MRC近钻头地质导向系统总体设计与应用

王　智　锋（中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营　257017）

MRC近钻头地质导向系统总体设计与应用

王智锋
（中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营257017）

地质导向钻井技术已成为复杂结构井地层评价的重要手段。但常规地质导向系统测量参数测点平均测量零长大于20 m，离正钻地层较远，测量信息相对滞后，对薄油层开发尤其不利，并且常规自然伽马测量不具有测量方位信息能力，不能及时判断钻具在油层中发生的变化。胜利钻井院研制的MRC近钻头地质导向系统采用电磁波电阻率、方位伽马和井斜一体化设计技术，实现近钻头地质参数与工程参数集成测量，实现了近钻头测量，大大缩短了测量零长（测量零长小于10 m），能够实时监测地层特征信息、辨别地层变化，测量的参数具有方位特性，能够确定储集层边界的位置，利于及时调整井眼轨迹，降低打穿油层的风险，提高储层钻遇率。现场应用证明，该系统测量数据准确、工作稳定可靠，应用单井都获得了较高的储层钻遇率。通过与常规地质导向系统应用效果对比，该系统更能实现对地层特性的判断和钻头在储层内穿行精确控制，平均单井储层钻遇率提高10%以上，可为薄油层的开发提供有力的技术支撑。

地质导向；界面识别；方位伽马；电磁波电阻率；随钻测量 ；MRC；测量零长

地质导向钻井技术是地质、钻井施工的综合信息应用［1］。随着随钻测控技术的迅猛发展，地质导向钻井技术成为大斜度井、水平井和多分支井等复杂结构井地层评价的重要手段［2］。但常规地质导向系统测量参数测点平均测量零长大于20 m，离正钻地层较远，测量信息相对滞后，对薄油层开发尤其不利，其自然伽马不具有测量方位信息能力，不能及时判断钻具在油层中发生的变化。

具有方位特性的近钻头地质导向系统由于测量零长相对较小（小于10 m），克服了常规地质导向系统的不足。现场定向井工程师利用获得的实时测量参数，能够及时识别储层顶部岩性信息、识别地层变化，通过方位特性测量，确定钻具在储层中的位置，随时调整井眼轨迹，使轨迹沿油层展布方向钻进，保证油层钻遇率。斯伦贝谢、哈利伯顿、贝克休斯等油服公司先后研发了近钻头地质导向系统。胜利钻井院在前期双参数地质导向系统研制成功的基础上，开展了具有方位特性的近钻头地质导向系统的研究，研发了以多频多深度随钻电磁波电阻率和近钻头方位伽马为核心的MRC近钻头地质导向系统。

1　MRC近钻头地质导向系统设计特点

MRC近钻头地质导向系统是在由感应电阻率和伽马形成的第1代双参数地质导向系统基础之上，以电磁波电阻率取代感应电阻率，前移方位伽马随钻测量仪形成的新的近钻头地质导向随钻测量系统。

MRC近钻头地质导向系统主要包括近钻头井斜/伽马测量系统、随钻电磁波电阻率测量系统、高速总线互连系统、MWD无线随钻测量系统等。整个系统采用多参数紧凑型设计，以多频多深度电磁波电阻率测量仪为核心，自然伽马采用方位结构设计，测井斜工具采用近钻头结构设计，将方位伽马、近钻头井斜、电磁波电阻率结构集成在1根钻铤上，连接在动力钻具的后面，上接MWD测量仪，实现了工程参数（井斜及方位）、地质参数（多深度电磁波电阻率和自然伽马）与近钻头井斜一体化集成设计。同时还可通过增加旋转方位测量模块，对自然伽马计数率进行分扇区统计，实现动态方位自然伽马测量。与原有技术相比，MRC近钻头地质导向系统同时可实现近钻头测量方位伽马及不同探测深度电阻率，主动调整井眼轨迹，降低打穿油层的风险，提高储层钻遇率和油气采收率。此外， MRC近钻头地质导向系统亦可串接其他随钻测量仪器组合使用，例如随钻中子、随钻刻度、随钻密度测井仪等，更适用于复杂油气藏开发的多参数随钻地层评价。

表1　MRC近钻头地质导向系统技术指标

2　MRC近钻头地质导向系统界面识别技术

2.1随钻方位伽马仪器穿越储层的响应特征

常规自然伽马测量不具有测量方位信息能力，只能显示钻头处于储层还是非储层中，一旦由于地层变化或者其他原因钻头钻出储层之后，不能及时指导定向工程师引导钻头重新回到储层中去。MRC近钻头地质导向系统提供近钻头方位伽马测量数值，结合旋转方位信息，记录多个扇区的测量值，因此这些测量值包含了井下仪器的方位信息，通过这些实时上传的上、下伽马数据，可以迅速通过调整钻头方位使钻具重新在储层中穿行。

通常利用常规伽马数值计算地层倾角时，很难得到准确的视地层倾角值。但利用方位伽马信息，不论何种情况仅需经过1个层面，就能够得到钻出储层处储层面视地层倾角资料，并且能够判断出钻头钻出储层中的位置，从而为尽快调整井眼轨迹提供了可能，真正达到地质导向实时决策的目的。通过MRC近钻头地质导向系统测量的方位伽马可以计算出仪器与地层界面之间距离，并能够对钻头穿出储层上界面或下界面时的决策进行调整。利用方位伽马计算的结果可以进行地层倾角预测，提高油层钻遇率［3］。如图1，从顶部进层时，下伽马值首先降低，然后上伽马值降低；从顶部出层时，上伽马值首先抬起，然后下伽马值抬起；从底部进层时，上伽马值首先降低，然后下伽马值降低；从底部出层时，下伽马值首先抬起，然后上伽马值抬起；完全进层或出层后，上、下伽马值基本一致。

图1　方位伽马边界响应示意图

2.2随钻电阻率测量仪器穿越储层的响应特征

MRC近钻头地质导向系统提供的多频多深度电磁波电阻率随钻测量仪原理是在穿越地层介质时电磁波将产生衰减和相位移，并且穿越不同地层介质，电磁波产生的衰减和相位偏移也不近相，因此，可以通过测量电磁波的衰减和相位移来计算地层的电阻率和介电常数。最简单的电磁波电阻率测量系统由1个发射天线和2个接收天线构成。通过发射天线的电流会形成一个磁场，后者通过井眼和周围地层传播到2个接收天线。借助这2个测量的时序和所收到的信号幅度，可以计算信号所穿越地层的电阻率［4-5］。MRC多频多深度电磁波电阻率测量仪采用2 MHz和400 kHz的2个不同的电磁波频段，以四发双收非对称补偿的天线结构，即4个不同源距的发射天线交替向地层发射2 MHz和400 kHz电磁信号，2个接收天线接收电磁波，测量地层的电阻率。可得到12条不同探测深度的相位差、幅度比补偿电阻率曲线及16条非补偿电阻率曲线。利用不同地层流体的电阻率差异，通过对电阻率测量结果一致性、异常性和重复性的分析，可以帮助现场工程师实时判断油水界面或其他的液相界面。

随钻电磁波电阻率探测边界的原理主要是利用了边界效应。复杂结构井井眼轨迹穿越地层界面时具有不同角度，因此可考虑通过研究随钻电磁波电阻率测量仪器在倾斜分层非均匀介质条件下测量的电磁响应机理来探讨随钻电阻率测量仪器特异性。

史晓锋等［6］利用双发双收介质模型对不同倾角下电阻率曲线正演进行了模拟，其结果如图2，虚线代表衰减电阻率曲线，实线代表相位电阻率。随钻电磁波电阻率的边界效应有助于识别储层边界，边界效应通常也称之为极化角。它是由穿过地层界面的不连续电场形成的，当电磁波电阻率测量仪和地层边界角度较小时，其发射的电磁波会在边界附近产生1个附加电磁场，这个附加电磁场与电磁波电阻率测量仪器本身所激发产生的电磁场相叠加，从而大幅度增强地层中信号强度，使测量点处测量值的急剧增加，并且这种测量数值上的变化是不可校正的。对相位电阻率来说，这个附加的电磁场的影响要远大于对幅度比电阻率的影响，因此对产生极化角现象的概率来说，幅度比电阻率要远小于相位电阻率。极化角的形成和幅度大小主要和井斜、地层电阻率大小和对比度等有关。仪器与地层之间的夹角越小，极化角越明显，一般情况下夹角小于30°，目的层与围岩电阻率的对比度越大越明显，而相等电阻率数值的底层界面一般不产生极化角。

图2　不同倾角和地层电阻率下的数值模拟

利用电测波电阻率测量仪的这种特性，能够准确判断钻头在油藏中的位置，从而控制钻头始终在目的层中油藏物性最好的位置穿行。这一特性，在薄油层水平井开发中得到了很好的应用。

3　实例分析与应用

MRC近钻头地质导向系统研制成功以来，已先后在胜利、江苏、吉林等油田进行了20多口井的现场应用，累计无故障总工作时间3 000 h以上，平均单井储层钻遇率提高10%以上。MRC近钻头地质导向系统逐渐实现产品定型，工作稳定性得到了提高。

3.1胜3-平129井应用分析

胜3-平129井构造位置为济阳坳陷东营凹陷坨-胜-永断裂带坨七断块。设计垂深1 372 m，A靶垂深1 370 m，B靶垂深1 372 m，A～B靶间水平距离150.14 m。原地质设计认为在垂深1 370 m时进入储层，厚度1.8 m。当实际钻至垂深1 370 m时，根据近钻头电磁波电阻率随钻实时测井数据显示，原设计储层发生变化，层厚仅为0.2 m，不具有开采价值。为此，甲方根据随钻电磁波电阻率测量数据及时调整钻井目的层，放弃原设计目的层，开发下一储层。当继续钻进至垂深1 376 m时，根据随钻电阻率曲线显示地层的岩性、电性具有本区块储层特征，判断仪器进入储层，甲方现场地质人员判断进入储层，随后气测和砂样显示确认了这一判断的正确性。

该井近钻头伽马测量也起到很好的应用效果。常规地质导向系统自然伽马传感器离井底约21 m，经过集成后的MRC近钻头地质导向系统的自然伽马测量零长只有10 m左右。测量零长约缩短10m，减少了测量盲区。从图3随钻方位伽马曲线可以看出，在1 603 m以上伽马数值为74 API左右，为该区域的泥岩特征伽马值，从1 603 m以后伽马测量值开始降低，说明地层的泥质含量开始降低，根据地质设计判断可能钻遇储层。同时根据电阻率测量曲线特征，及时调整井眼轨迹，最终使钻头以最佳角度在储层着陆。如果按常规地质导向钻井系统伽马测量零长，根据当时该井实际情况，会损失30 m有效储层。

图3　自然伽马与电阻率测量曲线

3.2黑平7井应用分析

黑平7井是吉林油田在乾安油田的一口评价井，设计井深3 276.81 m，垂深1 558.14 m，入靶井斜角90.56°，方位347.72°，设计水平段长1 500 m，目的层厚度为1.07 m，层内非均质性强，储层丰度低，钻探水平段存在一定风险。该井前期采用国外公司地质导向仪器时，井眼轨迹难以控制，钻井期间多次钻出储层，造成钻遇率不高（只有56%）。为此采用MRC近钻头地质导向系统进行地质导向施工。

由于MRC近钻头地质导向系统测斜零长比常规地质导向系统的测斜零长缩短9 m左右，现场定向工程师可以通过远、近井斜的变化比对，及时判断井眼轨迹走向，结合电阻率与自然伽马曲线，对井眼轨迹进行精确控制，在该井储层薄、水平段长的情况下达到70%钻遇率，本井只用一趟钻便完成580 m的地质导向任务，共用时121 h。利用近钻头地质导向仪器在实时钻探地层进入以及钻出界面时，显示了近钻头测量参数实时性的优势，为及时发现钻头处信息并采取相应措施赢得了时间。

4　结论与认识

（1）MRC近钻头地质导向系统采用电磁波电阻率、方位伽马和井斜一体化设计，实现近钻头地质参数与工程参数集成测量，测量零长小于10 m能实时监测地层特征信息、辨别地层变化，测量的参数具有方位特性，能确定储集层边界的位置，利于及时调整井眼轨迹，降低打穿油层的风险，提高储层钻遇率。

（2）现场应用证明，该系统测量数据准确、工作稳定可靠，应用单井都获得了较高的储层钻遇率。与常规地质导向系统应用效果对比，该系统更能实现对地层特性的判断和钻头在储层内穿行精确控制，平均单井储层钻遇率提高10%以上，可为薄油层的开发提供有力的技术支撑。

（3）在老油田开发后期，尤其是对薄油层及剩余油的开发中，MRC近钻头地质导向系统通过随钻电磁波电阻率和近钻头方位伽马测量仪结合使用，能够确定地层界面和划分岩性，对地层物性进行初步评价，准确控制井眼轨迹，基本可以满足定向轨迹测量和地质导向的要求，在降低水平井测井费用上取得明显效益，在目前低油价时期，预计在水平井等复杂结构井中具有广泛应用价值。

［1］赵金海，闫振来，冯光通，等.地质导向钻井技术在埕71-平4井中的应用［J］.石油钻采工艺，2005，27（1）：9-12，31.

［2］刘希东，贺昌华，王胜雷. FEWD在阶梯式水平井钻井中的应用［J］.石油钻探技术，2002，30（4）：18-21.

［3］祝晓军，郭明宇，毛敏.水平井施工中的地层识别技术［J］.录井工程，2007，18（4）：36-39.

［4］杜志强，郝以岭，张国龙.方位伽马随钻测井在冀东油田水平井地质导向中的应用［J］.录井工程，2008，19（1）：18-21.

［5］其木苏荣，赵永芳，井孝功.偶极子在径向非均匀介质中的电磁场分布［J］.大学物理，2004，23（8）：16-19.

［6］王伟，殷凯.大斜度井和水平井随钻测井曲线形态异常分析及在地层划分中的应用［J］.中国海上油气，2009，21（1）：27-30.

〔编辑付丽霞〕

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点攻关项目“MRC地质导向系统工程化应用研究”（编号：SG13-33X）。

王智锋, 1975年生。2011年毕业于中国石油大学（华东）油气井工程专业，获博士学位，现为副总工程师，主要从事钻井技术研究和管理。电话：0546-8785786。E-mail：wangzf571@126.com。

2015-05-10）

引用格式：王智锋. MRC近钻头地质导向系统总体设计与应用［J］.石油钻采工艺，2015，37（4）：1-4.