然伽馬采用方位結構設計，測井斜工具采用近鉆頭結構設計，將方位伽馬、近鉆頭井斜、電磁波電阻率結構集成在1根鉆鋌上，連接在動力鉆具的后面，上接MWD測量儀，實現了工程參數（井斜及方位）、地質參數（多深度電磁波電阻率和自然伽馬）與近鉆頭井斜一體化集成設計。同時還可通過增加旋轉方位測量模塊，對自然伽馬計數率進行分扇區統計，實現動態方位自然伽馬測量。與原有技術相比，MRC近鉆頭地質導向系統同時可實現近鉆頭測量方位伽馬及不同探測深度電阻率，主動調整井眼軌跡，降低打穿油層的風險，提高儲層鉆遇率和油氣采收率。此外， MRC近鉆頭地質導向系統亦可串接其他隨鉆測量儀器組合使用，例如隨鉆中子、隨鉆刻度、隨鉆密度測井儀等，更適用于復雜油氣藏開發的多參數隨鉆地層評價。

表1　MRC近鉆頭地質導向系統技術指標

2　MRC近鉆頭地質導向系統界面識別技術

2.1隨鉆方位伽馬儀器穿越儲層的響應特征

常規自然伽馬測量不具有測量方位信息能力，只能顯示鉆頭處于儲層還是非儲層中，一旦由于地層變化或者其他原因鉆頭鉆出儲層之后，不能及時指導定向工程師引導鉆頭重新回到儲層中去。MRC近鉆頭地質導向系統提供近鉆頭方位伽馬測量數值，結合旋轉方位信息，記錄多個扇區的測量值，因此這些測量值包含了井下儀器的方位信息，通過這些實時上傳的上、下伽馬數據，可以迅速通過調整鉆頭方位使鉆具重新在儲層中穿行。

通常利用常規伽馬數值計算地層傾角時，很難得到準確的視地層傾角值。但利用方位伽馬信息，不論何種情況僅需經過1個層面，就能夠得到鉆出儲層處儲層面視地層傾角資料，并且能夠判斷出鉆頭鉆出儲層中的位置，從而為盡快調整井眼軌跡提供了可能，真正達到地質導向實時決策的目的。通過MRC近鉆頭地質導向系統測量的方位伽馬可以計算出儀器與地層界面之間距離，并能夠對鉆頭穿出儲層上界面或下界面時的決策進行調整。利用方位伽馬計算的結果可以進行地層傾角預測，提高油層鉆遇率［3］。如圖1，從頂部進層時，下伽馬值首先降低，然后上伽馬值降低；從頂部出層時，上伽馬值首先抬起，然后下伽馬值抬起；從底部進層時，上伽馬值首先降低，然后下伽馬值降低；從底部出層時，下伽馬值首先抬起，然后上伽馬值抬起；完全進層或出層后，上、下伽馬值基本一致。

圖1　方位伽馬邊界響應示意圖

2.2隨鉆電阻率測量儀器穿越儲層的響應特征

MRC近鉆頭地質導向系統提供的多頻多深度電磁波電阻率隨鉆測量儀原理是在穿越地層介質時電磁波將產生衰減和相位移，并且穿越不同地層介質，電磁波產生的衰減和相位偏移也不近相，因此，可以通過測量電磁波的衰減和相位移來計算地層的電阻率和介電常數。最簡單的電磁波電阻率測量系統由1個發射天線和2個接收天線構成。通過發射天線的電流會形成一個磁場，后者通過井眼和周圍地層傳播到2個接收天線。借助這2個測量的時序和所收到的信號幅度，可以計算信號所穿越地層的電阻率［4-5］。MRC多頻多深度電磁波電阻率測量儀采用2 MHz和400 kHz的2個不同的電磁波頻段，以四發雙收非對稱補償的天線結構，即4個不同源距的發射天線交替向地層發射2 MHz和400 kHz電磁信號，2個接收天線接收電磁波，測量地層的電阻率。可得到12條不同探測深度的相位差、幅度比補償電阻率曲線及16條非補償電阻率曲線。利用不同地層流體的電阻率差異，通過對電阻率測量結果一致性、異常性和重復性的分析，可以幫助現場工程師實時判斷油水界面或其他的液相界面。

隨鉆電磁波電阻率探測邊界的原理主要是利用了邊界效應。復雜結構井井眼軌跡穿越地層界面時具有不同角度，因此可考慮通過研究隨鉆電磁波電阻率測量儀器在傾斜分層非均勻介質條件下測量的電磁響應機理來探討隨鉆電阻率測量儀器特異性。

史曉鋒等［6］利用雙發雙收介質模型對不同傾角下電阻率曲線正演進行了模擬，其結果如圖2，虛線代表衰減電阻率曲線，實線代表相位電阻率。隨鉆電磁波電阻率的邊界效應有助于識別儲層邊界，邊界效應通常也稱之為極化角。它是由穿過地層界面的不連續電場形成的，當電磁波電阻率測量儀和地層邊界角度較小時，其發射的電磁波會在邊界附近產生1個附加電磁場，這個附加電磁場與電磁波電阻率測量儀器本身所激發產生的電磁場相疊加，從而大幅度增強地層中信號強度，使測量點處測量值的急劇增加，并且這種測量數值上的變化是不可校正的。對相位電阻率來說，這個附加的電磁場的影響要遠大于對幅度比電阻率的影響，因此對產生極化角現象的概率來說，幅度比電阻率要遠小于相位電阻率。極化角的形成和幅度大小主要和井斜、地層電阻率大小和對比度等有關。儀器與地層之間的夾角越小，極化角越明顯，一般情況下夾角小于30°，目的層與圍巖電阻率的對比度越大越明顯，而相等電阻率數值的底層界面一般不產生極化角。

圖2　不同傾角和地層電阻率下的數值模擬

利用電測波電阻率測量儀的這種特性，能夠準確判斷鉆頭在油藏中的位置，從而控制鉆頭始終在目的層中油藏物性最好的位置穿行。這一特性，在薄油層水平井開發中得到了很好的應用。

3　實例分析與應用

MRC近鉆頭地質導向系統研制成功以來，已先后在勝利、江蘇、吉林等油田進行了20多口井的現場應用，累計無故障總工作時間3 000 h以上，平均單井儲層鉆遇率提高10%以上。MRC近鉆頭地質導向系統逐漸實現產品定型，工作穩定性得到了提高。

3.1勝3-平129井應用分析

勝3-平129井構造位置為濟陽坳陷東營凹陷坨-勝-永斷裂帶坨七斷塊。設計垂深1 372 m，A靶垂深1 370 m，B靶垂深1 372 m，A～B靶間水平距離150.14 m。原地質設計認為在垂深1 370 m時進入儲層，厚度1.8 m。當實際鉆至垂深1 370 m時，根據近鉆頭電磁波電阻率隨鉆實時測井數據顯示，原設計儲層發生變化，層厚僅為0.2 m，不具有開采價值。為此，甲方根據隨鉆電磁波電阻率測量數據及時調整鉆井目的層，放棄原設計目的層，開發下一儲層。當繼續鉆進至垂深1 376 m時，根據隨鉆電阻率曲線顯示地層的巖性、電性具有本區塊儲層特征，判斷儀器進入儲層，甲方現場地質人員判斷進入儲層，隨后氣測和砂樣顯示確認了這一判斷的正確性。

該井近鉆頭伽馬測量也起到很好的應用效果。常規地質導向系統自然伽馬傳感器離井底約21 m，經過集成后的MRC近鉆頭地質導向系統的自然伽馬測量零長只有10 m左右。測量零長約縮短10m，減少了測量盲區。從圖3隨鉆方位伽馬曲線可以看出，在1 603 m以上伽馬數值為74 API左右，為該區域的泥巖特征伽馬值，從1 603 m以后伽馬測量值開始降低，說明地層的泥質含量開始降低，根據地質設計判斷可能鉆遇儲層。同時根據電阻率測量曲線特征，及時調整井眼軌跡，最終使鉆頭以最佳角度在儲層著陸。如果按常規地質導向鉆井系統伽馬測量零長，根據當時該井實際情況，會損失30 m有效儲層。

圖3　自然伽馬與電阻率測量曲線

3.2黑平7井應用分析

黑平7井是吉林油田在乾安油田的一口評價井，設計井深3 276.81 m，垂深1 558.14 m，入靶井斜角90.56°，方位347.72°，設計水平段長1 500 m，目的層厚度為1.07 m，層內非均質性強，儲層豐度低，鉆探水平段存在一定風險。該井前期采用國外公司地質導向儀器時，井眼軌跡難以控制，鉆井期間多次鉆出儲層，造成鉆遇率不高（只有56%）。為此采用MRC近鉆頭地質導向系統進行地質導向施工。

由于MRC近鉆頭地質導向系統測斜零長比常規地質導向系統的測斜零長縮短9 m左右，現場定向工程師可以通過遠、近井斜的變化比對，及時判斷井眼軌跡走向，結合電阻率與自然伽馬曲線，對井眼軌跡進行精確控制，在該井儲層薄、水平段長的情況下達到70%鉆遇率，本井只用一趟鉆便完成580 m的地質導向任務，共用時121 h。利用近鉆頭地質導向儀器在實時鉆探地層進入以及鉆出界面時，顯示了近鉆頭測量參數實時性的優勢，為及時發現鉆頭處信息并采取相應措施贏得了時間。

4　結論與認識

（1）MRC近鉆頭地質導向系統采用電磁波電阻率、方位伽馬和井斜一體化設計，實現近鉆頭地質參數與工程參數集成測量，測量零長小于10 m能實時監測地層特征信息、辨別地層變化，測量的參數具有方位特性，能確定儲集層邊界的位置，利于及時調整井眼軌跡，降低打穿油層的風險，提高儲層鉆遇率。

（2）現場應用證明，該系統測量數據準確、工作穩定可靠，應用單井都獲得了較高的儲層鉆遇率。與常規地質導向系統應用效果對比，該系統更能實現對地層特性的判斷和鉆頭在儲層內穿行精確控制，平均單井儲層鉆遇率提高10%以上，可為薄油層的開發提供有力的技術支撐。

（3）在老油田開發后期，尤其是對薄油層及剩余油的開發中，MRC近鉆頭地質導向系統通過隨鉆電磁波電阻率和近鉆頭方位伽馬測量儀結合使用，能夠確定地層界面和劃分巖性，對地層物性進行初步評價，準確控制井眼軌跡，基本可以滿足定向軌跡測量和地質導向的要求，在降低水平井測井費用上取得明顯效益，在目前低油價時期，預計在水平井等復雜結構井中具有廣泛應用價值。

［1］趙金海，閆振來，馮光通，等.地質導向鉆井技術在埕71-平4井中的應用［J］.石油鉆采工藝，2005，27（1）：9-12，31.

［2］劉希東，賀昌華，王勝雷. FEWD在階梯式水平井鉆井中的應用［J］.石油鉆探技術，2002，30（4）：18-21.

［3］祝曉軍，郭明宇，毛敏.水平井施工中的地層識別技術［J］.錄井工程，2007，18（4）：36-39.

［4］杜志強，郝以嶺，張國龍.方位伽馬隨鉆測井在冀東油田水平井地質導向中的應用［J］.錄井工程，2008，19（1）：18-21.

［5］其木蘇榮，趙永芳，井孝功.偶極子在徑向非均勻介質中的電磁場分布［J］.大學物理，2004，23（8）：16-19.

［6］王偉，殷凱.大斜度井和水平井隨鉆測井曲線形態異常分析及在地層劃分中的應用［J］.中國海上油氣，2009，21（1）：27-30.

〔編輯付麗霞〕

Overall design and application of MRC near-bit geosteering system

WANG Zhifeng
（Drilling Technology Research Institute, SINOPEC Shengli Petroleum Engineering Co. Ltd., Dongying 257017, China）

Geosteering drilling technology has become an important method for stratum assessment of wells in complex structure. However, survey points of measuring parameters of conventional geosteering system feature average measuring zero length above 20 m, relatively far away from drilling stratum, thus causing relative lag of survey information, which is in particular adverse for thin reservoir development, and conventional natural gamma surveying does not have the capacity of measuring azimuth information, and cannot timely judge change of drilling tools in oil reservoir. The electromagnetic wave resistivity, azimuth gamma and well deflection integrated design technology, which is developed by Shengli Drilling Technology Research Institute and is adopted by MRC near-bid geosteering system, realizes integrated measurement of near-bit geological parameters and engineering parameters, and realizes near-bit (measuring zero length less than 10 m) measurement, greatly shortens measuring zero length It also realizes real-time monitoring of stratum feature information as well as identification of stratum change. The measurement parameters has azimuth features to enable determination of location of boundary of reservoir stratum, facilitate timely adjustment of well track, lower the risk of reservoir penetration and improve catching rate. It has been proved from field application that the system features accurate measured data, stable and reliable operation, and achieves high reservoir catching rate in single-well application. In comparison with the application effects of conventional geosteering system, the system better realizes judgment of stratum features and accurate control of drill track inside reservoirs, and improves average reservoir catching rate for single well by above 10%, and can provide powerful technical support for development of thin oil reservoir.

geosteering; interface identification; azimuth gamma; electromagnetic wave resistivity; measurement while drilling; MRC; measure zero-length

TE243

A

1000 – 7393（ 2015 ） 04 – 0001 – 04

10.13639/j.odpt.2015.04.001

中石化石油工程公司重點攻關項目“MRC地質導向系統工程化應用研究”（編號：SG13-33X）。

王智鋒, 1975年生。2011年畢業于中國石油大學（華東）油氣井工程專業，獲博士學位，現為副總工程師，主要從事鉆井技術研究和管理。電話：0546-8785786。E-mail：wangzf571@126.com。

2015-05-10）

引用格式：王智鋒. MRC近鉆頭地質導向系統總體設計與應用［J］.石油鉆采工藝，2015，37（4）：1-4.