专利名称：水平井随钻自然伽马地质导向方法
技术领域：
本发明涉及石油钻井勘探开发技术领域，尤其是涉及一种适用于水平 井水平段钻进过程中的水平井随钻自然伽马地质导向方法。
背景技术：
目前，在石油钻井技术领域中， 一般均使用综合录井仪对整个钻井过 程实时进行监测，该仪器随钻监测点井深与钻头位置井深间的距离基本为 零距离，因而可随时监测井底其地层岩性及油气水显示变化情况。实际钻 井过程中，在不同斜深、不同钻时条件下，综合录井仪实时录井显示岩屑 泥岩含量以及油气水变化情形，通过所显示出的岩屑泥岩含量以及气测数 据能够及时判断出钻头钻遇不同于目的层的岩性，同时根据所测量出的井 斜角度及预测轨迹，可以判断出钻头是否钻出目的层。
根据研究发现，钻头在水平段中穿行时会出现以下6种情况，相应参 数和资料反应如下
1、 当钻头从上围岩进入气层时钻时下降；岩屑百分含量泥岩岩 屑减少，云岩岩屑增加；全烃值上升；随钻测量井斜增加，垂深增加，自 然伽玛由高值变为低值。
2、 当钻头从气层进入下围岩时钻时上升；岩屑百分含量泥岩岩 屑含量增加，云岩岩屑减少；全烃值下降；随钻测量井斜，垂深增加，自 然伽玛曲线由低值变为高值。
3、 当钻头从下围岩进入气层时钻时下降；岩屑百分含量泥岩岩 屑减少，云岩岩屑增加；全烃值上升；随钻测量井斜增加，垂深增加，自 然伽玛由高值变为低值。
4、 当钻头从气层进入上围岩时钻时上升；岩屑百分含量泥岩岩
4屑含量增加，云岩岩屑减少；全烃值下降；随钻测量井斜，垂深增加，自 然伽玛曲线由低值变为高值。
5、 当钻头在围岩中钻进时钻时持续相对高值；岩性为单一泥岩； 全烃值为低值；自然伽玛为高值。
6、 当钻头在气层中钻进时钻时持续相对低值；岩性为单一砂岩； 全烃值为高值；自然伽玛为低值。
综上，在水平钻进过程中，获得的参数和资料有很多，主要包括钻时、 气测、岩屑、井斜和自然珈玛及其它工程参数。任何几种资料的组合分析 都可以实现对水平段的录井引导。现场录井资料具有实时性，紧跟钻头。 而自然伽玛曲线很好的判识了钻遇地层的岩性。井斜数据成图分析较好的 诠释了钻头轨迹。气测数值的变化一定程度的反应了地层含气程度的好 坏。针对以上地质导向的难点，综合资料及参数的反应特征，来分析总结 出一个能确保水平段钻头按预定方向钻进的有效导向方法。
但在水平钻进中，经常出现钻头钻出和钻入目的层的情况，地层在剖 面上会出现重复现象。同时，随着水平位移的增加，目的层在横向上会有 不同程度的弯曲变形，利用垂深换算来描述自然伽玛的形态已经不能代表 目的层自然伽玛曲线特征，也就是说，录井资料已失去参考价值；再加之 所处地段自然环境及地形的复杂性，上述因素使地质导向实施难度极大， 给现场监督造成了极大的挑战。综上所述，由于水平井录井现场受诸多因 素影响，加之地下地层的不确定性，因此在实际录井过程中，需要综合应 用各种方法及技术进行分析判识。另外，还需开发一种对钻头钻入和钻出 进行判识并保证钻头在目的层段可靠穿行的有效导向办法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一 种水平井随钻自然伽马地质导向方法，其能对钻头钻入和钻出进行准确判 识且判识方法步骤简单、操作简易、行之有效，能有效解决钻头在目的层段的可靠穿行问题，尤其是在现有录井资料失真的情况下。
为解决上述技术问题，本发明釆用的技术方案是 一种水平井随钻自然 伽马地质导向方法，其特征在于该方法包括以下步骤
步骤一、钻头在目的层水平钻进过程中，通过井下自然伽马探测器实 时对所钻地层自然放射性物质所产生的伽玛射线进行检测，且同步将所测 得信号通过电缆传至位于地面的数据釆集及分析处理系统；同时，录井设 备实时将所检测到的井斜角度一和井深数据一同步传至数据釆集及分析 处理系统；
步骤二、所述数据釆集及分析处理系统根据伽马探测器和录井设备所 测得数据制作珈玛射线随井深变化的随钻珈玛曲线图，对所述随钻珈玛曲 线图进行分析并根据分析结果相应对所述钻头的钻入和钻出趋势进行判 识，其分析判识过程如下
(一) 制作对称平衡线在所述随钻珈玛曲线图中画出多条对称平衡 线，所述对称平衡线为井斜角度一=90°时对应的斜深划分线，所述多条对 称平衡线将所述随钻伽玛曲线图划分为多个区域；
(二) 以所述对称平衡线为对称轴，判断所述对称平衡线两侧区域的 伽玛射线变化曲线是否存在对称段；
当所述对称平衡线两侧的珈玛射线变化曲线存在对称段时，说明所述 钻头从一地层钻出后又钻回同一地层；当所述对称平衡线两侧的珈玛变化 曲线不存在对称段时，说明所述钻头持续向一地层的底部或顶部钻进或者 从一地层钻出后继续向相邻地层钻进；
(三) 同时结合所述钻头的井斜角度二以及所述钻头所处位置的井深 数据二，对所述钻头的钻进方向和具体钻进位置进行综合判断，最终判断 出所述钻头是否从目的层钻出和从目的层钻出后的钻出趋势即钻出后钻 进与目的层相邻的哪一地层，再根据所述钻出趋势的分析判断结果对所述 钻头的钻进方向进行相应调整，调整之后再实时判断所述钻头是否钻回目 的层；
6所述井斜角度二和井深数据二是根据录井设备实时将所检测到的井 斜角度一和井深数据一以及录井设备所用检测装置与所述钻头间的距离D 推算得出的。
步骤一中所述的伽马探测器与所述钻头端部之间的距离为7-15m。
步骤(二)中所述的当所述对称平衡线两侧的伽玛射线变化曲线存在
对称段时，在其中一对称段上标一标志点A且同时在与该对称段对称的另
一对称段上找出与所述标志点A对称的对称标志点A，，所述对称标志点
A'为所述标志点A的重复出现点，根据公式c^arccosh垂深二h垂深即可计算
hk深一 h斜深
出所述标志点A和对称标志点A'所在地层的倾角oc,式中h，和h，分别 为所述标志点A所处位置对应的垂深和斜深，h，和h:自分别为所述对称 标志点A'所处位置对应的垂深和斜深；
步骤(三)中所述的根据所述钻出趋势的分析判断结果对所述钻头的 钻进方向进行相应调整时，结合所述倾角a，对所述钻头的钻进方向进行 调整。
步骤(三)中所述的对所述钻头的钻进方向和具体钻进位置进行综合 判断时，当所述井斜角度二大于9(T时，说明所述钻头向上钻进；当所述 井斜角度二小于9(T时，说明所述钻头向下钻进；
当井斜角度二逐渐增大时，说明所述钻头处于增斜状态；当井斜角度 二逐渐减小时，说明所述钻头处于降斜状态；当井斜角度二稳定不变时， 说明所述钻头处于稳斜状态。
本发明与现有技术相比具有以下优点1、本发明所用硬件设备简单 且实现方便。2、本发明能对钻头钻入和钻出进行准确判识且判识方法步 骤简单、操作简易，在水平钻进中，本发明能够对钻机钻头钻出和钻入目 的层的情况进行准确辨识，同时结合井斜角度变化情况，能够对水平钻进 过程中钻头在目的层中的钻进钻出趋势进行可靠把握，有效避免了在水平 钻进过程中随着水平位移增加，利用垂深换算来描述自然伽玛的形态已经
7不能代表目的层自然伽玛曲线特征，尤其是在录井资料失去参考价值，再 加之所处区域井下地质情况复杂等一系列因素所带来的地质导向实施难 度极大的问题，给现场井上地质导向提供了有力保障，最终保证钻头在目 的层段可靠穿行。3、实践中，本发明通过与其它地质导向方法相结合， 对钻头钻进的全过程进行分析判识。综上所述，本发明能够有效解决现今 由于水平井录井现场受诸多因素影响，地质导向难度大，现场监督非常困 难的实际问题，通过本发明能够简单方便地对水平钻进过程中钻头的钻进 和钻出趋势进行准确辨识。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图l为本发明所用硬件设备的电路框图。
图2为本发明数据釆集及分析处理系统所制作出的随钻伽玛曲线图。 附图标记说明
l一伽马探测器； 2—数据釆集及分析处理系统；3—录井设备； 4一对称平衡线一；5—对称平衡线二； 6—对称平衡线三。
具体实施例方式
如图1及图2所示，本发明所述的随钻自然伽马水平井地质导向方法， 包括以下步骤
步骤一、钻机在目的层水平钻进过程中，通过安装于所述钻机上的井 下自然伽马探测器l实时对所钻地层自然放射性物质所产生的伽玛射线进 行检测，且同步将所测得信号通过电缆传至位于地面的数据釆集及分析处 理系统2;同时，录井设备3实时将所检测的井斜角度一和井斜数据一传 至数据釆集及分析处理系统2。其中，录井设备3实时所测得的井深数据 中包括录井设备3所用检测装置所处位置的垂深数据和斜深数据。实际应 用过程中，所述伽马探测器1与所述钻头端部之间的距离为7-15m;并且
8所述检测装置与伽马探测器1安装在同一位置。本实施例中，伽马探测器
1与所述钻头之间的距离为9m，也就是说，所述检测装置与所述钻头之间 的距离D为9m。所述伽马探测器1为对地层自然放射性物质所产生的珈玛 射线进行检测的传感器。
步骤二、所述数据釆集及分析处理系统2根据伽马探测器1和录井设 备3所测得数据制作伽玛射线随井深(指斜深)变化的随钻珈玛曲线图， 对所述随钻伽玛曲线图进行分析并根据分析结果相应对所述钻头的钻入 和钻出趋势进行判识，其分析判识过程如下
(一) 制作对称平衡线在所述随钻伽玛曲线图中画出多条对称平衡 线，所述对称平衡线为井斜角度=90°时对应的斜深划分线，所述多条对称
平衡线将所述随钻伽玛曲线图划分为多个区域。
本实施例中，所述随钻珈玛曲线图为井深(指斜深)自3630m到4630m 之间的伽玛射线变化曲线图。需注意的是施工之前，按照常规钻井施工 工艺，应先根据前期地形勘测分析结果，准确掌握施工井所处位置的详细 地层情况。当井深为3660. 5米时，进入地层M1即目的层。
首先制作对称平衡线，本实施例中，所述对称平衡线的数量为3条， 具体是所述随钻伽玛曲线图中井深分别为3965m、 3815m和4446m时对应 的对称平衡线一 4、对称平衡线二 5和对称平衡线三6,以上述3条对称 平衡线为分隔界限，将所述随钻珈玛曲线图分成3个区域分别进行详细分 析，上述3个区域具体为对称平衡线二 5两侧的分析区域I (井深自3700m 到3925m)、对称平衡线二 5和对称平衡线三6之间的分析区域II (井深 自3925m到4446m)以及对称平衡线三6两侧的分析区域III(井深自4260m 到4610m)。
(二) 以所述对称平衡线为对称轴，判断所述对称平衡线两侧区域的 伽玛射线变化曲线是否存在对称段；
当所述对称平衡线两侧的伽玛射线变化曲线存在对称段时，说明所述 钻头从一地层钻出后又钻回同 一地层；当所述对称平衡线两侧的珈玛变化曲线不存在对称段时，说明所述钻头持续向一地层的底部或顶部钻进或者 从一地层钻出后继续向相邻地层钻进。
(三)同时结合所述钻头的井斜角度二以及所述钻头所处位置的井深 数据二，对所述钻头的钻进方向和具体钻进位置进行综合判断，最终判断 出所述钻头是否从目的层钻出和从目的层钻出后的钻出趋势即钻出后钻 进与目的层相邻的哪一地层，再根据所述钻出趋势的分析判断结果对所述 钻头的钻进方向进行相应调整，调整之后再实时判断所述钻头是否钻回目 的层。
所述井斜角度二和井深数据二是根据录井设备3实时将所检测到的井 斜角度一和井深数据一以及录井设备3所用检测装置与所述钻头间的距离 D推算得出的。当所述井斜角度二大于9(T时，说明所述钻头向上钻进；
当所述井斜角度二小于90°时，说明所述钻头向下钻进。当井斜角度二逐 渐增大时，说明所述钻头处于增斜状态；当井斜角度二逐渐减小时，说明 所述钻头处于降斜状态；当井斜角度二稳定不变时，说明所述钻头处于稳 斜状态。
由于所述井斜角度二和井深数据二根据录井设备实时将所检测到的 井斜角度一和井深数据一以及录井设备所用检测装置与所述钻头间的距 离D推算得出。具体推算井斜角度二和井深数据二时，以录井设备3所测 得井斜角度一为90°时为界，对所述钻头的钻进方向和所处位置进行判断； 当井斜角度一自90°起逐渐增大或逐渐减小时，说明所述钻机持续向上钻 进且处于增斜状态或持续向下钻进且处于降斜状态，具体计算出所述检测 装置与所述钻头间相距每米井斜角度的增大或减小度数，再相应计算出相 距D时井斜角度的增大或减小度数，进而计算出所述钻头的井斜角度二， 再进一步计算得出所述钻头所处位置的井斜数据二。当所述井斜角度二大 于9(T时，说明所述钻头向上钻进；当所述井斜角度二小于90°时，说明
所述钻头向下钻进。
本实施例中，对于分析区域I而言，首先分析对称平衡线二 5上下两侧的伽玛射线变化曲线段对称，具体是对称平衡线二 5上下的伽玛射线变 化曲线，表明所述钻头钻出地层M1后又返回地层M1。同时结合所述钻头 的井斜角度二以及所述钻头所处位置的井深数据二(包括所述钻头所处位 置的垂深和斜深)，对所述钻头的钻进方向和具体钻进位置进行综合判断。
当所述井斜角度二大于9(T时，说明所述钻头向上钻进；当所述井斜角度 二小于9(T时，说明所述钻头向下钻进。
在分析区域I中，所述钻头大体上的钻进状态先为降斜和稳斜钻进且 总体上向下钻进，之后为增斜钻进且总体上向上钻进。也就是说，在分析 区域I内，所述钻机总体上先向下钻出地层Ml后又向上钻回地层Ml;同 时结合所述钻头所处位置的井深数据二，确定所述钻头的具体位置。综上， 判断出所述钻头的钻进方向和具体钻进位置，进而对所述钻头是否钻出目 的层以及钻出目的层的钻出趋势进行综合判断；之后，根据对所述钻出趋 势的分析判断结果，相应对所述钻头的钻进方向进行调整。
同时，在位于对称平衡线二 5上方的对称段一上标出一标志点A,并 利用录井设备3测得标志点A所处位置对应的垂深和斜深即h自和h，；
同时，在与所述对称段一对称的对称段二上找出与所述标志点A对称的对 称标志点A'，同样利用录井设备3测得对称标志点A'所处位置对应的 垂深和斜深即h，和h，。由于所述对称标志点A'和标志点A均位于目的
层中，且对称标志点A，为标志点A的重复出现点，根据公式oc
=arccosh,:h,即可计算出目的层的倾角cx。那么，在根据对所述钻出 h^深_ h斜深
趋势的分析判断结果相应对所述钻头的钻进方向进行调整时，结合所述倾 角oc,对所述钻头的钻进方向进行调整。若调整不当，则可能导致所述钻
头偏离更加目的层。
最后，结合实际勘测得出的地形数据，判断在分析区域I内，所述钻 头钻出目的层后且相应经调整后，是否返回目的层。本实施例中，结合所 述随钻伽玛曲线图，所述钻头从目的层上部钻出后进入目的层的上一层，
11之后又返回目的层，并且进入地层M1上部。
对于分析区域II而言，本分析区域内上下部分不存在对称段，并且同 时结合所述钻头的井斜角度二以及所述钻头所处位置的井深数据二(包括 所述钻头所处位置的垂深和斜深)，对所述钻头的钻进方向和具体钻进位 置进行综合判断；最后综合判断出所述钻头是否钻出目的层以及钻出目的 层后的钻出趋势，然后根据对所述钻出趋势的分析判断结果相应对所述钻 头的钻进方向进行调整；调整之后再实时判断所述钻头是否钻回目的层。
在分析区域n中，所述钻头大体上的钻进状态先是降斜和稳斜钻进，然后 是增斜钻进，但是所述钻机总体上向下钻进。另外，由于所述随钻伽玛曲 线图中仍未出现对称段，则所述钻机向下钻进且进入位于目的层下方的地 层M2后，仍未返回目的层。同时结合所述钻头所处位置的井深数据二， 确定所述钻头的具体位置。最后，结合实际勘测得出的地形数据，判断出
所述钻头向下钻进进入地层M2后，未返回目的层，而是继续向下进入别
的地层M3。综上所述，在分析区域n中，对所述钻头钻进方向的调整不当
或存在不足，需再相应进行调整。
对于分析区域ni而言，首先分析对称平衡线三6上下两侧的伽玛射线
变化曲线段对称，具体是对称平衡线三6上下的珈玛射线变化曲线对称，
表明所述钻头钻出一地层后又返回同一地层。同时结合所述钻头的井斜角 度二以及所述钻头所处位置的井深数据二(包括所述钻头所处位置的垂深 和斜深)，对所述钻头的钻进方向和具体钻进位置进行综合判断，最后综
合判断出所述钻头是否钻出目的层以及钻出目的层后的钻出趋势；然后根 据对所述钻出趋势的分析判断结果，相应对所述钻头的钻进方向进行调 整；调整之后，再实时判断所述钻头是否钻回目的层。在分析区域m中， 所述钻头大体上的钻进状态先为降斜和稳斜钻进且总体上向下钻进，之后 为增斜钻进且总体上向上钻进。也就是说，在分析区域ni内，所述钻机总
体上先向下钻出地层M3后又向上钻回地层M3，同时结合所述钻头所处位
置的井深数据二，对所述钻头的钻进方向和钻进位置进行综合判断；并根
12据分析判断结果并结合计算得出的地层M3的倾角，相应对所述钻头的钻
进方向进行调整；调整之后再实时判断所述钻头是否钻回目的层。最后，
结合实际勘测得出的地形数据，判断出在此分析区域内，所述钻头总体上
先向下钻出地层M3后又向上钻回地层M3，并且进入地层M3上部，但是仍 未返回目的层即地层M1，而是位于目的层下面的地层M3中。综上所述， 在分析区域in中，还需对所述钻头的钻进方向再进行相应调整。
综上，通过上述分析可以清楚得知，水平钻进过程中，所述钻头在目 的层中的钻入和钻出趋势，结合所述钻头具体钻进方向以及所述钻头所处 的具体位置进行综合分析，分析所述钻头是否钻出目的层以及钻出目的层 后的钻出趋势，并且根据分析结果相应对所述钻头的钻进方向进行调整， 调整之后再实时判断所述钻头是否钻回目的层。综上，本发明对所述钻头 在目的层中的钻入钻出趋势进行准确判断，综合分析后根据分析结果相应 对所述钻机的钻进方向和井斜角度进行调整，因而能够为现场监督提供非 常有效的参照数据。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是 根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构 变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
权利要求
1. 一种水平井随钻自然伽马地质导向方法，其特征在于该方法包括以下步骤步骤一、钻头在目的层水平钻进过程中，通过井下自然伽马探测器(1)实时对所钻地层自然放射性物质所产生的伽玛射线进行检测，且同步将所测得信号通过电缆传至位于地面的数据采集及分析处理系统(2)；同时，录井设备(3)实时将所检测到的井斜角度一和井深数据一同步传至数据采集及分析处理系统(2)；步骤二、所述数据采集及分析处理系统(2)根据伽马探测器(1)和录井设备(3)所测得数据制作伽玛射线随井深变化的随钻伽玛曲线图，对所述随钻伽玛曲线图进行分析并根据分析结果相应对所述钻头的钻入和钻出趋势进行判识，其分析判识过程如下(一)制作对称平衡线在所述随钻伽玛曲线图中画出多条对称平衡线，所述对称平衡线为井斜角度一＝90°时对应的斜深划分线，所述多条对称平衡线将所述随钻伽玛曲线图划分为多个区域；(二)以所述对称平衡线为对称轴，判断所述对称平衡线两侧区域的伽玛射线变化曲线是否存在对称段；当所述对称平衡线两侧的伽玛射线变化曲线存在对称段时，说明所述钻头从一地层钻出后又钻回同一地层；当所述对称平衡线两侧的伽玛变化曲线不存在对称段时，说明所述钻头持续向一地层的底部或顶部钻进或者从一地层钻出后继续向相邻地层钻进；(三)同时结合所述钻头的井斜角度二以及所述钻头所处位置的井深数据二，对所述钻头的钻进方向和具体钻进位置进行综合判断，最终判断出所述钻头是否从目的层钻出和从目的层钻出后的钻出趋势即钻出后钻进与目的层相邻的哪一地层，再根据所述钻出趋势的分析判断结果对所述钻头的钻进方向进行相应调整，调整之后再实时判断所述钻头是否钻回目的层；所述井斜角度二和井深数据二是根据录井设备(3)实时将所检测到的井斜角度一和井深数据一以及录井设备(3)所用检测装置与所述钻头间的距离D推算得出的。
2. 按照权利要求l所述的水平井随钻自然伽马地质导向方法，其特征 在于步骤一中所述的伽马探测器(1)与所述钻头端部之间的距离为 7-15m。
3. 按照权利要求l或2所述的水平井随钻自然伽马地质导向方法，其 特征在于步骤(二)中所述的当所述对称平衡线两侧的伽玛射线变化曲 线存在对称段时，在其中一对称段上标一标志点A且同时在与该对称段对 称的另一对称段上找出与所述标志点A对称的对称标志点A',所述对称标志点A'为所述标志点A的重复出现点，根据公式o^arccosh垂深二h垂深即h:斜深—h斜深可计算出所述标志点A和对称标志点A'所在地层的倾角a ,式中h，和h自 分别为所述标志点A所处位置对应的垂深和斜深，h,和h自分别为所述 对称标志点A'所处位置对应的垂深和斜深；步骤(三)中所述的根据所述钻出趋势的分析判断结果对所述钻头的 钻进方向进行相应调整时，结合所述倾角a，对所述钻头的钻进方向进行 调整。
4. 按照权利要求l或2所述的水平井随钻自然伽马地质导向方法，其 特征在于步骤(三)中所述的对所述钻头的钻进方向和具体钻进位置进 行综合判断时，当所述井斜角度二大于9(T时，说明所述钻头向上钻进； 当所述井斜角度二小于90'时，说明所述钻头向下钻进；当井斜角度二逐渐增大时，说明所述钻头处于增斜状态；当井斜角度 二逐渐减小时，说明所述钻头处于降斜状态；当井斜角度二稳定不变时， 说明所述钻头处于稳斜状态。
全文摘要
本发明公开了一种水平井随钻自然伽马地质导向方法，包括以下步骤一、水平钻进中，伽马探测器实时检测所钻地层中的自然伽马射线，录井设备实时将所测得井斜角度一和井深数据一传至数据采集及分析处理系统；二、数据采集及分析处理系统制作随钻伽玛曲线图，相应判识钻头钻入和钻出趋势1.制作对称平衡线；2.判断对称平衡线两侧区域的伽玛射线变化曲线是否存在对称段，存在对称段说明钻头从一地层钻出后又钻回同一地层；不存在对称段说明钻头从一地层钻出后向相邻地层钻进；同时结合钻头所处位置的井深数据综合判断并相应对钻头钻进方向进行调整。本发明能准确判识钻头钻入钻出趋势且步骤简单，能有效解决钻头在目的层的可靠穿行问题。
文档编号E21B49/00GK101476463SQ200910021028
公开日2009年7月8日 申请日期2009年1月23日 优先权日2009年1月23日
发明者山 丛 申请人:山 丛