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国外随钻测井发展历程_图文

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国外 测井 发展 历程 图文
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国外随钻测井发展历程提高服务质量,降低服务成本是工程技术服务努力追求的目标,就此而言, 随钻测井相对于电缆测井具有多方面的优势。随钻测井资料是在泥浆滤液侵入地层之前或侵入很浅时测得的,更真实地反映原状地层的地质特征,可提高地层评价精度。随钻测井在钻井的同时完成测井作业,减少了井场钻机占用时间,从钻井某些大斜度井或特殊地质环境(如膨胀粘土或高压地层)钻井时,电缆测井困难或风险大以致不能进行作业时,随钻测井是唯一可用的测井技术。因此,随钻测井既提高了地层评价测井数据的质量,又减少了钻井在用时间,降低成本。在过去的近 20 年里, 随钻测井技术快速发展, 目前已具备对应电缆测井的所有技术,包括比较完善的电、声、核测井系列,以及随钻核磁、随钻压力等等。同时, 全球随钻测井业务不断增长, 已成为油田工程技术服务的主体技术之一,其业务收入和工作量大幅增加。可以预期, 随着石油勘探开发向复杂储集层纵深发展, 随钻测井技术将更趋完善, 电缆测井市场份额将更多地被随钻测井所取代。一、 随钻测井发展历程随钻测井技术的发展可追溯到 1930 年前后,当时电缆测井技术开始出现和发展。20 世纪 30 年代早期,球物理公司的 一段长 4尺的绝缘线将钻头与钻柱绝缘,在每根钻杆内嵌入绝缘棒,用一根导线在绝缘棒中间穿过,通向地面,通过这根导线传输信号。用这种方法得到了令人鼓舞的结果,测量到连续的电阻率曲线。1938 年采集到第一条 ],这是用电连接方式传输数据的第一条 线(图 1) 。20 世纪 40 年代和 50 年代仅有的几个专利文献表明,许多发明家和研究组织继续致力于实时的、可靠的随钻测量系统的研究,遗憾的是,据传输技术的发展非常缓慢,技术上很难突破。在测井技术发展开始的 50 年时间里,在石油工业界许多人的眼里,难以实现的理想化技术。在 20 世纪 60 年代以前,发展几乎停滞不前,少有的几件值得一提的事件是[2,3,4,5],30年代美国注册第一个 利, 人研制了随钻电阻率测井系统;50 年代,明的泥浆遥测系统首次在技术上获得成功;60 年代,在 程公司的共同努力及美国能源署的资助下,司于1978 年首次推出了具有商业用途的 器。这标志着 术已经可行,是术开始加速发展的里程碑。80 年代初期,吉尔哈特公司的 务居领先水平,已在全世界测井几千口。当时的 量只能测电阻率和伽马射线,主要用于地层相关对比。80 年代初期,工业界对 准确性、可靠性和稳定性方面初步建立了标准,并不断进行改进。与此同时,先进的地层评价和井控技术也逐渐成熟。图 1、右图为第一条随钻测井曲线,左边为对应层段电缆测井曲线钻井工业的需要推动了随钻测井技术快速发展,反之,随钻测井技术的发展保证了复杂钻井获得成功。1980 年代中期,大科度井、水平井和小直径多分枝井钻井已成为油气开发的一种常规方法,在这样的井中,常规电缆测井仪器很难下到目标地层,通常借助于挠性管传送和钻杆传送,这些作业方法费用高,操作困难。过去 20 多年里,在油公司的需要下和钻井技术发展的推动下,各种随钻测井仪器相继研制成功(表 7) ,下探头组合的内容不断丰富,能进行电、声、核随钻测井的探头逐步增多,方向测量探头得到发展,综合利用头和方向探头测量信息的地质导向技术开始发展。表 7 随钻测井技术发展年份 里程碑技术1929 年 第一项随钻测量专利1930 年 电缆传输的随钻电阻率测井1969 年 第一代泥浆脉冲遥测系统1970 年 第二代泥浆脉冲遥测系统1978 年 泥浆遥测系统 业化1984 年 随钻电磁波电阻率测井1986 年 随钻中子孔隙度测井1987 年 随钻密度测井1993 年 电阻率、密度、中子三组合随钻测井1994 年 硬地层随钻声波测井1995 年 随钻电阻率、密度成像测井1998 年 软地层随钻声波测井2001 年 随钻核磁共振成像测井仪2003 年 随钻地层压力测试器2005 年 新一代随钻测井系统 表 8。80 年代后期以前属于第一代,提供基本的方位测量和地层评价测量,在水平井和大斜度井用作“保险”测井数据。但其主要应用是在井眼附近进行地层和构造相关对比,以及地层评价。随钻测井确保能采集到在确定产能和经济性、减少钻井风险时所需要的测井数据。90 年代初至 90 年代中期属于第二代,方位测量、井眼成像、自动导向马达及正演模拟软件相继推出,通过地质导向精确地确定井眼轨迹。司钻能用实时方位测量,并结合井眼成像、地层倾角和密度数据,发现目标位置。这些进展导致了多种类型的井,尤其是大斜度井、超长井和水平井的钻井取得很高的成功率。从 1990 年代中期到目前属于第三代,称为钻井测井(,提供界定地质环境、钻井过程、采集实时信息时所要求的数据。表 8 斯仑贝谢公司现代随钻测井(随钻测量(术发展阶段代服务类型第 1 代(1988器 解决的问题第 2 代(1993器 解决的问题第 3 代(1997器 解决的问题 密度 定量电阻率各向异性快速直观地层评价 四分密度超声井径 地质导向 相关对比 列 密度成像 钻地层评价井眼补偿电阻率双源距电阻率密度 智能报警 井漏提示 钻杆冲洗 钻头牙轮锁定 6~10 12~16通信 传真 关对比地层评价普查成功的储层地质导向地层评价钻井效率和风险管理实时决策导入最理想储层随钻测井技术发展中,公司的并购活动很活跃,并购是技术服务公司发展随钻测井技术和扩展随钻测井业务的重要战略之一。目前既进行随钻测井技术研发,也提供随钻测井服务的公司主要有斯仑贝谢、贝克休斯 里伯顿 得福等公司[2](图 2) 。图 2 司的演化二、随钻测井技术现状随钻测井是测井、钻井、机械、电子等专业知识和技术的综合应用。经过几十年的发展,尤其是近 20 年的快速发展,常规随钻测井地层评价技术已经较为成熟,并广泛用于油田现场服务。斯仑贝谢、贝克休斯、哈里伯顿、威得福等大的油田技术服务公司都已开发出成套随钻测井装备,E 能源等公司开发了随钻测量和随钻电阻率测井仪器。迄今为止,随钻测井能提供地层评价需要的所有测量,如比较完整的随钻电、声、核测井系列,随钻地层压力、随钻核磁共振测井以及随钻地震等等。有些 头的测量质量已经达到或超过同类电缆测井仪器的水平。随钻测井数据传输技术。多年来,数据传输是制约随钻测井技术发展的“瓶颈” 。泥浆脉冲遥测是当前随钻测量和随钻测井系统普遍使用的一种数据传输方式。泥浆脉冲遥测技术数据传输速率较低,为 4~10低于电缆测井的传输速率,这种方法不适合欠平衡水平井钻井。电磁波传输数据的方法也用于现场测井,但仅能在较浅的井使用才有效。哈里伯顿公司的电磁波传输使用的频率为 10无中继器的情况下传输距离约 10000 英尺。此外,声波传输和光纤传输方法还处于研究和实验阶段。随钻电阻率测井。与电缆测井技术一样,随钻电阻率测井技术也分为两类:侧向类和感应类。侧向类适合于在导电泥浆、高阻地层和高阻侵入的环境使用,目前的侧向类随钻电阻率测井仪器能商业化的只有斯仑贝谢公司的钻头电阻率仪 新一代仪器 用 56 个方位数据点进行成像,图像分辨率比较大提高。感应类在导电性地层测量效果好,适合于导电或非导电泥浆。新型随钻电磁波电阻率的仪器结构相似,使用多个发射器和多个接收器,测量两个接收器之间的相移和衰减;工作频率相近,只能使用有限的几种频率,才能消除钻铤等背景影响而测量到地层信号,如低频20500000频一般都使用 2钻声波测井 现场服役的随钻声波测井仪器使用的声源有单极子、偶极子和四极子,如贝克休斯 司的 使用单极子也使用四极子声源,斯仑贝谢公司的 用单极子声源,哈里伯顿 司的 偶极子仪器。这些仪器可测量软/硬地层纵/横波速度和幅度,测量数据一般保存在井下存储器内,起钻后回放使用。随钻声波测井数据可用于岩性识别、孔隙度计算、岩石力学参数计算、井眼稳定性预测、泥浆比重优化、下套管位置选择等(见第五节) 。随钻核测井。随钻中子测井仪器使用 或脉冲中子发生器,探测器使用 烁计数器或 璃闪烁体,通过远/近探测器计数率比值计算孔隙度。随钻密度仪器使用 ,探测器使用体,大部分仪器使用脊肋图计算地层密度和 。目前的随钻核测井一般具有方向性,如方位伽马、方位密度等。由于数据是在仪器旋转的过程中采集的,方位的加入,使得这些测量可用成像图的形式显示出来,形象直观。可进行成像测井的有伽马、密度、中子和 测量。例如斯仑贝谢公司的随钻中子仪 用 遥测技术,仅在编码算法上作了较小修改,尽管只使用 16 个方位数据点进行成像,分辨率有所下降,仍可用于地质导向和构造分析。随钻地震。目前仅斯仑贝谢公司提供随钻地震服务,其 统在钻井的过程中提供时间、深度、速度信息,帮助优化钻井决策、减少成本、降低事故风险。该系统独特的“前视”能力提供钻头前面 8000内地层的信息,数据的质量足以对钻头前面和侧面的地层进行成像。系统的应用包括:预测孔隙压力、预测目的层或灾害层深度、帮助选择最佳的下套管和取心深度、优化泥浆比重、识别盐层、使井眼轨迹保持最佳。随钻测井资料应用。随钻测井资料主要用于优化钻井作业和地层评价。在钻井过程中,随钻测井数据可以用于:早期探测高压层,将井眼精确地导向目标地层,确定压力梯度及流体界面,实时调整泥浆比重以便有效地增加机械钻速,优化下套管位置,更加安全地钻入高压层段。随钻测井资料的应用,使得钻井作业更加快速、安全和有效,减少了钻井时间和成本。随钻测井是在钻井泥浆未侵入或侵入地层浅的情况下进行的,测量资料更接近原始地层。用这些资料进行油水层划分和地层评价,精度高,效果好。在深井、大斜度井、钻机日费用高、钻速高(松软地层)的情況下,使用 地层评价总成本低于使用电缆测井的地层评价总成本。三、随钻测井业务现状据统计,每口井获得 组合测井资料所需费用约为电缆测井的 2 倍。但国外油公司在海上作业时一般选用随钻测井,主要原因是 节省钻机占用时间,减少因卡钻导致的井下工具丢失的风险,有利于实时决策。在许多地区,尤其是在钻井成本适中、井眼斜度低、井况好的情况下,电缆测井仍然是要优先考虑的。从服务公司的角度看,服务公司在 面投入的资金比电缆测井高 3~5 倍,根据不同的设计井眼尺寸要准备相应规格的随钻测井仪器,但是,油公司的需要仍然是随钻测井业务蓬勃发展的主要动力。在国际测井市场,随钻测井正取代电缆测井,成为测井服务市场的主体技术。在探井测井中,除了测常规的随钻三组合或四组合项目外,还要根据需要加测随钻核磁、成像、压力测试等项目,摸清地层岩石物理性质。在开发井随钻测井中,根据用户的需要,一般使用两种组合测井:马+电阻率,探测油气层和提供地质导向服务,结合邻近地层孔隙度资料还可用于地层评价; 马+电阻率+密度+中子(有时还测声波) ,提供地质导向和基本地层评价服务。目前国际市场上能提供 务的公司有十多家,如斯仑贝谢、哈里伯顿 克休斯 得福、( 器租赁公司.)、公司,大部分的公司总部在美国休斯敦。从装备上看[16],以斯仑贝谢的 列、统,哈里伯顿的统和贝克休斯的 统等成套随钻测井装备为主,这些仪器均能提供中子孔隙度、岩性密度、多个探测深度的电阻率、伽马,以及钻井方位、井斜和工具面等参数,基本能满足地层评价和钻井工程的需要。其它公司也能提供随钻测量和电阻率测量,还不具备成套随钻测井的能力。表 3 为大的石油技术服务公司主要随钻测井装备。从工作量上看,在北海、墨西哥湾等海上钻井,几乎 100%使用随钻测井。在陆上油田,随着水平井和大斜度井钻井工作量增加,随钻测井正在占据更多的市场份额,而电缆测井市场份额相对减少。2004 年 司所钻的井 45%的斜度超过 45°,36%的井倾角大于 70°,这些井钻井时都需要使用随钻测井。目前贝克休斯在中国的测井服务,随钻测井占工作量 70%,电缆测井工作量仅占 30%,仅两年前情况正好相反。 从服务收入上看,20 世纪 80 年代末,国外 术逐渐成熟,其应用和市场份额高速增长。1987 年全球 场为 美元,1991 年为 均年增长率为 30%。2002 年,的服务费用达到了 12 亿美元(图 2) ,接近裸眼井电缆测井服务费用(19 亿美元) 。近两年 入直逼电缆测井。图 2 2002 年全球随钻测井(包括定向测量)收入表 9、大的石油技术服务公司主要随钻测井装备四、随钻测井技术发展趋势随着石油工业向海上转移,同时作为陆上油田提高采收率的一种有效方式,大斜度井,水平井等复杂井钻井将更加普遍. 英国石油勘探协会统计预测[19],未来 5 年采集的随钻测量/测井数据量比过去 50 年 据总量还多(图4) 。实时传输、处理和解释这些巨量的随钻测井数据是一个大的技术挑战。为了提高钻井作业效率,钻这些井一般使用旋转导向系统(提高机械钻速(,这些系统都在底部钻具组合中安装了先进的 量设备。解决钻速高对 量结果的影响也是一个难题。从长远看,随钻测井将取代电缆测井,电缆测井将淡出测井历史舞台。目前,在大的服务公司,电缆测井已被认为是“落后技术” ,而着力发展随钻测井技术。图 4、随钻测井数据量增长预测新一代随钻测井技术正在快速发展之中,当前的随钻测井技术仍有许多需要改进和完善的方面。1) 功能齐全的地面数据采集、处理和控制系统这是随钻地质导向和地层评价系统的控制中心,系统的功能综合化和数据管理的网络化是地面数据采集、处理和控制系统的发展趋势。功能的综合化主要体现在钻井、录井和测井作业功能方面系统集成,主要是: 钻井安全与优化管理 地层化学和气体分析 井中孔隙压力变化监测 早期井涌监测 钻井智能导向控制软件 井眼轨迹监测 各向异性测井解释评价 随钻测井(合地层评价数据管理的网络化,主要是以井场采集的数据为中心,以网络为数据的载体,通过数据库信息化管理软件平台,实现井场作业人员与远程咨询专家及决策人员的互动,为用户提供快速、精确的高质量的服务。2) 数据遥测技术泥浆脉冲遥测是一种使用当前现场普遍使用的数据传输方法,但传输速率低。预计通过提高信噪比和优化调制解调,新一代的泥浆脉冲遥测系统的传输速率可望提高到 50磁波传输技术还没有达到实用的程度,重点要解决的问题包括电磁波信号的指数衰减、大地电磁波的影响、钻井中的振电效应影响以及供电问题。声波传输技术可通过增强发射声信号强度、增大钻杆声传播效率(如使用转发器) 、使用特殊结构的钻头和地面设备等方法增加声传输距离。3) 各种类型的组合测井平台国外随钻测量(井斜、方位和工具面等的测量) 、随钻电阻率(主要是使用线圈测量,仅斯仑贝谢公司开发了能现场使用的聚焦型随钻电阻率测井仪器) 、随钻密度、随钻中子、随钻声波等仪器工艺技术基本能满足现场需要。目前的问题是,通过改进机械工艺,根据钻井工程(钻铤尺寸、井眼介质)和地层评价的需要,开发满足不同条件和需求的多种组合、各种规格的随钻组合测井仪器。4) 新型随钻测井仪器对现有随钻测井仪器进行改进和完善,达到: 远探测,探测到离井眼更远岩层特征和流体截面; 模块化设计,易于与其它传感器短接组合,实现组合测井; 强的方位分辨能力,为准确的资料解释提供基础; 更加丰富的成像测井能力,用于构造倾角分析、地质导向、深度和地层力学参数确定。5) 器可靠性增强通过先进的电子技术、测试工艺和机械设计,增强仪器的测量稳定性和使用可靠性。一种方法是通过实时监测振动和冲击,改变钻井参数和 成,减少这些力的大小从而延长钻头寿命,避免损坏承装有 器的 外一个方法是近钻头设计,减少 箍的数量,从而减少弱点的数量。设计中通过传感器集成来减少仪器长度,使多种传感器集中在一个钻铤内。6) 器放射性源的回收和非化学源的使用镅铍(仍然是目前 器使用的唯一中子源。由于钻井时,钻头穿透速度(高,测量的统计精度和有关的测量速度影响到核测井资料的应用。此外,使用化学源还会产生人身健康、安全和环境等问题。因为井眼问题或不规则性如键槽,使用放射性源的测井仪器偶尔会被卡在井内。放射性源无法回收,被留在井内时,要求作业人员启动特殊的井塞和监测程序,使环境影响最小化。在 铤内使用放射性测井源的还存在另一个更复杂的问题,即源的装入和取出比电缆测井更费时,操作时间更长。此外,一般还要有更多的人员来安装和卸下 器。有两种方法可减少或消除这些风险,一种是通过设计,对源进行回收;另一种方法是使用非化学源。7) 水平井测井解释评价技术目前的水平井测井解释方法或技术还很不成熟。在水平井测井时,仪器与岩层平行而不是垂直,而在垂直井中情况正好相反。对于大斜度井和水平井测井解释和地层评价,现在使用的方法和模型主要是针对垂直井的情况而研究的,不完全适用水平井测井解释,尤其是大斜度井和水平井中地层各向异性普遍存在,常规测井解释评价方法没有考虑地层各向异性,解释评价结果往往存在较大偏差。随钻测井中边旋转边测量,成像信息种类较电缆测井更多,成像资料对井眼几何形状的解释很直观,如何正确地使用这些资料是一大挑战。水平井深度的精准测量一直是一个没有解决好的问题。专门研究水平井测井解释方法和模型,针对各向异性、侵入、薄层、倾斜层等复杂情况,开发新的快速反演技术,发展配套的随钻测井解释评价软件,满足油公司对随钻测井定量解释和评价日益增大的需求。
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