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地质导向
前言
水平井作为大幅度提高单井产量和采收率的重要手段越来越多地被应用在油田开发中，特别是在油田开发的后期，如东部公司HZ26－1、HZ21－1等合作油田；近几年，渤海矿区也广泛采用水平井来增加产量，提高经济效益，因为一个采油平台有两口水平井，就足以达到开采一个产层（组）的目的。
水平井可理解为高角度的定向井或近于水平的井，但其真正含意应该是井眼轨迹和产层近于平行的井，并非要水平，这主要取决于目的层的倾角。
水平井段往往被锁定在离目的层顶面一定的距离，以最大限度地提高采收率，减少死油区。
对于薄油层或差油层，水平井段必须位于理想的部位，上下活动幅度很小，只有1－2米，甚至几十公分（图1）；即使是厚油层，
井眼轨迹也不能在油层内任意穿梭，必须限定某个特定的部位；另一方面，井的轨迹还要随产层的波动而浮动。
渤海矿区为陆相沉积，岩性、岩相及厚度变化较快，油层往往呈组出现，如Ⅰ油组、Ⅱ油组等，每个油组往往由多个单油层组成，这些单层在某些部位相通，而在另一些部位是不相通的，这就要求井眼轨迹只能在最上部的单层顶部，而不能位于其它部位，否则，会造成大块的死油，甚至提前见水，严重降低采收率。
所有这些都使得水平井轨迹趋于复杂化，不再局限在二维平面内，而是三维展布；井眼轨迹越来越难控制，定向难度可想而知（图2）。
完成高难度水平井作业离不开地质导向，它是完成水平井的必须保证。
Schlumberger的Anadrill和BakerHughes的Autotrak公司是两家世界上最著名的地质导向服务公司，目前，被广泛应用在CACT、Phillips及其渤海的某些油田开发中。
地质导向系统可分为井下工具部分和地面部分，包括数据采集、处理和输出等。
这里探讨的主要内容有以下几个方面：
地质导向系统，包括设备组成、人员管理、管理和协调；资料的收集整理；目的层位置的预测，及井眼轨迹的控制；目前存在的问题、解决方法及工作设想。
一地质导向系统简介
1地质导向系统工作界面
上图显示的是Anadrill公司的地质导向系统工作界面，类似于Autotrack的工作界面，可实时显示井下工具的工作状态，井眼倾角、方位，实时测井曲线及部分钻井工程参数。
2地质导向流程简介
Anadrill和Autotrak的地质导向系统有所不同，以Autotrack为例，简单介绍地质导向系统流程（图4、图5）。
整个系统有两大部分组成：
地质导向工具（GesteeringTools）和地面设备。
地质导向工具有一系列的探测器组成，类似于常规测井的探测器，安装在钻头
上方，可以实时测量井眼倾角、方位、温度，电阻率、自然伽玛、中子孔隙度、岩性密度等，并以压力波的形式传到地面接受系统；也可接受来自地面的压力波，以完成各种指令。
地面设备包括BPA、STDP和深度传感器，电缆，计算机系统处理系统和输出设备等。
STDP为信号接收器，安装在立管上，用来接受来自地质导向工具的压力波，并把压力波转换成电信号，通过电缆传输到计算机接受系统；BPA是信号发射器，也安装在立管上，用来接受来自计算机系统的电信号，并把电信号转换为压力波信号，通过钻杆内的泥浆，以压力波的形式传到地质导向工具；深度传感器安装在绞车上，用来产生深度信号，通过电缆传送到计算机系统；计算机系统是地质导向系统的心脏，用来接受、处理、发送各种信号，并把电信号转化为图象信息，传输到输出系统；输出系统包括显示器、打印机，可以接受来自计算机系统的数据信号，实现测井曲线的实时显示和打印。
Anadrill与Autotrack地质导向系统基本相同，只是传输指令的方式有所不同，它是通过调整钻井参数的方式向井下工具发送指令，而不是地面计算机系统直接发送。
3地质导向工具
Autotrak和Anadrill的地质导向工具略有不同，以下分别简单介绍
AAutotrak地质导向工具：
（图5）
主要部分：
钻头、定向部分、倾角方位测量器，电阻、自然伽玛、密度、中子孔隙度探测器等，环空压力、温度等传感器等。
钻头和定向部分的连接是直线连接，它们之间没有弯曲。
定向部分有三个支撑臂，它们伸展量的大小即可决定钻头的倾角和方位。
这样，钻杆可始终处于转动状态时，不需要滑动钻进即可自动定向，因为钻杆转动时，支撑臂几乎处于静止状态，可以连续调整钻头的倾角和方位。
BAnadrill地质导向工具
Anadrill公司目前有两种定向工具：
PowerDrive和PowerPak。
PowerDrive是Anadrill公司最新的地质导向工具，目前还没有广泛使用，它的结构和性能类似于BakerHughes公司的Autotrak；PowerPak是Anadrill公司传统的地质导向工具（马达），目前也被广泛使用（图7）。
PowerPak测量部分与Autotrak基本相似，如井斜、方位，电阻、自然伽玛、中子空隙度、密度等，不同的是它们的定向部分。
由图7可以看出，钻头和地质导向主体部分的连接处是弯曲的，地质导向靠的就是这个弯曲部分－弯头。
弯头的角度可以根据地质工程需要，在入井前进行适当的调整，见下表。
弯角（度）
最大钻杆转速（转/分）
狗腿度（度/30米）
0.78
100-120
3
1.15
60-70
5
1.5
<40
8
随钻测井工具部分又分两种类型：
Impulse和GST，可输出不同的自然伽玛曲线（见下表）
Toolstype
Size
GRwhenRotating
GRwhenSliding
Impulse
6”
Up,downandaverage
Average
GST
8”
Average
Upordown
两种工作状态：
旋转钻进和滑动钻进，在旋转转动时，钻头的方位和倾角是不能控制的，倾角、方位只会单向增大或者减小，而且钻压越大，这种变化越明显；在滑动钻进时，通过调整钻压和工作面来控制倾角和方位，这会占有一定的钻进时间。
为了控制角度和方位，必须滑动钻进，因为，这种工具只有在滑动钻进时才能控制钻头的倾角和方位。
4输出系统
包括显示器、打印机。
显示器可输出实时测井曲线。
在地质导向工具内还有一套记忆数据，可作为实时数据的备份（MemoryData）。
实时测井曲线类似于普通的测井曲线（图8），分述如下:
GR曲线，Autotrak工具在旋转钻进时只输出一条曲线（绿色曲线），在滑动钻进时，可同时输出两条（左列红色和兰色曲线），分别是上部和下部地层的自然伽玛曲线；Anadrill的Impules工具则不同，在旋转时输出两条曲线，在滑动时输出一条曲线。
Re曲线，有两条，一条是2MHZCorrectedPhase（相位差），测量的是井筒附近地层的电阻率；另一条是400KHZATenuation（衰减）曲线，测量的井筒较远处地层的电阻率。
一条中子孔隙度曲线和一条岩性密度曲线（ThermalNuetronPorosityandBulkDensity）。
此外，还有温度、井径曲线等。
以上实时输出，可以根据作业者的要求任意组合，但至少要有自然伽玛曲线。
5轨迹控制
井眼轨迹控制是地质导向的主要组成部分。
控制井眼轨迹主要靠两个方面，一是地质模型（曲线），二是根据实时测井曲线和地质需要，随时调整井眼轨迹。
图9示意的是关于倾斜地层厚度的几个概念，可以清楚地看出，
地层的垂直厚度，测量厚度，圈闭厚度，地层真厚度有很大的区别，地层倾角越大，地层厚度越大，这种差别越大。
地质导向模型制作过程是：
首先把邻井的测井曲线（包括自然伽玛，电阻，中子孔隙度，密度）转化为地层真厚度的测井曲线（不同于垂直厚度曲线），然后，根据该井的设计轨迹，产生一条新的电测曲线，地质模型就产生了（图10）。
把实际随钻测井曲线和地质导向模型曲线进行对比，可以确定钻头的当前位置。
在地质导向过程中，可随时调整地质模型，使其尽可能符合实际情况。
目前，只有地层厚度、倾角两个地层参数可以改变，来调整地质模型，但有时无论怎样调整，也不符合实际测井曲线，在这种情况下，就要根据随钻测井曲线和油藏特征来控制井眼轨迹。
二地质导向人员管理
1人员组成：
两个定向工程师（D、D－DirectionalDriller），负责井眼轨迹的设计、调整及测量工作（必须的）；两个随钻测井（LWD）工程师，负责操作计算机系统，实时监视、录取地层信息（必须的）；地质导向工程师（可选），负责地质模型的制作、调整及地质导向工作。
其中，两个定向工程师直接受CompanyMan领导，而两个随钻测井工程师和地质导向师则直接受地质监督的领导
2人员管理
现场地质师根据作业者要求和地质需要，向地质导向工程师提出具体要求，地质导向工程师则利用邻井资料和专门的应用软件系统，做出地质模型或者随时调整地质模型，以确定目的层的方位、深度、位移等参数，并把有关的信息和要求直接通知给CompanyMan。
有时，由于工程原因，无法实现地质要求，在这种情况下，就必须适当调整计划，最大限度的满足地质和工程需要。
定向工程师用专门的软件，设计出井眼轨迹和钻头的方位、角度，通过计算机系统或者调整钻井参数，向地质导向工具发出指令（DownLink）；随钻测井工程师要实时监视、实时录取、实时显示测井曲线。
现场地质师也可以随时下达指令。
现场地质师起着非常重要的作用，他不仅要作好协调、指挥、监督工作，还要积极思考，根据实际情况实时调整工作部署，做到心中有数，最大限度满足作业者的要求。
三现场地质师如何做好地质导向工作
现场地质师要发挥好在地质导向工作中的核心作用，就必须作好以下三方面的工作，第一是钻前的资料收集、理解工作，第二是钻遇目的层前的层位预测工作，第三是进入目的层后的导向工作，这三方面的工作都很重要，每一个环节的好坏，都关系到地质导向的成败。
另外，现场地质师还要作好监督、协调工作外，以最大限度的发挥服务商的积极性，并得到CompanyMan的最好的配合。
1钻前的资料熟悉工作
a熟悉目的层层面构造，弄清平面、剖面上的分布特征及走向、倾向和倾角，在头脑中建立三维的地质立体模型（图11、图12）。
b作好地层对比工作
目的层的岩性在某个局部构造上不会有大的变化，但也存在细微的差别，如HZ26－1油田L60油层，在一些区域有薄层灰岩，而在另一些区域就没有。
熟悉地层的这种细微的差别对地质导向很有意义，因为这些细微的差别在随钻测井曲线上会有明显的反应，它能指示所钻遇的地层和钻头的位置（图13），警告你井眼轨迹是高了还是低了。
渤海地区的岩性、岩相变化快，地层对比工作显得更为重要（图14）。
由于储集体分布变化大，有时变薄，有时变厚，有时尖灭；地层对比不能仅仅局限在目的层内，而且还要在目的层以上进行，目的就是要准确预测目的层位。
c熟悉目的层孔隙度、渗透率分布情况（图15、图16），尤其是
水平井段附近的孔隙度、渗透率的分布特征。
这一点非常重要，因为水平井段的孔隙度和渗透率要控制在一定范围内，不能太大或太小（孔隙度和渗透率太大，会降低采收率）。
d仔细研究目的层的细微结构（图13）
该有三个细层组成（1、2、3，三个细层），各个细层对应相应的自然伽玛和电阻率曲线等。
这些细层在水平井段有相应的电性响应，虽然形状不会完全一致，但会有相同的趋势，只是原来的曲线被拉长了而已（图17）。
e熟悉井眼平面轨迹和剖面轨迹、钻遇的地层，进入点（EntryPoint）和落地点（LandingPoint）的位置（图18）。
进入点是井眼轨迹和目的层顶面的交点；落地点是井眼在进入目的层后与目的层近于平行的第一个点。
收集和熟悉这些资料的工作很重要，它是地质导向前必须的准备工作，做到心中有数；这项工作要始终围绕油田作业者动机这个中心。
另外，还要了解地质导向系统的性能，因为Andadrill和Autotrak无论在结构、性能、操作等方面都有一定的差别，这些差别会对地质导向有一定的影响作用。
2钻遇目的层前
这一阶段的中心工作，就是逐层预测下面的标志层，直到确定目的层的位置（位移，倾角等）
a预测下一标志层的垂深（TVD）
假设在某一小的范围内地层水平并且具有相同的厚度，则下一个标志层垂深的计算见图19,这虽然是最理想、最简单的地质模型，但在预测地层垂直深度时，常采用这种模型
b利用预测垂直深度和实际垂深差来计算地层倾角（图9）。
测量垂直厚度AD不等于实际垂直厚度AB，且地层倾角越大，差别越大。
如果从A点打一口直井，层面L0和L1的垂直距离为AB，如果从A打一口斜井AC，测量的垂直距离则变成了AD，且AD>AB，地层倾角FD＝argtan（（AD－AB）/CD），其中AB是已知的，可由邻井资料或厚度分布图得出，AD是测量值。
A点坐标（x0，y0），C点坐标（x1，y1），AC两点的水平距离可由两点间距离公式求出。
这样依次以此计算出各个标志层面的倾角，直到目的层。
这个倾角非常重要，只有井眼俯角接近地层倾角时，才能达到最好的效果（图20）。
c落地点垂直深度的确定
水平井段就是从落地点到井底这段井眼，这一井段是作业者根据需要精心设计出的，如果没有特别意外的原因，不能随便改变水平井段的位置和长度。
落地点有固定平面坐标，浮动半径只有4－5米，但垂直深度要随实际情况而定。
为使井眼轨迹顺利落地，D.D工程师需要提前知道落地点的垂深，以便提前调整钻头倾角和方位，使其安全着陆，否则，后果不堪设想。
自钻入进入点后，就应该考虑落地点了（图21）。
油田作业者往往要求落地点在目的层的上部，离目的层顶部有适当的距离（h），这主要考虑到目的层岩性特征、油柱高度及油水界面的上窜速度等因素。
落地点的计算见图21。
3目的层井眼轨迹控制，
a利用电阻率曲线，避免钻入非目的层
当钻头接近非目的层时，两条电阻率曲线（PD和AT）会有不同相应，如上图。
因为400HzAT测量的范围较大（井眼周围大约4m），所以，在A点即可探测到上覆泥岩，尔后电阻率迅速下降（曲线上A’
点对应地层A点），而2MHzPD在A点还没有探测到泥岩，所以就没有反应。
到B点时，PD探测到上覆泥岩，电阻率迅速降低（曲线上B’点对应地层的B点）。
在发现A点异常时，就应该迅速降低井眼角度，重新回到目的层中，不要等到B点后再调整。
当钻遇薄夹层时就会出现相反的情况。
因为AT测量的范围较大，当遇到新的薄层时不会出现明显的反映，而PD则不同，由于探测的范围较浅，能够及时探测出新出现的地层，这一点也很重要，因为这样的小薄层能指示出目前的位置（图23）。
b利用电阻率曲线，计算地层倾角
PD和AT有不同的探测范围，在接近非目的层时会有不同的反映，利用探测范围的差别及电阻率PD和AT相应的不同，即可定量计算目的层层面的倾角（图24）。
c利用自然伽玛曲线判断钻头的上窜或下跳
当钻头钻出目的层之后，就必须迅速把它调到目的层中来，但在调整前必须弄清是向上钻出了目的层（上窜）还是向下钻出了目的层（下跳），利用自然伽玛曲线很容易地解决这个问题（图25）。
自然伽玛可输出两条曲线，即上自然伽玛和下自然伽玛，当钻探向上钻出目的层时，上自然伽玛首先反应，而下自然伽玛须到非目的层后才有反映，这样，原本合在一起上下自然伽玛曲线分开了，利用这种特征，就可判断出，是否钻出了目的层。
如果上部伽玛G1首先变大，然后才是下部伽玛G2（图25），说明是上窜；反之，如果G2首先增大，然后是G1，说明是下跳。
d利用上下自然伽玛计算地层倾角
钻入非目的层并非全是坏事，可以用来计算地层倾角。
利用自然伽玛的探测范围、伽玛探测器的水平位移，井眼倾角，就可计算出目的层倾角，计算方法见图26。
A点是G1和G2的分离点，B点为G1和G2重合的点。
在地质导向过程中，随时计算地层倾角非常重要，因为，只有得到地层的精确倾角，才能使井眼和地层近于平行，达到最佳定向效果。
e钻出目的层后的地层倾角的计算（图27）。
当钻出目的层后，必须调整轨迹返回目的层，这时的测井曲线常常形成对称或者不对称的古堡，根据曲线的几何形状和钻头位移，很容易计算出地层倾角。
由于GR反映灵敏，可被用来计算地层倾角。
f注意薄标志层
薄的标志层可以准确指示当前位置，在实际工作中，应引起
足够的重视（图28）。
图28显示的是一个很薄的标志层，只有0.2m厚，离目的层顶面只有1m，它的出现意味着钻头离顶面很近，即将碰顶，应向下调整角度。
g发挥定向工程师的作用
地质导向工程师的主要任务之一就是要制作、调整地质模型，以指导下一步的钻井工作。
由此可见，在地质导向过程中，必须牢牢把握两方面的问题，一是防止钻出目的层，钻出目的层后，必须尽快调整井眼轨迹，使其尽快回到目的层中去；二是利用各种信息，计算地层倾角，尽量使井眼轨迹靠近目的层顶部。
四存在的问题及工作设想
就目前的水平井作业而言，尽管各方尽心尽力，团结合作，但也很难达到作业者不断提高的地质要求，出现这种情况的客观原因表现在以下几个方面：
第一，地层认识不足。
陆相地层的分布极不稳定，相变、厚度变化快，不确定因素多，这本身就给地层认识带来一定的困难。
第二，地质导向工具性能不够理想。
目前的导向工具种类繁多，性能方面也有很大的差别，常规的定向工具，很难达到不断提高的导向要求，有时，先进的导向工具性能也不够稳定，性能降低或者不工作的情况时有发生。
第三，地质导向工具软件单一。
Anadril、Autotrack服务公司所提供的导向软件，只能提供一维的测井曲线，而且对目的层有过高的要求：
厚度分布稳定，电性垂向一致。
海相地层基本上能达到这种要求，但陆相地层，特别是在渤海矿区，就无法达到这种要求，制作的地质模型可靠性就不得而知了。
针对上述问题，提出以下工作设想：
第一，加大地层认识力度
a精细处理地震剖面作，利用地震处理的各种手段优势，精细解释地层。
b制作真垂深测井曲线。
在作地层对比时，人们往往使用视垂深测井曲线。
我们知道，视垂深和真垂深有一定的差别，而且这种差别随地层倾角和厚度的增加而变大。
真厚度曲线，就能真正反映地层的垂向电性，实现真正的地层对比。
为此，需要一套专门的软件系统来完成这项工作。
c深入地层对比。
利用真垂深电测曲线，进行地层对比，做到大层统一，小层谐调的对比效果，用以准确预测目的层的位置。
第二，加强服务商的管理和谐调工作，使用尽可能合理、性能良好的导向工具。
另外，加强与CompanyMan及服务商的谐调工作，尽可能的发挥工具的潜力和他们的主观能动性。
第三，开发工具软件，制作三维立体的地质模型。
现在的地质模型，由于地层条件的限制，很难正确反映地层情况，迫切需要一套专门的工具软件，制作三维地质模型，来反映油藏的工作特征。
这种模型要以地震剖面为基础，用测井曲线进行修正，而且还可以根据随钻测井曲线随时更正，以更好的反映目的层的分布情况，正确引导地质导向。
总之，要作好地质导向工作就必须注意以下几个问题：
熟悉该区的地质情况，仔细研究目的层细微特征；了解地质导向系统的组成、特性、数据输出等；及时扑捉地质信息，及时计算地层倾角，调整井眼轨迹；实时改变地层参数，调整地质模型。
要做到井眼轨迹完全达到设计要求几乎是不可能的，但只要胆大心细，充分发挥主观能动性，作好每一项工作，就能实现最佳的地质导向，最大限度地满足作业者的要求。
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