近钻头方位伽马地质导向技术在东胜气田的应用

程 国 齐真真 王 邦 吴早平

（中石化经纬有限公司华北测控公司）

0 引言

地质导向技术是在水平井钻进过程中，基于各种地质资料、结合随钻测井及随钻测量仪器响应，实时监控和调整井眼轨迹，指引井眼轨迹进入目的层并保持在目的层内穿行的一种综合地质测控技术[1-4]。在水平井钻井过程中，通过实时测量井底信息数据，判断井下钻具在地层中的相对位置，同时依靠测量地质参数对所钻地层进行实时评价，从而对井下钻具进行精确控制，命中最佳地质目标[5]。

目前东胜气田地质导向采用的是随钻自然伽马仪器，伽马测量探管距离钻头较远，测量得到的地层伽马数据存在13～17 m的测量盲区，对于气田开发早期，展布稳定且厚度较大的储层，能够优质完成地质导向任务，但随着气田开发进程的不断深入，对于断层发育、构造起伏不定的储层，一旦钻头钻穿储层，很难再次钻入储层。更为严重的是，由于伽马探管位于钻头后面较远处，当得到测量伽马数据发现已经钻穿储层后，再进行井眼轨迹调整，会造成钻井进尺的极大浪费，进而影响钻井施工周期和降低储层钻遇率。

基于近钻头方位伽马的地质导向技术能够及时纠正这些方面的问题，在复合以及定向滑动交互钻进过程中，近钻头方位伽马通过与MWD 相结合，能够根据上传带有方位信息的伽马数据及时、准确地反映钻遇地层岩性特征[6]，而且在钻穿储层后，可以准确判别是从储层顶面出层还是从储层底面出层，有助于指导水平井下一步的地质导向施工。

本文介绍的近钻头方位伽马工具位于钻头后0.68 m，可以及时、准确地获取钻头钻遇地层的方位伽马数据、井斜数据。因此，该近钻头方位伽马工具可以弥补常规随钻自然伽马测量工具在地质导向工作中的不足，为准确判断储层特征，精细调整井眼轨迹提供决策依据。同时，根据近钻头方位伽马的工作特点，形成一套适用于东胜气田的精细地质导向技术，对于东胜气田油气资源的开发具有重要意义。

1 近钻头方位伽马

近钻头传感器已经在国内外先进的地质导向系统中得到广泛应用，传感器可以测量距离钻头1～2 m范围内的井斜角、方位角、温度、压力、转速等工程参数及地层电阻率、方位伽马等地质参数[7]。随着东胜气田开发进程的不断深入，复杂的井下地质条件对于地质导向技术的要求越来越高，为了提升气田开发效率，开始引入基于近钻头方位伽马测量的地质导向技术进行先导性试验。

方位伽马测量的原理与常规的电缆自然伽马测井原理类似，都是通过测量地层内岩性自然放射性来刻度地层中自然存在的放射性物质放出的伽马射线的强度[1]。但是，与常规自然伽马测井不同的是，方位伽马是利用多个探测器测量，测量得到具有方位性信息的数据。另外，由于在随钻测量过程中，测量得到的地层信息受到钻井液侵入等外部环境的影响很小，得到的伽马数据能够更加真实地反映原状地层信息，而且近钻头方位伽马测量仪器距离钻头较近，地质导向师可以根据近钻头测量仪器测量的能够反映钻头钻遇地层岩性及钻头在地层位置中的信息（图1）监测和控制井眼轨迹的走向，并及时调整井眼轨迹，更好地引导钻头穿过薄储层和复杂储层，使井眼轨迹能够安全有效地沿着油气目标地质体持续钻进。

图1 方位伽马测量示意

1.1 工作原理

随钻方位伽马测井仪测量的是岩层中自然存在的放射性核素衰变过程中放射出的γ 射线的能级宽度，通过闪烁计数器俘获来自地层的伽马射线，采用API（标准刻度自然伽马）刻度后可同时应用于裸眼井和套管井施工中[1]。地层中放射性元素发射γ 射线，随钻测量工具内的自然伽马探测器探测到γ射线并产生光子[8]，使用光电倍增管对光子进行加速使其转换成电脉冲，然后对电脉冲及其他获取的测量参数信号进行编码，使其转换成串行信号，通过井下装置将该信号传输至地面设备，由地面计算机对信号进行解码处理[9-11]，并与测量的井深数据进行匹配得到具有实时方位信息的地层伽马数据，供地质导向人员根据伽马数据的变化来辅助进行地质导向。

常规的随钻自然伽马测量仪虽然能够指示井眼轨迹是在砂岩储层中还是在非储层中[3]，但是在水平段井眼轨迹钻出砂岩储层后，常规的随钻自然伽马测量数据没有方位信息，无法用于确定井眼轨迹是从上面，还是从下面钻出储层，不能及时指示如何钻回储层。近钻头方位伽马除了具有常规随钻伽马的功能外，其测量的伽马数据还具有方位信息，当井眼轨迹钻出储层后，可以明确地指示地质导向人员如何调整井眼轨迹回到储层中；近钻头方位伽马短节同时测量的井底井斜、方位、工具面等工程信息[12-14]，还可使地质导向人员对井眼轨迹进行精准控制。

1.2 仪器结构

随钻方位伽马测量仪通常将2个探测器对称安装于钻铤表面（图2a），用来记录来自探测器对应地层的伽马射线。在钻进中，探测器随井下钻具一起旋转，利用井下扇区方位测量系统（图2b）分时、分区累计来自各探测器对应地层的伽马射线[8]，经过实体刻度及修正技术得到国际通用的API数据来进行地质导向。

图2 方位伽马结构及测量扇区分布示意

受井下测量工具信号传输速率的限制，施工中为了减少数据的传输量，一般会对伽马探测器周边测量数据进行合成，将8 个方位的测量数据合成为上、下、左、右4 个方位的伽马值，仅将上、下两个方位的伽马测量值实时传输到地面[12]。需要注意的是，有的方位伽马仪器是集成在无磁钻铤上或无磁钻铤内部，其测量时不是贴靠在井壁进行测量，测量数据受井眼大小、钻井液密度及钻井液钾含量等影响较大，但这些影响可以通过地面数据处理软件予以回归校正[1]。

1.3 主要指标

近钻头方位伽马导向仪器主要有探管式和钻铤式两种（图3）。探管式仪器长度1 600 mm，钻铤式仪器长度1 240 mm，适用于通用井眼和215.9～241.3 mm 之间的井眼，伽马测量范围为0～500 API，测量扇区为存储8 扇区测量数据，可实现对钻遇地层360°全井周的精确描述，并实时上传上、下两个方位的测量数据。测量环境在100 API、测量速度18.3 m/h情况下，仪器的伽马测量精准度为±5 API。仪器测量垂直分辨率为152.0 mm，在钻井过程中进行测量时最大旋转速度能达到300 r/min，能够在175℃以下的环境中进行工作。

图3 探管式、钻铤式近钻头方位伽马导向仪器

2 应用实例

东胜气田储层以辫状河沉积为主，河道迁移频繁，纵向、横向变化较快[15]，心滩多期次垂向或侧向叠置，单砂体厚度薄（3～8 m），心滩宽厚比及河道宽厚比较大，储层预测难度较大。同时，区内断层发育，地质条件较为复杂，复杂的地下地质构造特征也给储层构造预测带来较大的不确定性，水平井施工过程中存在着陆失败、着陆效率低和水平段井眼轨迹频繁调整等问题。

为了解决目前气田水平井钻井施工中存在的问题和难点，同时为了建立气田的“示范井工程”，并验证近钻头方位伽马地质导向技术在东胜气田应用效果，东胜气田先后在J 30-6-P2 井、J 30-5-P16 井和J 30-4-P18 井3 口水平井引入并应用近钻头方位伽马地质导向钻井系统，储层平均钻遇率为97.44%，“甜点”平均钻遇率为85.43%，较气田储层平均钻遇率和“甜点”平均钻遇率分别提高了10.18%和13.29%。在侧钻段对于及时识别储层顶界、确定靶点着陆深度，水平段钻出储层后快速判断、调整井眼轨迹钻回储层以及地层倾角拾取等方面取得了较好的应用效果。

2.1 侧钻段应用

东胜气田J 30-6-P2 井为中国石化华北油气分公司在东胜气田J 30 井区部署的一口开发水平井，以下石盒子组盒1 下3 段为主要目的层新建产能。该井设计A靶点垂深3 495.00 m，B靶点垂深3 490.50 m，靶前距300 m，水平段长1 500 m，闭合方位166°。由于完钻后只能通过对水平段的射孔、压裂改造来释放产能，甲方要求本井着陆过程中要严格控制靶前距，尽可能减少靶前损失。

原地质设计及导向模型认为，本井侧钻段钻至垂深3487.93 m时进入储层，进入储层7.07 m着陆。本井实际钻进至斜深3621 m（垂深3488.68 m）时，井斜角80.66°，下伽马突然由52 API上升至114 API，此时钻遇砂岩储层垂厚仅1.2 m，地质导向方根据区域及邻井资料综合分析后认为本井目的层发生相变。为此，汇报讨论后甲方要求在不损失靶前距的情况下下探砂岩，满足条件后尽快着陆。地质导向方据此下发指令，决定以井底井斜稳斜钻探储层砂岩顶，当下探至斜深3685 m（垂深3496.17 m）时，下伽马先于上伽马减小，方位伽马值变化明显且下伽马值由122 API下降至36 API（图4），地质导向方认为已经钻遇目的层储层，汇报后钻进至斜深3 690 m（垂深3496.72 m），以井斜83.83°及时着陆。最终，本井侧钻段在目的层砂岩顶垂深较设计后推8.27 m 的情况下成功着陆，且A靶点靶前距为308.47 m，较原设计仅损失了8.47 m 的靶前距，圆满完成了侧钻段的施工任务。

2.2 水平段应用

使用无方位信息的常规自然伽马进行地质导向时，在井眼轨迹钻出储层后不能明确指明如何进行井眼轨迹调整，无法使井眼轨迹重新快速钻回到储层中[16-18]。利用近钻头方位伽马实时测量数据，能明确地指示地质导向人员如何调整井眼轨迹，以便在损失较少无效进尺的情况下重新钻回到储层中。

针对在施工过程中常见的两种出层模式（图5），方位伽马表现为：

图5 井眼轨迹分别从储层顶、底钻出

（1）从储层顶钻出：上伽马测量曲线先上升，下伽马测量曲线后上升（图5a）。

（2）从储层底钻出：下伽马测量曲线先上升，上伽马测量曲线后上升（图5b）。

东胜气田J 30-5-P16 井水平段钻进过程中，当钻至斜深4 113 m 时，井斜角90.97°，上伽马值由73 API上升至133 API，且上伽马大于下伽马测量值，最后上下伽马趋于一致（图6），同时井底钻时由2 min/m 上升至4 min/m，结合岩屑、气测值数据，说明是上切，表明井眼轨迹从储层顶部钻出储层。地质导向方决定定向降斜钻进，最终在斜深4132 m重新进入储层。

图6 J 30-5-P16井近钻头方位伽马测量曲线

2.3 地层倾角的拾取

在使用常规随钻自然伽马资料计算地层倾角时，当同一个地层层面被钻头两次钻遇或在准确知道储层厚度并且钻头同时钻穿该储层顶面和底面的情况下，才能计算出地层倾角[3，10]。而利用近钻头方位伽马资料，只需要钻遇或者测量到一个地层层面，就可以准确拾取该穿越点处或测量点处的地层倾角[13]，同时可以准确指示是从储层的什么位置钻出储层的，从而为地质导向调整井眼轨迹提供科学决策依据，真正实现地质导向的及时决策。

利用方位伽马计算地层倾角（图7）：

图7 地层倾角计算参数关系示意

式中：α为地层倾角，（°），α为负值表示地层上倾，α为正值表示地层下倾；D为井径，cm；Δd为上、下伽马数值变化点的间距，cm；β为井斜角，（°）。

J 30-5-P16 井4 110～4 135 m 井段，上、下伽马曲线形态明确指示了钻头从储层顶部钻出储层（图6），此时利用上述地层倾角计算公式即可计算出该点处的地层倾角为-0.64°，从而为地质导向对井眼轨迹井斜的调整提供科学数据支持。

3 结论

（1）东胜气田3 口应用近钻头方位伽马地质导向技术的先导试验水平井，储层平均钻遇率为97.44%，“甜点”平均钻遇率为85.43%，较气田储层平均钻遇率和“甜点”平均钻遇率分别提高了10.18% 和13.29%，取得了良好的技术应用效果。

（2）在3口水平井侧钻段入靶过程中，近钻头方位伽马地质导向技术充分发挥了测量盲区短的优势，结合井底实时测量数据，水平井跟踪人员及时判断井底钻遇情况，为控制和调整井眼轨迹提供了足够的操作空间，在确保3 口井100%中靶的同时，减少了因为靶点垂深调整而带来的靶前距损失。

（3）在东胜气田使用的常规伽马随钻测量技术，因测点与钻头距离较大，导致井区测量“盲区”较大，无法实时探测井底实钻情况；而近钻头方位伽马测量因测点距离钻头较近，可实时测量井底钻遇情况，进而可帮助工程、地质人员对井眼轨迹实现精准判断和控制。

（4）使用近钻头方位伽马地质导向技术的水平井，其测量的伽马带有方位信息，在井眼轨迹钻出储层后可以帮助地质导向人员快速调整井眼轨迹，重新钻回储层中，进而减少水平段无效进尺，提高储层及油气“甜点”钻遇率。

（5）地质导向人员运用近钻头方位伽马地质导向技术在一定程度上实现了实时地质导向，该技术对东胜气田地下构造复杂、河道迁移频繁导致的储层快速变化而造成的井眼轨迹控制难度大等地区的油气开采提供了强有力的技术支撑。3 口井的技术验证表明，该技术在东胜气田应用前景广阔，具有较高的推广应用价值。