随钻测量技术的发展与应用

随钻测量技术的发展与应用

0多学科交叉与融合提高采收率钻井随井测量包括井压测量（mwd）和随井钻孔（lwd）。随钻测量技术的发展促进了钻井、录井、测井乃至地震(随钻地震SWD)和地质(实时评价FEWD)的多学科交叉与融合,实现了在钻井的同时对钻井作业的综合评价和实时测井作业,简化了钻井作业程序,提高了钻井作业精度,节省了钻机时间,降低了成本,能够实时检测到地层变化以便及时对钻井设计予以必要的调整,最大限度地在油藏中最有价值的地带钻井,提高了油气的采收率。目前,该技术已成为高效开发复杂油气藏的最重要手段,同时它对于提高我国专业技术服务公司的竞争力,争取国际市场份额也有现实意义,尤其是录井界更应该集中行业优势,积极地参与这一技术的研发和服务。1随钻资料的应用优势概括地讲,井下随钻采集已实现了采集地面能采集的所有数据(除随钻成像测井明显差于电缆成像外),随钻数据大多更接近地层的真值,而且能够实现地面无法实现的数据测量。其主要特点有:①借助于MWD(钻头力学和钻井动态测量),地面上很难测量的工程参数在井下可以准确获得。诸如井底钻头钻压、扭矩、振动、转速、压力、井斜角、方位角、工具面角、温度、钻柱弯矩、轴向拉(压)力和三向(轴向、径向、周向)加速度等,这些参数的实时获得,利于修正各种模型、优化钻井参数、产层导向、预测和预防及提前控制井下事故的发生,达到安全、高效钻井的目的。②对于大斜度井、水平井等特殊工艺井,电缆测井(WL)难以实施,而LWD优势明显,能节省大量钻机时间、降低工程风险(NDS)。③随钻测量的地面软件系统集成了录井的实时数据处理、测井解释、区块油藏描述等技术,可以实现实时的构造模拟与解释,完成随钻地层评价;与可变径扶正器、导向马达等钻井控制系统组合,可以实现自动化、智能化钻井,实现地质导向,最大限度地使钻头在油气层中钻进。④针对我国目前大多数油田处于开发中后期,地下油水关系复杂,开发薄层、小断块油气藏的特点,随钻测量技术作为一种降低风险、降低吨油成本、大幅度提高投资回报率的技术正越来越受到国内石油工业的重视。⑤应用随钻资料还有如下优势:利用随钻伽马测井信息确定泥页岩层来选择套管下深;确定储集层顶部开始取心作业;钻井过程中与邻井对比;识别易发生复杂情况地层;如果在电缆测井作业前报废井眼的话,至少还有一些地层数据可以利用;随钻电阻率数据可以发现薄的油气层存在;在钻进时利用随钻伽马、密度、声波和电阻率测井曲线等评价地层压力;在地层将被钻井液严重污染前获得真实的地层特性和最新资料2地质导向工具目前,国际上的MWD/LWD能够测量30多种参数,仪器外径为44.5～216.0mm,基本上能满足各种定向钻井的需要。在MWD/LWD实效性、高利润的驱使下,世界上大的石油技术服务公司近年加强了随钻技术的研发力度,国外已有8家公司拥有该项技术,其中以Schlumberger、BakerHughes和Hallibuton公司最为著名。Schlumberger为随钻技术的集大成者,服务领域从早期主要集中在海洋钻井平台服务逐步向陆地推进。在北海、墨西哥湾、中东、西非以及南中国海、东海、渤海等区域,MWD/LWD正越来越多地取代电缆测井而成为常规服务项目。据国外资料统计,在海上钻井作业中,使用MWD/LWD的比例高达95%以上,每年随钻服务产值已经占整个测井行业产值的25%以上。目前,地质导向工具主要有Schlumberger公司的PeriScope15,Halliburton公司的ADR方位电阻率和BakerHughes公司的深读数传播电阻率(Deep-ReadPropagationResistivityforLWD),结合不同功能或不同组合的井下动力钻具系统,可形成功能强大的信息采集和解释评价随钻系统,能有效避免钻井风险。世界上多家具有相当实力的钻井技术服务公司都在研究、开发旋转导向工具,如Halliburton、BakerHughes和Schlumberger公司、Camco钻井服务公司、Camzbridge钻井自动化公司等,已经获得商业性成功且应用较广泛的旋转导向工具有:Schlumberger公司的PowerDriveXtra系列、PowerDriveXceed系列以及PowerDriveV系列;BakerHughes公司的AutoTrak旋转闭环导向工具;Halliburton公司的EZ-Pilot、Geo-PilotXL等。这些旋转导向工具都具有综合地层评价与解释能力,可完成精确导向。另外,这三家公司的旋转导向测量工具还具有更多功能,可完成更为复杂的地层钻进和导向。如Schlumberger公司的PowerVerticalRSS工具可实现随钻垂直钻井,极大缩短钻井开发周期;BakerHughes公司的AutoTrak可完成RCLS自动旋转闭环导向,实现井下自动闭环控制,精确制导。3主要随钻技术由国外公司直接提供服务国内随钻技术的研发和应用起步较晚,虽然中国海洋石油在随钻技术应用上最早也比较广泛,基本上也是以国外技术为主,我国许多重点井的随钻技术多是由国外公司直接提供服务。随着陆地大位移井、水平井的大范围应用,随钻技术的应用也越来越普遍,中石油和中石化两大公司每年已有数百口井应用随钻技术服务,且呈快速递增趋势。3.1随钻地质评价仪器胜利油田定向井公司1991年从美国SperrySun公司引进正脉冲定向MWD随钻测量仪器(简称“DWD”),1999年又从该公司引进了随钻地质评价仪器FEWD成套设备,测量参数包括定向参数、自然伽马、电磁波电阻率、中子孔隙度、地层密度及井下钻具振动量。1996年胜利油田钻井研究院从英国Geolink公司引进MWD随钻测量仪器,2002年又从该公司引进具有地质导向与地层评价功能的LWD随钻测量仪器。在2000年后,中国海洋石油以及中国石油的大港、大庆、辽河、新疆、长庆等油田开始大规模引进地质导向成套设备。3.2我国随钻机装备技术水平稳步提升我国在“六五”与“七五”期间,曾组织开展了“电缆式定向随钻测井系统”(航天部33所与中国石油勘探开发研究院合作)、“随钻井下记录系统”(中国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所与中国石油勘探开发研究院合作)等项目研究。1992年西安石油仪器总厂引进Halliburton公司随钻技术,1998年中国石油勘探开发研究院与西安石油仪器总厂合作开展了地质导向钻井系统的研究课题。尽管上述研发尚未形成商业成果,也积累了极为有益的经验。目前,高端随钻装备仍以引进为主,国内产品处于起步阶段,如:大港定向井公司1989年引进Sperry-Sun公司的钻井液脉冲随钻测量仪器之后开发了HM-MWD无线随钻测斜仪,北京海蓝公司研制了YSTMWD系统,北京普利门公司研制了PMWD型无线随钻测斜仪,西安石油勘探仪器总厂研制了BGD型MWD系统等。这些国产的MWD,目前处于现场实验、试用或小规模生产阶段,都还没有达到大规模生产和应用的地步。此外,上海神开石油科技有限公司推出了简易型随钻仪器,上海中油仪器制造有限公司、电子部22所等录井仪器生产商也在开发随钻项目,大多处在研发试验阶段。2007年11月,国内首套具有自主知识产权的“CGDS-I近钻头地质导向钻井系统”产品顺利通过中国石油集团公司科技发展部组织的产品鉴定。该成果由中国石油集团组织钻井工程技术研究院、北京石油机械厂和中国石油测井有限公司联合攻关,已取得5项发明专利和3项实用新型专利,使我国随钻测量技术及装备研发取得了突破。据《中国石化报》的消息:中国石化石油勘探开发研究院德州钻井所研制的电磁随钻测量系统工程样机,2008年8月27日在胜利油田P40-X833井现场试验取得成功。试验显示,在地层电阻率为3Ω·m地层中传输深度达1960m,在误码率可以接收的情况下,最大传输深度为2100m。此样机是国内首台电磁随钻测量系统,它利用电磁波传输数据,有效克服了常规随钻测量系统在非液相欠平衡钻井和气体钻井中无法进行传输的缺点,信号的可靠度高,成为气体钻井和欠平衡钻井中不可或缺的一项技术。3.3随钻地质质量监控技术国内各石油院校、随钻技术服务单位等近年借助各类基金项目的资助,开展了众多相关课题的研究并取得了相应的成果。以西南石油大学夏宏泉教授为代表的专家学者在此方面就颇有建树,诸如:①随钻测井曲线与常规电缆测井曲线对比分析;②LWD曲线的井斜(地层倾斜)、各向异性和井眼及侵入等环境影响校正;③随钻地质参数实时精细解释方法研究;④随钻储集层识别技术研究;⑤钻头上下行方向及在地层中位置的井眼轨迹监控技术研究;⑥井眼轨迹与油藏关系的随钻测井分析技术研究。另外,还有以苏义脑院士为核心研发的CGDS-Ⅰ近钻头随钻技术及其子项目CFDS地面信息处理与决策系统等。3.4随着一项自主测量技术在中国的应用3.4.1水平井工程概况随着国内各油田MWD仪器数量的大幅度增加,特别是LWD用于水平井地质导向,水平井数量迅猛增长,中石油水平井已由2000年的26口增至2005年200口左右。从2006年开始大规模推广水平井,当年完成水平井522口,相当于前5年的总和,2007年完成水平井806口,2008年预计1000口,力争达到1100口,近3年仅中石油水平井口数就超过了前12年国内水平井的总数。统计数字详见表1。近年,冀东田大量采用水平井技术进行勘探开发,并全部用LWD实现地质导向,获得了理想的开发效果。水平井初期单井产量为常规定向井的2.1～1.2倍,水平井已累计新建原油生产能力45X104t以上,成为该油田开发主导技术之一。水平井生产井数仅占油田生产总井数的13.6%,而日产油量一度占该油田日产量的三分之一。相关分析见图1。3.4.3地质导向技术实例1:南海西江油田XJ24～32A18井设计井深8800m,水平位移7500m,2000年租用Schlumberger的PowerDriverSRD系统在6871m以下井段取得了巨大成功。尽管日租金高达数万美元,仍节约近500万元的钻井作业费用,而且由于解决了大位移井导向问题,提高了井身质量,为油田开发和后续完井采油作业带来的间接经济效益远远超过直接经济效益。实例2:2000年2月8日,CACT公司在中国南海油田的HZ212123SA区块某井侧钻水平井,其1400m定向井段施工中应用BakerHughes公司的AUTOTRAKRCLS系统,只用1.5d就完成了常规方式需要10d才能完成的定向井段施工,不仅井身质量提高、钻井成本降低,还提高了轨迹控制精度和开发效率。实例3:塔里木油田X井是一口双台阶的水平井,由于目的层太薄(2号层1.2m,3号层1.6m),使用LWD进行地质导向,成功地在2号层水平钻进103m,3号层水平钻进143m,钻头在井眼中上下摆动幅度被控制在±0.45m之内(图2)。该井导眼(直井)完钻后,进行了电缆测井,此时储集层已浸泡20h以上。由双感应和密度、孔隙度计算了三个储集层的含油饱和度So,其大小顺序为So3>So2>So1,由于1号层的孔隙度、电阻率低,被认为有水层或干层的可能。当利用LWD在斜井段和水平段实时记录的电阻率进行垂深校正后,发现2、3号储集层的原状电阻率略高于感应测井值,而1号储集层的原状电阻率值是感应测井的10倍(图3),该层完井测试原油产量与2、3号层相近。这表明,LWD是目前受井眼影响最小的、较能真实地反映地层岩石物理参数的一种有效的测井方法,许多油藏在完钻后未被发现,主要是因电缆测井受井眼影响无法提供准确的解释结果所致。实例4:2008年7月19日,克拉玛依油田超薄评价水平井HW9910井喜获高产工业油流。该井位于八道湾组油藏东北部,油层厚度不到4m,且周围直井控制程度低,通过采用Schlumberger公司最新井下随钻测井和导向仪器PeriScope,使水平段轨迹严格控制在油层底部,在储集层中钻进401.4水平段,使油层钻遇率达到100%。该井采用5.0mm油嘴生产,日产液量70.4m3,含水50%左右。该井的成功钻进为薄油藏的开发提供了可靠的基础数据,也为完成增储任务做出了贡献。实例5:2006—2007年广安、磨溪构造共有14口井实施地质导向技术,应用Schlumberger公司的EcoScopc、ADN和IMPulse仪器。该地区地层倾角局部变化大、断层发育,目的层砂岩含泥较重,物性较差,有效储集层薄、欠发育,纵、横向变化大,纵向上为多套很薄的泥岩和泥质粉、细砂岩,连通性差,缺少稳定的标志层。在地质导向难度较大、气水界面不明确等不利情况下,旋转导向系统对该构造地质导向起到了关键性作用,最终获得了成功,统计的14口井中,油层钻遇率超过80%的井有7口,其中磨溪构造有5口。水平段全程使用恒定的钻井参数,提供了最靠近钻头、最早的地质导向信息,同时提供的ADN密度成像可以帮助地质师在第一时间提出地质导向决定,减小了调整井斜的幅度,很好地使井眼轨迹沿目的层钻进,保证了储集层有较高的钻遇率。4随着测量技术的发展趋势4.1井眼轨迹实时地质测量Schlumberger公司的EcoScope多功能随钻测井系统将全套的地层评价、确定井身轨迹和钻井优化测量装置组合在一根钻铤内(图4)。所有传感器均可在钻头附近测量,钻井优化测量包括随钻环空压力、井径和振动,实时方位密度和方位伽马测量可识别钻遇地层的最佳井眼轨迹,实现了一体化测量。Schlumberger的地质导向IDEAL系统总成如图5。其核心部分GeoSteering-GST包括:实时近钻头测量(测量点距离钻头小于2m)伽马、电阻率、井斜、钻头电阻率(测量钻头前方电阻率),实时方位性测量(测量井眼上下方)伽马、电阻率。利用该系统可实现高油藏钻遇率(90%以上),使井眼轨迹位于油藏最佳位置;及时发现断层,及时发现地层倾角变化。不同公司设计的随钻测量参数组合多种多样。例如用于随钻地层评价的定向参数、中子孔隙度、电阻率、密度、伽马组合,近钻头方位伽马、井斜组合测量钻头附近的地质及工程参数等,对于钻井施工都具有至关重要的指导作用。近钻头随钻测量技术有效解决了测量点信息滞后与钻头越轨的问题,在地层暴露后更短的时间内就可了解井底实际地质情况,因而可以更准确地控制井筒轨迹的走向,提高油气层特别是超薄油气层的穿透率。4.2随钻测量技术将不断扩随钻测量的缺点是数据传输率低,实时传输的曲线数量和数据采样率受到限制,据的精度也低于电缆测井,目前光纤传输技术、地磁波传输技术和电子智能钻杆的研发将可以有效地解决数据传输这一瓶颈问题。换言之,随着信息传输技术、信息处理技术的发展和材料领域的技术进步·随钻测量技术的发展会进一步加快,物探、测井等新技术方法也将融入随钻测量的行列,随钻测量的成本也将大幅降低,因此在勘探阶段(裸眼井)随钻测井替代电缆测井的领域将会不断扩大。今后,随钻测量技术将朝着高度集中(一体化)、测量参数组合(多样化)、近钻头设计、高可靠性、高数据传输率的方向发展。Schlumberger公司推出最新的随钻定向电磁波测井仪器,能探测未钻地层距工具4.57m(15ft)处流体界面和地层的变化,具有360°测量和成像能力,测量结果可实时传送到决策中心,以完成实时构造解释。即便在薄层、侧向非均质性严重的地层中,利用PeriScope15仍能使井眼在地层中精准定位,尤其在开发以前被认为不经济的边际油气层方面,具有较好的应用前景。4.3加快我国随钻测量技术的研发和应用我国石油勘探开发的前景,决定了随钻测量技术将有长足的发展。以塔里木油田为例,该油田自1994年开始实施水平井技术以来,目前已完钻水平井约占开发井的1/4,但产量超过了总产量的50%,经济效益非常明显。现代地质导向技术能将随钻测井、地震、录井等信息及其遥测遥传技术相结合,将实时测量到的信息经过智能化、集成化处理后,可用于实时评价待钻地层,实时确定客观存在的不确定地质因素,为待钻井身轨迹设计提供重要依据,使井眼能够在0.5m厚的薄油气层中延伸,并保持复杂条件下的最优井身轨迹和平滑剖面。随钻测量技术的广泛应和收入快速增加具体表现为,1987年国际市场收入为1.5亿美元,1991年为4.4亿美元,平均增长率为30%。2002年随钻测量总服务费达12亿美元,已接近裸眼井电缆测井费用(19亿美元)的70%。基于上述情况,加快我国随钻测量