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(fā)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(yè)務得到發(fā)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(fā)下,定向鉆井正在為LWD的應用創(chuàng)造經(jīng)濟前提。服務公司對LWD發(fā)展和市場開拓的投資作出了積極響應。文章介紹了LWD發(fā)展歷程和取得的成就,重點介紹其商業(yè)核心技術。通過闡述需求與機會分析對其發(fā)展前景提出了挑戰(zhàn)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(yè)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(xiàn)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(fā)展,測井越來越難。

1978年,NL公司開始組織人力開發(fā)MWD/ LWD。NL公司沒有遙測系統(tǒng),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(qū)動的RAM存儲器效果很好。系統(tǒng)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(xiàn)了一種產(chǎn)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(tǒng)推出使用。商業(yè)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(xiàn)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(fā)團隊在得克薩斯的Sugar Land組成, 1985年,開發(fā)出補償雙電阻率 (CDR)。CDR是單間距,但有補償發(fā)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(shù)據(jù)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(cè)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(qū)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(qū)別是測速。與裸眼井測井相比,鉆井速度慢,而且不穩(wěn)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(shù)率較低。最近發(fā)布了一個有趣的專利,即在鉆鋌內(nèi)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(shù)率就會增加。

另一項改進隨鉆鋌旋轉(zhuǎn)變化的間隙的方法是在儀器內(nèi)放置一個加速計以確定儀器較低側(cè)面,這可對間隙進行一定的測量,從而有助于數(shù)據(jù)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(shù),它對高氫指數(shù)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(jié)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(wěn)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(wěn)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(wěn)定器不能總是與井壁保持接觸,需要間隙測量,以便調(diào)整脊肋圖。增加了超聲傳感器并放置在探測器旁邊的穩(wěn)定器上,超聲間隙測量過去和現(xiàn)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(shù)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(jié)構(gòu),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(zhì)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(shù)量增加引起的,這使電阻率解釋發(fā)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(xiàn)“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(fā)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(jié)果間的實際差別很小。

聲波測井已從P波孔隙度測量轉(zhuǎn)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(tǒng)。全波列數(shù)據(jù)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(lián)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(tǒng)中實現(xiàn),并持續(xù)改善。

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

地層測試器和隨鉆壓力是這一代要開發(fā)的內(nèi)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(shù)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(shù)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(jié)合LWD測量結(jié)果進行地質(zhì)導向,校正井眼設計和井眼軌跡。在增加數(shù)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?yōu)椤?009”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(fā)生器 (PNG)儀器誕生了,并有好的發(fā)展前景 (圖3)。

圖3 采用脈沖中子發(fā)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(fā)展。

油田服務公司也發(fā)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?yōu)锽aker-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(tǒng)一起來組成Inteq。1996年,BHI將 Western Atlas變?yōu)槠潆娎|測井企業(yè)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(fā)展。隨后在得克薩斯的Sugar Land組成了一個研發(fā)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(yè)務快速增長。首先快速增長的是定向MWD業(yè)務,滿足了經(jīng)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(jié)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(zhuǎn)導向儀器 (RST)提高了鉆井效率,LWD在井內(nèi)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(xiàn)在“非常規(guī)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(fā)展。

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

非常規(guī)泥巖層生產(chǎn)井也有類似情況發(fā)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(fā)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(chǎn)幫助很大。Bamett泥巖只是正在用水平井技術開發(fā)的 10個泥巖前景區(qū)中的一個。因為鉆井、LWD和壓裂,它成了美國最大的產(chǎn)氣田之一。估計Bamett產(chǎn)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(zhì)導向獲得最佳開采的井眼位置。隨著經(jīng)驗和知識的積累,這種特殊區(qū)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(jīng)濟不景氣,如今LWD有些暗淡,但是,技術和石油業(yè)務將繼續(xù)發(fā)展。

圖6概括了Schlumberger所做的有關業(yè)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(diào)查。

與鉆頭的測量距離將由一些傳感器來完成。實時數(shù)據(jù)傳輸速率成為鉆井的主要成分,在多數(shù)情況下,會受井下處理能力的影響。采用一致結(jié)果完成此事也存在太多的變數(shù)。對經(jīng)濟、高速遙測技術的需求仍在。遙測數(shù)率已有所增加,但程度有限。隨著地面得到數(shù)據(jù)的增加,地質(zhì)導向?qū)⒌玫斤@著加強。

圖6 用戶期望值

一般來講,開發(fā)鉆井數(shù)據(jù)充分,測井用于跟蹤儲層。然而,這些一次和二次的數(shù)據(jù)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(fā)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(fā)直接邊界測量裝置,即雷達。目前是根據(jù)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(fā)現(xiàn)介電常數(shù)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(zhì)不會改變,但對它的了解是不斷增強的。電子和數(shù)據(jù)處理能力也在不斷增強。

另一個機遇是協(xié)會和大學的參與。石油業(yè)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(xié)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(lián)系到一起。過去的許多夢想已經(jīng)實現(xiàn),LWD應用價值和高效性已經(jīng)顯現(xiàn)出來。新的夢想正在逐步成為現(xiàn)實并且不斷涌現(xiàn)。

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)