国外随钻测井发展历程

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-测井一体化服务的整体上节省成本。在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，Dallas地球物理公司的J.C.Karaher用一段长4-5英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LWD电阻率曲线[1]，这是用电连接方式传输数据的第一条LWD曲线（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，LWD数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，LWD是难以实现的理想化技术。在20世纪60年代以前，LWD的发展几乎停滞不前，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MWD专利，J.C.Karcher等人研制了随钻电阻率测井系统；50年代，J.J.Arpj发明的泥浆遥测系统首次在技术上获得成功；60年代，在SNEA和RAYMOEND工程公司的共同努力及美国能源署的资助下，TELEO公司于1978年首次推出了具有商业用途的LWD仪器。这标志着LWD技术已经可行，是LWD技术开始加速发展的里程碑。80年代初期，吉尔哈特公司的LWD服务居领先水平，已在全世界测井几千口。当时的LWD测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LWD在准确性、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），LWD井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LWD探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Teleco商业化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Scope现代随钻测井技术大致可分为三代，如表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（LoggingforDrilling），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（LWD）和随钻测量（MWD）技术发展阶段代服务类型第1代（1988-1992）仪器解决的问题第2代（1993-1996）仪器解决的问题第3代（1997-目前）仪器解决的问题LWDCDN密度CDR定量电阻率各向异性快速直观地层评价AND四分密度超声井径INFORMISONIC地质导向ARC5相关对比RAB地质导向仪IMPulse钻头地震MACH-1VISION系列密度成像APWDVISION孔隙度评价仪INFORM3DARC312，ARC900创新点随钻地层评价井眼补偿电阻率双源距电阻率密度-中子电阻率方位读数电阻率成像方位电阻率钻头电阻率自动马达精度提高大范围井径非化学源实时成像可靠性增强MWDDWOBMELDTORSPINFERTSlim1M1-M3MVC智能报警RWOB井漏提示IWOB钻杆冲洗SHARP钻头牙轮锁定PowerPulseTR防撞动力监控VIPERPERFORMAIMSlimPulse地面系统FASTIDEAL最大传输速率（bps）36～1012～16通信传真InterACTInteractWebWitness主要应用相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INTEQ、哈里伯顿Sperry-Sun、Pathfinder、威得福等公司[2]（图2）。图2MWD/LWD公司的演化二、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，Geolink、GE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LWD探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4～10bps，远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10Hz，在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RAB及新一代仪器GVR。GVR使用56个方位数据点进行成像,图像分辨率比RAB有较大提高。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20kHz、250kHz、400kHz、500kHz，高频一般都使用2MHz。随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Inteq公司的APX既使用单极子也使用四极子声源，斯仑贝谢公司的SonicVision使用单极子声源，哈里伯顿Sperry公司的BAT是偶极子仪器。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5.0Ci-10Ci的AmBe源或脉冲中子发生器,探测器使用He-3闪烁计数器或Li-6玻璃闪烁体，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1.5Ci-2Ci的Cs-137源，探测器使用NaI晶体，大部分仪器使用脊肋图计算地层密度和Pe值。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PEF等测量。例如斯仑贝谢公司的随钻中子仪adnVision使用GVR的遥测技术,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SeismicVISION系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8000ft之内地层的信息，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LWD的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LWD四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LWD能节省钻机占用时间，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LWD方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：MWD＋伽马＋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；MWD