智能導向鉆井與隨鉆測井技術已成為21世紀智能鉆井和測井以及實時儲層評價的進應用技術，是高效、安全勘探和開發復雜油氣藏必不可少的應用技術，也是油田現場工程師必須掌握的一門應用技術。《復雜油氣藏隨鉆測井與地質導向》按照地質導向與隨鉆測井發展的歷史進程，系統詳細地介紹旋轉導向、地質導向、隨鉆測量、隨鉆電阻率測井、隨鉆聲波測井、隨鉆地震、隨鉆放射性測井、隨鉆核磁共振測井以及隨鉆地層壓力測試等先進技術。
油田地質、錄井、物探和測井，以及鉆井與油藏開發等專業的教師、科研人員、現場操作工程師等，石油高校勘探與開發相關專業學生
目錄
第1章 緒論 1
第2章 隨鉆測量技術 4
2.1 隨鉆測量技術概況 4
2.2 隨鉆測量技術的組成 5
2.3 隨鉆測量信號傳輸 6
2.4 隨鉆測量工具的耐溫耐壓性能 8
2.5 隨鉆測量技術的應用 8
第3章 旋轉導向與地質導向 28
3.1 導向鉆井技術概述 28
3.2 旋轉導向技術 32
3.3 地質導向技術 42
3.4 地質導向的實現方法 45
第4章 隨鉆測井與數據傳輸技術概況 58
4.1 Schlumberger公司隨鉆測井技術 58
4.2 Halliburton隨鉆測井技術 68
4.3 Baker Hughes公司隨鉆測井技術 73
4.4 WeatherFord公司隨鉆測井技術 81
4.5 隨鉆數據傳輸技術 85
第5章 隨鉆電法測井 91
5.1 隨鉆電阻率測井儀簡介 93
5.2 Schlumberger公司的隨鉆電阻率測井儀 97
5.3 隨鉆電阻率影響因素討論 105
5.4 隨鉆電阻率測井的應用 121
第6章 隨鉆聲波與隨鈷地震 134
6.1 隨鉆聲波測井研究進展 134
6.2 隨鉆過程中的震動與噪聲 135
6.3 隨鉆過程中縱橫波的測量 138
6.4 APX與CLSS儀器的結構組成與主要性能 140
6.5 隨鉆聲波儀器工作原理 145
6.6 sonicVision隨鉆聲波儀器 148
6.7 隨鉆地震 157
第7章 隨鉆放射性測井 177
7.1 隨鉆自然伽馬測井 177
7.2 隨鉆中子密度測井 180
7.3 EcoScope多功能隨鉆測井 185
7.4 隨鉆核磁共振測井 200
7.5 隨鉆核磁的應用與現場實例 206
第8章 隨鉆地層壓力測試 209
8.1 隨鉆地層壓力測試技術概況 209
8.2 隨鉆地層壓力測試的應用 215
參考文獻 223
第1章 緒論
1. 國外隨鉆測井技術的發展現狀
自1930年起，人們就開始對隨鉆測量進行嘗試，并曾將傳輸電纜嵌入鉆桿內進行隨鉆電阻率的測量。1940～1960年，人們先后采用電磁波、聲波等信號作為井下測量信號的載體，后來科研人員利用在鉆井液柱中產生壓力脈沖的方法來傳輸測量信息。1978年，TELECO公司開發出套商業化的MWD系統-TELECO定向隨鉆測量系統。1980年，鉆井液脈沖傳隨鉆測井系統誕生，這種傳輸技術首先應用于隨鉆電阻率的測量，而后應用于隨鉆中子測井和隨鉆密度測井等方面。
隨鉆技術發展至今，大致可分為三代。1990年以前的相關技術屬于代。此期間的隨鉆技術以Schlumberger下屬子公司(Anadrill公司)推出的MST多傳感器MWD系統為標志，主要以鉆井工程參數的隨鉆測量和2MHz電阻率測量為主，測量參數單一，數據傳輸速率低。
1990～1996年的相關技術屬于第二代。其代表性的儀器有：1991年，NL Sperry公司推出的EPR phase4型多探測深度的方位電阻率測量井眼成像技術——近鉆頭傾角儀。它通過導向馬達、正演模擬程序，以及地質導向來實現鉆進；1992年，Anadrill公司首次推出綜合鉆井評價和測井軟件包，并引入了近鉆頭電阻率儀和聲波井徑儀；1994年，Bake Hughes公司推出小井眼的NaviTrak定向/自然伽馬井下儀器，以及套NaviTrak短曲率隨鉆測量系統和NaviGator儲層導向系統；1995年是隨鉆測井儀器(小井眼電阻率儀器)的快速發展期，Sperry Sun公司推出了Slim Phase4內存型43/4in儀器，Anadrill公司研制出了arc-5儀器，Baker Hughes公司推出了NaviMPR IDS儀器。
1997年至今的相關技術屬于第三代。這期間，Schlumberger公司推出的隨鉆測井儀器有Vision和Scope LWD系列，Baker Hughes公司推出了OnTrak LWD平臺等。這些儀器在測量參數范同、數據傳輸效率、隨鉆成像等多個方面都有了質的飛躍，口J+實時提供確定地質環境鉆井過程、采集實時信息時所需要的數據。
2000年以來，隨鉆測井儀器的研制向著隨鉆核磁共振、隨鉆地震、隨鉆聲波成像、隨鉆電阻率成像方面發展，并取得了顯著的成績，與已有的隨鉆測井儀器相比，在地層的探測深度和性方面郡有提高。這些儀器可用于測量高分辨率電阻率、聲波、井眼成像、地層傾角、環空壓力、泄漏，以及進行地層綜合測試等。Schlumberger公司的Vision系列代表著一代的LWD測井技術，包括感應型或電磁波傳播測井、方位密度巾子測井以及自然伽馬測井等項目。Vision系列包括電磁波傳播電阻率、方位電阻率和方位密度中子測井(AdnVision)等儀器，并擴大了井下存儲器容量，所有數字式電子線路可提供更的測量結果，質量上可與快速平臺系統相媲美。實時隨鉆環空壓力APWD測量儀器改進了鉆井導向性能，提高了鉆井效率，保障了鉆井安全。在所有的泥漿條件下，Vision系列可以獲得全井眼圖像，并可用于構造解釋、地質導向、地層評價和井眼故障分析(布志虹等，2001;鄒德江等，2005)。
第三代隨鉆測井儀器的主要技術特征為：儀器種類更多，體積更小，數據傳輸更快，信息量更大，性更高，地面解釋軟件功能更強等。測斜時間為90～130s，工具面更新時間為9～18s，鉆挺直徑為31/8～91/2iri；井下儀器平均無故障時間為純定向時300h以上和隨鉆測井時200h以上。國外相關公司隨鉆測井儀器的相關情況見表1-1。
表1-1 幾種主要的隨鉆測井儀器
2. 國內隨鉆測井技術的發展現狀
我國在"六五"與"七五"期間曾組織過"電纜式定向隨鉆測井系統"(航天部33所與石油勘探開發研究院)、"隨鉆井下記錄系統"(石油勘探開發研究院)以及"隨鉆測量電磁波傳輸信道可行性研究"(機電部22所與石油勘探開發研究院)等項目，但都未取得可以應用的成果。1996年，在中國石油天然氣集團公司的大力支持下，中油北京錄井公司引進了我國套PathFind LWD和Slim GR MWD設備。1999年年初，勝利油田從美國引進了一套較先進的帶地質導向參數的隨鉆地層評價無線隨鉆測量儀。2001年，國內學者開始進行MWD/LWD國產化研究工作，成功地研制出了具有白主知識產權的新型正脈沖隨鉆測量儀、隨鉆自然伽馬和隨鉆感應電阻率測量儀。2004年，石油勘探開發研究院鉆井所與海洋石油研究中心大力合作，研制出近鉆頭隨鉆工程及地質參數測量系統部分樣機。目前，勝利油山地質導向鉆井技術在國內具有水平。2005年，南勝利鉆井院負責的隨鉆電阻率測井儀器研制成功，并下井試驗成功，這標志著我國隨鉆測井技術又向前邁進了一步。"十二五"期間，中油測井公司投入了較大的研究資金，成立了專業研究團隊，成功研發了國內目前齊全的隨鉆測量和隨鉆測井儀器系列。
到2010年，國內各油田引進的隨鉆儀器主要有Schlumberger公司的PowerDriver、Baker Hughes公司的OnTrak、Halliburton公司的Sperry Sun MWD，以及勝利偉業公司生產的SLD6000國產隨鉆測井系統等。我國共引進Halliburton公司的FEWD系列22套，Sperry公司的Sun系列49套，Baker Hughes公司的OnTrak系列5套、NaviTrak系列28套。
3. 隨鉆技術的優勢
隨鉆技術可以分為三人部分，即隨鉆導向鉆井技術、隨鉆測量技術和隨鉆測井技術。地質導向可提供的眼軌跡測量，以達到對井身的實時控制，使鉆頭長上"眼睛"，可實時地"看"到井下正在發生的情況，所以可以改善決策過程，及時調整鉆頭在油層中的穿行位置，提高鉆井成功率，降低鉆井風險，并具有隨鉆辨識油氣層、隨鉆導向功能強的特點，能直接服務于地質勘探，可提高探井發現率和成功率，更適合于復雜地層、薄油層鉆進的開發井，同時可提高油層鉆遇率和采收率。
隨鉆測量是指在鉆頭附近測得某些信息，不需中斷正常鉆進而將信息傳送到地面的過程。隨鉆測量的主要作用是定向井服務，測量的信息有：①定向數據，包括井斜角、方位角、工具面角等；②鉆井工藝參數，包括鉆頭處的鉆壓、扭矩、鉆柱轉速、環空溫度、環空壓力等；③地層伽馬、電阻率參數。以上參數通過由若干種傳感器組成獨立的參數短節，在MWD或LWD上實現隨鉆測量。
隨鉆測井包括隨鉆井徑、自然伽馬、電阻率、聲波、密度、中子、光電吸收截面、電阻率成像、核磁共振成像、隨鉆地震等技術，基本上已經涵蓋了目前電纜測井的所有技術。
隨鉆測井技術的發展與完善，使其成為電纜測井一個重要補充手段。由于是在鉆井的同時進行參數測量，使得在地層鉆井液剛剛侵入或幾乎沒有侵入污染前就能獲得真實的地層特性和資料，這對正確評價地層是重要和必要的，因此隨鉆測井的優勢體現在以下方面。
(1) 不需要電纜，可測全常規測井項目，隨鉆測井在鉆井川同時完成測井作業，減少了占用井場鉆機的時間，并從鉆井-測井一體化服務的整體上節省成本。
(2) 對于放射性測井來講，由于測速慢，降低了放射性測井的統計誤差，提高了儀器的縱向分辨率。
(3) 對于電阻率測井來講，隨鉆測井資料是在泥漿濾液侵入地層之前或侵入很淺時測得的，更真實地反映了原狀地層的地質特征，可提高地層評價的性。
(4) 利用隨鉆伽馬和隨鉆電阻率測井識別易發生復雜情況的地層，可以實時發現薄的氣層。
(5) 在鉆井時，利用伽馬射線和電阻率測井可以評價地層壓力，并與鄰井進行對比。
(6) 在某些大斜度井或特殊地質環境(如膨脹黏土或高樂地層)中鉆井時，電纜測井十分困難或風險較大以致于不能進行作業，隨鉆測井是可用的測井技術。
隨鉆測井技術把隨鉆測井工程師與現場的鉆井工程師和地質專家結合起來，提供高水平的儲層區評估/開采服務，這將使井位設計和勘探開發的目的更加。國內各大油田對隨鉆測井技術的使用經過了引進、消化、吸收和創新四個盼段。
隨著各類復雜油氣藏、致密油氣藏、頁巖氣藏等非常規油氣藏不斷被發現，大位移井、水平井、各類復雜井越來越多，常規的電纜測井已經無法進行作業，隨鉆測井將成為各大油田公司的必然選擇。隨鉆測量和隨鉆測井技術的應用前景十分廣闊。
第2章 隨鉆測量技術
隨鉆測量(measurement while drilling，MWD)系統是指在鉆井過程中進行井下信息實時測量和上傳的技術。其測量信息包括井斜、井斜方位、井下扭矩、鉆頭承重、自然伽馬、電阻率等參數。隨鉆測井(logging while drilling，LWD)系統是指在鉆井過程中，完成自然伽馬、地層側向電阻率、感應電阻率、聲波、密度、巾子、光電指數等參數的測量的技術。
2.1 隨鉆測量技術概況
1980年，Schlumberger公司推出了業界支MWD 工具-Ml，它能夠提供井斜方位和工具面測量功能，標志著定向鉆井進入快速發展的時代。1993年，Schlumberger公司推出了高速鉆井液脈沖MWD工具——PowerPulse(俗稱Ml0)，該工具能夠獲得穩定的鉆井液傳輸信號，實現高速傳輸，傳輸速率可達16bit/s，相比上幾代工具，其的特點是"性更高、維護費用更低和傳輸速率更快"，同時還具有"長度更短、防磨性更強、工作頻率可調、抗振性更好、排量范圍更廣和上限排量更高"等諸多優勢。2000年，Schlumberger公司推出了滿足小井眼定向井需求的工具，即ImPulse，它同時具有MWD和LWD功能，其工具設計確保能夠與其他小井眼隨鉆測井工具和旋轉導向工具配合使用，這使得Schlumberger公司在小井眼定向鉆井和測量技術領域處于的地位。
進入21世紀以來，定向鉆井對隨鉆測量技術的要求越來越高，如圖2-1所示。三十多年來，Schlumberger公司通過工程技術研究及現場的實際應用經驗積累，先后研發并推出了傳輸速率快、性能的MWD工具系列。特別是在2005年，該公司推出了基于Orion I的一代MWD工具——TeleScope，2009年，推出了基于Orion II的TeleScope儀器，它在PowerPulse技術的基礎上，采用110W三源供電板電源替代PowerPulse工具的LTB電源，采用帶2M內存的雙核處理器芯片替代原來PowerPulse 工具的控制板。
圖2-1 隨鉆測量技術的發展
(吳奇等，2012)
2.2 隨鉆測量技術的組成
隨鉆測量技術主要包括地面系統和井下系統。其地面系統主要包括地面鉆井參數測量(深度跟蹤)、地面傳感器(接收井下MWD工具發出的信號)、地面計算機(解碼和處理數據)三部分。井下系統主要包括供電、井下測量、井下信號的發生、井下數據遙測傳輸四部分。
(1) 供電部分。該部分主要有電池電源或井下替代電源(渦輪發電)，為井下工具串提供電力。其中，電池可以在停泵狀態下提供電力，但是其作業時問電力輸出有限(可能會限制使用某些大功率及耗電量較大的測量項目)。采用渦輪發電等替代電源則需要開泵，并且保障在不同排量下均能捉供電力。
(2) 井下測量部分。該部分主要是對井眼軌跡形態和井下鉆具基本狀態進行測量，包括井斜、方位、工具面角等(圖2-2)，其主要目的是為定向鉆井專家提供基本參數來控制和調整井眼軌跡。同時，MWD工具通過加裝測量短節，還可以實現其他可選參數的測量，如自然伽馬、井下鉆頭鉆抹、井下鉆頭扭矩、環空溫度和環空壓力等。
(3) 井下信號的發生部分。該部分主要通過轉子和定子之間過流通道的閉合和開啟產生壓力脈沖波作為
