1、-1-CGDSI 近钻头地质导向钻井系统苏义脑，盛利民，邓乐，李林，窦修荣，王家进等(中国石油集团钻井工程技术研究院，100097)摘要：CGDS I 是由中国石油集团钻井工程技术研究院研制的具有我国独立知 识产权的近钻头地质导向钻井系统(第一代 )，该系统由测传马达、无线接收系统、正脉冲无线随钻测量系统和地面信息处理与导向决策软件系统组成，具有 测 量、 传输和导向功能。本文简要还介绍了该系统结构组成、技术 指标、功能和作用以及 现场应 用情况。该系统具有随钻辨识油气层、导向功能强的特点，可保证钻头在油层中穿行，从而提高油层钻遇率、钻井成功率和采收率，经济效益重大。1 概述地质导向钻井技术是
2、当今国际钻井界的一项高新技术，1993 年 Schlumberger 公司(Anadrill)首先推出的以 IDEAL 系统(Intergrated Drilling Evaluation and Logging，综合钻井评价和测井系统)为代表的地质导向钻井系统被公认为最有发展前景的 21 世纪的钻井高技术。地质导向能综合钻井、随钻测井/测斜、地质录井及其他各项参数，实时判断是否钻遇泥岩以及识别泥岩位于井眼的位置，并及时调整钻头在油层中穿行，可直接服务于地质勘探以提高探井发现率和成功率，也适合于复杂地层、薄油层钻进的开发井，提高油层钻遇率和采收率。目前国外仅有 Schlumberger 一家公
3、司拥有商业化的近钻头地质导向钻井技术，据了解 Halliburton 和 Baker Hughes 两公司正在进行开发此类技术，但尚未见到其商业产品。中国石油集团钻井工程技术研究院( 原中国石油勘探开发研究院钻井工艺研究所)从 1994 年开始调研并跟踪这一高新技术的发展，做了相应的技术准备，1999 年开始对这一技术进行攻关，经过 6 年多的研制和 10 余次的现场实验，研制成功了具有我国独立知识产权的第一台 CGDSI 近钻头地质导向钻井系统第一代产品(China Geosteering Drilling System)。以下内容将简要介绍 CGDSI 的系统组成、主要技术指标、功能和作用
4、以及现场应用实例。2 CGDSI 系统组成CGDS I 近钻头地质导向钻井系统的结构组成如图 1 所示，主要有以下部分：1) 测传马达 CAIMS (China Adjustable Instrumented 正脉冲无线随钻测量系统(CGMWD)无线接收系统(WLRS)测传马达(CAIMS)钻头地面系统(CFDS)井下无线短传图 1 CGDSI 近钻头地质导向钻井系统结构组成-2-Motor System)；2) 无线接收系统 WLRS (Wireless Receiver System)；3) 正脉冲无线随钻测量系统 CGMWD (China Geosteering MWD)；4) 地面信息
5、处理与导向决策软件系统 CFDS (China Formation/Drilling Software System)。该系统井下部分由测传马达 CAIMS、无线接收系统 WLRS 和正脉冲无线随钻测量系统CGMWD(井下仪器) 组成，仪器总长 18.11m。2.1 测传马达 CAIMS测传马达的结构如图 2 所示，自下而上由带近钻头稳定器的传动轴总成、近钻头测传集成短节、地面可调弯壳体总成(02.5)、万向轴总成、螺杆马达(i=5/6)和旁通阀组成。近钻头测传集成短节由方位电阻率传感器、方位自然伽马传感器、井斜和工具面传感器、电磁波发射天线、减振装置、控制电路、电池组等组成。该短节可测量钻头
6、电阻率、方位电阻率、方位自然伽马、井斜、温度等参数。用无线短传方式把各近钻头测量参数传至位于旁通阀上方的无线短传接收系统。2.2 无线短传接收系统 WLRS旁通阀5LZ 螺杆马达万向轴总成地面可调弯壳体总成电阻率发射线圈/无线短传发射线圈井斜传感器读取存储信息端口方位自然伽马传感器方位电阻率传感器电阻率接收线圈近钻头稳定器钻头图 2 测传马达结构示意图稳定器电池与控制电路舱体接收系统设置端口短传接收线圈上数据连接器下接头图 3 无线接收系统示意图正脉冲发生器驱动器短节电池筒短节定向仪短节下数据连接器无磁钻铤图 4 正脉冲无线随钻测量系统 CGMWD 结构组成-3-WLRS 的结构示意图如图 3
7、 所示，自下而上主要由下接头、无线接收线圈、电池与控制电路舱体、稳定器和上数据连接器等组成。下与马达连接，上与 CGMWD 连接。其主要功能是接收马达下方无线短传发射线圈发送的电磁波信号，通过控制电路处理后，由上数据连接器将近钻头测量数据融入 CGMWD 系统。2.3 正脉冲无线随钻测量系统 CGMWDCGMWD 包括地面装备和井下仪器两部分，如图 4 所示。二者通过钻柱内泥浆通道中的压力脉冲信号进行通信，并协调工作，实现钻井过程中井下工具的状态、井下工况及有关测量参数(包括井斜、方位、工具面等定向参数，伽马、电阻率等地质参数，及钻压、扭矩等其他工程参数)的实时监测。地面装备部分由地面传感器(
8、压力传感器、深度传感器、泵冲传感器等) 、仪器房、前端接收机及地面信号处理装置、主机及外围设备与相关软件组成，具有较强的信号处理和识别能力，传输深度可达 4500m 以上。地下仪器部分由无磁钻铤和装在无磁钻铤中的正脉冲发生器、驱动器短节、电池筒短节、定向仪短节和下数据连接器等组成。上接普通(或无磁) 钻铤，下接无线短传接收系统与测传马达。由于采用开放式总线设计，该仪器可兼容其他型号的脉冲发生器正常工作。除用于 CGDS-I 近钻头地质导向钻井系统作为信息传输通道外，还可用于其他钻井作业或单独施工作业。2.4 地面应用软件系统 CFDSCFDS 主要由数据处理分析、钻井轨道设计(图 5)与导向决
9、策等软件组成，另外还有效果评价、数据管理和图表输出等模块。应用该软件系统可对钻井过程中实时上传的近钻头电阻率、方位电阻率和方位自然伽马等地质参数进行处理和分析，从而对新钻地层性质作出解释和判断，并对待钻地层(钻头下方某一深度内 )进行前导模拟；再根据实时上传的工程参数，对井眼轨道作出必要的调整设计，进行决策和随钻控制。由此可提高探井、开发井对油层的钻遇率和成功率，大幅度提高进入油层的准确性和在油层内的进尺。3 CGDSI 系统技术指标表 1 CGDS-I 系统总体技术指标项 目 指 标 项 目 指 标外径 165 mm 马达流量 1628 L/s最大外径 190 mm 马达压降 3.2 MPa
10、近钻头稳定器 213 mm 钻头转速 100178 r/min上部稳定器 210 mm 马达工作扭矩 3200 Nm井眼尺寸 216244 mm(8-1/29-5/8) 马达最大扭矩 5600 Nm造斜能力 中、长半径 推荐钻压 80 kN传输深度 4500m 最大钻压 160 kN最高工作温度 125C 马达输出功率 33.559kW脉冲发生器类型 泥浆正脉冲 钻头电阻率传感器位置距马达底面距离 1.23 m上传传输速率 5 bit/s 方位电阻率传感器位置距马达底面距离 1.7 m短传数据率 200 bit/s 方位伽马传感器位置距马达底面距离 1.88 m连续工作时间 200 h 井斜与
11、工具面传感器位置距马达底面距离 2.02 m图 5 钻井轨道设计软件界面-4-近钻头测量参数 钻头电阻率，方位电阻率，方位伽马，井斜角，工具面角 CAIMS 长度 8.33 m最高耐压 140 MPa WLRS 长度 1.94 m最大允许冲击 10000 m/s2(0.2ms,1/2sin) CGMWD 长度 7.83 m最大允许振动 150 m/s2(10200Hz) CGDS-I 总长度 18.1 m表 2 CGMWD 测量参数与性能指标 表 4 钻头电阻率技术指标项 目 测量范围 精 度 测量范围 0.22000 -m方位角 0360井斜角6时1井斜角 36时 1.5井斜角 03时 2测
12、量精度0.1-m (电阻率 2-m)8%FS(2-m200-m)井斜角 0180 0.15 垂直分辨率 典型值 1.8m (6ft)探测深度 0.45m (18in)工作温度 125C工具面角 0360井斜角6时1.5 井斜角 36时 2.5井斜角 03时 3水基泥浆工作压力 140MPa温度 0150 2.5C 测量范围 0.22000-m抗震动 200m/s2 随机 51000Hz抗冲击 5000m/s2 (0.2ms,1/2sin)最高耐压 140MPa油基泥浆测量精度0.1-m (电阻率 2-m)7%FS (2-m200-m)最大工作温度 125C 表 5 方位电阻率技术指标最大含砂量
13、 1% 测量范围 0.2200-m最大狗腿度 10/30m(旋转)，20/30m(滑动) 0.1-m (电阻率 2-m)最大钻头压降 不限 测量精度 8%FS (电阻率2-m)表 3 自然伽马测量技术指标 垂直分辨率 典型值 0.1m (4in)序号 项 目 精 度 探测深度 0.3m (12in)1 测量范围 0250API 工作温度 125C2 精度 最大值的3%水基泥浆工作压力 140MPa3 灵敏度 不劣于 4API/cps 表 6 近钻头井斜、工具面技术指标4 最高测量速度 30m/h 项 目 范 围 精 度5 分层能力 20cm 工具面角测量 0360 0.46 统计起伏(*) 3
14、API 井斜角测量 0180 0.4(*)：100API 地层，钻速为 60ft/h。4. CGDSI 系统的功能CGDS I 近钻头地质导向钻井系统具有测量、传输和导向三大功能：1) 测量 如上所述，在近钻头测传集成短节中装有电阻率传感器、自然伽马传感器和井斜传感器，在无线短传接收系统中装有接收线圈。近钻头测传集成短节可测量钻头电阻率、方位电阻率、方位自然伽马和近钻头井斜角、工具面角，这些参数由无线短传发射线圈以电磁波方式越过导向螺杆马达，分时传送至无线接收系统中的接收线圈。2) 传输 无线接收线圈接收到马达下方的信息后，由数据连接器融入位于其上方的 CGMWD正脉冲随钻测量系统，CGMWD
15、 通过正脉冲发生器在钻柱内泥浆通道中产生的压力脉冲信号，把所测的近钻头信息(部分)传至地面处理系统，同时还上传 CGMWD 自身的测量信息，包括井斜、方位、工具面和井下温度等参数。3) 导向 地面处理系统接收和采集到井下仪器上传的泥浆压力脉冲信号后，进行滤波降噪、检测识别、解码及显示和存储等处理，将解码后的数据送向司钻显示器供定向工程师阅读；同时由CFDS 导向决策软件系统进行判断、决策，以井下导向马达 (或转盘钻具组合)作为导向执行工具，指挥执行工具准确钻入油气目的层或在油气储层中继续钻进。5. CGDSI 系统的作用-5-常规 LWD/MWD 导向工具的地质参数或工程参数测量点通常位于钻头
16、后方较远的位置，无法准确判断钻头在储层中的位置，很难保证钻头始终处在薄油层中钻进，如 6(a)所示。地质导向是综合钻井、随钻测井、地质录井及其他各项参数，实时判断岩性(是否钻遇泥岩以及识别泥岩位于井眼的上方还是下方)及油/气/水界面，及时调整控制井眼轨迹，以保证钻头在油层中穿行，具有随钻辨识油气层、导向功能强的特点，如图 6(b)所示。因此，大大提高了对地层构造、储层特性的判断和钻头在储层内轨迹的控制能力，从而提高油层钻遇率、钻井成功率和采收率，实现增储上产，节约钻井成本，经济效益重大。具体表现在：1) 由于在近钻头装配了地质参数传感器(钻头电阻率传感器距钻头底面 1.5m，方位电阻率传感器距
17、钻头底面 1.97m，自然伽马传感器距钻头底面 2.15m)，能够及时判断钻开地层及钻头前方地层的特性，并寻找储层的位置，好像为钻头装上了“眼睛” ，提高油层钻遇率。因此，CGDS-I 钻井系统可解决复杂地质条件下探井、注水老油田开发水平井的信息不准，减少复杂情况和事故时效，提高钻井成功率，从总体上降低钻井成本。2) 在钻头附近的地质参数传感器、工程参数( 井斜和工具面 )传感器(距钻头底面的距离 2.3m)，以及 5LZ 型 AKO 螺杆马达(结构弯点距钻头地面的距离为 3.33m)，使 CGDSI 系统能够随钻辨识泥岩位于井眼的上部还是下部，并及时调整钻头的姿态，保证钻头能一直在油层中穿行
18、。因此，CGDS I 系统可适用于地下油水关系复杂、薄油层、小断块油气藏的开发井以及大位移井，提高产量和采收率，把非经济储量变为经济储量，增储上产。3) CGDSI 系统能够实时对井下地质、钻井数据进行监控，实时对地层进行判断，实时指导并完成钻井导向作业。因此，CGDSI 近钻头地质导向钻井系统是一项直接服务于油气地质勘探开发的随钻技术，为油气勘探开发提供重要的技术支持。6 CGDSI 系统现场应用6.1 CGMWD 新型正脉冲无线随钻测量系统实例 1 系统功能实验实验时间：2003 年 12 月 9 日30 日；实验井队：大港油田 50526 井队；实验井位：冀东油田LB1-19-16 井；
19、实验井段：23152993m；实验简况：常常 规规 MWD导导 向向 工工 具具 面面 临临 的的 挑挑 战战 应应 该该 向向 哪哪 个个 方方 向向 钻钻 进进 ? 是是 否否 已已 钻钻 达达 目目 的的 层层 是是 否否 在在 目目 的的 层层 内内 钻钻 进进 ? 可可 钻钻 性性 ： 向 上 ？ 继 续 ？ 向 下 ？ 常常 规规 MWD导导 向向 工工 具具 测测 量量 点点通通 常常 位位 于于 钻钻 头头 之之 后后 较较 远远 的的 位位置置 ， 很很 难难 保保 证证 钻钻 头头 始始 终终 在在 薄薄 油油层层 中中 钻钻 进进 。 152m CGDS-I钻钻 井井 系
20、系 统统 的的 解解 决决 方方 案案 实实 时时 近近 钻钻 头头 测测 量量 ： 电电 阻阻 率率 ， 伽伽 马马 ， 井井 斜斜 ， 工工 具具 面面 实实 时时 钻钻 头头 电电 阻阻 率率 ： 测测 量量 钻钻 头头 前前 方方 电电 阻阻 率率 实实 时时 井井 眼眼 上上 下下 方方 测测 量量 ： 方方 位位 伽伽 马马 ， 方方 位位 电电 阻阻 率率 钻钻 头头 电电 阻阻 率率 方方 位位 电电 阻阻 率率 , 方方 位位 伽伽 马马 , 井井 斜斜 , 工工 具具 面面 钻钻 头头 电电 阻阻 率率 CGDS-I钻钻 井井 系系 统统 实实 时时 监监 测测 近近 钻钻
21、 头头 电电 阻阻 率率 、 方方 位位 电电阻阻 率率 、 自自 然然 伽伽 马马 数数 据据 、 近近 钻钻 头头 井井 斜斜 和和 工工 具具 面面 等等 数数 据据 ，判判 断断 钻钻 头头 在在 油油 层层 中中 的的 位位 置置 ， 并并 随随 时时 调调 整整 钻钻 头头 姿姿 态态 ，始始 终终 在在 油油 层层 中中 钻钻 进进 。 方方 位位 电电 阻阻 率率 , 方方 位位 伽伽 马马 , 井井 斜斜 , 工工 具具 面面 (a) (b)图 6 CGDSI 系统导向功能与常规 LWD/MWD 导向工具的比较现场采集实际信号滤波后信号图 7 CGMWD 现场采集和虑波后的泥
22、浆脉冲信号-6-下钻 8 次，入井时间 363h，工作时间 257h，纯钻进时间 244h，累计进尺 678m；实验结果：系统工作性能良好，达到产品级水平。实例 2 脉冲发生器应用正脉冲发生器 2003 年2005 年在油田 50 余口，2005 年 5 只脉冲发生器进行了 20 余口井的应用：平均每只脉冲发生器下 4 口井；平均无故障累计工作时间约为 400h；无故障最长累计工作时间约为 550h 以上；最大测量深度 2700m。6.2 CAIMS 近钻头地质参数测量集成短节现场实验举例实验时间：2004 年 5 月 2729 日；实验井队：大港油田 50530 井队；实验井位：冀东 L1-
23、1 井；实验目的：在钻井过程中实时检测钻头电阻率、侧向电阻率、方位自然伽马、近钻头处钻柱内压力和仪器舱体温度等参数，所测量的数据均保存在存储器中、待工具取出地面后可回放至计算机中，供进一步处理和分析。实验结果：1) 取得了钻头电阻率、侧向电阻率、方位自然伽马、近钻头处钻柱内压力和仪器舱体温度 5条随钻测井曲线；2) 压力和舱体温度曲线性能优异；3) 钻头电阻率和侧向电阻率曲线与该井的测井曲线符合程度非常高，同时表现出一些电缆测井仪器所不具备的性能。如图 8 所示，随钻电阻率侧向测井曲线与电缆侧向电阻率曲线峰值对应得很好，但数值略有区别，这正说明了钻井液侵入所造成的影响。图 9 为实验井段最后一
24、段电阻率随钻测井曲线，从统计结果上看，随钻侧向电阻率的地层分辨率要好于电缆侧向电阻率。6.3 CGDSI 系统实例 1 系统功能实验实验时间：2005 年 12 月 29 日2006 年 1 月 9 日；实验井位：冀东油田高 3102 平台高 59-51 井；实验井队：华北油田钻井二公司 50521 队；实验井段：1542m1592m，包含复合钻进和滑动定向造斜井段，实钻进尺 50m；工作时间：25h，钻进时间 11.5h。实验结果：1) 在实验的钻进过程中，近钻头地质参数(钻头电阻率、方位电阻率、方位自然伽马) 和近钻头工程参数( 井斜、工具面 )经无线电磁波发射方式成功短传至测传马达上部的
25、数据接收短节，进一步经 CGMWD 上传至地面，同时上传的 MWD 参数有 深侧向电阻率 浅侧向电阻率 钻头电阻率 侧向电阻率电缆测井曲线随钻电阻率测井曲线图 8 2460-2495m 井段随钻测井及与电缆测井的比较 深侧向电阻率 浅侧向电阻率 钻头电阻率 侧向电阻率电缆测井曲线随钻电阻率测井曲线图 9 2480-2505m 井段随钻测井及与电缆测井的比较图 10 测传马达在钻台上-7-井斜、方位、工具面和井下温度等参数，并实现成功的解码和正确的数据处理；2) 随钻测量数据与实验井电缆测井数据对比，随钻测量数据比较理想；3) 测传马达的实钻造斜率(3.46 /30m)与设计值(3-4/30m)
26、非常吻合。实例 2 系统性能综合测试实验时间：2006 年 4 月 10 日15 日实验井位：冀东油田高 29-15 井实验井队：中原油田钻井四公司32612 井队实验概况：系统共下井 2 次，从井深1705m 处开始钻进，至 1916m 处实验结束。复合钻进稳斜井段 211m，系统工作时间58h，入井工作 47h，钻进时间 18.5h。实验结果：1) 工程参数(井斜、方位、工具面等 )测量稳定、可靠，与定向服务单位的有线随钻测量数据一致性很高；2) 螺杆马达的工作性能良好，最高钻速可达 2m/min；3) 实时上传的数据所显示的可能为储层井段，与气测结果具有油气显示的井段吻合较好；4) 回放
27、数据曲线所反映的储层井段，与气测结果具有油气显示的井段基本一致；5) 回放的近钻头电阻率、方位电阻率和方位自然伽马数据曲线稳定，且有良好的对应关系，通过与电缆测井曲线的对比(参见图 11)，得到以下结论： 随钻方位电阻率探测深度与电缆测井双侧向相当 随钻方位电阻率分辨率与电缆测井微球聚焦接近 在砂岩层随钻方位电阻率测量值高于双侧向，在泥岩中与双侧向一致 随钻自然伽马测量值与电缆测井吻合实例 3 工业化应用试验试验时间：2006.08.12试验井位：辽河油田洼 38-东 H4 井试验井队：辽河石油勘探局钻井一公司 32823 井队试验概况：从该井三开起始处(1389m，井斜 89)共完成了 7
28、个单根的模拟钻进。试验结果：1) CGDSI 近钻头地质导向钻井系统首次在水平井储层井段获得应用，取得可喜成果；2) 近钻头地层参数测量能够真实地反电测电阻率： 深侧向 浅侧向 微球聚焦随钻电阻率： 钻头电阻率 方位电阻率 虑波后方位电阻率电测与随钻自然伽马： 电缆测量自然伽马 随钻自然伽马 滤波后随钻自然伽马图 11 随钻测量与电缆测量数据的比较-8-映地层状况：近钻头方位电阻率和钻头电阻率测量稳定。随井深的增加方位电阻率测量值缓慢增加，与 Baker-Hughes LWD 的回放数曲线基本吻合；钻头电阻率曲线变化平稳，其变化趋势与方位电阻率变化趋势一致；近钻头自然伽马测量曲线变化比较平稳，
29、基本反映油层状况。3) MWD 系统工作正常，实时地将井斜、方位、工具面和井下温度等参数上传，并且与BakerHughes LWD 相应参数对应良好。7 应用前景和效益分析1) 由于地质导向钻井技术可根据随钻监测到的地层特性来实时调整和控制井眼轨道，所以广泛用于水平井(尤其是薄油层水平井 )、大位移井、分支井、侧钻井和深探井，是国内十分需要的一项高新技术；2) 国外 Schlumber 等服务公司垄断此项技术，拒不出售产品，只提供高价位技术服务，CDGS I 系统拥有自主产权，可打破国外技术垄断，彻底改变依赖国外、受制于人的局面；3) 应用 CGDSI 系统可显著提高勘探发现率、油层钻遇率和采
30、收率，实现增储上产；随着推广应用面扩大，由于有国产仪器的保障，可进一步扩大水平井的钻井数量，提高油气产量经济效益愈加显著；4) 可进入国际市场，提高我国钻井技术在国际市场的竞争力；5) 可以此产品为依托建立具有我国独立知识产权的高新技术企业，形成新的经济增长点。致谢在 CGDSI 近钻头地质导向钻井系统的研制和现场应用过程中，得到了许多单位和部门有关领导、技术工程人员以及工人师傅们的大力支持和协助，在此，向以下单位和部门(按研制和应用时间为序) 表示衷心的感谢：大港油田集团中成机械制造有限公司螺杆钻具制造厂冀东油田分公司勘探开发工程监理公司大港油田定向井服务公司大港油田钻井三公司大港油田钻井三
31、公司 50523 钻井队大港油田钻井三公司 50530 钻井队大港油田滩海钻井工程公司 50527 钻井队大港油田钻井三公司 50540 钻井队华北油田钻井一公司华北油田钻井一公司 40507 钻井队华北油田钻井三公司华北油田钻井三公司 50508 钻井队中原油田钻井四公司 32612 井队辽河石油勘探局过程技术研究院辽河石油勘探局钻井一公司辽河石油勘探局钻井一公司 32823 钻井队辽河石油勘探局工程技术部(苏义脑 中国工程院院士，中国石油集 团钻井工程技术研究院副院长，兼任中国石油天然气集团公司钻井工程重点实验室主任、中国石油学会工程专业委员会钻井工作部钻井基础理论学组组长、北京振动工程学会理事长。 )
