方位伽馬隨鉆測量技術現狀與發展展望

劉克強，陳財政，李 欣，楊曉峰，高永偉，曹 沖

（1.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院,陜西西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室,陜西西安 710018）

1 技術優點

方位伽馬是近年來發展起來的一種新型隨鉆測量技術,和常規自然伽馬隨鉆測量相比,主要具有三個方面的技術優勢。

（1）自然伽馬地質導向所測伽馬值為地層平均伽馬值,根據伽馬值的變化可以判斷鉆頭進入或離開儲層,但不具備方向性,無法準確判斷鉆頭從儲集層頂部或是底部進出,只能根據經驗或預判調控井眼軌跡,容易出現丟掉儲層的情況。方位伽馬能夠根據伽馬值變化和相關圖線分辨出當前井眼軌跡處于儲層頂部或底部,為軌跡調整提供準確依據,有利于軌跡精準控制。

（2）常規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,當發現井眼軌跡穿出儲層后進行糾正,將會損失比較長的有效鉆井進尺。方位伽馬隨鉆測量零長較短,尤其是近鉆頭方位伽馬測點距井底一般在1 m 以內,更有利于及時識別地層變化和調整井眼軌跡,減少糾正井段長度。

（3）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,只有在滿足特定條件的前提下,即當同一個層面被穿越兩次或在準確知道儲集層厚度并同時穿越該層頂底界面的情況下,才可以計算視地層傾角。方位伽馬可以根據數據方位特性準確快速反演計算地層構造情況,不但經過一個層面就可以實時計算視地層傾角,還可以通過數據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、儀器長度可以進一步計算出鉆頭與地層界面之間的距離,有利于優化控制井眼軌跡在儲層的相對位置和進行實時地質構造研究分析［3-5］。

2 國內外技術現狀

按照工作原理、結構形式、連接位置等的不同,目前國內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MWD 基礎上進行擴展,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,測量數據由MWD 系統傳輸至地面,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構簡單、安全性高、使用成本低等優點。主要缺點為：①測量探管距鉆頭比較遠,測量信息滯后,不利于及時發現出入儲層和及時回調軌跡；②儀器居于無磁鉆鋌水眼內,地層伽馬信號被環空鉆井液、鉆鋌吸收后,儀器測量靈敏度降低。

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

表1 國內外探管式方位伽馬主要技術參數對比

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數率的吸收,提高了計數率。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品。國內近年來多家技術服務公司、儀器裝備制造商開展了相關研發（見表2）,但整體上仍處于研究與試驗應用階段。

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表2 國內外主要鉆鋌式方位伽馬工具（儀器）技術參數

目前國內外的鉆鋌式方位伽馬儀器在機械結構、連接位置、系統獨立性等方面有很大不同（見表3）。按照機械結構形式的不同,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,但工具長度不能太長,如BitSub、HAGR 等。根據伽馬儀器在BHA 的連接位置不同,有近鉆頭和遠鉆頭之分,如iPZIG、BitSub、Inc@Bit、ABG 等屬于近鉆頭（連接于鉆頭后面、動力鉆具或旋轉導向前面）,Ontrak、SureLog-AZG 等屬于遠鉆頭（連接在動力鉆具或旋轉導向后面）。

圖1 兩類方位伽馬儀器結構剖面

表3 國內外鉆鋌式方位伽馬工具（儀器）對比

根據方位伽馬模塊的相對獨立性,可以分為獨立式和集成式兩大類型,獨立式即方位伽馬工具（儀器）以相對獨立的系統存在,一般由近鉆頭測量發射短接、接收通訊短節（實現與MWD/LWD 的數據傳輸）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、旋轉導向等其他系統上的,比如Ontrak、SureLog-AZG、ABG、GABI、CGDS-Ⅰ等。

3 應用情況及存在問題

3.1 應用情況

目前國外方位伽馬隨鉆測量關鍵技術已比較成熟,工具（儀器）已經實現系列化,同時商業化程度也很高。近年來,一方面隨著國內油氣勘探開發中后期“薄、散、碎、多”儲層工作量增大和頁巖油氣、致密油氣、煤層氣等非常規資源的勘探開發,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在國內多個油田已開展應用［9-13］。以鄂爾多斯盆地的現場應用情況為例,方位伽馬隨鉆測量技術應用效果顯著,推廣前景廣闊。

3.1.1 探評井應用情況

針對探評井存在的參考鄰井距離遠、資料少、地質不確定性大等難題,在多口探評井中開展了方位伽馬隨鉆地質導向技術的試驗應用,提高發現率、降低鉆井地質風險、減少地質循環時間等效果突出。以風險勘探水平井LY1H 井為例,該井目的層下甜點儲層變化快、砂體鉆遇難度大,因此優選采用了旋轉導向和onTrack 方位伽馬隨鉆地質導向技術,高效完成了2 000 m 水平段的任務目標,砂巖鉆遇率達74%,初期測試求產獲得日產116.8 t 的高產工業油流。

3.1.2 致密氣開發井應用情況

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（點壩）砂體,儲層具有縱向多期疊置,橫向連續性差、厚度薄且變化快、存在透鏡狀泥巖薄層等特點。在此地質條件下,常規自然伽馬很難高效指導鉆進“找砂避泥”,因此試驗應用了方位伽馬隨鉆地質導向技術。以Q1-*-*H1 井為例,該井為三開結構水平井,完鉆井深5 470 m,水平段長1 200 m。在水平段應用APS 方位伽馬及地質導向儀器,水平段2 趟鉆完成,水平段鉆井周期13.5 d,最高機械鉆速5.48 m/h,最高日進尺達206 m,與采用常規自然伽馬的鄰井水平井相比,儲層鉆遇率提高了13.27%,并超越了所在井區多項鉆井技術指標。再如J45-24H2井,水平段使用旋轉導向及近鉆頭伽馬成像工具,不但解決了水平段常規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械鉆速13.28 m/h和水平井鉆井周期44.44 d兩項記錄,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 頁巖油開發井應用情況

鄂爾多斯盆地頁巖油儲層具有地質構造復雜、厚度薄、隔夾層發育、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,因此在頁巖油開發井中進行了方位伽馬隨鉆地質導向技術小規模推廣應用。以HH 井區隨機抽取的40 口井為例,其中使用onTrack 方位伽馬10 口,應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,和同平臺或同井區常規自然伽馬隨鉆地質導向相比,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的情況下,和同平臺或同井區常規自然伽馬地質導向井相比,平均儲層鉆遇率提高15.1%,個別平臺提高了32.5%（見圖2）。

圖2 同平臺GIT方位伽馬與常規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一般在中國只做技術服務,不出售相關產品,國內產品在穩定性、數據精確性、安全性等方面和國外同類產品相比還存在一定差距。費用、產品成熟度等因素在一定程度上限制了該技術的應用,雖然局部已進行小規模推廣,但整體應用規模較小。

（2）目前國內外研制的方位伽馬隨鉆測量設備尺寸類型主要有?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）目前國內外所有的方位伽馬隨鉆測量儀器,其數據一般通過MWD 或LWD 傳輸到地面。我國現在各油田使用的MWD 數據傳輸速率普遍小于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據上傳和實時成像。

4 結論與建議

（1）方位伽馬隨鉆測井技術（尤其是近鉆頭方位伽馬）可提供軌跡調整精準依據、有利于及時回調軌跡、減少糾正井段長度,在提高儲層鉆遇率和鉆井效率、優化井眼軌跡、降低井下地質風險等方面效果明顯。隨著復雜儲層油氣資源和頁巖油油氣、致密油氣等非常規資源的勘探開發,應用前景廣闊。

（2）靠近鉆頭的數據測量能及時了解鉆進軌跡和地層變化,能更加及時、精準地指導鉆頭重新回到原儲層中,因此近鉆頭方位伽馬、井斜一體化設計是目前該技術發展與應用的大趨勢。

（3）進一步完善提高?120.7 mm 及以上尺寸國產化方位伽馬隨鉆測量產品的技術性能,加快? 120.7 mm 以下小尺寸方位伽馬隨鉆測量儀器研發,滿足老井套管開窗側鉆或小井眼井提高儲層鉆遇率、減少泥巖段井下復雜的迫切需要。

（4）加強MWD/LWD 數據傳輸速率、地質導向軟件、旋轉導向等配套技術的研發,進一步提升國內方位伽馬隨鉆測量技術的應用效果。