浅析过钻头测井面临的挑战及应对策略

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(1.西北大学 地质学系，陕西 西安 710069 2、西安石油大学 机械工程学院，陕西 西安 710065)

自 1927 年斯仑贝谢兄弟开启测井时代，测井技术已经过近90 a的发展，期间发生过许多革命性的变化。测井数据的采集方式经历了电缆测井、随钻测井以及过钻头测井。为应对复杂的测井环境尤其是水平井、大斜度井、不稳定井等特殊井眼，Shell 壳牌公司研发部门从 1998 年开始就对过钻头测井(Through Bit Logging)方法进行研究。过钻头测井自开发以来，解决了多种技术难题，于2008 年12 月首次投入商业应用。该技术曾于 2005 年和 2009 年两次荣获国际石油科技十大进展项目。

过钻头测井虽然具有鲜明的特点，但是也有很大的不足之处。一方面，过钻头仪器的抗压、抗腐蚀，耐高温等性能指标都不及常规电缆测井仪器；另一方面，过钻头测井仪器测量不连续，测井项目少，测量精度及横向分辨率不够。因此，过钻头测井现在并未在全国普及，如何解决这些问题已成为当务之急。

1 过钻头测井原理

简单来说，过钻头测井是指测井仪器由钻杆穿过钻头进入井眼实施测井作业。作业时利用钻具将过钻头测井仪器导入目的段进行测量。其钻头须采用TBL钻头，TBL钻头是PDC钻头经过特殊改造制成的，该钻头中间有2.5in供测井仪器收放的运移通道。其TBL作业原理如图1所示[1-2]。

图1 TBL作业原理图

这种测量方式对过钻头测井仪器的制造提出了很高的要求。相比电缆测井，过钻头测井仪器的直径要小得多，仪器内元器件也要更密集。过钻头测井仪器目前主要有自然伽马测井仪、感应测井仪、中子测井仪、密度测井仪、声波测井仪等(见表1)。

表1 过钻头测井仪器明细表

2 过钻头测井面临的挑战及应对策略

2.1 过钻头仪器耐温耐压性能面临的挑战及应对策略

当今世界对石油、天然气的强大需求、低投资高回报率及有限的油气资源，使得石油勘探行业趋向于在恶劣环境下寻找油气藏。2010年以后，油气勘探开发目的层深度不断增加，尤其是深层气藏的数量有了较大幅度的提升，10%以上的气藏的深度已经超过了5 000 m。 随着勘探难度的日益增加，要求地球物理测井仪器提高耐高温性能指标。由表1所示，过钻头测井的最大耐温为150℃，最大耐压为103 MPa，较常规电缆测井而言，过钻头测井仪器的耐温耐压指标明显偏低，那么过钻头仪器就不能适用于高温高压的井段[3]。

同常规电缆测井仪器一样，过钻头测井仪器在研发中必须考虑如下问题，以解决仪器在耐温耐压性能方面的问题：

(1) 过钻头测井仪器须有能够承受高压的加厚承压外壳材料，同时必须具备足够的抗张力抗压缩强度，能适应在目的深度及特殊井眼尺寸下打捞作业对机械强度的要求。

(2) 过钻头测井仪器要求更严格的机械加工公差。公差是指仪器各项实际参数值的允许变动量，在经济条件和技术条件允许的情况下，更严格的机械加工公差有助于提高仪器的性能指标，尤其是抗压性能。

(3) 过钻头测井仪器须设计一定数目承受深井高压的自动保险装置。过钻头测井仪器直径很小，井下仪器的控制比电缆测井增加了不小的难度，如何做到收放自如，防止仪器落入井中也是一个至关重要的问题。过钻头测井仪器应该在仪器顶部安装一种有温度压力传感器的自动保险装置，实时传输和测量井下温度和压力参数，一旦温度和压力超过仪器可以承受的范围，自动保险装置开启收回测井仪器。

(4) 由于测井仪器的作业于严酷的高温高压环境条件，因此必须保证仪器内元器件不遭受破坏，性能不发生改变，这对元器件的设计制造提出了更高的要求。为了使测井仪器的电子线路和元件在井下高温高压环境下正常工作，采取的办法有三种。一是选用耐高温耐高压的测井元器件，筛选出性能较好的元件，使其能够在测井仪器极限温度和压力下正常工作。二是使用金属材料的保温瓶，在保温瓶的瓶塞中加入熔点适中，溶解热高的吸热剂，如采用水杨酸苯甲酯做吸热剂。三是尽量减少元器件的数量，注意元器件和测线的排布，简化仪器内部结构，增大元器件的间隙。

2.2 过钻头仪器垂直分辨率和测量精度分析

为适应油田勘探幵发的需要，薄层测井解释变得更为重要。在前人的研究基础上，我们需要进一步研究薄层的特性，识别薄层并评价储层流体性质。这就对测井仪器的垂直分辨率和测量精度提出了挑战，如何提高过钻头测井的垂直分辨率和测量精度又是一大难题[4]。

过钻头测井的垂直分辨率见表1。垂直分辨率就是测井数据能够定量分析的最小地层厚度。 垂直分辨率受多种因素影响，主要是测井采样间隔和仪器本身的分辨率。就目前的测井技术水平来说，一般每英尺采3～4个点，井下仪器的采集动作如果是由采集信号驱动的，自身不具备处理一定时间间隔内所有采集信息并处理上传的功能的话，分辨率受到采样点过少的影响是很大的。仪器本身的分辨率需要根据不同的仪器分而论之，仪器的探头设计和处理能力都会决定其分辨率。通常可以从纵向响应曲线上求解分辨率，例如感应测井仪器，就可以正演计算出夹层地层模型的纵向响应曲线，夹层的厚度变化时求出该仪器的不同响应，考察其能用于数据分析的最小夹层厚度，即垂向分辨率。

测量精度的影响主要是分为两大类，一是仪器本身的刻度精度，二是实时采集的精度。针对仪器的刻度精度(见表2)，我们可以定期进行室内刻度定标，测后刻度定标。影响实时采集的因素主要有两点，一是仪器在井下的位置是不确定的，二是来自钻具的干扰。针对这些因素，可以采用增加微型扶正器和推靠臂，优化仪器组装方式，改进传感器等方法消除影响。

表2 过钻头仪器测量精度表

2.3 过钻头仪器测量项目分析

在地球物理测井中，测量的项目种类及数量会直接决定解释的精细程度，较少的测量项目往往会产生多解性，这给后续的勘探开发提高了困难。过钻头测井由于技术条件的限制，只有一些基本的测井项目，详见表1。而常规电缆测井已经集测井仪绞车、对面操作系统、井下仪器、辅助作业设备、解释设备等为一体，测量项目全面，解释精度高。过钻头测井应该增加一些比较重要的测井项目(如核磁共振测井)，以增加过钻头测井解释的精度。

3 过钻头测井前景展望

过钻头测井技术已经越来越成熟，在世界各大油田发挥着一定的作用。由过钻头测井衍生出的过孔钻井(TBD系统)也越来越完善，并且过钻头测井将会在这种过孔钻井中起到至关重要的作用。这种全新的钻井技术提供一个更为方便的实施过钻头测井的通道，因此TBD会是过钻头测井重要的发展方向[5]。

高精度高分辨率过钻头测井也是过钻头测井的发展方向之一，测井数据的优劣会直接影响后续的解释工作。因此，有必要提高过钻头测井的测量精度和垂向分辨率，以适应越来越复杂的井眼环境和地质背景。

4 结语

(1)过钻头测井作用已经越来越完善，比较于电缆测井和随钻测井是一个革命性的变化。随着复杂结构井的增多和井眼环境更加的恶劣，过钻头测井将会在今后很长一段之间内发挥不可被替代的作用。

(2)过钻头测井仍然有很大的提升空间，适用范围还很有限，只能适用于小井眼、水平井、大斜度井等恶劣环境中，各项仪器性能也有待提升。