第1章 绪论

1. 国外随钻测井技术的发展现状

自1930年起，人们就开始对随钻测量进行尝试，并曾将传输电缆嵌入钻杆内进行随钻电阻率的测量。1940～1960年，人们先后采用电磁波、声波等信号作为井下测量信号的载体，后来科研人员利用在钻井液柱中产生压力脉冲的方法来传输测量信息。1978年，TELECO公司开发出套商业化的MWD系统-TELECO定向随钻测量系统。1980年，钻井液脉冲传随钻测井系统诞生，这种传输技术首先应用于随钻电阻率的测量，而后应用于随钻中子测井和随钻密度测井等方面。

随钻技术发展至今，大致可分为三代。1990年以前的相关技术属于代。此期间的随钻技术以Schlumberger下属子公司(Anadrill公司)推出的MST多传感器MWD系统为标志，主要以钻井工程参数的随钻测量和2MHz电阻率测量为主，测量参数单一，数据传输速率低。

1990～1996年的相关技术属于第二代。其代表性的仪器有：1991年，NL Sperry公司推出的EPR phase4型多探测深度的方位电阻率测量井眼成像技术——近钻头倾角仪。它通过导向马达、正演模拟程序，以及地质导向来实现钻进；1992年，Anadrill公司首次推出综合钻井评价和测井软件包，并引入了近钻头电阻率仪和声波井径仪；1994年，Bake Hughes公司推出小井眼的NaviTrak定向/自然伽马井下仪器，以及套NaviTrak短曲率随钻测量系统和NaviGator储层导向系统；1995年是随钻测井仪器(小井眼电阻率仪器)的快速发展期，Sperry Sun公司推出了Slim Phase4内存型43/4in仪器，Anadrill公司研制出了arc-5仪器，Baker Hughes公司推出了NaviMPR IDS仪器。

1997年至今的相关技术属于第三代。这期间，Schlumberger公司推出的随钻测井仪器有Vision和Scope LWD系列，Baker Hughes公司推出了OnTrak LWD平台等。这些仪器在测量参数范同、数据传输效率、随钻成像等多个方面都有了质的飞跃，口J+实时提供确定地质环境钻井过程、采集实时信息时所需要的数据。

2000年以来，随钻测井仪器的研制向着随钻核磁共振、随钻地震、随钻声波成像、随钻电阻率成像方面发展，并取得了显著的成绩，与已有的随钻测井仪器相比，在地层的探测深度和性方面郡有提高。这些仪器可用于测量高分辨率电阻率、声波、井眼成像、地层倾角、环空压力、泄漏，以及进行地层综合测试等。Schlumberger公司的Vision系列代表着一代的LWD测井技术，包括感应型或电磁波传播测井、方位密度巾子测井以及自然伽马测井等项目。Vision系列包括电磁波传播电阻率、方位电阻率和方位密度中子测井(AdnVision)等仪器，并扩大了井下存储器容量，所有数字式电子线路可提供更的测量结果，质量上可与快速平台系统相媲美。实时随钻环空压力APWD测量仪器改进了钻井导向性能，提高了钻井效率，保障了钻井安全。在所有的泥浆条件下，Vision系列可以获得全井眼图像，并可用于构造解释、地质导向、地层评价和井眼故障分析(布志虹等，2001;邹德江等，2005)。

第三代随钻测井仪器的主要技术特征为：仪器种类更多，体积更小，数据传输更快，信息量更大，性更高，地面解释软件功能更强等。测斜时间为90～130s，工具面更新时间为9～18s，钻挺直径为31/8～91/2iri；井下仪器平均无故障时间为纯定向时300h以上和随钻测井时200h以上。国外相关公司随钻测井仪器的相关情况见表1-1。

表1-1 几种主要的随钻测井仪器

2. 国内随钻测井技术的发展现状

我国在"六五"与"七五"期间曾组织过"电缆式定向随钻测井系统"(航天部33所与石油勘探开发研究院)、"随钻井下记录系统"(石油勘探开发研究院)以及"随钻测量电磁波传输信道可行性研究"(机电部22所与石油勘探开发研究院)等项目，但都未取得可以应用的成果。1996年，在中国石油天然气集团公司的大力支持下，中油北京录井公司引进了我国套PathFind LWD和Slim GR MWD设备。1999年年初，胜利油田从美国引进了一套较先进的带地质导向参数的随钻地层评价无线随钻测量仪。2001年，国内学者开始进行MWD/LWD国产化研究工作，成功地研制出了具有白主知识产权的新型正脉冲随钻测量仪、随钻自然伽马和随钻感应电阻率测量仪。2004年，石油勘探开发研究院钻井所与海洋石油研究中心大力合作，研制出近钻头随钻工程及地质参数测量系统部分样机。目前，胜利油山地质导向钻井技术在国内具有水平。2005年，南胜利钻井院负责的随钻电阻率测井仪器研制成功，并下井试验成功，这标志着我国随钻测井技术又向前迈进了一步。"十二五"期间，中油测井公司投入了较大的研究资金，成立了专业研究团队，成功研发了国内目前齐全的随钻测量和随钻测井仪器系列。

到2010年，国内各油田引进的随钻仪器主要有Schlumberger公司的PowerDriver、Baker Hughes公司的OnTrak、Halliburton公司的Sperry Sun MWD，以及胜利伟业公司生产的SLD6000国产随钻测井系统等。我国共引进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. 随钻技术的优势

随钻技术可以分为三人部分，即随钻导向钻井技术、随钻测量技术和随钻测井技术。地质导向可提供的眼轨迹测量，以达到对井身的实时控制，使钻头长上"眼睛"，可实时地"看"到井下正在发生的情况，所以可以改善决策过程，及时调整钻头在油层中的穿行位置，提高钻井成功率，降低钻井风险，并具有随钻辨识油气层、随钻导向功能强的特点，能直接服务于地质勘探，可提高探井发现率和成功率，更适合于复杂地层、薄油层钻进的开发井，同时可提高油层钻遇率和采收率。

随钻测量是指在钻头附近测得某些信息，不需中断正常钻进而将信息传送到地面的过程。随钻测量的主要作用是定向井服务，测量的信息有：①定向数据，包括井斜角、方位角、工具面角等；②钻井工艺参数，包括钻头处的钻压、扭矩、钻柱转速、环空温度、环空压力等；③地层伽马、电阻率参数。以上参数通过由若干种传感器组成独立的参数短节，在MWD或LWD上实现随钻测量。

随钻测井包括随钻井径、自然伽马、电阻率、声波、密度、中子、光电吸收截面、电阻率成像、核磁共振成像、随钻地震等技术，基本上已经涵盖了目前电缆测井的所有技术。

随钻测井技术的发展与完善，使其成为电缆测井一个重要补充手段。由于是在钻井的同时进行参数测量，使得在地层钻井液刚刚侵入或几乎没有侵入污染前就能获得真实的地层特性和资料，这对正确评价地层是重要和必要的，因此随钻测井的优势体现在以下方面。

(1) 不需要电缆，可测全常规测井项目，随钻测井在钻井川同时完成测井作业，减少了占用井场钻机的时间，并从钻井-测井一体化服务的整体上节省成本。

(2) 对于放射性测井来讲，由于测速慢，降低了放射性测井的统计误差，提高了仪器的纵向分辨率。

(3) 对于电阻率测井来讲，随钻测井资料是在泥浆滤液侵入地层之前或侵入很浅时测得的，更真实地反映了原状地层的地质特征，可提高地层评价的性。

(4) 利用随钻伽马和随钻电阻率测井识别易发生复杂情况的地层，可以实时发现薄的气层。

(5) 在钻井时，利用伽马射线和电阻率测井可以评价地层压力，并与邻井进行对比。

(6) 在某些大斜度井或特殊地质环境(如膨胀黏土或高乐地层)中钻井时，电缆测井十分困难或风险较大以致于不能进行作业，随钻测井是可用的测井技术。

随钻测井技术把随钻测井工程师与现场的钻井工程师和地质专家结合起来，提供高水平的储层区评估/开采服务，这将使井位设计和勘探开发的目的更加。国内各大油田对随钻测井技术的使用经过了引进、消化、吸收和创新四个盼段。

随着各类复杂油气藏、致密油气藏、页岩气藏等非常规油气藏不断被发现，大位移井、水平井、各类复杂井越来越多，常规的电缆测井已经无法进行作业，随钻测井将成为各大油田公司的必然选择。随钻测量和随钻测井技术的应用前景十分广阔。

第2章 随钻测量技术

随钻测量(measurement while drilling，MWD)系统是指在钻井过程中进行井下信息实时测量和上传的技术。其测量信息包括井斜、井斜方位、井下扭矩、钻头承重、自然伽马、电阻率等参数。随钻测井(logging while drilling，LWD)系统是指在钻井过程中，完成自然伽马、地层侧向电阻率、感应电阻率、声波、密度、巾子、光电指数等参数的测量的技术。

2.1 随钻测量技术概况

1980年，Schlumberger公司推出了业界支MWD 工具-Ml，它能够提供井斜方位和工具面测量功能，标志着定向钻井进入快速发展的时代。1993年，Schlumberger公司推出了高速钻井液脉冲MWD工具——PowerPulse(俗称Ml0)，该工具能够获得稳定的钻井液传输信号，实现高速传输，传输速率可达16bit/s，相比上几代工具，其的特点是"性更高、维护费用更低和传输速率更快"，同时还具有"长度更短、防磨性更强、工作频率可调、抗振性更好、排量范围更广和上限排量更高"等诸多优势。2000年，Schlumberger公司推出了满足小井眼定向井需求的工具，即ImPulse，它同时具有MWD和LWD功能，其工具设计确保能够与其他小井眼随钻测井工具和旋转导向工具配合使用，这使得Schlumberger公司在小井眼定向钻井和测量技术领域处于的地位。

进入21世纪以来，定向钻井对随钻测量技术的要求越来越高，如图2-1所示。三十多年来，Schlumberger公司通过工程技术研究及现场的实际应用经验积累，先后研发并推出了传输速率快、性能的MWD工具系列。特别是在2005年，该公司推出了基于Orion I的一代MWD工具——TeleScope，2009年，推出了基于Orion II的TeleScope仪器，它在PowerPulse技术的基础上，采用110W三源供电板电源替代PowerPulse工具的LTB电源，采用带2M内存的双核处理器芯片替代原来PowerPulse 工具的控制板。

图2-1 随钻测量技术的发展

(吴奇等，2012)

2.2 随钻测量技术的组成

随钻测量技术主要包括地面系统和井下系统。其地面系统主要包括地面钻井参数测量(深度跟踪)、地面传感器(接收井下MWD工具发出的信号)、地面计算机(解码和处理数据)三部分。井下系统主要包括供电、井下测量、井下信号的发生、井下数据遥测传输四部分。

(1) 供电部分。该部分主要有电池电源或井下替代电源(涡轮发电)，为井下工具串提供电力。其中，电池可以在停泵状态下提供电力，但是其作业时问电力输出有限(可能会限制使用某些大功率及耗电量较大的测量项目)。采用涡轮发电等替代电源则需要开泵，并且保障在不同排量下均能捉供电力。

(2) 井下测量部分。该部分主要是对井眼轨迹形态和井下钻具基本状态进行测量，包括井斜、方位、工具面角等(图2-2)，其主要目的是为定向钻井专家提供基本参数来控制和调整井眼轨迹。同时，MWD工具通过加装测量短节，还可以实现其他可选参数的测量，如自然伽马、井下钻头钻抹、井下钻头扭矩、环空温度和环空压力等。

(3) 井下信号的发生部分。该部分主要通过转子和定子之间过流通道的闭合和开启产生压力脉冲波作为