近鉆頭方位伽馬地質導向技術在東勝氣田的應用

程 國 齊真真 王 邦 吳早平

（中石化經緯有限公司華北測控公司）

0 引言

地質導向技術是在水平井鉆進過程中，基于各種地質資料、結合隨鉆測井及隨鉆測量儀器響應，實時監控和調整井眼軌跡，指引井眼軌跡進入目的層并保持在目的層內穿行的一種綜合地質測控技術[1-4]。在水平井鉆井過程中，通過實時測量井底信息數據，判斷井下鉆具在地層中的相對位置，同時依靠測量地質參數對所鉆地層進行實時評價，從而對井下鉆具進行精確控制，命中最佳地質目標[5]。

目前東勝氣田地質導向采用的是隨鉆自然伽馬儀器，伽馬測量探管距離鉆頭較遠，測量得到的地層伽馬數據存在13～17 m的測量盲區，對于氣田開發早期，展布穩定且厚度較大的儲層，能夠優質完成地質導向任務，但隨著氣田開發進程的不斷深入，對于斷層發育、構造起伏不定的儲層，一旦鉆頭鉆穿儲層，很難再次鉆入儲層。更為嚴重的是，由于伽馬探管位于鉆頭后面較遠處，當得到測量伽馬數據發現已經鉆穿儲層后，再進行井眼軌跡調整，會造成鉆井進尺的極大浪費，進而影響鉆井施工周期和降低儲層鉆遇率。

基于近鉆頭方位伽馬的地質導向技術能夠及時糾正這些方面的問題，在復合以及定向滑動交互鉆進過程中，近鉆頭方位伽馬通過與MWD 相結合，能夠根據上傳帶有方位信息的伽馬數據及時、準確地反映鉆遇地層巖性特征[6]，而且在鉆穿儲層后，可以準確判別是從儲層頂面出層還是從儲層底面出層，有助于指導水平井下一步的地質導向施工。

本文介紹的近鉆頭方位伽馬工具位于鉆頭后0.68 m，可以及時、準確地獲取鉆頭鉆遇地層的方位伽馬數據、井斜數據。因此，該近鉆頭方位伽馬工具可以彌補常規隨鉆自然伽馬測量工具在地質導向工作中的不足，為準確判斷儲層特征，精細調整井眼軌跡提供決策依據。同時，根據近鉆頭方位伽馬的工作特點，形成一套適用于東勝氣田的精細地質導向技術，對于東勝氣田油氣資源的開發具有重要意義。

1 近鉆頭方位伽馬

近鉆頭傳感器已經在國內外先進的地質導向系統中得到廣泛應用，傳感器可以測量距離鉆頭1～2 m范圍內的井斜角、方位角、溫度、壓力、轉速等工程參數及地層電阻率、方位伽馬等地質參數[7]。隨著東勝氣田開發進程的不斷深入，復雜的井下地質條件對于地質導向技術的要求越來越高，為了提升氣田開發效率，開始引入基于近鉆頭方位伽馬測量的地質導向技術進行先導性試驗。

方位伽馬測量的原理與常規的電纜自然伽馬測井原理類似，都是通過測量地層內巖性自然放射性來刻度地層中自然存在的放射性物質放出的伽馬射線的強度[1]。但是，與常規自然伽馬測井不同的是，方位伽馬是利用多個探測器測量，測量得到具有方位性信息的數據。另外，由于在隨鉆測量過程中，測量得到的地層信息受到鉆井液侵入等外部環境的影響很小，得到的伽馬數據能夠更加真實地反映原狀地層信息，而且近鉆頭方位伽馬測量儀器距離鉆頭較近，地質導向師可以根據近鉆頭測量儀器測量的能夠反映鉆頭鉆遇地層巖性及鉆頭在地層位置中的信息（圖1）監測和控制井眼軌跡的走向，并及時調整井眼軌跡，更好地引導鉆頭穿過薄儲層和復雜儲層，使井眼軌跡能夠安全有效地沿著油氣目標地質體持續鉆進。

圖1 方位伽馬測量示意

1.1 工作原理

隨鉆方位伽馬測井儀測量的是巖層中自然存在的放射性核素衰變過程中放射出的γ 射線的能級寬度，通過閃爍計數器俘獲來自地層的伽馬射線，采用API（標準刻度自然伽馬）刻度后可同時應用于裸眼井和套管井施工中[1]。地層中放射性元素發射γ 射線，隨鉆測量工具內的自然伽馬探測器探測到γ射線并產生光子[8]，使用光電倍增管對光子進行加速使其轉換成電脈沖，然后對電脈沖及其他獲取的測量參數信號進行編碼，使其轉換成串行信號，通過井下裝置將該信號傳輸至地面設備，由地面計算機對信號進行解碼處理[9-11]，并與測量的井深數據進行匹配得到具有實時方位信息的地層伽馬數據，供地質導向人員根據伽馬數據的變化來輔助進行地質導向。

常規的隨鉆自然伽馬測量儀雖然能夠指示井眼軌跡是在砂巖儲層中還是在非儲層中[3]，但是在水平段井眼軌跡鉆出砂巖儲層后，常規的隨鉆自然伽馬測量數據沒有方位信息，無法用于確定井眼軌跡是從上面，還是從下面鉆出儲層，不能及時指示如何鉆回儲層。近鉆頭方位伽馬除了具有常規隨鉆伽馬的功能外，其測量的伽馬數據還具有方位信息，當井眼軌跡鉆出儲層后，可以明確地指示地質導向人員如何調整井眼軌跡回到儲層中；近鉆頭方位伽馬短節同時測量的井底井斜、方位、工具面等工程信息[12-14]，還可使地質導向人員對井眼軌跡進行精準控制。

1.2 儀器結構

隨鉆方位伽馬測量儀通常將2個探測器對稱安裝于鉆鋌表面（圖2a），用來記錄來自探測器對應地層的伽馬射線。在鉆進中，探測器隨井下鉆具一起旋轉，利用井下扇區方位測量系統（圖2b）分時、分區累計來自各探測器對應地層的伽馬射線[8]，經過實體刻度及修正技術得到國際通用的API數據來進行地質導向。

圖2 方位伽馬結構及測量扇區分布示意

受井下測量工具信號傳輸速率的限制，施工中為了減少數據的傳輸量，一般會對伽馬探測器周邊測量數據進行合成，將8 個方位的測量數據合成為上、下、左、右4 個方位的伽馬值，僅將上、下兩個方位的伽馬測量值實時傳輸到地面[12]。需要注意的是，有的方位伽馬儀器是集成在無磁鉆鋌上或無磁鉆鋌內部，其測量時不是貼靠在井壁進行測量，測量數據受井眼大小、鉆井液密度及鉆井液鉀含量等影響較大，但這些影響可以通過地面數據處理軟件予以回歸校正[1]。

1.3 主要指標

近鉆頭方位伽馬導向儀器主要有探管式和鉆鋌式兩種（圖3）。探管式儀器長度1 600 mm，鉆鋌式儀器長度1 240 mm，適用于通用井眼和215.9～241.3 mm 之間的井眼，伽馬測量范圍為0～500 API，測量扇區為存儲8 扇區測量數據，可實現對鉆遇地層360°全井周的精確描述，并實時上傳上、下兩個方位的測量數據。測量環境在100 API、測量速度18.3 m/h情況下，儀器的伽馬測量精準度為±5 API。儀器測量垂直分辨率為152.0 mm，在鉆井過程中進行測量時最大旋轉速度能達到300 r/min，能夠在175℃以下的環境中進行工作。

圖3 探管式、鉆鋌式近鉆頭方位伽馬導向儀器

2 應用實例

東勝氣田儲層以辮狀河沉積為主，河道遷移頻繁，縱向、橫向變化較快[15]，心灘多期次垂向或側向疊置，單砂體厚度?。?～8 m），心灘寬厚比及河道寬厚比較大，儲層預測難度較大。同時，區內斷層發育，地質條件較為復雜，復雜的地下地質構造特征也給儲層構造預測帶來較大的不確定性，水平井施工過程中存在著陸失敗、著陸效率低和水平段井眼軌跡頻繁調整等問題。

為了解決目前氣田水平井鉆井施工中存在的問題和難點，同時為了建立氣田的“示范井工程”，并驗證近鉆頭方位伽馬地質導向技術在東勝氣田應用效果，東勝氣田先后在J 30-6-P2 井、J 30-5-P16 井和J 30-4-P18 井3 口水平井引入并應用近鉆頭方位伽馬地質導向鉆井系統，儲層平均鉆遇率為97.44%，“甜點”平均鉆遇率為85.43%，較氣田儲層平均鉆遇率和“甜點”平均鉆遇率分別提高了10.18%和13.29%。在側鉆段對于及時識別儲層頂界、確定靶點著陸深度，水平段鉆出儲層后快速判斷、調整井眼軌跡鉆回儲層以及地層傾角拾取等方面取得了較好的應用效果。

2.1 側鉆段應用

東勝氣田J 30-6-P2 井為中國石化華北油氣分公司在東勝氣田J 30 井區部署的一口開發水平井，以下石盒子組盒1 下3 段為主要目的層新建產能。該井設計A靶點垂深3 495.00 m，B靶點垂深3 490.50 m，靶前距300 m，水平段長1 500 m，閉合方位166°。由于完鉆后只能通過對水平段的射孔、壓裂改造來釋放產能，甲方要求本井著陸過程中要嚴格控制靶前距，盡可能減少靶前損失。

原地質設計及導向模型認為，本井側鉆段鉆至垂深3487.93 m時進入儲層，進入儲層7.07 m著陸。本井實際鉆進至斜深3621 m（垂深3488.68 m）時，井斜角80.66°，下伽馬突然由52 API上升至114 API，此時鉆遇砂巖儲層垂厚僅1.2 m，地質導向方根據區域及鄰井資料綜合分析后認為本井目的層發生相變。為此，匯報討論后甲方要求在不損失靶前距的情況下下探砂巖，滿足條件后盡快著陸。地質導向方據此下發指令，決定以井底井斜穩斜鉆探儲層砂巖頂，當下探至斜深3685 m（垂深3496.17 m）時，下伽馬先于上伽馬減小，方位伽馬值變化明顯且下伽馬值由122 API下降至36 API（圖4），地質導向方認為已經鉆遇目的層儲層，匯報后鉆進至斜深3 690 m（垂深3496.72 m），以井斜83.83°及時著陸。最終，本井側鉆段在目的層砂巖頂垂深較設計后推8.27 m 的情況下成功著陸，且A靶點靶前距為308.47 m，較原設計僅損失了8.47 m 的靶前距，圓滿完成了側鉆段的施工任務。

2.2 水平段應用

使用無方位信息的常規自然伽馬進行地質導向時，在井眼軌跡鉆出儲層后不能明確指明如何進行井眼軌跡調整，無法使井眼軌跡重新快速鉆回到儲層中[16-18]。利用近鉆頭方位伽馬實時測量數據，能明確地指示地質導向人員如何調整井眼軌跡，以便在損失較少無效進尺的情況下重新鉆回到儲層中。

針對在施工過程中常見的兩種出層模式（圖5），方位伽馬表現為：

圖5 井眼軌跡分別從儲層頂、底鉆出

（1）從儲層頂鉆出：上伽馬測量曲線先上升，下伽馬測量曲線后上升（圖5a）。

（2）從儲層底鉆出：下伽馬測量曲線先上升，上伽馬測量曲線后上升（圖5b）。

東勝氣田J 30-5-P16 井水平段鉆進過程中，當鉆至斜深4 113 m 時，井斜角90.97°，上伽馬值由73 API上升至133 API，且上伽馬大于下伽馬測量值，最后上下伽馬趨于一致（圖6），同時井底鉆時由2 min/m 上升至4 min/m，結合巖屑、氣測值數據，說明是上切，表明井眼軌跡從儲層頂部鉆出儲層。地質導向方決定定向降斜鉆進，最終在斜深4132 m重新進入儲層。

圖6 J 30-5-P16井近鉆頭方位伽馬測量曲線

2.3 地層傾角的拾取

在使用常規隨鉆自然伽馬資料計算地層傾角時，當同一個地層層面被鉆頭兩次鉆遇或在準確知道儲層厚度并且鉆頭同時鉆穿該儲層頂面和底面的情況下，才能計算出地層傾角[3，10]。而利用近鉆頭方位伽馬資料，只需要鉆遇或者測量到一個地層層面，就可以準確拾取該穿越點處或測量點處的地層傾角[13]，同時可以準確指示是從儲層的什么位置鉆出儲層的，從而為地質導向調整井眼軌跡提供科學決策依據，真正實現地質導向的及時決策。

利用方位伽馬計算地層傾角（圖7）：

圖7 地層傾角計算參數關系示意

式中：α為地層傾角，（°），α為負值表示地層上傾，α為正值表示地層下傾；D為井徑，cm；Δd為上、下伽馬數值變化點的間距，cm；β為井斜角，（°）。

J 30-5-P16 井4 110～4 135 m 井段，上、下伽馬曲線形態明確指示了鉆頭從儲層頂部鉆出儲層（圖6），此時利用上述地層傾角計算公式即可計算出該點處的地層傾角為-0.64°，從而為地質導向對井眼軌跡井斜的調整提供科學數據支持。

3 結論

（1）東勝氣田3 口應用近鉆頭方位伽馬地質導向技術的先導試驗水平井，儲層平均鉆遇率為97.44%，“甜點”平均鉆遇率為85.43%，較氣田儲層平均鉆遇率和“甜點”平均鉆遇率分別提高了10.18% 和13.29%，取得了良好的技術應用效果。

（2）在3口水平井側鉆段入靶過程中，近鉆頭方位伽馬地質導向技術充分發揮了測量盲區短的優勢，結合井底實時測量數據，水平井跟蹤人員及時判斷井底鉆遇情況，為控制和調整井眼軌跡提供了足夠的操作空間，在確保3 口井100%中靶的同時，減少了因為靶點垂深調整而帶來的靶前距損失。

（3）在東勝氣田使用的常規伽馬隨鉆測量技術，因測點與鉆頭距離較大，導致井區測量“盲區”較大，無法實時探測井底實鉆情況；而近鉆頭方位伽馬測量因測點距離鉆頭較近，可實時測量井底鉆遇情況，進而可幫助工程、地質人員對井眼軌跡實現精準判斷和控制。

（4）使用近鉆頭方位伽馬地質導向技術的水平井，其測量的伽馬帶有方位信息，在井眼軌跡鉆出儲層后可以幫助地質導向人員快速調整井眼軌跡，重新鉆回儲層中，進而減少水平段無效進尺，提高儲層及油氣“甜點”鉆遇率。

（5）地質導向人員運用近鉆頭方位伽馬地質導向技術在一定程度上實現了實時地質導向，該技術對東勝氣田地下構造復雜、河道遷移頻繁導致的儲層快速變化而造成的井眼軌跡控制難度大等地區的油氣開采提供了強有力的技術支撐。3 口井的技術驗證表明，該技術在東勝氣田應用前景廣闊，具有較高的推廣應用價值。