LWD发展现状与趋势展望

梁永恒　李武生　王雲

摘要：在对随钻测井进行分析的基础上，详细阐述了随钻测井技术的发展过程，重点介绍了HL-MWD+伽马和FEWD随钻地质评价测井技术的应用现状，简单介绍了贝克休斯AutoTrak旋转导向钻井系统，对于今后可能形成的技术发展趋势进行了预测，认为旋转地质导向钻井技术将成为中长期发展方向，加大国内旋转导向研发力度，培养技术人才，缩小与国外技术差距，才能立于竞争制高点。

关键词：LWDHL-MWD+伽马;FEWD;旋转导向发展现状;技术展望

1 随钻测井发展关键阶段

1.1 随钻测井简介

随钻测井英文简称LWD（logging while drilling），是在随钻测量基础上发展起来的一种功能更齐全、结构更复杂的随钻测量系统，主要是在常规基础上增加电阻率、孔隙度、中子、密度和声波等测量短节，用以获取测井信息。与随钻测量系统相比，传输的信息更多，采用井下存储（起钻后回放）和部分信息实时上传方式处理所需测井信息，无导向决策功能。

1.2 随钻测井技术发展阶段

1.2.1随钻测井技术发展早期

第一个随钻测井的专利是在1929年由Jakosky提出的，用的就是钻井液脉冲遥测系统。1940年David G.Hawthon和John E.owen公布第一条随钻电阻率曲线，此时的随钻测量方法主要有两种，一是利用测量电极和导电钻杆绝缘，测量井底电极附近的地层电阻率;二是信息传输，在钻杆中埋电缆。但由于在钻杆和钻杆连接部位很难保证绝缘，以上方法均告失败。20世纪40年代和50年代随钻测井进展缓慢，仅有的几个专利文献表明，研究单位和个人继续致力于实时、可靠的随钻测井系统研究，注意力从地面设备和井下设备的硬联结转向用电磁波或无线电波通过地层传输到地面或是用声信号通过地层或钻杆传输信息。遗憾的是，传输技术发展缓慢，难以有实质性的突破。1950年J.J.Arps发明正向泥浆脉冲系统，1960年利用正向泥浆脉冲的机械测斜仪出现，并应用至今;1964年第一个机械脉冲遥测系统研究成功。60年代前苏联出版的专著也对钻井液信道的传播特性、脉冲发生器、接收器以及地面信号处理装置作了系统的理论分析。20世纪60、70年代，尽管随钻测井系统设计理论上是可行的，但由于工艺原因仍然达不到商用水平。

1.2.2随钻测井技术诞生阶段

第一支可靠的商用随钻测井仪器是Teleco公司于1978年推出的，采用钻井液压力脉冲传输测量数据;1980年又推出了能进行自然伽马和短电位电阻率测量的随钻测井仪;至此，用于地层评价的随钻测井仪器问世。由于钻井液信道传输方式在可靠性和经济性方面都优于其他传输方式，在传输速率上也能满足传输测井参数和钻井参数的需要，于是在二十世纪80、90年代众多公司相继投入随钻测井仪器的研究和开发，钻井液信道的随钻测井系统主宰了整个随钻测井市场。

1.2.3随钻测井技术快速发展阶段

1984年随钻电磁波电阻率测井仪器上市，1987年补偿中子和密度测井也相继引入随钻测量，1993年斯伦贝谢公司推出第一代集地层评价和地质导向为一体的地质导向系统，1994年斯伦贝谢和哈里伯顿公司相继研发成功随钻声波测井，90年代后期斯伦贝谢公司开发成功电阻率和密度测井的随钻成像测井，Path Finder公司成功地试验了随钻地层测试器。90年代哈里伯顿公司先后收购了长于核磁测井的NUMAR公司和长于随钻测量的SPERRY-SUN公司，这两家公司通过合作，于2001年开发成功随钻核磁共振成像测井仪。

2 现阶段LWD技术使用现状

2.1 LWD使用现状

LWD技术从最初的钻井液脉冲遥测系统发展至今，已经走过了将近百年的光辉岁月。在这近百年的发展过程中，随钻测井技术不断发展进步，如今司钻已经能用实时方位测量，并结合井眼成像、地层倾角和密度数据，发现目标位置，并且已拥有了裸眼井电缆测井所拥有的各种测井方法，在石油勘探开发中的作用也日益明显。

2.2 HL-MWD+伽马随钻测井技术使用现状

HL-MWD是由北京海蓝科技科技开发有限责任公司开发的一种可打捞式的正脉冲无线随钻测斜仪，具有设计巧妙、组装灵活、使用方便、易于维修的优点，能够实时提供井斜、方位、工具面、温度等参数。在HL-MWD测量工具串基础上加入无线随钻侧斜器配套的地层岩性测量功能单元伽马探管。伽马探管由伽马探头和电子组件组成，伽马探头主要由耐高温、高抗振型 NaI晶体和耐高温、高抗振光电倍增管等组成。当地层中的放射性核素（主要有：铀、钍、钾）发生核衰变时，放射出伽马射线，部分的伽马射线被伽马探头探测到并转化为电脉冲信号，由电子组件进行测量和处理即得到地层的自然伽马放射性强度。根据地球物理、地球化学以及岩层沉集、油气运移、储积与岩层的相关性等理论，结合其他测井参数来推出被测岩层的岩性及油气田储藏情况。其测量数据可以通过泥浆脉冲调制后实时的传输到地面，并可同时进行井下测量数据存储，使钻井工程师和地质工程师只通过伽马数值实时、有效的了解钻遇地层的岩性变化，及时调整钻井参数（钻具、钻压、钻速、泥浆参数等）。这种随钻测井方式使用成本低廉，实现了快速钻井，提高了采收率，钻井成本较低，在长庆、山西等地得到了规范的应用，经济效益明显，但是其只能通过伽马测量参数预告地层岩性变化情况，无法区分油水界面或其他液相界面，无法进行地层物性的初步地质评价，特别是在薄油层中精确导向井眼轨迹穿行于储层中有利于产油的最佳位置。

2.3 FEWD使用现状

FEWD（Formation Evaluation While Drilling）是美国哈利伯顿公司生产的一种无线随钻地质评价仪器，它可以在钻进作业进行的同时，随钻实时录取地质参数，绘制出各种类型的測井曲线，作为地质分析的依据，从而帮助现场人员随时监控地质参数的变化，对地层做出准确的判断，从而实现随钻地质导向，精确地控制井眼轨迹穿行于储层中有利于产油的最佳位置，有效地回避油/气和油/水界面回避风险，从而显著地提高钻井效率，整体上提高油田的勘探开发效果。

2.3.1 FEWD组成及作用^[1]

FEWD由测井传感器、定向工程参数传感器、钻具振动传感器等部分组成，可以实时获得地层自然伽马、电阻率、补偿中子孔隙度、岩石密度四道地质参数和井斜角、方位角、磁 / 高边工具面角等工程参数，同时仪器自动记录井下钻具的振动情况，当井下钻具的振动超过允许的范围时，井下仪器优先将该钻具剧烈振动的信息传递至地面，以警示施工人员采取措施减振、预防井下复杂情况或井下事故的发生。

使用FEWD具有如下优势：①实时获得真实的地质参数;②利用测井参数实现地质导向;③风险回避;④提高勘探开发效率。

2.3.2 FEWD功能简介

FEWD的主要作用有：①随钻测井提供油藏地质实时地质参数、岩性变化情况及随钻测井图;②利用 FEWD 测井确定标志层垂深、准确的划分地层界面、确定标志层深度位置;③利用 FEWD 曲线划分地层、确定岩性界面、预测实钻轨迹距离油顶的距离，预测井眼轨迹在油层中行进情况，实时指导钻井施工;④利用实时随钻测井曲线指导精确入靶，精细控制轨迹在油层内穿行;⑤分辨地层，确定地层岩性、泥砂/砂泥岩含量评价;⑥分辨油、气、水层以及油/气、油/水界面，判断油气的运移;⑦分辩薄油气层，有效开发地下油气资源。

2.3.3 FEWD主要应用领域

FEWD地质导向钻井技术是一种综合性的钻井技术，实际施工过程中用以解决以下问题：①随钻测井：随钻获取实时地质参数，可准确确定目的层的垂深，取消中途测试和部分完井电测内容，缩短钻井、完井周期;②地层预测：在造斜段通过随钻测井方式进行地层对比测试，确定实钻轨迹地层的变化，使实钻轨迹及时、准确进入目的层;③轨迹预测：在轨迹进入设计目的层前，通过随钻地质参数超前效应，确定轨迹的着陆点，找到着陆点后再控制轨迹进入目的层;④轨迹适时优化与调整：在目的层中钻进时，及时预测钻头与储层间的位置关系，通过对钻压、井斜角、方位角等钻井参数的调整，实现水平段轨迹的高精度控制，使轨迹在目的层内的最佳部位穿行，提高油层的穿透率;⑤井下钻具状态监测：根据井下振动传感器采集的数据，采取措施减振，严防井下复杂情况或井下事故的发生。

2.3.4 FEWD应用现状

FEWD地质导向钻井技术的攻关和推广应用过程，应用领域不断扩展，服务地区不断扩大，目前在以下七种难动用油气藏钻探开发方面取得良好效果：①薄层油藏;②断块复杂地层油藏;③边/底水油藏;④边远油藏;⑤超稠、特稠油油藏;⑥低渗透油藏;⑦碳酸盐岩地层油气藏。FEWD在伊拉克哈法亚项目水平井施工服务过程中发挥了很重要的作用，工程师依据伽马判断岩性变化准确无误，依据深浅电阻率值，结合伽马值确定储层位置，实现了水平段轨迹的精准控制，但同时我们也看到，由于哈法亚项目的特殊性，井下事故频发，地层复杂，井漏、井壁垮塌等极易发生，托压现象严重，定向施工难度大，这就使得入井FEWD仪器灭失风险很大，在与斯伦贝谢旋转导向钻井工具施工竞争过程中劣势明显。

3 旋转导向闭环钻井系统

传统随钻测井技术采用的滑动导向系统，在钻长水平段水平井时，由于上部钻柱不旋转，会引起摩阻和扭矩过大、方位漂移失控、井眼轨迹不平滑等问题。计算和实践均证明，水平井的水平段极限延伸能力受到了限制。而旋转导向随钻测控技术，能有效地解决上述难题。旋转导向随钻测井系统打破了传统随钻测井系统的单向通讯模式，实现了可在地面实时发送指令，保证了地面与井下工具的有效通讯。该系统也可实时测量近钻头井斜、旋转方位，实时计算井底轨迹，并含有多种智能化钻进模式，大幅提高控制轨迹的精准性。由于全井段旋转钻进，因此可以减小钻具磨阻扭矩，降低施工风险，平滑井眼，最大限度延长水平位移。

3.1 贝克休斯AutoTrak介绍^[2]

贝克休斯AutoTrak 系统是一套集钻进和随钻测量为一体的随钻测井系统，含有多种自动化旋转钻进模式、三参数全系列随钻测井仪器、实时成像、近钻头测量、上下传输闭环通讯系统、大功率井下发电机、高速脉冲器等多项先进技术，可实现旋转钻进中改变井眼轨迹和全系列测井。AutoTrak 系统主要由旋转导向头短节、ONTRAK 测量短节、BCPM通讯供电短节和SDN放射性测量短节4部分组成。它测量参数齐全，不仅有工程数据、地面数据、钻井安全指标数据，还有地质导向和测井评价所需的各种数据，如当量循环密度、伽马成像、电磁波电阻率、超声波井径、补偿中子及密度成像等。

对于水平段地质导向来讲，随钻测量仪器离钻头越近越好，其成像探边功能也会大大提高地质导向的效果。AutoTrak 有可实时测量近钻头井斜、旋转方位的功能，可以帮助工程人员精准掌握工具在地层中的位置，更好地控制实钻轨迹。

4 LWD技术发展趋势

随着油气勘探开发进入后期，现有的油气藏勘探开发需要借助长水平段水平井、大位移井等复杂结构井，旋转导向钻井系统是各种高难度井和特殊油藏钻井工艺的技术支撑。随着深井、超深井、特殊工艺井、高温高压井的数量和比例逐渐增多，旋转导向系统须在技术上不断突破，以适应日益复杂的钻井环境。目前旋转导向系统在耐高温高压性能、无线信息传输方式、与马达结合以及与套管/尾管钻井相结合方面取得了进步。

国内旋转导向钻井技术与国外差距较大，实际应用中的导向钻井技术几乎仍是采用滑动导向钻井技术，而旋转导向钻井技术仍处于试验研究阶段。国外在几何轨迹旋转导向方面已经趋于成熟，正在逐步发展以旋转导向钻井工具为核心的地质导向钻井技术，国内在这方面还须加大投入，借鉴国外先进技术经验，充分利用国内相关行业先进技术，追赶世界先进水平。

5结论

（1）LWD技术的发展史就是一部石油工业的发展史、变革史。只有不断创新、加大独立自主的产品研发力度、逐步淘汰落后单一技术，形成一套多学科一体化技术才能解决日益复杂的油气开发需求，密切跟踪国外旋转导向发展技术，对测控、接口方面的核心技术进行重点攻关，争取早日实现旋转导向钻井的大规模应用。

（2）FEWD地质导向钻井技术应用领域不断扩展，服务地区不断扩大，在国内薄层油藏、断块油气藏开发中将继续发挥主要作用。

（3）贝克休斯AutoTrak 旋转导向闭环钻井系统技术先进、测量参数齐全，迅速掌握这种先进技术，才能占据競争的制高点。

参考文献：

[1] 刘玉榜，刘华，贺昌华等.FEWD地质导向钻井技术及其应用[J].钻采工艺，2016，29（3）：102.

[2] 王忠良，李金刚，黄川等.旋转导向随钻测控技术[J].测控园地，2016，04： 48.