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地质导向仪器及工艺的发展

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地质 导向 仪器 工艺 发展
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二、地质导向仪器及工艺的发展1、声波随钻测井仪声波测井测量的是由发射极发射的到达不同距离的两个(或多个)接收极的沿井壁的滑行纵波的时间差,根据该时间差,可以用来确定地层性质、岩层机械物理性质、地层界面、地层孔隙度、地层密度、地层渗透率、地层流体性质及饱和状态、地层中存在的裂缝等多种地层物性参数,能对地层进行全方位的地质评价。和其它随钻地质评价仪器相比,随钻声波测量仪器具有普通地质导向仪器所不具有的显著特点,主要包括:1、 用声波测井仪器测量地层的孔隙度、密度,不需要安装放射源,可减少施工的投入和对环境的污染。2、 利用声波反射成像技术,可以实时得到高质量的随钻地震图像,对于了解井眼附近的裂缝分布及对地层储层的储量进行评价。3、 岩层的机械物理性质可用于实时指导优化钻井参数,对于提高钻井速度、回避钻井施工风险具有重要意义。4、 单套仪器就能得到其它随钻地质仪器共同施工所得到的组合地质参数,光钻铤结构简化了井下钻具结构,避免了其它仪器所采用的稳定器结构对施工带来的风险。目前,虽然有很多随钻声波测井仪器已经获得了商业性的应用,但是仍然具有一定的局限性,主要表现在以下几方面:1、 产品尺寸单一虽然随钻声波测量仪器已经在现场获得成功的应用,但是受制造工艺的限制,出现的声波测量仪器的外径尺寸都在 6”以上,对于能用于小井眼、超小井眼施工的仪器,目前至少还没有投入使用。2、 抗恶劣施工环境的能力有待于进一步提高随钻声波测量仪器都采用合成陶瓷作为声波的发射接收系统。合成陶瓷虽然硬度很大,但是其强度有限,在现场施工环境恶劣的情况下,容易断裂,从而导致施工失败。3、 实时数据传输速度限制了其功能的进一步发挥目前无线测量系统数据传输速度大都在每秒钟 1 位数据左右,采用负脉冲组合编码技术可获得每秒 5 位数据的速度,即使 用连续波方式传递信号,现场常用的也只有每秒 6 位。这样的数据传输速度,对于需要大量数据以获得高精度的声波测量系统而言还是显得太慢。现在,世界上有多家公司正倾全力致力于随钻声波测量仪器的改进、研究、开发工作。成熟后的随钻声波测井仪器,可因取消随钻中子孔隙度测量仪和随钻岩层密度测量仪而取消放射性作业,利用声波测井分辩地层而取消自然伽玛测井作业,同时进一步简化井下钻具结构,提高施工安全和施工效果,应用前景非常广阔。2、电磁波地质导向仪器随着油气田的勘探开发, 、有效地保护油气资源,提高油井产量,提高陆地、滩海以及海上钻井的速度和效益,需要进行欠平衡钻井的井数越来越多,欠平衡钻井技术的应用越来越广泛。为了有效地开发低压易漏失油层、有效地保护油气层,提高油井产量和钻井施工效益,欠平衡钻井技术的应用越来越广泛。而在欠平衡钻井过程中,井眼轨迹的控制无法使用常规的有线和无线随钻测量仪器,井下的测量数据必须通过电磁波方式传输。同时为了在欠平衡井眼中监测地层岩性和孔隙压力的变化,也必须采用电磁波方式传输自然伽玛、地层孔隙压力等参数,所以电磁无线随钻测量仪器是实现欠平衡钻井和有效进行井眼轨迹控制的必不可少的井下仪器。电磁波无线随钻测量仪器包含了常规无线随钻测量仪器的功能、但又不局限于常规无线随钻测量仪器的功能,它包含如下两个基本点显著特点:①、电磁无线随钻测量仪器使用电磁波将井下数据传送到地面,有效地解决了在欠平衡条件下钻井或测井数据的传输问题,而且数据的传送速度比常规泥浆脉冲 线随钻测量仪器快。②、可以和地质测量仪器组合使用,形成电磁波随钻地质导向系统。电磁无线随钻测量仪器主要作用为:①、可用于普通、泡沫、空气钻井施工,使欠平衡钻井、水平井及其它特殊工艺井钻井技术得到了进一步完善与提高通②、可以用于开发低压易漏失油藏及其他类型的低压油藏,有效地保护油气层,提高采收率和单井产量;③、由于随钻随测,可以实时监测井眼轨迹和分析地层变化,地质导向功能能有效地控制井眼轨迹在油层最佳位置中钻进,特别适用于不同类型水平井和特殊工艺井的施工。④、可以及时分析和监控钻进过程中地层压力的变化,使钻井工程师和油藏工程师及时了解油层物性和动态情况,及时调整泥浆类型和性能以减少钻井液等因素对储层的影响。同时可以获得无污染的油藏特性数据,为准确分析油层物性和产能、高效开发油藏提供依据。⑤、适用范围更广,可以替代普通无线随钻测量仪器,在普通定向井、水平井中使用,可以作为欠平衡钻井的配套仪器实现欠平衡条件下的钻井,还可用于极浅层钻井、穿越河道等工程施工。⑥、提高钻井施工效率,避免钻井施工风险和油藏开发风险。由于电磁波无线随钻测量仪器属新技术产品,目前在国际上还只有美国的 学钻井(司以及法国的地质录井(公司。以上三个公司仪器的性能能在不同程度上满足各种钻井施工的需要,但是都存在以下不足:①、施工深度受到限制电磁波传输媒介对电磁波的传输影响很大。对于电导率高的媒体,电磁波衰减幅度大,使其传输距离受到了很大限制,如果在施工井段上部存在盐水地层,则信号很难传至地面。同时,由于井下仪器靠自备电池供电,不可能具备强大的发射功率,电磁波因受其发射功率的限制也难以实现远距离传输。目前,在施工条件良好的地区,电磁波无线随钻测量仪器测量深度一般在垂深3500~4000 米之间。②、地质评价参数不全面到目前为止,用于施工的电磁波无线随钻测量仪器在进行地质导向时,都只能进行地层自然伽玛的测量,还没有完全实现对地层的综合实时评价。目前人们正在寻找能克服以上不足的科学方法,相信随着欠平衡钻井技术、挠性油管钻井技术的发展,只要电磁波的远距离传输问题得到解决,能进行全面地质评价的电磁波地质导向仪器一定会得到广泛应用。3、超小型地质导向仪器超小井眼钻井技术、连续油管钻井技术能大幅度提高井眼的钻井速度、降低油气开发费用,发展势头十分强劲。但是目前超小井眼测井技术还局限在电缆测井,技术还不十分成熟,普遍存在电缆下放困难、测量时间长等缺陷,制约了超小井眼钻井技术的发展。地质导向仪器超小化是钻井技术全面发展的必然趋势。4、旋转动态测量仪器在目前的钻井施工中使用的测量仪器大部分都是由三轴重力加速度计和三轴磁力计组成的测量系统,为了保证测量数据的可靠性,测量时必须保持仪器处于静止状态。由于必须静止测量才能得到准确的结果,其结果是因测量占用了大量的钻机时间而难以提高施工效益,同时钻具静止其间,容易形成粘卡,造成井下事故。目前世界上唯一采用旋转动态测量技术进行钻井施工的公司是 司的 线随钻测量系统。该系统的测量部分也是采用传统的三轴重力加速度计和三轴磁力计结构,但是由于该系统采用了与众不同的计算方法,因此能实现旋转动态测量。线随钻测量系统处于动态测量时主要测量的数据是与井眼平行的重力加速度分量(计为 磁场强度分量(计为 ,因为这两个参数即使在钻具旋转时也是保持不变的。计算时,还要考虑先前在该井静态测量时所获取的总重力加速度值(计为G)总磁场强度(计为 H) ,以及 G 和 H 之间的夹角(计为 α) ,因为这三个值在同一地区总是保持不变的,仪器处于静态的情况下获取的这三个参数完全可以用于定向参数的计算。最后,计算机根据以上 5 个参数,就可计算出井斜、方位和磁倾角。上述旋转动态测量技术在施工过程中获得了成功的应用,动态测量结果和静态测量能很好的吻合,下图 所示的就是旋转动态测量和静态测量时井斜结果对比情况。图、续动态测量和静态测量井斜结果对比图实践表明:进行旋转动态测量时,必须避免两种情况,否则将导致测量结果严重失真:一是要保持钻具旋转稳定,避免井下钻具涡动、上下震动,尽量避免在恶劣施工环境下采用动态测量方式。二是在直井、设计方位在正东/正西方向或与磁力线几乎平行的情况下,测量结果的精度都会极大的降低,因此尽量避免在符合上述情况的条件下采用旋转动态测量方式。采用三轴重力加速度计和三轴磁力计测量系统进行旋转动态测量,对重力加速度计和磁力计的质量和精度提出了更高的要求,但是由于这两种传感器(特别是重力加速度计)井斜:°井深:m:连续动态测量:静态对比测量制造难度大,目前的加工工艺很难达到完全符合旋转测量的要求,这也是旋转动态测量技术发展受到限制的原因。此外,为了实现旋转动态测量技术,目前有很多公司正致力于陀螺随钻测量仪器的研究开发工作,其难点在于陀螺的抗震性一直难以达到要求。如果能生产出高度抗震的陀螺,旋转动态测量仪器的广泛推广也就势在必行了。旋转动态测量仪器可以在钻具处于运动状态的情况下得到高精度的测量数据,可取消专门用来测斜的时间,增加了施工的安全,提高了施工效益,它取代目前广泛使用的静态测量仪器是钻井技术不断发展的必然趋势。 5、近钻头随钻测井仪为了更准确的控制轨迹的走向,提高油气层特别是超薄油气层的穿透率,普通的地质导向仪器因为测量点滞后钻头太长,已经不能完全满足需要。近钻头随钻测井仪有效解决了测量点滞后钻头太长的问题,在地层暴露后更短的时间内地面就可了解井底地质情况,是真正实现地质导向的重要仪器。目前已经出现了性能单一的近钻头随钻测井仪,能进行全面地质评价的近钻头测井仪才是地质导向的终极目的。 6、随钻测井最终取代电缆测井电缆测井技术作为现代钻井工业的重要组成部分,为钻井工业的完善、发展和进步作出了不可磨灭的贡献。但是,随着钻井工业水平的不断进步和人们对随钻地质评价技术的迫切需求,电缆测井由于其自身的局限性,面临着无线随钻测井技术(随钻地质评价技术)的巨大挑战。1、电缆测井工艺及测井方法目前电缆测井施工按其施工方法来分主要有四种,既常规重力法测井施工、管具输送法测井、保护套法测井、和牵引法测井。(1) 、常规重力法测井常规重力法测井是指在一般垂直井和井斜角较小的斜井中测井时,用绞车通过电缆把测井仪器下放到井底,然后上提测井。随着井斜角的逐渐增大,一般在井斜角大于 65°的大斜度井或水平井中,由于测井仪器受到的摩阻增加,测井仪器无法克服受到的巨大摩阻而继续向前(下)前进,这时必须借助外力将井下仪器推至井底,完成测井。(2) 、管具输送法测井管具输送法测井主要是利用下井管具(包括挠性油管、钻杆、油管等)将测井仪器输送到一定的位置后再进行测井的方法。这种方法常和电缆湿接头施工工艺联合使用,主要包括挠性管输送法、钻具(油管)输送法。挠性油管输送法是将下井仪接在挠性油管下端,由液压泵来驱动挠性管滚筒,挠性油管作用在下井仪上向前的推力使下井仪向前移动,到达目的层位。通过起下挠性油管进行连续测量。该方法在美国等西方国家使用较多,目前国内油田使用较少。钻具(油管)输送法钻具输送法是通过钻井队或作业队利用钻具把下井仪送到目的层的方法。其中,一种方法是在钻具下联接湿接头公头同时再联接下井仪,通过下放钻具把下井仪送到测量井段的顶部,然后把通过旁通接头的湿接头母头在钻具内用测井电缆送到湿接头公头附近。在井口加压,使公、母接头在井下完成机电对接。另一种方法是在钻具(油管)下端先接保护套,通过下放钻具把保护套送到测量井段的顶部,通过旁通接头把下井仪用电缆下放到保护套内。保护套法要求电缆下放速度适宜,确保仪器冲入套内锁定装置,并保证测井电缆与钻具或油管同步起下。电缆湿接头测井工艺是现代测井工业最重要的一种测井施工工艺,它是将井下测井仪器装在下井管具的底部并将测井仪器通过管具下放到一定的深度,然后下入测井电缆,实现电缆与井下仪器井底对接后再进行测井的方法。湿接头法测井施工的工具主要由旁通接头、过渡短节、井下快速接头和泵下接头组成。另外,还包括一整套完备的辅助工具。旁通接头:为电缆进出钻杆提供通道,并在电缆与仪器连接成功后,将电缆固定好,实现钻具与绞车的同步运行。 过渡短节(也叫变径短节):用来将仪器连接到钻杆底部,其备用循环孔便于泥浆随时循环,内部配有扶正筒,为泵下接头扶正导向。井下快速接头:为湿接头公头部分。固定在过渡短节内腔下端,连接在仪器串顶部,由导向键、弹簧锁点装置和公插头总成组成。导向键能使泵下接头旋转到缺口位置;弹簧锁点装置能将泵下接头锁住,并可在一定拉力下拉脱;公插头总成用来完成电缆与仪器之间的机电连接。泵下接头:为湿接头母头部分。由顶部扶正器、加重杆、接头总成组成。顶部扶正器起扶正作用;加重杆增加泵下接头重力;接头总成由钢外套与母插头总成组成。电缆缆心靠绝缘套与母插头总成连接,母插头总成靠充满绝缘油的双层橡胶套与外界隔离,并按预定位置定位在钢外套内腔下端,以便与井下快速接头的公插头正确对接。泵下接头靠自重或泥浆柱压力快速下放,经过渡短节内扶正筒扶正,到达井下快速接头顶部,泵下接头底部斜面首先与导向键接触,产生一旋转力矩,促使泵下接头转至缺口位置,完成湿接头公头与母头的机械和电气连接。辅助工具:包括井下张力、旋转短节、偏心短节、防灌短节、调整短节、柔性短节和井台显示器等。(3) 、保护套法测井保护套测井是将井下测井仪器放置在仪器保护套内进行测井的一种方法。该方法主要由井下仪器保护套(又称篮筐)和旁通接头两部分组成。它要求下井管具(一般用钻杆)的内径必须大于井下测井仪器的外径。施工时,首先把井下仪器保护套(篮筐)接到下井管具的底部,靠下井管具把它送到测量井段的顶部或底部,然后在下井管具的顶端接上旁通接头,电缆通过旁通接头侧孔进入并连接到仪器上,再把井下仪器串放入下井管具内。当仪器串进入井下仪器保护套、导向器和定位销使各种仪器定位和锁定之后,就可加接或起出管具进行下测或上测。(4) 、牵引法测井牵引法测井主要是利用井下电子井下牵引仪(也称爬行器)推动井下测井仪器向前行进从而进行测井的一种方法。采用这种方法,先将爬行器接在电缆下端,然后再接下井仪。正常下放到仪器遇阻位置后,通过电缆给爬行器供电,爬行器推动下井仪向前移动,到达目的层位,给爬行器断电,给下井仪供电。然后通过上提电缆进行测量。该方法目前在美国等西方国家使用较多,一次测井成功率在 90%以上。2、电缆测井施工的主要步骤采用的不同测井方法,施工步骤也不同。对于常规重力法测井而言,只要将仪器连接、在绞车控制测井仪器起或下的过程中就可完成测井施工,在此不再多述。对于其它的测井方法,施工步骤都基本相似,在此着重简单介绍采用湿接头施工工艺的管具输送法测井施工步骤。(1) 、连接下井仪器a、完成仪器串与井下快速接头联接,进行仪器测前刻度、张力标定;b、安装天地滑轮;c、将检查好的仪器串接于钻具底部。(2) 、下放仪器:a、钻井队按测井要求下放钻具,并严密注视井口张力;b、钻具下到预定位置时,安装旁通接头;c、测井电缆通过旁通接头将泵下接头送到钻具内;d、测井绞车下放电缆,完成湿接头对接;e、检查缆心绝缘,如正常说明湿接头对接成功;f、通电检查仪器,放松一定数量的电缆;g、将电缆夹用剪切螺栓固定在旁通接头固定槽内;h、井口操作手通知绞车操作手拉紧电缆,检查电缆夹与电缆间是否有相对滑动,若无滑动,就放松电缆;i、司钻下放仪器,保持匀速,发现遇阻立即停车,且遇阻值不要太大,到达井况不好和造斜率大的地方以及快到井底时,应放慢速度,保证仪器串安全通过或到达井底;j、需要下测时,钻具下放的同时可以供电测量。(3) 、上提测量:a、操作工程师将带推靠的仪器开腿,操作计算机进入上提测井状态;b、重新调整好绞车拉力,并通知井队将柴油机转速降至每分钟 850 转,开始上提测井;c、测至旁通接头还差一柱到井口时,将极板与推靠臂收拢起来,停止测井;d、将电缆放松,作测后刻度,然后断电;e、将旁通提出井口。卸掉电缆夹,依靠绞车动力将湿接头公母头拉开。起出电缆和泵下接头,卸掉旁通接头;f、回收下井仪器。3、电缆测井的局限性随着钻井工业的不断发展,电缆测井的局限性越来越明显,主要表现在:a、 不能实现实时地质评价,难以满足现场实时地质导向的需要现代钻井施工人们主要关注的不再是井眼轨迹的走向问题,而是轨迹在油藏储层内的多少的问题。由于井底情况复杂,油气的运移、油层实际垂深的变化、断层的出现等现象都使钻井施工充满了风险,如何精确的、尽量多的控制轨迹在油层中,采用过去那种先控制井眼轨迹的几何走向、再通过测井来获取轨迹在油层中的位置是行不通的。只有采用地质导向技术,才能根据实时地质参数准确判断轨迹是否在储层内、在储层内什么部位、距油水界面多远、与油层的相对位置如何等等,并依此调整轨迹,实现轨迹地质走向的精确控制。b、 地层受到泥浆的侵蚀后再测井,地层的某些地质特性难以体现出来地层在打开后,随着时间的推移,地层受到井眼环空流体的侵蚀越来越重,经过一段时间后再电缆测井,地层的某些特性难以被真正反应出来。随钻测井是在地层被打开后不久进行的,地层受到泥浆的侵蚀很小,因而其测量结果更加真实。c、测井施工工艺复杂,需要专门的时间和操作程序,占用了大量的钻机时间,难以体现施工效益电缆测井施工环节多,需要占用大量的钻机时间,从而增加了施工的费用。同时,电缆测井要求测井仪器的组合能力高,对井下仪器及所有水平井辅助工具的连续稳定性提出了更高的要求,任何一种仪器的失败都会导致重新测井,施工效益受到限制。此外,电缆测井是一种高风险的工作,稍有不慎就会造成施工返工或井下仪器串遭受损坏甚至落井,损失巨大,因而其对井眼的条件、井下仪器的稳定性及多方施工人员提出了严格要求。随钻测井再钻井施工的同时就完成了测井工作,数据不仅可以实时获取,而且仪器出井后能获得更详细的地质资料。即使中间发生测井失败的现象,也可在起、下钻的过程中进行补测,而不必占用专门的钻机时间来测井,是缩短钻井周期、提高施工效益的一种行之有效的好方法。d、 随着井身的不断延伸,电缆测井难以满足大位移、超长水平段水平井及超深井的测井施工统计资料表明,现代钻井工业发展的总的趋势是:井深不断加深,大位移定向井、超长水平段水平井每年逐步增加。随着井深的不断加深,电缆测井无论从施工工艺还是从设备的机械性能方面来说都暴露出了它的不足,高温、高压等恶劣的施工环境对电缆测井施工来说也是一大挑战。随钻测井不受井深的限制,只要钻具能达到,就能完成测井,是目前大位移定向井、超深井、超长水平段水平井施工的首选测井仪器。4、随钻地质评价技术的优势和电缆测井相比,随钻测井具备了诸多优势,主要表现在:a、在钻井施工的过程中就完成了测井任务,不占用任何钻机时间,提高了钻井施工的效益。b、种类日益齐全,实时方式能对井下地质情况进行全方位的实时评价,起钻后还可根据记录的数据对地质情况进行更进一步的分析。c、测量结果是在地层刚打开后不久测量到的,地层未受到流体的严重侵蚀,结果更精确。d、测量深度可随钻具的延伸而延伸,无测量深度限制。e、 提高施工效率,回避开发风险,提高钻井施工的安全。
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