地质导向钻井前探技术现状及进展

林 昕，苑仁国，秦 磊，刘素周，苏朝博，卢中原，于忠涛，谭伟雄

(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452)

0 引 言

基于常规随钻测井(Logging-While-Drilling，LWD)技术的地质导向钻井“就像坐在飞机尾部(而非驾驶舱)操控一架飞机”[1]。这是由于大多数LWD技术都是基于“负”距离，即钻开地层后传感器才能进行测量。地质导向钻井前探技术(简称前探技术，下同)是指在随钻过程中能更早获取钻头附近或钻头前地层数据的设备和方法。前探技术提高了地质导向钻井的主动性，并被广泛应用于套管下深设计、钻井靶点着陆、水平段钻井轨迹优化等方面，该技术一直是地质导向技术发展的热点方向[2-8]。从近钻头前探技术、随钻地震前探技术和方位电磁波前探技术的技术研究和现场应用等方面对前探技术进行综述，对前探技术应用进行了分析，明确任务技术发展方向。该研究有助于了解各技术的优缺点，为前探技术方案优选以及相关技术的自主研发提供参考。

1 近钻头前探技术

近钻头前探技术是指在靠近钻头位置安装传感器进行地层参数测量的技术，该技术相对钻头仍然是“负”距离。常规随钻测井技术的传感器测量位置在钻头后部，与钻头的距离平均为15～20 m，近钻头前探技术将传感器测量位置提前至距钻头约1～2 m处，大幅提高了地质导向钻井的成功率。近钻头前探技术的主要挑战是马达工具(需要紧接在钻头后面，提供定向钻井控制)限制了传感器的安装。

近钻头前探技术的实现是将测量短节安装于马达和钻头中间(图1)。该技术利用电磁波信号短传的方式将近钻头测量短节测量的数据传输至随钻测量(Measurement-While-Drilling，MWD)工具，再通过MWD工具传输至地面控制系统[9]。为了提高测量短节通讯稳定性，研究人员进一步研发了超声波[10]、电信号[11]以及电缆[12]等信号传输方式。此外，测量短节的长度影响马达对轨迹定向的控制效果，被限制长度的短节上可以安装的LWD组件有限，大多数近钻头测量短节测量的地质参数局限于电阻率、伽马等数据。由于测量短节安装于马达前端，其全程保持旋转，可为方向性测量以及全井筒成像提供便利。

图1 近钻头前探技术结构示意图Fig.1 The structure diagram of near-bit pre-prospecting technology

1.1 技术研究进展

近钻头前探技术是地质导向钻井中最早成功应用的前探技术。1992年Anadrill公司首次提出了地质导向的概念，1993年该公司推出了提供近钻头测量的综合钻井评价和测井系统(Integrated Drilling Evaluation And Logging)[1]。该系统的工具组成主要包括近钻头测量短节以及测传导向马达(Instrumented Steerable Motor)[2，13]等。

近钻头测量短节的代表性工具包括：Baker Huges的ZoneTrak G/R可提供伽马或电阻率测量；Sperry-Sun的GABI[14]可提供方向性伽马测量，用于判断钻井轨迹和地层的切割关系；Pathfinder的iPZIG[15]可测量8象限伽马成像，用于分析地层倾角，并可在高温高压环境中使用。中国石油钻井工程技术研究所研制的CGDS可同时提供钻头电阻率、方向性电阻率、方向性伽马等测量[2，16]；大庆钻探工程公司研制的DQNBMS可同时提供钻头电阻率、方向性伽马等测量[17]；此外，中石化胜利石油工程有限公司研制的NBGS、中海油田服务股份有限公司研制的NBIG、中国石油集团测井有限公司研制的BITEye[18]等可提供方向性伽马测量。

测传导向马达因为旋转导向(Rotary Steerable System，RSS)工具的成功应用而逐步被替代。绝大多数RSS工具的电子部件集成了近钻头测量短节所包含的主要测量项目，包括方向性伽马、连续测斜等。代表性的RSS工具有Schlumberger的PowerDrive系列、Baker Huges的AutoTrak系列以及Halliburton的GeoPilot系列。近几年中国在RSS领域发展迅猛，目前投入现场应用的包括中海油田服务股份有限公司的Welleader、中国石油川庆钻探工程有限公司的CG-STEER、中国航天科技集团有限公司的Auto-Servo、中石化胜利石油工程有限公司的SINOMACS ATS等。以上RSS工具近钻头测量距离为0.5～3.0 m，方向性伽马分辨率大多为4象限，与近钻头短节性能参数相当；相比近钻头短节加马达的钻具组合，RSS工具安全性更高、采用旋转定向可以使井眼轨迹更平滑。

1.2 现场应用进展

近钻头前探技术在中国油气田勘探开发中应用普遍。Li等[19]在新疆塔里木哈德逊油田的双台阶超深(垂深大于5 500 m)、超薄(目的层真实厚度为0.4～0.8 m)、低阻(1～2 Ω·m)油藏水平井开发中，研究了以近钻头前探技术为核心的综合地质导向方案。该方案基于RSS工具的近钻头方向性伽马以及连续测斜数据，利用方向性伽马测量数据判断钻井轨迹位于目的层的顶部或底部，同时提出了利用近钻头连续测斜数据获取钻头在顶底板地层的反作用力下形成的方位漂移趋势进行导向决策的方法。该案例证实了近钻头前探技术对解决海相沉积的深部薄储层开发难题是适用的，统计已完成的15口井，平均钻遇率达到了86%。Zheng等[20]在四川页岩气开发中遇到了导向窗口窄(约为0.8 m)、可参照标志层少等问题。利用RSS工具的近钻头伽马成像，在缺少标志层的情况下准确拾取地层倾角，控制轨迹在窄窗口中平滑穿行，相比常规LWD工具降低了模型的多解性，钻遇率达到了100%。同时，成像精度满足地质导向需求，避免了单纯为地质导向分析而组合LWD成像工具[21]，减少了井底钻具的组合长度，有效降低了开发成本。

近钻头前探技术可应用于各类地质导向钻井，并有逐步从辅助分析组件转变为核心决策组件的趋势。近钻头伽马、电阻率等地质参数测量可避免常规录井监测数据的延时，提高钻井时效；近钻头井斜测量可用于钻井轨迹精细控制，避免大狗腿度井眼轨迹的出现，确保钻完井工程安全；近钻头方向性测量、高精度成像可为地质导向决策提供依据，提高目的层钻遇率。相比下文将要介绍的其他前探技术，近钻头前探技术的实现形式更灵活，经济高效。近年来，在中国页岩气等非常规资源开发中，近钻头前探技术已逐步作为核心组件取代了传统LWD工具，该技术被认为是高效经济开发非常规资源的有效手段之一。

2 随钻地震前探技术

随钻地震前探技术是通过区分地质构造引起的层界面反射，获取地层的声学属性以及弹性属性，实现前探功能的一项技术。相比基于核物理和电法等的地球物理方法，地震波波长相对较长，在地层中衰减慢、传播距离远。其前探距离可以达到数百米，但分辨率低，对于薄层等分辨效果差。

随钻地震的思想起源于20世纪30年代，利用顿钻钻具组合产生的振动脉冲作为震源进行垂直地震剖面(Vertical Seismic Profile，VSP)观测。该方法因旋转钻井技术推广而被淘汰。随钻地震前探技术的再次兴起是因为常规VSP技术的局限性，如无法完成对大斜度井的测量，需中途起钻进行数据采集等。

随钻地震前探技术按照地震信号采集方式可分为2种[22-25]：①R-VSP：以钻头钻进产生的振动作为震源，地面布置检波器接收地震信号；②VSP-WD：地面震源发出振动，井底的LWD工具接收地震信号。由于传感器和震源位置是已知的，这2种方式都是测量单程地震波速度。

2.1 R-VSP

20世纪60年代，研究人员发现旋转钻井过程中牙轮钻头振动产生的能量和频带宽度可以用作震源，并把检波器安装在地表接收振动信号[24]。由于该信号传递方式和常规VSP相反，也被称为R-VSP (Reverse-VSP)技术。代表性的产品有意大利AGIP主导研制的SEISBIT[19]、法国Institut Francais du Petrole研制的TRAFOR[26]；近年来，沙特Saudi Aramco研制了DrillCAM[27]，利用无线检波器提高数据采集灵活性，并添加近钻头震动监测组件提高地震波数据采集精度。

中国对随钻地震前探技术的研究始于20世纪末，主要研究方向为R-VSP技术[22-23]。主要成果有：西安石油学院张绍槐等[28-29]进行了理论研究及数值模拟，并在江汉油田进行了最早的试验；东方地球物理公司罗斌[30]等进行了采集系统设计和处理方法研究，并在新疆油田进行试验，取得较大进展；胜利油田钻井工艺研究院联合中国地震局、中国海洋大学研究了增强钻头信号能量的脉冲发生装置[31-32]、高灵敏度数字地震仪[33]、信号提取[34]以及数据处理方法[35-36]等；中海石油湛江分公司联合高校对莺-琼盆地高温高压地层进行了深度、压力预测等应用研究[37-38]。

2.2 VSP-WD

R-VSP技术受井场噪音等影响导致数据信噪比低。此外，钻井常用的PDC钻头产生的轴向振动比牙轮钻头小而不适合作为震源。1999年，Schlumberger主导研发新技术：震源在地面发出振动，在井底钻具中安装集成检波器的LWD工具来接收地震信号[39]。由于信号传递方式与常规VSP技术相同，因此，该技术被称为随钻VSP(VSP-WD)。这种新型的集成检波器的LWD工具即后来的SeismicVISION[40]，业内同类型工具有Baker Huges的SeismicTrak[41]。现场应用中，VSP-WD通常在接钻井管柱的间歇进行地震数据采集，不会对正常钻井作业产生影响。该方案受限于MWD工具的泥浆信号传输速率，只能传输实时校验炮和波形等部分数据，其余数据需等到起钻后读取工具内存获取。中国石油钻井工程技术研究院研制了基于VSP-WD的测量系统[42]，并提出了通过液压推靠结构将集成检波器的LWD贴紧井壁，以提高地震波数据的随钻采集精度[43]。总的来说，中国对VSP-WD技术研究较少。

应用研究上，Shi等[44]在塔里木哈拉哈塘油田首次应用VSP-WD技术对碳酸盐岩缝洞体进行探测。目标缝洞体埋深达到6 000～8 000 m，因为钻前模型和真实地层构造存在偏差导致钻遇率低。为此，采用了地震导向钻井(Seismic Guided Drilling)综合技术方案，包含VSP-WD、勘探地震和测井解释等成果的综合运用。利用VSP-WD数据进行多次联合反演迭代，改善了对缝洞体的聚焦效果。钻探结果证实，基于VSP-WD预测的垂深误差小于8 m，提高了钻遇率。高永德等[45]在南海莺歌海盆地应用VSP-WD技术预测高压储层深度及地层压力系数，结果表明：VSP-WD技术预测的垂深误差小于6 m，孔隙压力和破裂压力预测误差小于3%和1%。利用VSP-WD技术可确保套管准确下入高压层上部，指导钻井液窗口设置、优化完井段钻井液密度。

随钻地震前探技术目前主要应用于预测地层速度、深度和压力参数等方面，并可指导地质停钻、确定套管下深、泥浆窗口设置等。通过联合反演等技术，地层深度预测精度提高至10 m以内，压力参数误差降至1%，可避免油气侵入、漏失等钻完井工程风险发生。目前，R-VSP技术受信号信噪比影响，在深井、高斜度井、软地层等环境中应用受限，VSP-WD是目前随钻地震前探技术应用研究的主要方向。

3 方位电磁波前探技术

方位电磁波前探技术是基于阵列电磁波电阻率测量技术发展而来，通过测量不同源距接收线圈间的感应电动势的幅度比或相位差，获取相移电阻率或衰减电阻率。地层的电性差异通常是由于流体性质不同导致的，当不同地层之间存在明显电性差异时，仪器探测得到的电性边界等同于地层边界。因此，方位电磁波前探技术不适用的情况包括：与围岩电阻率差别较小的低阻油藏，电性边界不清晰的地层环境(电阻率变化缓慢呈斜坡形态)，高阻地层环境。方位电磁波探测的结果是基于地层特征(包括电导率、层厚以及倾角等)和发送、接收线圈的响应关系，因此，作业施工前的地层正演响应分析是必要的，以确认方位电磁波前探技术的适用性和优化钻井过程中的实时反演参数。

方位电磁波前探技术相比其他前探技术发展最晚，但应用范围广泛，迅速成为前探技术的发展热点。2005年，Schlumberger推出了业内首个方位电磁波工具PeriScope[46]。自问世以来，该技术经历了边界探测(Bed-Boundary-Mapping)[46]——储层成像(Reservoir Mapping-While-Drilling)[47]——随钻前视(Looking Ahead-While-Drilling)[48]等3代技术升级。各大油服公司相继研发了同类型工具(表1)。长城钻探工程公司刘乃震等[49]提出了基于交联天线的GW-LWD(BWR)工具，胜利石油工程技术有限公司研发的基于正交天线的AMR工具[50-51]，中海油技服研发了基于双斜正交天线的DWPR工具。中国目前的研究水平相当于第1代技术——边界探测，高级方位电磁波前探技术目前被外国技术公司所垄断。

表1 国外方位电磁波前探技术发展及其代表性工具Table 1 The development and representative tools of foreign azimuthelectromagnetic wave pre-prospecting technology

方位电磁波前探技术测量得到感应电动势的幅度比或相位差必须依靠反演运算转换为对地层信息的定性、定量解释。第1代的边界探测技术最初商业化应用时，采用了单(双)边界的反演算法，仅识别工具上下地层的电性界面距离以及3层地层电阻率值[51-53]。在此基础上，主要对反演算法进行改进并对硬件进行少量修正，升级为多边界探测技术[54]，技术发展历程上介于方位电磁波前探技术的第1代和第2代技术之间，代表性工具有Schlumberger的PeriScopeHD和Baker Huges的AziTrak-infinity。

3.1 边界探测技术

边界探测技术的实现是将阵列电磁波电阻率测量工具的发送或接收线圈的角度进行调整，在钻铤旋转过程中其测量结果呈现方向性特征，以此获取地层电阻率以及电性界面相对传感器的位置和距离信息[46]。

边界探测技术受电性环境影响，其测量深度会发生变化，最深可以达到4.5～6.7 m。如图2所示，当导向轨迹与电性界面之间的夹角θ较小时，边界探测技术可以提前探测到电性界面，从而在钻至地层变化之前对轨迹进行主动调整[55-56]。

图2 边界探测技术的前探实现Fig.2 The pre-prospecting with Frontier realization ofbed boundary mapping technology

边界探测技术在中国陆地及海上油气田被广泛应用。Yang等[57]在新疆陆梁油田开发中有10余年、近200口水平井应用边界探测技术的经验。边界探测技术可以将轨迹精确控制在距离目的层顶部0.5 m左右的位置，确保“阁楼油”顺利开采；多边界探测技术可以识别“绕流油”分布特征，并通过水平井将分割开来的“甜点”串联起来。该技术解决了陆相沉积油田成熟区块水平井开发面临的“阁楼油”和“绕流油”等普遍问题，延长了老油田的生命力[58]。Wu等[59]在南海某高含水油田(含水率为98%)开发中面临油水关系复杂、河道砂体叠置分布不清等挑战。利用多边界探测技术指导水平井钻进过程中平稳穿过泥岩夹层，实现追踪优质砂体，并将轨迹放置在砂体中上部以延缓水淹时间，提高了水平井产能。

边界探测技术被广泛应用于水平井着陆、水平段钻井等地质导向施工中。基于对电性边界的识别可实现对复杂油气藏的精细刻画，从而区分油水界面、探测地层上下边界、识别叠置砂体分布特征等。其测量精度小于0.5 m，可用于指导钻井轨迹的实时调整，确保钻井轨迹在目的层中延伸，以提高钻井时效、钻遇率和保障水平井产能。

3.2 储层成像

储层成像是在边界探测技术的基础上发展而来的，其探测深度达到30.5～68.6 m。硬件上的改进主要为增加低频电磁波频率以及增加线圈收发距。其中，发射短节中的信号发生装置为横向磁偶极子(Tranverse Magnetic Dipole)[47-48，60-61]。此外，储层成像技术沿用了多边界的反演算法，由于方向性曲线数量增多，需要连接基于云端的服务器完成反演运算。

2015年，Schlumberger在业内率先实现储层成像技术商业化应用。储层成像的前探原理与边界探测技术相同，但在测量深度上比边界探测技术提高了近10倍。因探测深度更深，前探距离更远，储层成像可以同勘探地震数据形成较好的对比校正，其研究对象不再局限于产层的狭窄范围。该技术可以协助地质学家完善地震解释、油藏和构造模型分析，提高油气储层发现几率。

Li等[60]在渤海油田某区块应用储层成像技术进行水平井着陆作业，虽然受到目的层上部发育砂体的干扰，着陆过程中还是提前约28 m(垂深)识别出目的层。在钻头进入目的层之前，探测出层厚(12 m)和电阻率(40 Ω·m)等信息。根据探测结果提前优化钻井着陆轨迹，在目的层实际埋深比设计深12 m的情况下一次着陆成功，未浪费水平段进尺。水平井作业过程中，验证了此前探测的层厚、电阻率等数据的准确性。储层成像技术打破了该区块常规作业流程，在水平井施工前无需钻导眼井来确定目的层靶点位置，缩短了水平井钻井周期。该案例对低勘探程度区块水平井开发具有参考价值。

3.3 随钻前视技术

上文提到边界探测技术和储层成像技术本质上都是向测量工具的两侧进行探测，其前探测量的实现是借助地层与轨迹之间的夹角几何关系。Upchurch等[55]研究证明，即使使用测量深度最深的储层成像技术，当测量工具与电性界面的夹角大于30 °(假设电性界面水平，则井斜角小于60 °)时也几乎不可能探测到钻头前的地层信息(图2)，而随钻前视技术则不受此影响。随钻前视技术是真正在物理设计上实现方位电磁波前探的随钻技术，该技术可以与随钻地震前探技术形成有效互补。

Schlumberger于2019年推出业内首个商业化的随钻前视工具IriSphere，可以达到提前钻头30 m距离的前视探测[62-65]。截至目前未见业内其他同类型产品。随钻前视技术的测量方法是基于储层成像技术发展而来，硬件设计上是将原来接在RSS工具后的发射短节位置调整为直接连接钻头，并在发射短节和RSS工具之间增加阵列电磁波电阻率(EMLWD)工具(图3)。

图3 随钻前视技术井底工具组合示意图Fig.3 The schematic diagram of the downhole tool assembly of looking ahead while drilling technology

将发射短节靠近钻头可使电磁波信号更多地测量到钻头前的地层。EMLWD工具则被用于提高反演算法精度：通过测量已钻地层水平电阻率，进行地层剖面分层和围岩校正。横向磁偶极子耦合产生的电磁波场分布变化提高了对钻头前地层的探测灵敏度。随钻前视技术的探测区间可以分为前视、侧视和后视3个部分。侧视和后视测量的反演运算依据EMLWD的实际测量值进行优化，优化后的反演模型和参数被用来提高前视探测的精度[48，63]。

尽管随钻前视技术近1 a才正式商业化，但目前在中国海上及陆地油气田均有成功应用的案例。Yang等[64]在南海乐东气田应用随钻前视技术实现了对高压薄砂岩层顶面的预测。常规方案中基于VSP的探测方法可以识别厚度大于15 m的高压层，但当厚度小于10 m时，无法通过VSP技术识别。前期因为对高压层顶面位置的预测精度低，钻井过程中出现因连通不同压力地层导致井漏、井壁坍塌等复杂工况发生。利用随钻前视技术可提前6 m(垂深)探测到砂岩层，根据探测结果及时下套管，成功避开目的层上部发育的高压砂岩储薄层，最终钻探证实随钻前视的预测垂深误差小于1 m。此外，Guo等[65]在新疆塔里木大北油田应用随钻前视技术预测高压盐膏层的底面位置，作业方正尝试基于随钻前视技术进一步优化常规导向方案中的小尺寸钻头钻井工艺参数以缩短钻井周期。

随钻前视技术目前主要应用于预测高风险井异常压力层的界面位置，指导地质停钻、确定套管下深。相比随钻地震前探技术，其前探测量精度更高，预测精度可达到1 m左右，对于薄层识别等具有明显优势。该技术的初步应用取得了良好反馈，被列为“六位一体预监测”的核心技术之一[66]，在未来深部高温超压油气资源地质工程一体化开发中不可或缺。

4 技术总结及发展方向

4.1 前探技术总结

近钻头、随钻地震和方位电磁波等前探技术各有优缺点。

(1) 近钻头前探技术是最早应用的前探技术。该技术提高了地质导向钻井的响应时效，可以实现轨迹精细导向控制，有效解决窄窗口地质导向等问题。其实现形式灵活，相比其他前探技术具有经济高效的优势，被广泛应用于各类地质导向钻井中，并有取代传统LWD成为核心决策组件的趋势。但其探测深度浅，无法识别宏观层面的油气藏特征，本质上仍属于“被动”地质导向。

(2) 随钻地震前探技术的探测深度最深，但测量精度低，无法达到钻井工程施工中“米级精度”的要求，可以应用于对预测精度要求低的作业场景中。随钻地震前探技术主要用于预测地层速度、深度和压力参数等，广泛应用于地质停钻、确定套管下深、泥浆窗口设置等场景。其中，R-VSP技术对于深井、高斜度井、软地层等应用效果差；VSP-WD技术适用环境广，相比R-VSP数据信噪比高，但受限于数据传输速率，无法实时获取全波场数据。

(3) 方位电磁波前探技术是应用最广泛的前探技术。首先，探测深度上可以满足从产层(几米)到油气藏(几十米)的测量范围；其次，测量精度小于1 m，可以实时调整钻井作业的施工程序，优化钻井轨迹。方位电磁波前探技术自问世以来已完成了3代技术升级，是当下前探技术的研究热点。该技术对电性边界的探测可用于剩余油开发、复杂油气藏精细刻画、地层深度预测等。方位电磁波前探技术不适用于电性特征不明显、高电阻等地层环境。

4.2 发展方向

结合在套管下深设计、钻井轨迹优化等方面的需求，建议在以下领域开展前探技术的研发。

(1) 近钻头前探技术。中国目前较重视RSS工具的研发。RSS工具主要用于改善定向钻井施工条件，因此，较关注造斜率等核心性能提升。伽马测量作为次级功能，目前大多设计为4象限的方向性伽马。建议提高近钻头伽马成像精度至8象限以上，以便获取地层倾角分析，辅助地质导向实时决策。

(2) 随钻地震前探技术。目前，国际上更重视VSP-WD技术，中国则侧重于R-VSP技术的研究。建议加快VSP-WD技术与工具的研发。研究地震导向钻井技术，提高随钻地震前探技术的综合解释精度，缩短地震资料解释和成像周期，加强地震分析和钻井工程的实时结合。

(3) 方位电磁波前探技术。方位电磁波前探技术已分别实现了向两侧、向前的深探测，国外技术公司目前正研究同时具备2种深探测能力的第4代技术[48]。建议中国研究机构在现有的单/双边界反演算法基础上研究多边界反演算法，提高复杂地层的模型适应性，为储层成像和随钻前探技术奠定算法基础；硬件上，在现有的边界探测工具基础上循序开展储层成像和随钻前视技术攻关。

(4) 在前探技术的应用研究上，对于勘探程度低的初探井、高风险井、新探区水平井等可以应用前探技术监测钻井风险，缩短开发周期并降低作业成本；对于复杂油气藏的开发，可通过多种前探技术的综合运用，提高对断裂发育、盐下、高陡构造带等地质目标的成像能力，实现复杂油气藏精细刻画，保障产能建设[67]。

5 结束语

地质导向钻井前探技术具有广阔的应用前景，高级前探技术长期以来处在外国技术公司垄断的局面，发展具有自主知识产权的地质导向前探技术对中国能源上游行业的增储上产、降本增效具有重要意义。此外，面对油气资源勘探开发中遇到的诸多世界级挑战，研究多方法联合的前探技术应用，可以形成具有针对性、经济性的解决方案，从而推动非常规、深部油气等接替资源的可持续发展。