测井工艺技术的发展与探析

2022-02-05张炳军宋宇马正江谢昱北杨新宏高峰

测井技术 2022年6期

张炳军，宋宇，马正江，谢昱北，杨新宏，高峰

（1.中国石油集团测井有限公司测井技术研究院，北京 102206；2.中油石油天然气集团有限公司测井技术试验基地，陕西西安 710077；3.中国石油集团测井有限公司制造公司，陕西西安 710077；4.中国石油集团测井有限公司市场生产处，陕西西安 710077；5.中国石油集团测井有限公司新疆分公司，新疆克拉玛依 834000）

0 引言

测井工艺技术指通过测井绞车、钻机、连续管等装备和相应的配套工具实现测井仪器入出井筒完成测井资料采集的方式方法，包括以工器具为主的测井工艺配套技术和以施工作业为主的施工工艺技术，涵盖了从测井准备、仪器入井、资料录取及事故复杂处理等全过程的工艺技术体系，它随着测井装备技术发展而发展、钻完井井筒技术的进步而进步。

随着油气田开发的深入，勘探开发对象越来越复杂，与之相关的各种新型钻井工艺被运用，测井环境和井身结构也发生了改变，直井、大斜度井、水平井都已成为主要井型[1-3]。发展并采用电缆测井方法获得垂直井井周的地层信息；发展并采用随钻测井方法解决大斜度井和水平井测井的难题；发展并应用过钻具测井方法和工艺技术解决随钻测井技术受限及测井数据的可靠性等问题，并在应用实践中得到了发展细分，形成了系列化的测井工艺技术。这就要求测井工程师在测井前根据当地资源、环境条件、经济效益、技术政策等具体情况，针对不同井段的特点，选择最合适的仪器系列和工艺技术，提高测井效率和质量。

1 测井工艺技术的发展历程和技术路线

1927年9月5日，斯伦贝谢兄弟通过电缆将仪器下入到井中，测出了世界上第一条测井曲线。这项技术的突破让斯伦贝谢公司成为世界上第一家测井油服公司，电缆测井工艺技术也在过去90多年里发挥了重要作用。

1930年Dallas地球物理公司提出随钻测井概念，1978年TELECO公司开发出第一套商业化的MWD（Measurement While Drilling）系统——TELECO定向MWD系统，1986年Gearhart公司首次推出了侧向与钻头电阻率测井仪器，1989年斯伦贝谢公司推出三组合测井仪器和相应配套软件，推进了随钻测井技术快速发展。

20世纪80年代末，随着水平井测井技术的研究和应用发展，水平井井筒环境的复杂化给测井工艺技术带来了巨大挑战。1986年斯伦贝谢公司申请了一种用于实现流体介质中应用多个电导体连接器组件的专利技术，在此基础上形成了钻具输送电缆湿接头测井工艺技术。

21世纪，随着水平井钻井技术的不断发展和进步，钻具输送电缆湿接头测井工艺技术难以满足复杂井筒环境的采集需求（见图1）。2007年威德福公司在收购李维斯油田服务公司Compact测井技术的基础上改进形成了Ф57 mm超小直径、135 ℃/103 MPa过钻杆测井仪器[3]，2008年过钻头有限责任公司（于2011年被斯伦贝谢公司收购）随后研制开发的Ф54 mm 超小直径过钻头测井系列，形成了国外有代表性的威德福公司Compact系列和斯伦贝谢公司ThruBit系列[3]。中国企业也加大了在该项技术上的研发投入，2012年胜利伟业公司研制的SL-6000 LWF过钻杆测井系列配套了钻杆保护套工艺，2018年专业化重组后的中国石油集团测井有限公司在大庆钻探工程公司过钻杆测井仪器的基础上陆续研制了Ф57 mm和Ф55 mm的FITS多模式过钻具成像测井系列[4]，配套了电缆、过钻杆、过钻头和钻杆保护套等多模式测井的工具和工艺技术。

图1 测井工艺技术发展路线

2 主体工艺技术的特点和应用条件

2.1 电缆测井工艺技术

电缆测井应用测井绞车将与电缆连接的仪器下放到井中采集井下数据，电缆从地面测井装置传输电力和控制指令，并在装置和井下仪器之间提供实时、双向的通讯，具有速度快、数据直读、经济高效、剖面连续等特点。该工艺的核心是通过仪器自重入井，适用于直井和小斜度井。近些年，根据测量环境和条件的变化，发展出适用于深井测井的高强度电缆，适用于带压密封测井的单芯电缆、光滑电缆、数字钢丝电缆，适用于大斜度井测井的硬电缆，适用于大斜度井、水平井测井的组合电缆、爬行器、穿缆连续油管。但针对超深、极深井的复杂井况以及大斜度井、水平井的复杂井型，多样化的钻具组合导致电缆不能下放到目的层深度，电缆测井失去优势。为此研发了钻具输送湿接头电缆测井工艺技术。

2.2 钻具输送湿接头电缆测井工艺技术

钻具输送湿接头测井是将仪器和辅助短节组合成仪器串，通过转换短节与钻具连接，利用钻具输送仪器到目的层段上方，测井电缆通过旁通短节连接湿接头母接头总成，在钻杆内部进行电缆湿接头对接，完成电缆与测井仪器的电连接，在钻杆上提、下放过程中完成测井作业（见图2）。

图2 钻具输送湿接头测井工艺

钻具输送湿接头测井工艺的核心是通过井下湿接头和旁通短节实现钻具动力与电缆测井的结合。利用现场钻具动力推送仪器形成钻具输送仪器入井技术；利用旁通转换、钻具水眼通道和水力泵入钻井液推力输送湿接头入井、对接形成水力泵送对接技术。经过近40年的发展，该工艺配套测井仪器项目齐全，配套工具可靠、工艺技术成熟，占大斜度井、水平井等复杂井测井施工工艺的40%。

钻具输送湿接头测井时旁通以上电缆裸露在钻杆外，由于电缆的安全性能导致测井时旁通不能出表层套管（简称表套），该工艺主要适用于大斜度和水平段总长度小于表层或技术套管长度的水平井[5-6]。在井涌、溢流及井口不正等特定风险的复杂水平井进行湿接头测井施工时，存在水平段开泵循环对接成功率低、井控及安全风险大、时效低、成本高等问题。为完成测井施工，在技术套管长度大于1的水平井仍采用钻具输送湿接头测井，再进行多次泵送对接。例如吉xx井是大斜度井，井深2 373 m，表层套管190 m，375 m狗腿度达6.1 °、井斜45 °，采用旁通不出表套湿接头测井，设计下钻测井11次，累计下钻测井15趟，通井5次，损伤电缆4盘，测井一次成功率73.33%，测井占井时间达190 h。为此，研发了以井下电池供电和存储技术为核心的直推存储式测井仪器及工艺技术。

2.3 直推式存储测井工艺技术

直推式存储测井采用转换短接连接钻杆与仪器，通过钻机将连接在钻杆底端的存储式仪器推送入井测量。该工艺不需要绞车、电缆，工艺简单，测井时效高于湿接头工艺，一次下井可取得下测和上测2条测量曲线，且能基本达到电缆测井仪器测量精度，适用于井眼规则、井况良好、井壁稳定的斜井、大斜度井和水平井[7]。

直推式存储测井工艺的缺点：①下钻过程出现仪器遇阻、遇卡，司钻无法实时有效识别，并且仪器刚性强度远小于钻具刚性强度，可能导致仪器损伤、折断落井；②仪器下井后状态不易判断，仪器故障不能及时中止和复测，所以该工艺在初期主要用于套管井固井质量测量。近两年随着高温高压超深井、易喷易漏井数量的增多，通过改变仪器外管的厚度、材质和结构促进了高强度直推存储式仪器的快速发展，较好地控制了仪器井下损伤的风险，很好地解决了三超井、大斜度井、小井眼井及易喷易漏井等复杂工况井的资料采集难题，一次下井即可完成所有常规与特殊项目的测井作业。

2020年度塔里木富满油田因易喷易漏等风险导致未测井比例高达66.7%，2021年度高强度直推存储式测井仪器工艺的推广有效解决了该问题，测井率提高30%。但该工艺仍不适用于井壁不稳、轨迹复杂及超长水平段井的测量，尤其是化学源放射性测井。为了有效解决直推存储式测井井下损伤仪器的风险，研发了钻杆保护套工具和工艺技术。

2.4 钻杆保护套测井工艺技术

钻杆保护套测井是在直推存储式测井的基础上将存储仪器悬挂到大水眼钻杆或类似钻杆的保护套内，下钻过程中测井仪器与井壁不接触，钻杆下放到目的层位底部后，通过投棒（球）剪切或数控开锁释放仪器，再通过水力泵送将仪器推出钻杆保护套进入裸眼环境，仪器串落座并悬挂在保护套底部内卡处，上提钻具完成测井（见图3）。具有代表性的仪器是威德福公司的Compact系列[7]。

图3 钻杆保护套测井工艺

钻杆保护套测井工艺施工相对简单，无需绞车及电缆配套，对井场要求小、对钻杆通径要求低、对仪器磨损小、作业成本低。该工艺的缺点：①对仪器风险管控弱；②仪器在井下高温高压环境时间长，对仪器的温压性能要求高；③当出现卡钻、溢流等复杂情况时仪器无法预先捞出。因此，不推荐用于井壁不稳条件下放射性项目等风险测井。

2.5 过钻杆/头测井工艺技术

过钻杆/头测井是利用钻杆先携带保护仓和专用钻头到井底并上提预留安全距离，然后电缆连接改进后具备电池供电和存储功能的小直径仪器通过钻杆水眼，依靠仪器自重和水力泵送仪器到钻具底部，泵出钻杆，落座并悬挂在内卡处，通过专用工具释放电缆连接装置，起出电缆后进行起钻测井（见图4）。该技术具有代表性的仪器是斯伦贝谢公司的ThruBit系列。

图4 过钻杆/头测井工艺流程图

过钻杆/头测井工艺通过钻头通井划眼完成井眼修复，实现通井测井一趟钻，缩短了完井时间；下钻过程中无仪器限制，出现卡钻、溢流等复杂情况可以安全高效处置；仪器下井和泵出过程中电缆直读实时监控，确保测井前仪器完好、安全可控；发生卡钻、钻机故障等可再次下入电缆捞出仪器，为钻井处置提供便利。该工艺的缺点是对钻具水眼要求高，需要钻具水眼畅通，最小通径应大于仪器串刚性外径6 mm，且仪器刚性外径需统一。

2.6 过钻具测井工艺技术

过钻具测井是将钻杆保护套、过钻杆/头等测井工艺技术一体化融合，通过工器具的标准化、模块化设计配套，按照一井一工艺的施工原则优选相适应的工器具及工艺流程来满足不同条件系列化的测井作业。该技术具有代表性的仪器是中国石油集团测井有限公司的FITS多模式过钻具成像测井系列。过钻具测井工艺技术是继电缆测井、随钻测井之后的第3种测井技术，兼顾电缆测井的精度时效与随钻测井的复杂井况应对能力。其优势是一套工具具备多种模式施工工艺能力，适应不同井型、井况、井眼和钻具条件下的裸眼井测井资料采集需求，为复杂井测井提供取全取准资料的可靠解决方案。同时，该工艺能够通过过钻杆水眼打捞回收仪器或保护套内仪器回收再悬挂，能够适度下压或旋转钻具，有利于测井过程中钻井卡钻等复杂情况的处理。

2.7 随钻测井工艺技术

随钻测井是将仪器安装在钻铤上，在钻井的同时测量地层岩石物理参数，并将测量结果实时传送到地面或部分存储在井下存储器中。该技术要求测井仪器应能够安装在空间较小的钻铤内，并能够承受高温高压和钻井震动；安装仪器的专用钻铤应具有实际钻井所用钻铤同样的强度，还应具有用于足够深井测井的功率和使用时间的电源。受传输数据量和传输速率的限制，现场只将部分必须用于钻井决策和地层评价的数据进行实时传输，将另一部分数据存储在井下存储器中。随钻测井技术具有良好的应用价值，可提升石油勘探开发的效率。与电缆测井不同，该技术可适用于较为复杂的油气藏测井。但是如何提高有效数据传输率、传感器可靠性和作业安全性是随钻测井需要重点解决的问题[8-9]。

3 测井工艺技术发展规律和展望

油气等资源的勘探开发对象转向深层、超深层和极深层，方式转向大斜度井、水平井、超长水平井及大平台井丛，井眼尺寸转向小井眼及超小井眼，测量环境转向高温高压、超高温高压和极高温高压。为持续满足油田勘探开发的测井需求，“双模式、数字化、低功耗、高性能”的测井仪器将陆续研制配套，与勘探开发相关的各种新型测井工艺被运用，安全性更好、可靠性更高、适应性更强的高性能电缆和过钻具、钻具直推、连续油管输送等工艺技术持续升级配套。根据油气藏类型、井筒环境条件、现场配套资源，选择适合的测井方式、配套相应的工器具和优化施工流程，实现不同井型、不同井况下安全高效测井采集的测井工艺工具优选技术和测井工艺设计技术将成为近期攻关方向。

测井电缆系统转向高强度、高电气性能的平衡扭矩复合高性能电缆测井。斯伦贝谢公司推出了TuffLINE 30000高拉力井下电缆工具，电缆采用了聚合物锁紧的铠装层突破技术和行业领先的16 AWG（American Wire Gauge）导体作为缆芯线，可以在12 192 m甚至更深的井中上提重量为80 ～130 kN的工具并进行测井采集。极深井（超万米）的电缆测井将通过强动力绞车系统与分车装载运输电缆和井口快速鱼雷电缆连接技术的创新配套来实现。这也是中国电缆测井工艺技术发展攻关的重点方向。

测井仪器系统转向电缆直读、井下存储双模式的模块化、一体化和系列化成套系统测井作业，存储测井技术的发展极大地促进了测井仪器低功耗和微幅度信号的采集能力，促使测井仪器和工艺转向2个方向：①以统一刚性外径的超小直径（Ф55 mm甚至更小）测井仪器为核心的过钻具测井，测井仪器性能相当于常规仪器，满足和适应大斜度、水平井等复杂井测井需求；②以统一刚性外径（约Ф90 mm）的高强度测井仪器为核心的直推存储测井，超高温高压和强抗拉压扭性能优势显著，可以满足易喷易漏、深层超深层复杂井测井需要。该技术将逐步取代Ф76 mm左右的小井眼测井系列并与随钻测井融合，发展成为通井测井系列和工艺。

全球油气勘探开发领域的不断拓展，为工程技术信息化和智能化发展带来了机遇，智能化的远程测井和数据服务及智能绞车、智能马笼头、智能装卸源、智能打捞、智能维修等一系列配套测井工艺技术相继发展，发展智能化测井已是当务之急[10-11]。