隨鉆測井的成就和未來

編譯:趙平 (大慶測井公司)

周利軍 (大慶燃氣公司)

王龍嬌 (中石油昆侖燃氣公司)

審校:丁柱 (大慶測井公司)

隨鉆測井的成就和未來

編譯:趙平 (大慶測井公司)

周利軍 (大慶燃氣公司)

王龍嬌 (中石油昆侖燃氣公司)

審校:丁柱 (大慶測井公司)

從1959年起,SPWLA參與完成了早期的過壓分析、自然伽馬分析以及介電傳播測井。由深探測介電測井發展起來的傳播電阻率測井為20世紀80年代有生命力的隨鉆地層評價服務打開了大門。接下來的就是中子孔隙度、地層密度和聲波孔隙度測井。20世紀90年代,這些技術走向成熟,連帶業務得到發展。隨鉆測井 (LWD)覆蓋了裸眼井測井的大部,并在許多情況下成為首選技術。在新的鉆井工具和定向隨鉆測量 (MWD)儀器的激發下,定向鉆井正在為LWD的應用創造經濟前提。服務公司對LWD發展和市場開拓的投資作出了積極響應。文章介紹了LWD發展歷程和取得的成就,重點介紹其商業核心技術。通過闡述需求與機會分析對其發展前景提出了挑戰性觀點。

隨鉆測井 夢想 成就 未來

1 成就

1.1 第一代

定向鉆井提高了服務公司的興趣,與裸眼井測井業務無關的公司都想要涉足LWD。Schlumberger、Dresser和Welex控制著電纜測井市場。LWD的提出或許可以改變市場現狀,這是1978年NL公司的設想。MWD將要強大的信念在增強——LWD會更強大。鉆井技術快速發展,測井越來越難。

1978年,NL公司開始組織人力開發MWD/ LWD。NL公司沒有遙測系統,因此,要連接伽馬模塊和電磁波電阻率儀器 (EWR)模塊并安裝存儲器。當時采用電池驅動的RAM存儲器效果很好。系統電源采用一種新的鋰亞硫酰氯電池,它耐溫160℃。開始試驗直到1981年,出現了一種產品,即存儲式的儀器,名為巖性記錄測井 (RLL) [FRANZ,1981]。

1981年存儲式的 EWR儀器推向墨西哥彎(GOM)市場。不久,泥漿脈沖系統推出使用。商業運作始于 1983年。Dan Coope和 BillHendricks的EWR銷售工作非常出色,儀器在 GOM的薄、低電阻率油砂中有了特殊應用。

1981年NL公司收購了Sperry Sun,變成了定向鉆井分部。不久之后,出現了DST和Sperry Sun,并合并為Sperry Sun進行鉆井服務。

在20世紀80年代,Schlumberger的LWD活躍起來。1984年,Analyst和鉆井服務公司組成Anadril。Anadrill分公司同時進行定向鉆井和MWD。開發團隊在得克薩斯的Sugar Land組成, 1985年,開發出補償雙電阻率 (CDR)。CDR是單間距,但有補償發射器,可測量相位差 (速度)和幅度比 (衰減),這是對 EWR的重大改進。1987年開始這種新儀器的市場服務。

1989年各種傳播電阻率技術如圖1所示。

圖1 1989年傳播電阻率儀器

至此,傳播電阻率測井顯然將要與雙感應電纜測井展開激烈競爭。不過,它需要多個探測深度,尤其是淺測量。Sperry Sun推出并銷售EWR相位4滿足了這種要求。

第一個放射性傳感器始于NL公司,當然,是自然伽馬。Arps是第一批建立并使用自然伽馬數據的公司之一。MWD定向公司已擁有自然伽馬傳感器。其中有兩種類型的自然伽馬傳感器,一種用于蓋革 (gm)管,另一種用于閃爍晶體。gm管很堅固,但敏感度極低。閃爍晶體和PM管是種選擇,但需要對其進行正確組裝。NL公司的第一個自然伽馬由許多gm管組成,于20世紀80年代早期完成。

接下來的進展是中子孔隙度。儀器固定在鉆鋌的側面。該儀器采用 He+3探測器,模仿電纜補償中子測井 (CNL)長、短間距探測器設計。

LWD中子和電纜CNL的主要區別是MWD的儀器與井壁間隙是變化的,而電纜測井只在井壁沖刷嚴重時才會導致間隙增大;另一個區別是測速。與裸眼井測井相比,鉆井速度慢,而且不穩定,這就意味著較小的源能夠用于LWD。一般來講,LWD探測器裝在鉆鋌后面,所以中子計數率較低。最近發布了一個有趣的專利,即在鉆鋌內放置滑槽,這些滑槽用中子透明材料充填。探測器周圍放置這些溝槽,中子計數率就會增加。

另一項改進隨鉆鋌旋轉變化的間隙的方法是在儀器內放置一個加速計以確定儀器較低側面,這可對間隙進行一定的測量,從而有助于數據解釋。

緊隨中子之后是地層密度測井。中子孔隙度的主要問題 (如唯一的孔隙度傳感器)是泥巖和泥巖儲層影響嚴重。如氫指數,它對高氫指數的泥巖很敏感。

由于早期的LWD市場在美國的墨西哥灣和北海,所以中子孔隙度對孔隙度測量結果并沒有明顯作用。Sperry Sun推出了密度光滑外殼設計。光滑設計 (無穩定器)在鉆井中是有益的,因為它并不影響井底鉆具總成 (BHA)。

后來推出的其他設計是固定在鉆鋌外面的穩定器葉片上,這些設計理念更接近于電纜測井的設計。所有這些地層密度設計的主要問題是鉆井。穩定器不能總是與井壁保持接觸,需要間隙測量,以便調整脊肋圖。增加了超聲傳感器并放置在探測器旁邊的穩定器上,超聲間隙測量過去和現在都是至關重要的,有了它所測量的密度值改善了許多。間隙測量對密度和中子測量非常重要。

這就是第一代的成就。電阻率多數是多間距傳播儀器,推出了陣列儀器,用于識別侵入和校正Rt。中子和地層密度儀器模仿電纜儀器結構,雖然源較小,但探測器差不多都一樣。聲波測量也與早期的電纜縱波儀器極為類似,只是絕緣體完全不同。

1.2 第二代

第二代幾乎沒有實質性變化,只是隨著時間演化。主要演化是由大角度井和水平井數量增加引起的,這使電阻率解釋發生了重大改變。傳播電阻率儀器在相位和衰減電阻率方面顯示出了極大差異。

當傳播電阻率穿過大角度井邊界時,相位差上會出現“喇叭”。各向異性電阻率對相位和幅度影響程度不同。為了研究這些影響,開發了新一代計算機模擬技術。

同時,中子和地層密度正在成為電纜測井的真實競爭者。反復比較表明電纜和LWD測量結果間的實際差別很小。

聲波測井已從P波孔隙度測量轉換成不但可以提供P波速度,還可提供可靠的橫波和斯通利波測量的偶極和四極子測量系統。全波列數據無法送至地面,但可存儲起來在鉆井后使用。今天的LWD聲波儀可以進行孔隙壓力預測、地面地震關聯和巖石力學計算。泊松比巖性指示器和改進的滲透率預測都可在這一代測量系統中實現,并持續改善。

第二代LWD出現了核磁共振 (NMR),其主要任務是在含有鉆鋌的井眼內測量磁共振。第一次大范圍的現場測試是Numar公司用試驗樣機完成的,測量結果令人鼓舞。

地層測試器和隨鉆壓力是這一代要開發的內容。毫無疑問,LWD不僅能夠完成從前只有裸眼井電纜測井才能完成的大多數工作,還能完成鉆井方面的其他工作。更重要的是LWD測量在多數情況下相當于電纜測井,在其他情況下要好于電纜測井。

LWD的最新成果完成了電纜測井完成不了的任務:

◇隨鉆邊界探測。

◇隨鉆成像停留在油藏工程師感興趣的地層并顯示地層位置。用密度成像識別裂縫。

◇方位電阻率引導鉆頭進入地層的最佳位置。

◇結合LWD測量結果進行地質導向,校正井眼設計和井眼軌跡。在增加數量方面,鉆井家和巖石物理學家正在致力于鉆最好的井而不只是鉆井。

LWD超越電纜測井的可能正在增加。

新一代傳播儀具有定向性,而且全采用陣列天線,有許多工作頻率。盡管這些儀器是幾年前研制出來的,但作者稱它們為“2009”儀器,其中一對的簡要描述如圖2所示。

圖2 兩支“2009”傳播電阻率儀的簡要描述

第一支脈沖中子發生器 (PNG)儀器誕生了,并有好的發展前景 (圖3)。

圖3 采用脈沖中子發生器的第一支綜合“三組合”儀器的設計和測量外形圖

市場需求和商機推動了LWD的發展。

油田服務公司也發生了變革 (圖4)。

圖4 Halliburton的收購和兼并

其他主要的服務公司也有類似的演變。20世紀80年代中葉,Baker石油儀器公司收購了Hughes儀器公司而變為Baker-Hughes有限公司,形成的技術基礎在MWD和LWD中很活躍。1990年,BHI收購 Eastman Christensen,獲得了定向鉆井的市場份額。之后,他們又收購了 Teleco,獲得了MWD/LWD的極其強大的市場份額。然后于1994年,又將許多獨立的研究統一起來組成Inteq。1996年,BHI將 Western Atlas變為其電纜測井企業子公司。

1984年,Schlumberger主要是通過將其鉆井服務和測井分析家合并進入Anadrill推動了其發展。隨后在得克薩斯的Sugar Land組成了一個研發團隊,重新估價其市場定位。

從20世紀70年代末和80年代初開始,定向鉆井業務快速增長。首先快速增長的是定向MWD業務,滿足了經濟和技術的需求。大型海上平臺和特殊目的的平臺耗資巨大,MWD井眼測量節省了鉆井和鉆機時間。定向MWD奇跡般地成長,它進入了使電纜測井變得更為困難、風險更大、更昂貴的大角度井服務領域。

過去十多年里,定向鉆井收入的綜合年增長率為16.5%,而LWD的綜合增長率為15.4%。旋轉導向儀器 (RST)提高了鉆井效率,LWD在井內的時間并不長。

20世紀80年代水平鉆井取得了突破,但真正增長的是后來的5年 (圖5),這有許多意義。水平鉆井出現在“非常規儲層”。美國天然氣價格高得像油價一樣,氣價成為助推器,煤層氣 (CBM)鉆井迅猛發展。

圖5 2000—2009年不同類型井眼中的鉆機數 (Baker-Hughes鉆機統計數據,2009)

非常規泥巖層生產井也有類似情況發生。采用定向自然伽馬面元和自然伽馬方位面元,LWD可以在CBM中發揮作用。泥巖勘察略有不同,但LWD的密度成像技術可以顯示裂縫,對完井和生產幫助很大。Bamett泥巖只是正在用水平井技術開發的 10個泥巖前景區中的一個。因為鉆井、LWD和壓裂,它成了美國最大的產氣田之一。估計Bamett產氣2.5×1012～30×1012ft3(1 ft3= 28.317 dm3)。

目前,定向電阻率裝置正在幫助井眼地質導向獲得最佳開采的井眼位置。隨著經驗和知識的積累,這種特殊區域的服務將會越來越好。

2 光明的未來

有光明的未來嗎?由于經濟不景氣,如今LWD有些暗淡,但是,技術和石油業務將繼續發展。

圖6概括了Schlumberger所做的有關業界巖石物理學、地球物理學家、鉆井和油藏工程師所期待的LWD性能的調查。

與鉆頭的測量距離將由一些傳感器來完成。實時數據傳輸速率成為鉆井的主要成分,在多數情況下,會受井下處理能力的影響。采用一致結果完成此事也存在太多的變數。對經濟、高速遙測技術的需求仍在。遙測數率已有所增加,但程度有限。隨著地面得到數據的增加,地質導向將得到顯著加強。

圖6 用戶期望值

一般來講,開發鉆井數據充分,測井用于跟蹤儲層。然而,這些一次和二次的數據對勘探鉆井毫無意義。

化學性放射源將被放棄而采用脈沖中子技術。將提供各種類型的元素分析,如碳映象、元素分析和巖性分析。機械儀器設計者和近鉆頭鉆井裝置將包含重要的鉆井輔助傳感器。

幾家公司提供可回收脈沖發生器和定向密封裝置,也有可回收傳播電阻率裝置。

下一步將要開發直接邊界測量裝置,即雷達。目前是根據處理的資料推斷邊界。將能夠查看和測量更遠的距離 (距鉆柱幾百英尺)。自從在油氣層鉆了許多水平井,發現介電常數測量可能具有使用價值。

因為LWD取得了巨大成功,所以未來極其光明。成長的機會仍很多,技術仍在進步。物理性質不會改變,但對它的了解是不斷增強的。電子和數據處理能力也在不斷增強。

另一個機遇是協會和大學的參與。石油業界重點在LWD和有關的傳感器上的投資激勵SPE、AIME、SPWLA、AAPG、SEG和 IEEE組織論文和協會活動。APS已在積極研究LWD的電磁、核、聲學和光學的含義。大學實驗室研究各式各樣的電纜和LWD傳感器,特別是電磁波傳播傳感器。得克薩斯大學、休斯頓大學、伊利諾伊大學、俄亥俄州立大學和斯坦福大學都已致力于LWD的研究和實驗。

在探索LWD新技術的道路上,彼此的需要把鉆井同仁緊密地聯系到一起。過去的許多夢想已經實現,LWD應用價值和高效性已經顯現出來。新的夢想正在逐步成為現實并且不斷涌現。

資料來源于美國《SPWLA 50th Annual Logging Symposium》2009年6月

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.12.019

2010-10-28)