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摘要：美国是世界上最早进行页岩气资源勘探开发的国家。其中美国Barnett页岩气开发十分成功。美国通过页岩气的大开发，提高了美国能源自给水平，而且，美国60年来首次成为炼油产品出口国，美国在2009年已经超越俄罗斯成为最大的天然气生产国。由此可见页岩气、油的勘探开发能带来巨大的经济效益，目前世界其他各国也开始致力于页岩气的勘探开发。但是，页岩致密低渗的特点导致页岩气开采难度大、成本高，在本世纪以前，页岩气大规模开发并不具有经济上的可行性。随着水平井技术和水力压裂技术的成熟，开采成本大幅下降，页岩气的商业化开发具备了可行性。其中水平井技术在页岩气开发前期有着举足轻重的作用。而成熟的随钻测量技术则是水平井成功施工并能够达到设计效果的必要手段和有力保障。目前在页岩气水平井的施工中以MWD随钻测量仪器、LWD地质导向仪器、旋转导向仪器、定向转速控制工具等成熟技术可以较准确地识别页岩储层，保持水平井眼稳定性可以更为合理的控制井眼轨迹。
关键词：随钻测量;MWD;LWD;页岩气;旋转导向;定向转速控制工具
页岩气是从页岩层中开采出来的天然气，它与煤层气、致密砂岩气一起，被称为非常规油气资源的三大品种。相对常规天然气而言，页岩气实际上是原生原储的天然气贫矿。就是这种贫矿，十年前美国的开采还微不足道，而现在已占美国天然气开采总量的约1/4，一场页岩气开发热潮正在美国上演。而且，页岩气的开发也在深刻影响着美国的能源利用和应对气候变化行动。美国通过对Barnett页岩气多年的开发60年来首次由油气进口国成为炼油产品出口国，并在2009年已经超越俄罗斯成为最大的天然气生产国。由此可见页岩气、油的勘探开发能带来巨大的经济效益。近些年我国来也开始致力于页岩气的勘探开发。自2012年3月我国颁布《页岩气发展规划（2011-2015年）》以来，页岩气勘探在中国的发展一直受到了中外各界人士的广泛关注。各个类型的公司纷纷上马页岩气勘探开发项目。截至2013年2月底我国累计投入70多亿元，施工钻井80余口其中水平井20余口。四川、重庆等地也获得高产水平井。目前中石油、中石化两大集团均上调了页岩气开采指标，预计2015年两大公司合计开采页岩气量可达75亿立方米，超过全国规划65亿立方米的目标。中石化集团是50亿立方米，已计划2014年新钻87口井，投资高达70亿元。预示着我国页岩气勘探开采进入了正常的轨道。页岩气的钻井井身结构设计要满足多次压裂的增产方式和长达 30-50个生产周期的要求;丛式井成为降低开发成本、增大对储层控制能力的有效技术;水平井技术是页岩气开发的关键技术，水平井的成本一般是垂直井的 1-1.5倍，而产量是垂直井的3倍左右，水平段钻进中常使用油基钻井液和PDC钻头，在保持水平井眼稳定性的同时，提高机械钻速;低密度、高强度固井完井技术，能为后期储层改造和开发做好准备;随钻伽马测井曲线，可用于较准确地识别页岩储层，若水平井技术结合 随钻成像服务和 钻头附近地层电阻率仪器等LWD技术，可以更为合理的控制井眼轨迹。为了提高施工效率和质量，现代页岩气钻井的施工还大量采用旋转导向技术。其中高造斜率旋转导向工具在提高钻井作业效率的同时，还增大了井筒与储层的接触面积，将是页岩气储层水平井钻井发展的趋势;定向转速控制工具可提高机械钻速和井眼质量，并且成本比传统旋转导向工具低，具有较好的经济适用性。下面就分别论述随钻测量技术在页岩气钻井中的应用分析。
一、MWD和LWD在页岩气钻井中的应用分析
一般说来，页岩气的开发以丛式水平井和水平井为主。在钻井初期井斜较小的情况下一般使用性能精度较好的MWD进行定向施工。此时MWD可以提供井斜、方位、磁参数等主要参数满足初期定向施工轨迹控制的要求。在钻井施工的中后期井斜角较大接近该井水平段时则采用LWD地质导向进行施工。将自然伽马和电阻率测井曲线等应用到水平井钻井中，可以进行控制和定位，将钻井随钻测量数据和地震数据进行对比，控制钻头在有机质丰富、自然伽马值高的有利区域钻进。利用随钻自然伽马测井曲线可分析储层中有机物质含量的高低，将该值进行计算处理，可获得总有机碳含量值;基质孔隙度和渗透率、有效孔隙度和渗透率、自由气含量、吸附气含量、含气总量、含水饱和度等;油层物理数据可利用电阻率、自然伽马、中子孔隙度、核磁共振等随钻测井数据获得。GEO VISION随钻成像服务和 RAB钻头附近地层电阻率仪器等LWD技术，有助于在钻井过程中实时识别天然裂缝，解决相关测井问题。应用该类技术后，可以分析整个井筒长度范围内产生的电阻率成像和井筒地层倾角，成像测井可提供用于优化完井作业的相关信息。包括构造信息、地层信息和力学特性信息等。通过对地层天然裂缝与诱发裂缝进行比较，可确定射孔和油井增产的最佳目标。在进行加密钻井时，通过井眼成像可识别邻井中的水力压裂裂缝，有助于新井中对原先未被压裂部分增产措施。井中诱导裂缝的存在及方向，对确定整个水平井的应力变化及力学特性非常有用。
二、旋转导向仪器在页岩气钻井中的应用分析
丛式水平井和水平井技术是页岩气高效开发的关键技术之一，提高水平井钻井效率和井眼轨迹控制精度是保证页岩气高效开发的基础。在水平井施工中后期采用LWD和旋转导向相结合的模式进行水平段的施工。旋转导向工具钻进速度快，可以更加精确的控制，容易形成有助于下套管和完井作业的高质量井眼，是水平井钻进的重要工具。但传统旋转导向工具造斜能力偏低、成本高，不能满足当前页岩气水平井高效开发的需要（如图1）。常规旋转导向工具造斜能力在8-1/2 in到9-5/8 in井眼每30米的造斜率通常为 5到6度，需要较长的曲线段才能钻遇储层，井筒与储层接触面积较小，同时，造斜点选在较靠上的位置，如果采用造斜能力更强的工具造斜，可在更深的地方选择造斜点，增加垂直段。由于垂直段的机械钻速比造斜井段要快得多，所以增加垂直段可以縮短钻井周期。为此，国外石油公司不断研制新型旋转导向工具，以提高页岩气的开发效率。为提高钻井作业效率，减小靶前距和增加水平段长度，斯伦贝谢和贝克休斯公司开发PowerDrive Areher 系统（图2）和 AutoTrack Curve 系统（图3），每 30造斜率可达10度到15度，甚至更高，既能钻直井，又能钻造斜井段和水平井段。新系统的开发基于已有的旋转导向原理做了较小的调整，包括三点几何控制方法、BHA的硬度和钻头特性等。 图1
图2 PowerDrive Areher 系统
图3 AutoTrack Curve 系统
三、定向转速控制工具在页岩气钻井中的应用分析
为了提高页岩气水平井钻井的效率和质量，同时降低施工成本，威德福公司研发了MotarySteerable定向控制系统。该系统应用了定向转速控制技术（Targeted bit speed，TBS），综合了容积式马达和旋转导向系统的特点，其性能优于前者，成本低于后者，填补了两者之间的空白。定向转速控制技术（TBS）由容积式马达和随钻测量系统 MWD 组成，利用 MWD正脉冲遥测装置在钻柱内产生的压力波动来实现容积式马达周期性的流量控制。当钻柱旋转时，压力脉冲与马达弯外壳角位置同步，可有效地控制进入马达的波动流体体积，从而精确地改变钻头转速，即钻头转速与弯外壳工具面成一定函数关系。当需要增加井斜时，压力脉冲装置产生压力波动，钻头旋转到高边方位时，进入马达波动流体体积增大，该方位机械钻速最高，钻头在该方位切削井壁岩石的体积最大;当钻头旋转到井眼低边方位时，进入马达的波动流体体积变小，在该方位的机械钻速较低，钻头在该方位切削的岩石体积较小，使得钻头在井眼各个方位切削不成比例的岩石，使井眼轨迹沿着钻头转速最高的方向钻进。MotarySteerable定向控制系统无需钻柱滑动就可实现三维井眼轨迹控制，极大提高钻井效率和井眼质量，克服传统马达技术的不足。MotarySteerable定向控制系统价格低，钻井成本远低于旋转导向系统！该系统在旋转钻进时每30米造斜率最高可达3度。当TBS技术造斜能力不能满足施工要求时，还可利用传统滑动钻进方法进行定向钻进。旋转导向钻进转换到滑动钻进不需要起下钻，节省了非钻进时间。
三种造斜工具性能对比如下图
四、对我国页岩气开发的建议
页岩气特殊的储层特性、低产量和长生产周期的特点，决定了页岩气开发钻井工程技术集成与发展的两个原则：1、低成本。应用丛式井、分支井、快速钻井、简单实用的地质导向水平井等技术。在快和省上做好文章，降低开发成本;2、高质量。井眼规则、固井质量好、井筒完整性好、水平段长且位置准确，提高单井产量，为后期多次压裂改造打下基础，尽量延长生产寿命。满足 30到5a的生产要求。为了满足以上两个原则。我建议国内的页岩气开发过程中随钻测量技术应用采用高性能的造斜工具。为丛式井、分支井水平井的防碰绕障和优快钻进打下坚实的基础。目前我国页岩气发展进入“摸底”阶段，还有诸多的技术瓶颈有待突破。虽然掌握了页岩气钻井的水平井技术和分段压裂技术，但离规模开发还有很长的路要走。应立足消化吸收美国先进开发技术同时，加大技术储备和创新，为我国页岩气规模化生产、减少油气进口依赖而努力。
参考文献：
[1] 唐代绪，赵金海，王华，杨培叠. 美国Barnett頁岩气开发中应用的钻井工程技术分析与启示[J]中外能源 2011，16（7）：47-52
[2] 张振欣，周英操，项徳贵. 随钻测井技术在页岩气钻井中的应用[J]钻采工艺2012，35（4）：4-6
关键词：随钻测量;MWD;LWD;页岩气;旋转导向;定向转速控制工具
页岩气是从页岩层中开采出来的天然气，它与煤层气、致密砂岩气一起，被称为非常规油气资源的三大品种。相对常规天然气而言，页岩气实际上是原生原储的天然气贫矿。就是这种贫矿，十年前美国的开采还微不足道，而现在已占美国天然气开采总量的约1/4，一场页岩气开发热潮正在美国上演。而且，页岩气的开发也在深刻影响着美国的能源利用和应对气候变化行动。美国通过对Barnett页岩气多年的开发60年来首次由油气进口国成为炼油产品出口国，并在2009年已经超越俄罗斯成为最大的天然气生产国。由此可见页岩气、油的勘探开发能带来巨大的经济效益。近些年我国来也开始致力于页岩气的勘探开发。自2012年3月我国颁布《页岩气发展规划（2011-2015年）》以来，页岩气勘探在中国的发展一直受到了中外各界人士的广泛关注。各个类型的公司纷纷上马页岩气勘探开发项目。截至2013年2月底我国累计投入70多亿元，施工钻井80余口其中水平井20余口。四川、重庆等地也获得高产水平井。目前中石油、中石化两大集团均上调了页岩气开采指标，预计2015年两大公司合计开采页岩气量可达75亿立方米，超过全国规划65亿立方米的目标。中石化集团是50亿立方米，已计划2014年新钻87口井，投资高达70亿元。预示着我国页岩气勘探开采进入了正常的轨道。页岩气的钻井井身结构设计要满足多次压裂的增产方式和长达 30-50个生产周期的要求;丛式井成为降低开发成本、增大对储层控制能力的有效技术;水平井技术是页岩气开发的关键技术，水平井的成本一般是垂直井的 1-1.5倍，而产量是垂直井的3倍左右，水平段钻进中常使用油基钻井液和PDC钻头，在保持水平井眼稳定性的同时，提高机械钻速;低密度、高强度固井完井技术，能为后期储层改造和开发做好准备;随钻伽马测井曲线，可用于较准确地识别页岩储层，若水平井技术结合 随钻成像服务和 钻头附近地层电阻率仪器等LWD技术，可以更为合理的控制井眼轨迹。为了提高施工效率和质量，现代页岩气钻井的施工还大量采用旋转导向技术。其中高造斜率旋转导向工具在提高钻井作业效率的同时，还增大了井筒与储层的接触面积，将是页岩气储层水平井钻井发展的趋势;定向转速控制工具可提高机械钻速和井眼质量，并且成本比传统旋转导向工具低，具有较好的经济适用性。下面就分别论述随钻测量技术在页岩气钻井中的应用分析。
一、MWD和LWD在页岩气钻井中的应用分析
一般说来，页岩气的开发以丛式水平井和水平井为主。在钻井初期井斜较小的情况下一般使用性能精度较好的MWD进行定向施工。此时MWD可以提供井斜、方位、磁参数等主要参数满足初期定向施工轨迹控制的要求。在钻井施工的中后期井斜角较大接近该井水平段时则采用LWD地质导向进行施工。将自然伽马和电阻率测井曲线等应用到水平井钻井中，可以进行控制和定位，将钻井随钻测量数据和地震数据进行对比，控制钻头在有机质丰富、自然伽马值高的有利区域钻进。利用随钻自然伽马测井曲线可分析储层中有机物质含量的高低，将该值进行计算处理，可获得总有机碳含量值;基质孔隙度和渗透率、有效孔隙度和渗透率、自由气含量、吸附气含量、含气总量、含水饱和度等;油层物理数据可利用电阻率、自然伽马、中子孔隙度、核磁共振等随钻测井数据获得。GEO VISION随钻成像服务和 RAB钻头附近地层电阻率仪器等LWD技术，有助于在钻井过程中实时识别天然裂缝，解决相关测井问题。应用该类技术后，可以分析整个井筒长度范围内产生的电阻率成像和井筒地层倾角，成像测井可提供用于优化完井作业的相关信息。包括构造信息、地层信息和力学特性信息等。通过对地层天然裂缝与诱发裂缝进行比较，可确定射孔和油井增产的最佳目标。在进行加密钻井时，通过井眼成像可识别邻井中的水力压裂裂缝，有助于新井中对原先未被压裂部分增产措施。井中诱导裂缝的存在及方向，对确定整个水平井的应力变化及力学特性非常有用。
二、旋转导向仪器在页岩气钻井中的应用分析
丛式水平井和水平井技术是页岩气高效开发的关键技术之一，提高水平井钻井效率和井眼轨迹控制精度是保证页岩气高效开发的基础。在水平井施工中后期采用LWD和旋转导向相结合的模式进行水平段的施工。旋转导向工具钻进速度快，可以更加精确的控制，容易形成有助于下套管和完井作业的高质量井眼，是水平井钻进的重要工具。但传统旋转导向工具造斜能力偏低、成本高，不能满足当前页岩气水平井高效开发的需要（如图1）。常规旋转导向工具造斜能力在8-1/2 in到9-5/8 in井眼每30米的造斜率通常为 5到6度，需要较长的曲线段才能钻遇储层，井筒与储层接触面积较小，同时，造斜点选在较靠上的位置，如果采用造斜能力更强的工具造斜，可在更深的地方选择造斜点，增加垂直段。由于垂直段的机械钻速比造斜井段要快得多，所以增加垂直段可以縮短钻井周期。为此，国外石油公司不断研制新型旋转导向工具，以提高页岩气的开发效率。为提高钻井作业效率，减小靶前距和增加水平段长度，斯伦贝谢和贝克休斯公司开发PowerDrive Areher 系统（图2）和 AutoTrack Curve 系统（图3），每 30造斜率可达10度到15度，甚至更高，既能钻直井，又能钻造斜井段和水平井段。新系统的开发基于已有的旋转导向原理做了较小的调整，包括三点几何控制方法、BHA的硬度和钻头特性等。 图1
图2 PowerDrive Areher 系统
图3 AutoTrack Curve 系统
三、定向转速控制工具在页岩气钻井中的应用分析
为了提高页岩气水平井钻井的效率和质量，同时降低施工成本，威德福公司研发了MotarySteerable定向控制系统。该系统应用了定向转速控制技术（Targeted bit speed，TBS），综合了容积式马达和旋转导向系统的特点，其性能优于前者，成本低于后者，填补了两者之间的空白。定向转速控制技术（TBS）由容积式马达和随钻测量系统 MWD 组成，利用 MWD正脉冲遥测装置在钻柱内产生的压力波动来实现容积式马达周期性的流量控制。当钻柱旋转时，压力脉冲与马达弯外壳角位置同步，可有效地控制进入马达的波动流体体积，从而精确地改变钻头转速，即钻头转速与弯外壳工具面成一定函数关系。当需要增加井斜时，压力脉冲装置产生压力波动，钻头旋转到高边方位时，进入马达波动流体体积增大，该方位机械钻速最高，钻头在该方位切削井壁岩石的体积最大;当钻头旋转到井眼低边方位时，进入马达的波动流体体积变小，在该方位的机械钻速较低，钻头在该方位切削的岩石体积较小，使得钻头在井眼各个方位切削不成比例的岩石，使井眼轨迹沿着钻头转速最高的方向钻进。MotarySteerable定向控制系统无需钻柱滑动就可实现三维井眼轨迹控制，极大提高钻井效率和井眼质量，克服传统马达技术的不足。MotarySteerable定向控制系统价格低，钻井成本远低于旋转导向系统！该系统在旋转钻进时每30米造斜率最高可达3度。当TBS技术造斜能力不能满足施工要求时，还可利用传统滑动钻进方法进行定向钻进。旋转导向钻进转换到滑动钻进不需要起下钻，节省了非钻进时间。
三种造斜工具性能对比如下图
四、对我国页岩气开发的建议
页岩气特殊的储层特性、低产量和长生产周期的特点，决定了页岩气开发钻井工程技术集成与发展的两个原则：1、低成本。应用丛式井、分支井、快速钻井、简单实用的地质导向水平井等技术。在快和省上做好文章，降低开发成本;2、高质量。井眼规则、固井质量好、井筒完整性好、水平段长且位置准确，提高单井产量，为后期多次压裂改造打下基础，尽量延长生产寿命。满足 30到5a的生产要求。为了满足以上两个原则。我建议国内的页岩气开发过程中随钻测量技术应用采用高性能的造斜工具。为丛式井、分支井水平井的防碰绕障和优快钻进打下坚实的基础。目前我国页岩气发展进入“摸底”阶段，还有诸多的技术瓶颈有待突破。虽然掌握了页岩气钻井的水平井技术和分段压裂技术，但离规模开发还有很长的路要走。应立足消化吸收美国先进开发技术同时，加大技术储备和创新，为我国页岩气规模化生产、减少油气进口依赖而努力。
参考文献：
[1] 唐代绪，赵金海，王华，杨培叠. 美国Barnett頁岩气开发中应用的钻井工程技术分析与启示[J]中外能源 2011，16（7）：47-52
[2] 张振欣，周英操，项徳贵. 随钻测井技术在页岩气钻井中的应用[J]钻采工艺2012，35（4）：4-6