林 昕，苑仁國(guó)，秦 磊，劉素周，蘇朝博，盧中原，于忠濤，譚偉雄

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

0 引 言

基于常規(guī)隨鉆測(cè)井(Logging-While-Drilling，LWD)技術(shù)的地質(zhì)導(dǎo)向鉆井“就像坐在飛機(jī)尾部(而非駕駛艙)操控一架飛機(jī)”[1]。這是由于大多數(shù)LWD技術(shù)都是基于“負(fù)”距離，即鉆開(kāi)地層后傳感器才能進(jìn)行測(cè)量。地質(zhì)導(dǎo)向鉆井前探技術(shù)(簡(jiǎn)稱前探技術(shù)，下同)是指在隨鉆過(guò)程中能更早獲取鉆頭附近或鉆頭前地層數(shù)據(jù)的設(shè)備和方法。前探技術(shù)提高了地質(zhì)導(dǎo)向鉆井的主動(dòng)性，并被廣泛應(yīng)用于套管下深設(shè)計(jì)、鉆井靶點(diǎn)著陸、水平段鉆井軌跡優(yōu)化等方面，該技術(shù)一直是地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)方向[2-8]。從近鉆頭前探技術(shù)、隨鉆地震前探技術(shù)和方位電磁波前探技術(shù)的技術(shù)研究和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等方面對(duì)前探技術(shù)進(jìn)行綜述，對(duì)前探技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了分析，明確任務(wù)技術(shù)發(fā)展方向。該研究有助于了解各技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，為前探技術(shù)方案優(yōu)選以及相關(guān)技術(shù)的自主研發(fā)提供參考。

1 近鉆頭前探技術(shù)

近鉆頭前探技術(shù)是指在靠近鉆頭位置安裝傳感器進(jìn)行地層參數(shù)測(cè)量的技術(shù)，該技術(shù)相對(duì)鉆頭仍然是“負(fù)”距離。常規(guī)隨鉆測(cè)井技術(shù)的傳感器測(cè)量位置在鉆頭后部，與鉆頭的距離平均為15～20 m，近鉆頭前探技術(shù)將傳感器測(cè)量位置提前至距鉆頭約1～2 m處，大幅提高了地質(zhì)導(dǎo)向鉆井的成功率。近鉆頭前探技術(shù)的主要挑戰(zhàn)是馬達(dá)工具(需要緊接在鉆頭后面，提供定向鉆井控制)限制了傳感器的安裝。

近鉆頭前探技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是將測(cè)量短節(jié)安裝于馬達(dá)和鉆頭中間(圖1)。該技術(shù)利用電磁波信號(hào)短傳的方式將近鉆頭測(cè)量短節(jié)測(cè)量的數(shù)據(jù)傳輸至隨鉆測(cè)量(Measurement-While-Drilling，MWD)工具，再通過(guò)MWD工具傳輸至地面控制系統(tǒng)[9]。為了提高測(cè)量短節(jié)通訊穩(wěn)定性，研究人員進(jìn)一步研發(fā)了超聲波[10]、電信號(hào)[11]以及電纜[12]等信號(hào)傳輸方式。此外，測(cè)量短節(jié)的長(zhǎng)度影響馬達(dá)對(duì)軌跡定向的控制效果，被限制長(zhǎng)度的短節(jié)上可以安裝的LWD組件有限，大多數(shù)近鉆頭測(cè)量短節(jié)測(cè)量的地質(zhì)參數(shù)局限于電阻率、伽馬等數(shù)據(jù)。由于測(cè)量短節(jié)安裝于馬達(dá)前端，其全程保持旋轉(zhuǎn)，可為方向性測(cè)量以及全井筒成像提供便利。

圖1 近鉆頭前探技術(shù)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure diagram of near-bit pre-prospecting technology

1.1 技術(shù)研究進(jìn)展

近鉆頭前探技術(shù)是地質(zhì)導(dǎo)向鉆井中最早成功應(yīng)用的前探技術(shù)。1992年Anadrill公司首次提出了地質(zhì)導(dǎo)向的概念，1993年該公司推出了提供近鉆頭測(cè)量的綜合鉆井評(píng)價(jià)和測(cè)井系統(tǒng)(Integrated Drilling Evaluation And Logging)[1]。該系統(tǒng)的工具組成主要包括近鉆頭測(cè)量短節(jié)以及測(cè)傳導(dǎo)向馬達(dá)(Instrumented Steerable Motor)[2，13]等。

近鉆頭測(cè)量短節(jié)的代表性工具包括：Baker Huges的ZoneTrak G/R可提供伽馬或電阻率測(cè)量；Sperry-Sun的GABI[14]可提供方向性伽馬測(cè)量，用于判斷鉆井軌跡和地層的切割關(guān)系；Pathfinder的iPZIG[15]可測(cè)量8象限伽馬成像，用于分析地層傾角，并可在高溫高壓環(huán)境中使用。中國(guó)石油鉆井工程技術(shù)研究所研制的CGDS可同時(shí)提供鉆頭電阻率、方向性電阻率、方向性伽馬等測(cè)量[2，16]；大慶鉆探工程公司研制的DQNBMS可同時(shí)提供鉆頭電阻率、方向性伽馬等測(cè)量[17]；此外，中石化勝利石油工程有限公司研制的NBGS、中海油田服務(wù)股份有限公司研制的NBIG、中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司研制的BITEye[18]等可提供方向性伽馬測(cè)量。

測(cè)傳導(dǎo)向馬達(dá)因?yàn)樾D(zhuǎn)導(dǎo)向(Rotary Steerable System，RSS)工具的成功應(yīng)用而逐步被替代。絕大多數(shù)RSS工具的電子部件集成了近鉆頭測(cè)量短節(jié)所包含的主要測(cè)量項(xiàng)目，包括方向性伽馬、連續(xù)測(cè)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。近幾年中國(guó)在RSS領(lǐng)域發(fā)展迅猛，目前投入現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的包括中海油田服務(wù)股份有限公司的Welleader、中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司的CG-STEER、中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司的Auto-Servo、中石化勝利石油工程有限公司的SINOMACS ATS等。以上RSS工具近鉆頭測(cè)量距離為0.5～3.0 m，方向性伽馬分辨率大多為4象限，與近鉆頭短節(jié)性能參數(shù)相當(dāng)；相比近鉆頭短節(jié)加馬達(dá)的鉆具組合，RSS工具安全性更高、采用旋轉(zhuǎn)定向可以使井眼軌跡更平滑。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)展

近鉆頭前探技術(shù)在中國(guó)油氣田勘探開(kāi)發(fā)中應(yīng)用普遍。Li等[19]在新疆塔里木哈德遜油田的雙臺(tái)階超深(垂深大于5 500 m)、超薄(目的層真實(shí)厚度為0.4～0.8 m)、低阻(1～2 Ω·m)油藏水平井開(kāi)發(fā)中，研究了以近鉆頭前探技術(shù)為核心的綜合地質(zhì)導(dǎo)向方案。該方案基于RSS工具的近鉆頭方向性伽馬以及連續(xù)測(cè)斜數(shù)據(jù)，利用方向性伽馬測(cè)量數(shù)據(jù)判斷鉆井軌跡位于目的層的頂部或底部，同時(shí)提出了利用近鉆頭連續(xù)測(cè)斜數(shù)據(jù)獲取鉆頭在頂?shù)装宓貙拥姆醋饔昧ο滦纬傻姆轿黄期厔?shì)進(jìn)行導(dǎo)向決策的方法。該案例證實(shí)了近鉆頭前探技術(shù)對(duì)解決海相沉積的深部薄儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)難題是適用的，統(tǒng)計(jì)已完成的15口井，平均鉆遇率達(dá)到了86%。Zheng等[20]在四川頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中遇到了導(dǎo)向窗口窄(約為0.8 m)、可參照標(biāo)志層少等問(wèn)題。利用RSS工具的近鉆頭伽馬成像，在缺少標(biāo)志層的情況下準(zhǔn)確拾取地層傾角，控制軌跡在窄窗口中平滑穿行，相比常規(guī)LWD工具降低了模型的多解性，鉆遇率達(dá)到了100%。同時(shí)，成像精度滿足地質(zhì)導(dǎo)向需求，避免了單純?yōu)榈刭|(zhì)導(dǎo)向分析而組合LWD成像工具[21]，減少了井底鉆具的組合長(zhǎng)度，有效降低了開(kāi)發(fā)成本。

近鉆頭前探技術(shù)可應(yīng)用于各類地質(zhì)導(dǎo)向鉆井，并有逐步從輔助分析組件轉(zhuǎn)變?yōu)楹诵臎Q策組件的趨勢(shì)。近鉆頭伽馬、電阻率等地質(zhì)參數(shù)測(cè)量可避免常規(guī)錄井監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的延時(shí)，提高鉆井時(shí)效；近鉆頭井斜測(cè)量可用于鉆井軌跡精細(xì)控制，避免大狗腿度井眼軌跡的出現(xiàn)，確保鉆完井工程安全；近鉆頭方向性測(cè)量、高精度成像可為地質(zhì)導(dǎo)向決策提供依據(jù)，提高目的層鉆遇率。相比下文將要介紹的其他前探技術(shù)，近鉆頭前探技術(shù)的實(shí)現(xiàn)形式更靈活，經(jīng)濟(jì)高效。近年來(lái)，在中國(guó)頁(yè)巖氣等非常規(guī)資源開(kāi)發(fā)中，近鉆頭前探技術(shù)已逐步作為核心組件取代了傳統(tǒng)LWD工具，該技術(shù)被認(rèn)為是高效經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)非常規(guī)資源的有效手段之一。

2 隨鉆地震前探技術(shù)

隨鉆地震前探技術(shù)是通過(guò)區(qū)分地質(zhì)構(gòu)造引起的層界面反射，獲取地層的聲學(xué)屬性以及彈性屬性，實(shí)現(xiàn)前探功能的一項(xiàng)技術(shù)。相比基于核物理和電法等的地球物理方法，地震波波長(zhǎng)相對(duì)較長(zhǎng)，在地層中衰減慢、傳播距離遠(yuǎn)。其前探距離可以達(dá)到數(shù)百米，但分辨率低，對(duì)于薄層等分辨效果差。

隨鉆地震的思想起源于20世紀(jì)30年代，利用頓鉆鉆具組合產(chǎn)生的振動(dòng)脈沖作為震源進(jìn)行垂直地震剖面(Vertical Seismic Profile，VSP)觀測(cè)。該方法因旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)推廣而被淘汰。隨鉆地震前探技術(shù)的再次興起是因?yàn)槌Ｒ?guī)VSP技術(shù)的局限性，如無(wú)法完成對(duì)大斜度井的測(cè)量，需中途起鉆進(jìn)行數(shù)據(jù)采集等。

隨鉆地震前探技術(shù)按照地震信號(hào)采集方式可分為2種[22-25]：①R-VSP：以鉆頭鉆進(jìn)產(chǎn)生的振動(dòng)作為震源，地面布置檢波器接收地震信號(hào)；②VSP-WD：地面震源發(fā)出振動(dòng)，井底的LWD工具接收地震信號(hào)。由于傳感器和震源位置是已知的，這2種方式都是測(cè)量單程地震波速度。

2.1 R-VSP

20世紀(jì)60年代，研究人員發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)鉆井過(guò)程中牙輪鉆頭振動(dòng)產(chǎn)生的能量和頻帶寬度可以用作震源，并把檢波器安裝在地表接收振動(dòng)信號(hào)[24]。由于該信號(hào)傳遞方式和常規(guī)VSP相反，也被稱為R-VSP (Reverse-VSP)技術(shù)。代表性的產(chǎn)品有意大利AGIP主導(dǎo)研制的SEISBIT[19]、法國(guó)Institut Francais du Petrole研制的TRAFOR[26]；近年來(lái)，沙特Saudi Aramco研制了DrillCAM[27]，利用無(wú)線檢波器提高數(shù)據(jù)采集靈活性，并添加近鉆頭震動(dòng)監(jiān)測(cè)組件提高地震波數(shù)據(jù)采集精度。

中國(guó)對(duì)隨鉆地震前探技術(shù)的研究始于20世紀(jì)末，主要研究方向?yàn)镽-VSP技術(shù)[22-23]。主要成果有：西安石油學(xué)院張紹槐等[28-29]進(jìn)行了理論研究及數(shù)值模擬，并在江漢油田進(jìn)行了最早的試驗(yàn)；東方地球物理公司羅斌[30]等進(jìn)行了采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)和處理方法研究，并在新疆油田進(jìn)行試驗(yàn)，取得較大進(jìn)展；勝利油田鉆井工藝研究院聯(lián)合中國(guó)地震局、中國(guó)海洋大學(xué)研究了增強(qiáng)鉆頭信號(hào)能量的脈沖發(fā)生裝置[31-32]、高靈敏度數(shù)字地震儀[33]、信號(hào)提取[34]以及數(shù)據(jù)處理方法[35-36]等；中海石油湛江分公司聯(lián)合高校對(duì)鶯-瓊盆地高溫高壓地層進(jìn)行了深度、壓力預(yù)測(cè)等應(yīng)用研究[37-38]。

2.2 VSP-WD

R-VSP技術(shù)受井場(chǎng)噪音等影響導(dǎo)致數(shù)據(jù)信噪比低。此外，鉆井常用的PDC鉆頭產(chǎn)生的軸向振動(dòng)比牙輪鉆頭小而不適合作為震源。1999年，Schlumberger主導(dǎo)研發(fā)新技術(shù)：震源在地面發(fā)出振動(dòng)，在井底鉆具中安裝集成檢波器的LWD工具來(lái)接收地震信號(hào)[39]。由于信號(hào)傳遞方式與常規(guī)VSP技術(shù)相同，因此，該技術(shù)被稱為隨鉆VSP(VSP-WD)。這種新型的集成檢波器的LWD工具即后來(lái)的SeismicVISION[40]，業(yè)內(nèi)同類型工具有Baker Huges的SeismicTrak[41]?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，VSP-WD通常在接鉆井管柱的間歇進(jìn)行地震數(shù)據(jù)采集，不會(huì)對(duì)正常鉆井作業(yè)產(chǎn)生影響。該方案受限于MWD工具的泥漿信號(hào)傳輸速率，只能傳輸實(shí)時(shí)校驗(yàn)炮和波形等部分?jǐn)?shù)據(jù)，其余數(shù)據(jù)需等到起鉆后讀取工具內(nèi)存獲取。中國(guó)石油鉆井工程技術(shù)研究院研制了基于VSP-WD的測(cè)量系統(tǒng)[42]，并提出了通過(guò)液壓推靠結(jié)構(gòu)將集成檢波器的LWD貼緊井壁，以提高地震波數(shù)據(jù)的隨鉆采集精度[43]?？偟膩?lái)說(shuō)，中國(guó)對(duì)VSP-WD技術(shù)研究較少。

應(yīng)用研究上，Shi等[44]在塔里木哈拉哈塘油田首次應(yīng)用VSP-WD技術(shù)對(duì)碳酸鹽巖縫洞體進(jìn)行探測(cè)。目標(biāo)縫洞體埋深達(dá)到6 000～8 000 m，因?yàn)殂@前模型和真實(shí)地層構(gòu)造存在偏差導(dǎo)致鉆遇率低。為此，采用了地震導(dǎo)向鉆井(Seismic Guided Drilling)綜合技術(shù)方案，包含VSP-WD、勘探地震和測(cè)井解釋等成果的綜合運(yùn)用。利用VSP-WD數(shù)據(jù)進(jìn)行多次聯(lián)合反演迭代，改善了對(duì)縫洞體的聚焦效果。鉆探結(jié)果證實(shí)，基于VSP-WD預(yù)測(cè)的垂深誤差小于8 m，提高了鉆遇率。高永德等[45]在南海鶯歌海盆地應(yīng)用VSP-WD技術(shù)預(yù)測(cè)高壓儲(chǔ)層深度及地層壓力系數(shù)，結(jié)果表明：VSP-WD技術(shù)預(yù)測(cè)的垂深誤差小于6 m，孔隙壓力和破裂壓力預(yù)測(cè)誤差小于3%和1%。利用VSP-WD技術(shù)可確保套管準(zhǔn)確下入高壓層上部，指導(dǎo)鉆井液窗口設(shè)置、優(yōu)化完井段鉆井液密度。

隨鉆地震前探技術(shù)目前主要應(yīng)用于預(yù)測(cè)地層速度、深度和壓力參數(shù)等方面，并可指導(dǎo)地質(zhì)停鉆、確定套管下深、泥漿窗口設(shè)置等。通過(guò)聯(lián)合反演等技術(shù)，地層深度預(yù)測(cè)精度提高至10 m以內(nèi)，壓力參數(shù)誤差降至1%，可避免油氣侵入、漏失等鉆完井工程風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生。目前，R-VSP技術(shù)受信號(hào)信噪比影響，在深井、高斜度井、軟地層等環(huán)境中應(yīng)用受限，VSP-WD是目前隨鉆地震前探技術(shù)應(yīng)用研究的主要方向。

3 方位電磁波前探技術(shù)

方位電磁波前探技術(shù)是基于陣列電磁波電阻率測(cè)量技術(shù)發(fā)展而來(lái)，通過(guò)測(cè)量不同源距接收線圈間的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅度比或相位差，獲取相移電阻率或衰減電阻率。地層的電性差異通常是由于流體性質(zhì)不同導(dǎo)致的，當(dāng)不同地層之間存在明顯電性差異時(shí)，儀器探測(cè)得到的電性邊界等同于地層邊界。因此，方位電磁波前探技術(shù)不適用的情況包括：與圍巖電阻率差別較小的低阻油藏，電性邊界不清晰的地層環(huán)境(電阻率變化緩慢呈斜坡形態(tài))，高阻地層環(huán)境。方位電磁波探測(cè)的結(jié)果是基于地層特征(包括電導(dǎo)率、層厚以及傾角等)和發(fā)送、接收線圈的響應(yīng)關(guān)系，因此，作業(yè)施工前的地層正演響應(yīng)分析是必要的，以確認(rèn)方位電磁波前探技術(shù)的適用性和優(yōu)化鉆井過(guò)程中的實(shí)時(shí)反演參數(shù)。

方位電磁波前探技術(shù)相比其他前探技術(shù)發(fā)展最晚，但應(yīng)用范圍廣泛，迅速成為前探技術(shù)的發(fā)展熱點(diǎn)。2005年，Schlumberger推出了業(yè)內(nèi)首個(gè)方位電磁波工具PeriScope[46]。自問(wèn)世以來(lái)，該技術(shù)經(jīng)歷了邊界探測(cè)(Bed-Boundary-Mapping)[46]——儲(chǔ)層成像(Reservoir Mapping-While-Drilling)[47]——隨鉆前視(Looking Ahead-While-Drilling)[48]等3代技術(shù)升級(jí)。各大油服公司相繼研發(fā)了同類型工具(表1)。長(zhǎng)城鉆探工程公司劉乃震等[49]提出了基于交聯(lián)天線的GW-LWD(BWR)工具，勝利石油工程技術(shù)有限公司研發(fā)的基于正交天線的AMR工具[50-51]，中海油技服研發(fā)了基于雙斜正交天線的DWPR工具。中國(guó)目前的研究水平相當(dāng)于第1代技術(shù)——邊界探測(cè)，高級(jí)方位電磁波前探技術(shù)目前被外國(guó)技術(shù)公司所壟斷。

表1 國(guó)外方位電磁波前探技術(shù)發(fā)展及其代表性工具Table 1 The development and representative tools of foreign azimuthelectromagnetic wave pre-prospecting technology

方位電磁波前探技術(shù)測(cè)量得到感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅度比或相位差必須依靠反演運(yùn)算轉(zhuǎn)換為對(duì)地層信息的定性、定量解釋。第1代的邊界探測(cè)技術(shù)最初商業(yè)化應(yīng)用時(shí)，采用了單(雙)邊界的反演算法，僅識(shí)別工具上下地層的電性界面距離以及3層地層電阻率值[51-53]。在此基礎(chǔ)上，主要對(duì)反演算法進(jìn)行改進(jìn)并對(duì)硬件進(jìn)行少量修正，升級(jí)為多邊界探測(cè)技術(shù)[54]，技術(shù)發(fā)展歷程上介于方位電磁波前探技術(shù)的第1代和第2代技術(shù)之間，代表性工具有Schlumberger的PeriScopeHD和Baker Huges的AziTrak-infinity。

3.1 邊界探測(cè)技術(shù)

邊界探測(cè)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是將陣列電磁波電阻率測(cè)量工具的發(fā)送或接收線圈的角度進(jìn)行調(diào)整，在鉆鋌旋轉(zhuǎn)過(guò)程中其測(cè)量結(jié)果呈現(xiàn)方向性特征，以此獲取地層電阻率以及電性界面相對(duì)傳感器的位置和距離信息[46]。

邊界探測(cè)技術(shù)受電性環(huán)境影響，其測(cè)量深度會(huì)發(fā)生變化，最深可以達(dá)到4.5～6.7 m。如圖2所示，當(dāng)導(dǎo)向軌跡與電性界面之間的夾角θ較小時(shí)，邊界探測(cè)技術(shù)可以提前探測(cè)到電性界面，從而在鉆至地層變化之前對(duì)軌跡進(jìn)行主動(dòng)調(diào)整[55-56]。

圖2 邊界探測(cè)技術(shù)的前探實(shí)現(xiàn)Fig.2 The pre-prospecting with Frontier realization ofbed boundary mapping technology

邊界探測(cè)技術(shù)在中國(guó)陸地及海上油氣田被廣泛應(yīng)用。Yang等[57]在新疆陸梁油田開(kāi)發(fā)中有10余年、近200口水平井應(yīng)用邊界探測(cè)技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)。邊界探測(cè)技術(shù)可以將軌跡精確控制在距離目的層頂部0.5 m左右的位置，確?！伴w樓油”順利開(kāi)采；多邊界探測(cè)技術(shù)可以識(shí)別“繞流油”分布特征，并通過(guò)水平井將分割開(kāi)來(lái)的“甜點(diǎn)”串聯(lián)起來(lái)。該技術(shù)解決了陸相沉積油田成熟區(qū)塊水平井開(kāi)發(fā)面臨的“閣樓油”和“繞流油”等普遍問(wèn)題，延長(zhǎng)了老油田的生命力[58]。Wu等[59]在南海某高含水油田(含水率為98%)開(kāi)發(fā)中面臨油水關(guān)系復(fù)雜、河道砂體疊置分布不清等挑戰(zhàn)。利用多邊界探測(cè)技術(shù)指導(dǎo)水平井鉆進(jìn)過(guò)程中平穩(wěn)穿過(guò)泥巖夾層，實(shí)現(xiàn)追蹤優(yōu)質(zhì)砂體，并將軌跡放置在砂體中上部以延緩水淹時(shí)間，提高了水平井產(chǎn)能。

邊界探測(cè)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于水平井著陸、水平段鉆井等地質(zhì)導(dǎo)向施工中?；趯?duì)電性邊界的識(shí)別可實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜油氣藏的精細(xì)刻畫(huà)，從而區(qū)分油水界面、探測(cè)地層上下邊界、識(shí)別疊置砂體分布特征等。其測(cè)量精度小于0.5 m，可用于指導(dǎo)鉆井軌跡的實(shí)時(shí)調(diào)整，確保鉆井軌跡在目的層中延伸，以提高鉆井時(shí)效、鉆遇率和保障水平井產(chǎn)能。

3.2 儲(chǔ)層成像

儲(chǔ)層成像是在邊界探測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，其探測(cè)深度達(dá)到30.5～68.6 m。硬件上的改進(jìn)主要為增加低頻電磁波頻率以及增加線圈收發(fā)距。其中，發(fā)射短節(jié)中的信號(hào)發(fā)生裝置為橫向磁偶極子(Tranverse Magnetic Dipole)[47-48，60-61]。此外，儲(chǔ)層成像技術(shù)沿用了多邊界的反演算法，由于方向性曲線數(shù)量增多，需要連接基于云端的服務(wù)器完成反演運(yùn)算。

2015年，Schlumberger在業(yè)內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層成像技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用。儲(chǔ)層成像的前探原理與邊界探測(cè)技術(shù)相同，但在測(cè)量深度上比邊界探測(cè)技術(shù)提高了近10倍。因探測(cè)深度更深，前探距離更遠(yuǎn)，儲(chǔ)層成像可以同勘探地震數(shù)據(jù)形成較好的對(duì)比校正，其研究對(duì)象不再局限于產(chǎn)層的狹窄范圍。該技術(shù)可以協(xié)助地質(zhì)學(xué)家完善地震解釋、油藏和構(gòu)造模型分析，提高油氣儲(chǔ)層發(fā)現(xiàn)幾率。

Li等[60]在渤海油田某區(qū)塊應(yīng)用儲(chǔ)層成像技術(shù)進(jìn)行水平井著陸作業(yè)，雖然受到目的層上部發(fā)育砂體的干擾，著陸過(guò)程中還是提前約28 m(垂深)識(shí)別出目的層。在鉆頭進(jìn)入目的層之前，探測(cè)出層厚(12 m)和電阻率(40 Ω·m)等信息。根據(jù)探測(cè)結(jié)果提前優(yōu)化鉆井著陸軌跡，在目的層實(shí)際埋深比設(shè)計(jì)深12 m的情況下一次著陸成功，未浪費(fèi)水平段進(jìn)尺。水平井作業(yè)過(guò)程中，驗(yàn)證了此前探測(cè)的層厚、電阻率等數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。儲(chǔ)層成像技術(shù)打破了該區(qū)塊常規(guī)作業(yè)流程，在水平井施工前無(wú)需鉆導(dǎo)眼井來(lái)確定目的層靶點(diǎn)位置，縮短了水平井鉆井周期。該案例對(duì)低勘探程度區(qū)塊水平井開(kāi)發(fā)具有參考價(jià)值。

3.3 隨鉆前視技術(shù)

上文提到邊界探測(cè)技術(shù)和儲(chǔ)層成像技術(shù)本質(zhì)上都是向測(cè)量工具的兩側(cè)進(jìn)行探測(cè)，其前探測(cè)量的實(shí)現(xiàn)是借助地層與軌跡之間的夾角幾何關(guān)系。Upchurch等[55]研究證明，即使使用測(cè)量深度最深的儲(chǔ)層成像技術(shù)，當(dāng)測(cè)量工具與電性界面的夾角大于30 °(假設(shè)電性界面水平，則井斜角小于60 °)時(shí)也幾乎不可能探測(cè)到鉆頭前的地層信息(圖2)，而隨鉆前視技術(shù)則不受此影響。隨鉆前視技術(shù)是真正在物理設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)方位電磁波前探的隨鉆技術(shù)，該技術(shù)可以與隨鉆地震前探技術(shù)形成有效互補(bǔ)。

Schlumberger于2019年推出業(yè)內(nèi)首個(gè)商業(yè)化的隨鉆前視工具IriSphere，可以達(dá)到提前鉆頭30 m距離的前視探測(cè)[62-65]。截至目前未見(jiàn)業(yè)內(nèi)其他同類型產(chǎn)品。隨鉆前視技術(shù)的測(cè)量方法是基于儲(chǔ)層成像技術(shù)發(fā)展而來(lái)，硬件設(shè)計(jì)上是將原來(lái)接在RSS工具后的發(fā)射短節(jié)位置調(diào)整為直接連接鉆頭，并在發(fā)射短節(jié)和RSS工具之間增加陣列電磁波電阻率(EMLWD)工具(圖3)。

圖3 隨鉆前視技術(shù)井底工具組合示意圖Fig.3 The schematic diagram of the downhole tool assembly of looking ahead while drilling technology

將發(fā)射短節(jié)靠近鉆頭可使電磁波信號(hào)更多地測(cè)量到鉆頭前的地層。EMLWD工具則被用于提高反演算法精度：通過(guò)測(cè)量已鉆地層水平電阻率，進(jìn)行地層剖面分層和圍巖校正。橫向磁偶極子耦合產(chǎn)生的電磁波場(chǎng)分布變化提高了對(duì)鉆頭前地層的探測(cè)靈敏度。隨鉆前視技術(shù)的探測(cè)區(qū)間可以分為前視、側(cè)視和后視3個(gè)部分。側(cè)視和后視測(cè)量的反演運(yùn)算依據(jù)EMLWD的實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的反演模型和參數(shù)被用來(lái)提高前視探測(cè)的精度[48，63]。

盡管隨鉆前視技術(shù)近1 a才正式商業(yè)化，但目前在中國(guó)海上及陸地油氣田均有成功應(yīng)用的案例。Yang等[64]在南海樂(lè)東氣田應(yīng)用隨鉆前視技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)高壓薄砂巖層頂面的預(yù)測(cè)。常規(guī)方案中基于VSP的探測(cè)方法可以識(shí)別厚度大于15 m的高壓層，但當(dāng)厚度小于10 m時(shí)，無(wú)法通過(guò)VSP技術(shù)識(shí)別。前期因?yàn)閷?duì)高壓層頂面位置的預(yù)測(cè)精度低，鉆井過(guò)程中出現(xiàn)因連通不同壓力地層導(dǎo)致井漏、井壁坍塌等復(fù)雜工況發(fā)生。利用隨鉆前視技術(shù)可提前6 m(垂深)探測(cè)到砂巖層，根據(jù)探測(cè)結(jié)果及時(shí)下套管，成功避開(kāi)目的層上部發(fā)育的高壓砂巖儲(chǔ)薄層，最終鉆探證實(shí)隨鉆前視的預(yù)測(cè)垂深誤差小于1 m。此外，Guo等[65]在新疆塔里木大北油田應(yīng)用隨鉆前視技術(shù)預(yù)測(cè)高壓鹽膏層的底面位置，作業(yè)方正嘗試基于隨鉆前視技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化常規(guī)導(dǎo)向方案中的小尺寸鉆頭鉆井工藝參數(shù)以縮短鉆井周期。

隨鉆前視技術(shù)目前主要應(yīng)用于預(yù)測(cè)高風(fēng)險(xiǎn)井異常壓力層的界面位置，指導(dǎo)地質(zhì)停鉆、確定套管下深。相比隨鉆地震前探技術(shù)，其前探測(cè)量精度更高，預(yù)測(cè)精度可達(dá)到1 m左右，對(duì)于薄層識(shí)別等具有明顯優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)的初步應(yīng)用取得了良好反饋，被列為“六位一體預(yù)監(jiān)測(cè)”的核心技術(shù)之一[66]，在未來(lái)深部高溫超壓油氣資源地質(zhì)工程一體化開(kāi)發(fā)中不可或缺。

4 技術(shù)總結(jié)及發(fā)展方向

4.1 前探技術(shù)總結(jié)

近鉆頭、隨鉆地震和方位電磁波等前探技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。

(1) 近鉆頭前探技術(shù)是最早應(yīng)用的前探技術(shù)。該技術(shù)提高了地質(zhì)導(dǎo)向鉆井的響應(yīng)時(shí)效，可以實(shí)現(xiàn)軌跡精細(xì)導(dǎo)向控制，有效解決窄窗口地質(zhì)導(dǎo)向等問(wèn)題。其實(shí)現(xiàn)形式靈活，相比其他前探技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)高效的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于各類地質(zhì)導(dǎo)向鉆井中，并有取代傳統(tǒng)LWD成為核心決策組件的趨勢(shì)。但其探測(cè)深度淺，無(wú)法識(shí)別宏觀層面的油氣藏特征，本質(zhì)上仍屬于“被動(dòng)”地質(zhì)導(dǎo)向。

(2) 隨鉆地震前探技術(shù)的探測(cè)深度最深，但測(cè)量精度低，無(wú)法達(dá)到鉆井工程施工中“米級(jí)精度”的要求，可以應(yīng)用于對(duì)預(yù)測(cè)精度要求低的作業(yè)場(chǎng)景中。隨鉆地震前探技術(shù)主要用于預(yù)測(cè)地層速度、深度和壓力參數(shù)等，廣泛應(yīng)用于地質(zhì)停鉆、確定套管下深、泥漿窗口設(shè)置等場(chǎng)景。其中，R-VSP技術(shù)對(duì)于深井、高斜度井、軟地層等應(yīng)用效果差；VSP-WD技術(shù)適用環(huán)境廣，相比R-VSP數(shù)據(jù)信噪比高，但受限于數(shù)據(jù)傳輸速率，無(wú)法實(shí)時(shí)獲取全波場(chǎng)數(shù)據(jù)。

(3) 方位電磁波前探技術(shù)是應(yīng)用最廣泛的前探技術(shù)。首先，探測(cè)深度上可以滿足從產(chǎn)層(幾米)到油氣藏(幾十米)的測(cè)量范圍；其次，測(cè)量精度小于1 m，可以實(shí)時(shí)調(diào)整鉆井作業(yè)的施工程序，優(yōu)化鉆井軌跡。方位電磁波前探技術(shù)自問(wèn)世以來(lái)已完成了3代技術(shù)升級(jí)，是當(dāng)下前探技術(shù)的研究熱點(diǎn)。該技術(shù)對(duì)電性邊界的探測(cè)可用于剩余油開(kāi)發(fā)、復(fù)雜油氣藏精細(xì)刻畫(huà)、地層深度預(yù)測(cè)等。方位電磁波前探技術(shù)不適用于電性特征不明顯、高電阻等地層環(huán)境。

4.2 發(fā)展方向

結(jié)合在套管下深設(shè)計(jì)、鉆井軌跡優(yōu)化等方面的需求，建議在以下領(lǐng)域開(kāi)展前探技術(shù)的研發(fā)。

(1) 近鉆頭前探技術(shù)。中國(guó)目前較重視RSS工具的研發(fā)。RSS工具主要用于改善定向鉆井施工條件，因此，較關(guān)注造斜率等核心性能提升。伽馬測(cè)量作為次級(jí)功能，目前大多設(shè)計(jì)為4象限的方向性伽馬。建議提高近鉆頭伽馬成像精度至8象限以上，以便獲取地層傾角分析，輔助地質(zhì)導(dǎo)向?qū)崟r(shí)決策。

(2) 隨鉆地震前探技術(shù)。目前，國(guó)際上更重視VSP-WD技術(shù)，中國(guó)則側(cè)重于R-VSP技術(shù)的研究。建議加快VSP-WD技術(shù)與工具的研發(fā)。研究地震導(dǎo)向鉆井技術(shù)，提高隨鉆地震前探技術(shù)的綜合解釋精度，縮短地震資料解釋和成像周期，加強(qiáng)地震分析和鉆井工程的實(shí)時(shí)結(jié)合。

(3) 方位電磁波前探技術(shù)。方位電磁波前探技術(shù)已分別實(shí)現(xiàn)了向兩側(cè)、向前的深探測(cè)，國(guó)外技術(shù)公司目前正研究同時(shí)具備2種深探測(cè)能力的第4代技術(shù)[48]。建議中國(guó)研究機(jī)構(gòu)在現(xiàn)有的單/雙邊界反演算法基礎(chǔ)上研究多邊界反演算法，提高復(fù)雜地層的模型適應(yīng)性，為儲(chǔ)層成像和隨鉆前探技術(shù)奠定算法基礎(chǔ)；硬件上，在現(xiàn)有的邊界探測(cè)工具基礎(chǔ)上循序開(kāi)展儲(chǔ)層成像和隨鉆前視技術(shù)攻關(guān)。

(4) 在前探技術(shù)的應(yīng)用研究上，對(duì)于勘探程度低的初探井、高風(fēng)險(xiǎn)井、新探區(qū)水平井等可以應(yīng)用前探技術(shù)監(jiān)測(cè)鉆井風(fēng)險(xiǎn)，縮短開(kāi)發(fā)周期并降低作業(yè)成本；對(duì)于復(fù)雜油氣藏的開(kāi)發(fā)，可通過(guò)多種前探技術(shù)的綜合運(yùn)用，提高對(duì)斷裂發(fā)育、鹽下、高陡構(gòu)造帶等地質(zhì)目標(biāo)的成像能力，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜油氣藏精細(xì)刻畫(huà)，保障產(chǎn)能建設(shè)[67]。

5 結(jié)束語(yǔ)

地質(zhì)導(dǎo)向鉆井前探技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，高級(jí)前探技術(shù)長(zhǎng)期以來(lái)處在外國(guó)技術(shù)公司壟斷的局面，發(fā)展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的地質(zhì)導(dǎo)向前探技術(shù)對(duì)中國(guó)能源上游行業(yè)的增儲(chǔ)上產(chǎn)、降本增效具有重要意義。此外，面對(duì)油氣資源勘探開(kāi)發(fā)中遇到的諸多世界級(jí)挑戰(zhàn)，研究多方法聯(lián)合的前探技術(shù)應(yīng)用，可以形成具有針對(duì)性、經(jīng)濟(jì)性的解決方案，從而推動(dòng)非常規(guī)、深部油氣等接替資源的可持續(xù)發(fā)展。