随钻测井的成就和未来

编译:赵平 (大庆测井公司)

周利军 (大庆燃气公司)

王龙娇 (中石油昆仑燃气公司)

审校:丁柱 (大庆测井公司)

随钻测井的成就和未来

编译:赵平 (大庆测井公司)

周利军 (大庆燃气公司)

王龙娇 (中石油昆仑燃气公司)

审校:丁柱 (大庆测井公司)

从1959年起,SPWLA参与完成了早期的过压分析、自然伽马分析以及介电传播测井。由深探测介电测井发展起来的传播电阻率测井为20世纪80年代有生命力的随钻地层评价服务打开了大门。接下来的就是中子孔隙度、地层密度和声波孔隙度测井。20世纪90年代,这些技术走向成熟,连带业务得到发展。随钻测井 (LWD)覆盖了裸眼井测井的大部,并在许多情况下成为首选技术。在新的钻井工具和定向随钻测量 (MWD)仪器的激发下,定向钻井正在为LWD的应用创造经济前提。服务公司对LWD发展和市场开拓的投资作出了积极响应。文章介绍了LWD发展历程和取得的成就,重点介绍其商业核心技术。通过阐述需求与机会分析对其发展前景提出了挑战性观点。

随钻测井 梦想 成就 未来

1 成就

1.1 第一代

定向钻井提高了服务公司的兴趣,与裸眼井测井业务无关的公司都想要涉足LWD。Schlumberger、Dresser和Welex控制着电缆测井市场。LWD的提出或许可以改变市场现状,这是1978年NL公司的设想。MWD将要强大的信念在增强——LWD会更强大。钻井技术快速发展,测井越来越难。

1978年,NL公司开始组织人力开发MWD/ LWD。NL公司没有遥测系统,因此,要连接伽马模块和电磁波电阻率仪器 (EWR)模块并安装存储器。当时采用电池驱动的RAM存储器效果很好。系统电源采用一种新的锂亚硫酰氯电池,它耐温160℃。开始试验直到1981年,出现了一种产品,即存储式的仪器,名为岩性记录测井 (RLL) [FRANZ,1981]。

1981年存储式的 EWR仪器推向墨西哥弯(GOM)市场。不久,泥浆脉冲系统推出使用。商业运作始于 1983年。Dan Coope和 BillHendricks的EWR销售工作非常出色,仪器在 GOM的薄、低电阻率油砂中有了特殊应用。

1981年NL公司收购了Sperry Sun,变成了定向钻井分部。不久之后,出现了DST和Sperry Sun,并合并为Sperry Sun进行钻井服务。

在20世纪80年代,Schlumberger的LWD活跃起来。1984年,Analyst和钻井服务公司组成Anadril。Anadrill分公司同时进行定向钻井和MWD。开发团队在得克萨斯的Sugar Land组成, 1985年,开发出补偿双电阻率 (CDR)。CDR是单间距,但有补偿发射器,可测量相位差 (速度)和幅度比 (衰减),这是对 EWR的重大改进。1987年开始这种新仪器的市场服务。

1989年各种传播电阻率技术如图1所示。

图1 1989年传播电阻率仪器

至此,传播电阻率测井显然将要与双感应电缆测井展开激烈竞争。不过,它需要多个探测深度,尤其是浅测量。Sperry Sun推出并销售EWR相位4满足了这种要求。

第一个放射性传感器始于NL公司,当然,是自然伽马。Arps是第一批建立并使用自然伽马数据的公司之一。MWD定向公司已拥有自然伽马传感器。其中有两种类型的自然伽马传感器,一种用于盖革 (gm)管,另一种用于闪烁晶体。gm管很坚固,但敏感度极低。闪烁晶体和PM管是种选择,但需要对其进行正确组装。NL公司的第一个自然伽马由许多gm管组成,于20世纪80年代早期完成。

接下来的进展是中子孔隙度。仪器固定在钻铤的侧面。该仪器采用 He+3探测器,模仿电缆补偿中子测井 (CNL)长、短间距探测器设计。

LWD中子和电缆CNL的主要区别是MWD的仪器与井壁间隙是变化的,而电缆测井只在井壁冲刷严重时才会导致间隙增大;另一个区别是测速。与裸眼井测井相比,钻井速度慢,而且不稳定,这就意味着较小的源能够用于LWD。一般来讲,LWD探测器装在钻铤后面,所以中子计数率较低。最近发布了一个有趣的专利,即在钻铤内放置滑槽,这些滑槽用中子透明材料充填。探测器周围放置这些沟槽,中子计数率就会增加。

另一项改进随钻铤旋转变化的间隙的方法是在仪器内放置一个加速计以确定仪器较低侧面,这可对间隙进行一定的测量,从而有助于数据解释。

紧随中子之后是地层密度测井。中子孔隙度的主要问题 (如唯一的孔隙度传感器)是泥岩和泥岩储层影响严重。如氢指数,它对高氢指数的泥岩很敏感。

由于早期的LWD市场在美国的墨西哥湾和北海,所以中子孔隙度对孔隙度测量结果并没有明显作用。Sperry Sun推出了密度光滑外壳设计。光滑设计 (无稳定器)在钻井中是有益的,因为它并不影响井底钻具总成 (BHA)。

后来推出的其他设计是固定在钻铤外面的稳定器叶片上,这些设计理念更接近于电缆测井的设计。所有这些地层密度设计的主要问题是钻井。稳定器不能总是与井壁保持接触,需要间隙测量,以便调整脊肋图。增加了超声传感器并放置在探测器旁边的稳定器上,超声间隙测量过去和现在都是至关重要的,有了它所测量的密度值改善了许多。间隙测量对密度和中子测量非常重要。

这就是第一代的成就。电阻率多数是多间距传播仪器,推出了阵列仪器,用于识别侵入和校正Rt。中子和地层密度仪器模仿电缆仪器结构,虽然源较小,但探测器差不多都一样。声波测量也与早期的电缆纵波仪器极为类似,只是绝缘体完全不同。

1.2 第二代

第二代几乎没有实质性变化,只是随着时间演化。主要演化是由大角度井和水平井数量增加引起的,这使电阻率解释发生了重大改变。传播电阻率仪器在相位和衰减电阻率方面显示出了极大差异。

当传播电阻率穿过大角度井边界时,相位差上会出现“喇叭”。各向异性电阻率对相位和幅度影响程度不同。为了研究这些影响,开发了新一代计算机模拟技术。

同时,中子和地层密度正在成为电缆测井的真实竞争者。反复比较表明电缆和LWD测量结果间的实际差别很小。

声波测井已从P波孔隙度测量转换成不但可以提供P波速度,还可提供可靠的横波和斯通利波测量的偶极和四极子测量系统。全波列数据无法送至地面,但可存储起来在钻井后使用。今天的LWD声波仪可以进行孔隙压力预测、地面地震关联和岩石力学计算。泊松比岩性指示器和改进的渗透率预测都可在这一代测量系统中实现,并持续改善。

第二代LWD出现了核磁共振 (NMR),其主要任务是在含有钻铤的井眼内测量磁共振。第一次大范围的现场测试是Numar公司用试验样机完成的,测量结果令人鼓舞。

地层测试器和随钻压力是这一代要开发的内容。毫无疑问,LWD不仅能够完成从前只有裸眼井电缆测井才能完成的大多数工作,还能完成钻井方面的其他工作。更重要的是LWD测量在多数情况下相当于电缆测井,在其他情况下要好于电缆测井。

LWD的最新成果完成了电缆测井完成不了的任务:

◇随钻边界探测。

◇随钻成像停留在油藏工程师感兴趣的地层并显示地层位置。用密度成像识别裂缝。

◇方位电阻率引导钻头进入地层的最佳位置。

◇结合LWD测量结果进行地质导向,校正井眼设计和井眼轨迹。在增加数量方面,钻井家和岩石物理学家正在致力于钻最好的井而不只是钻井。

LWD超越电缆测井的可能正在增加。

新一代传播仪具有定向性,而且全采用阵列天线,有许多工作频率。尽管这些仪器是几年前研制出来的,但作者称它们为“2009”仪器,其中一对的简要描述如图2所示。

图2 两支“2009”传播电阻率仪的简要描述

第一支脉冲中子发生器 (PNG)仪器诞生了,并有好的发展前景 (图3)。

图3 采用脉冲中子发生器的第一支综合“三组合”仪器的设计和测量外形图

市场需求和商机推动了LWD的发展。

油田服务公司也发生了变革 (图4)。

图4 Halliburton的收购和兼并

其他主要的服务公司也有类似的演变。20世纪80年代中叶,Baker石油仪器公司收购了Hughes仪器公司而变为Baker-Hughes有限公司,形成的技术基础在MWD和LWD中很活跃。1990年,BHI收购 Eastman Christensen,获得了定向钻井的市场份额。之后,他们又收购了 Teleco,获得了MWD/LWD的极其强大的市场份额。然后于1994年,又将许多独立的研究统一起来组成Inteq。1996年,BHI将 Western Atlas变为其电缆测井企业子公司。

1984年,Schlumberger主要是通过将其钻井服务和测井分析家合并进入Anadrill推动了其发展。随后在得克萨斯的Sugar Land组成了一个研发团队,重新估价其市场定位。

从20世纪70年代末和80年代初开始,定向钻井业务快速增长。首先快速增长的是定向MWD业务,满足了经济和技术的需求。大型海上平台和特殊目的的平台耗资巨大,MWD井眼测量节省了钻井和钻机时间。定向MWD奇迹般地成长,它进入了使电缆测井变得更为困难、风险更大、更昂贵的大角度井服务领域。

过去十多年里,定向钻井收入的综合年增长率为16.5%,而LWD的综合增长率为15.4%。旋转导向仪器 (RST)提高了钻井效率,LWD在井内的时间并不长。

20世纪80年代水平钻井取得了突破,但真正增长的是后来的5年 (图5),这有许多意义。水平钻井出现在“非常规储层”。美国天然气价格高得像油价一样,气价成为助推器,煤层气 (CBM)钻井迅猛发展。

图5 2000—2009年不同类型井眼中的钻机数 (Baker-Hughes钻机统计数据,2009)

非常规泥岩层生产井也有类似情况发生。采用定向自然伽马面元和自然伽马方位面元,LWD可以在CBM中发挥作用。泥岩勘察略有不同,但LWD的密度成像技术可以显示裂缝,对完井和生产帮助很大。Bamett泥岩只是正在用水平井技术开发的 10个泥岩前景区中的一个。因为钻井、LWD和压裂,它成了美国最大的产气田之一。估计Bamett产气2.5×1012～30×1012ft3(1 ft3= 28.317 dm3)。

目前,定向电阻率装置正在帮助井眼地质导向获得最佳开采的井眼位置。随着经验和知识的积累,这种特殊区域的服务将会越来越好。

2 光明的未来

有光明的未来吗?由于经济不景气,如今LWD有些暗淡,但是,技术和石油业务将继续发展。

图6概括了Schlumberger所做的有关业界岩石物理学、地球物理学家、钻井和油藏工程师所期待的LWD性能的调查。

与钻头的测量距离将由一些传感器来完成。实时数据传输速率成为钻井的主要成分,在多数情况下,会受井下处理能力的影响。采用一致结果完成此事也存在太多的变数。对经济、高速遥测技术的需求仍在。遥测数率已有所增加,但程度有限。随着地面得到数据的增加,地质导向将得到显著加强。

图6 用户期望值

一般来讲,开发钻井数据充分,测井用于跟踪储层。然而,这些一次和二次的数据对勘探钻井毫无意义。

化学性放射源将被放弃而采用脉冲中子技术。将提供各种类型的元素分析,如碳映象、元素分析和岩性分析。机械仪器设计者和近钻头钻井装置将包含重要的钻井辅助传感器。

几家公司提供可回收脉冲发生器和定向密封装置,也有可回收传播电阻率装置。

下一步将要开发直接边界测量装置,即雷达。目前是根据处理的资料推断边界。将能够查看和测量更远的距离 (距钻柱几百英尺)。自从在油气层钻了许多水平井,发现介电常数测量可能具有使用价值。

因为LWD取得了巨大成功,所以未来极其光明。成长的机会仍很多,技术仍在进步。物理性质不会改变,但对它的了解是不断增强的。电子和数据处理能力也在不断增强。

另一个机遇是协会和大学的参与。石油业界重点在LWD和有关的传感器上的投资激励SPE、AIME、SPWLA、AAPG、SEG和 IEEE组织论文和协会活动。APS已在积极研究LWD的电磁、核、声学和光学的含义。大学实验室研究各式各样的电缆和LWD传感器,特别是电磁波传播传感器。得克萨斯大学、休斯顿大学、伊利诺伊大学、俄亥俄州立大学和斯坦福大学都已致力于LWD的研究和实验。

在探索LWD新技术的道路上,彼此的需要把钻井同仁紧密地联系到一起。过去的许多梦想已经实现,LWD应用价值和高效性已经显现出来。新的梦想正在逐步成为现实并且不断涌现。

资料来源于美国《SPWLA 50th Annual Logging Symposium》2009年6月

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

2010-10-28)