■ 敏 銳

勘探開發(fā)

發(fā)展中的我國電磁隨鉆測量技術(shù)

■ 敏 銳

鉆井工程無疑是石油工業(yè)中采用先進(jìn)技術(shù)思想、實(shí)施新科技最活躍的領(lǐng)域，近年來，氣體鉆井技術(shù)更加有利于發(fā)現(xiàn)和保護(hù)油氣層，能大幅度地提高機(jī)械鉆速和鉆頭使用壽命，為復(fù)雜地層油氣勘探開發(fā)提供了新的工程技術(shù)手段。可喜的是這項(xiàng)技術(shù)在我國呈迅猛發(fā)展態(tài)勢，形成了空氣鉆井、霧化鉆井、泡沫鉆井、氮?dú)忏@井、天然氣鉆井、柴油機(jī)尾氣鉆井、充氣鉆井等配套裝備和工藝技術(shù)，具備了3500米井深的氣體鉆井能力。

氣體鉆井中的鉆井液可壓縮性強(qiáng)，不能產(chǎn)生有效的鉆井液脈沖，常規(guī)隨鉆測量技術(shù)（MWD）無法使用，因此斯倫貝謝、哈利博頓以及俄羅斯的一些石油公司相繼推出了一系列的電磁隨鉆測量系統(tǒng)(EM-MWD)，并在歐洲、加拿大、南美洲和俄羅斯等地區(qū)推廣應(yīng)用。在我國，中國石化經(jīng)過幾年的技術(shù)儲備和研究攻關(guān)，研制開發(fā)了具有獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)的EM-MWD系統(tǒng)樣機(jī)——CEM-1 (China Electromagnetic MWD)，填補(bǔ)了該項(xiàng)技術(shù)的國內(nèi)空白。工區(qū)現(xiàn)場試驗(yàn)表明：在相近的地層條件下，CEM-1的主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。

CEM-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

中國的石油鉆井工程界從2002年開始跟蹤國際電磁隨鉆測量技術(shù)，并于2003年初由中國石化所屬的科研部門完成了調(diào)研報(bào)告。2003年11月，完成了俄羅斯ЗТС-172M型EM-MWD系統(tǒng)在我國的現(xiàn)場試驗(yàn)。試驗(yàn)井的地層電阻率為2～4Ωm，其有效測量深度為1600米。2006年，中國石化正式啟動了“電磁隨鉆測量系統(tǒng)研制”項(xiàng)目的立項(xiàng)研究，經(jīng)過連續(xù)攻關(guān)，攻克了一系列技術(shù)難點(diǎn)和技術(shù)關(guān)鍵，首次現(xiàn)場試驗(yàn)即獲得圓滿成功。

由于電磁波可以穿透包括大多數(shù)導(dǎo)體在內(nèi)的若干介質(zhì)并在這些介質(zhì)中傳播，因此基于電磁信號傳輸方式的CEM-1可用于各種鉆井液。CEM-1的井下信號發(fā)射機(jī)將來自傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、調(diào)制、功率放大，由發(fā)射天線發(fā)出電磁信號；地面的信號接收機(jī)用信號接收天線來獲取電磁信號，同時(shí)用噪聲天線來接收電磁干擾；信號和噪聲分別經(jīng)低噪聲放大后，由DSP(數(shù)字信號處理)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即經(jīng)過數(shù)字濾波、自適應(yīng)消噪、解調(diào)、譯碼后，送入數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)、司鉆顯示器等終端設(shè)備。CEM-1的通信系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1所示。

CEM-1可分為4個(gè)子系統(tǒng)：①井下數(shù)據(jù)采集(由加速度計(jì)和磁通門等傳感器構(gòu)成)；②井下信號發(fā)射機(jī)；③地面信號接收機(jī)；④地面數(shù)據(jù)處理及輸出終端。與其它MWD系統(tǒng)相比，井下信號發(fā)射機(jī)和地面信號接收機(jī)是CEM-1的核心技術(shù)。CEM-1系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖2所示。

圖3 CEM-1井下儀器總成示意圖

現(xiàn)場試驗(yàn)成果顯著

井下的信號發(fā)射有磁激勵(lì)和電激勵(lì)兩種方式。由于磁偶極子的環(huán)形面積受到井筒橫向尺寸的限制，且電激勵(lì)比磁激勵(lì)效率高，所以CEM-1系統(tǒng)采用了軸向電激勵(lì)方式。井下發(fā)射天線由特殊設(shè)計(jì)的鉆鋌構(gòu)成，形成一種類似于雙極天線的非對稱激勵(lì)裝置。CEM-1系統(tǒng)的井下儀器總成如圖3所示。

除具有鉆井液脈沖MWD的功能和特點(diǎn)之外，CEM-1系統(tǒng)還有如下特點(diǎn)：

（1）不受鉆井液介質(zhì)的影響，可用于各種水基鉆井液、油基鉆井液、氣體及充氣鉆井液；

（2）不受鉆井液流量、流變性能以及含砂量、含氣量等方面的影響；

（3）無需循環(huán)鉆井液(如停泵接單根時(shí))，即可進(jìn)行隨鉆測量和數(shù)據(jù)傳輸；

（4）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，井下儀器總成無活動零部件，可靠性好；

（5）井下儀器總成無易損件，比鉆井液脈沖MWD的使用成本低。

通過研究井下電磁信號的傳輸特性、EM-MWD系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)樣機(jī)研制與測試、地面試驗(yàn)，中國石化石油勘探開發(fā)研究院于2007年3月初研制成功了電磁隨鉆測量系統(tǒng)樣機(jī)。又經(jīng)過多次的單元測試和系統(tǒng)集成測試，我國首臺電磁隨鉆測量系統(tǒng)樣機(jī)——CEM-1，于2007年3月19日至4月10日先后進(jìn)行了5口井的現(xiàn)場試驗(yàn)。2007年3月19日在中原油田的兩口井上進(jìn)行試驗(yàn)。第一口井是井深為300米的測井教學(xué)井，地面接收到的電磁信號很強(qiáng)、接收效果良好。第二口井是井深為3800米的測井標(biāo)定井——衛(wèi)古1井，套管下深接近3700米，分別在井深500米、800米、1000米等處進(jìn)行測試，EM-MWD系統(tǒng)測傳正常并能正確解碼，但是隨著井深的增加信號強(qiáng)度減弱。這兩口井都是使用測井電纜來下入井下儀器，驗(yàn)證了系統(tǒng)的功能性。

2007年4月8日，CEM-1系統(tǒng)樣機(jī)在吉林省前郭縣查干花鄉(xiāng)的腰英臺油田DB18-2-G1井上進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。該井設(shè)計(jì)井深2270米，表層套管下深200米，鉆井液密度1.2g/cm3，地層電阻率2～4Ωm。樣機(jī)連續(xù)工作20小時(shí)，起鉆后井下儀器完好無損。現(xiàn)場試驗(yàn)表明：在相近的地層和井筒條件下，采用相同的信號載波頻率和更低的井下發(fā)射功率，我國研制的CEM-1系統(tǒng)樣機(jī)其主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國外石油公司產(chǎn)品的先進(jìn)水平。

大有發(fā)展前景的技術(shù)

我國的油氣勘探與開發(fā)對象是大面積的低孔、低滲、低壓、低豐度油氣藏，其中低滲透儲層油氣資源、煤層氣資源、深層油氣資源、復(fù)雜油氣資源等約有500億噸油當(dāng)量。而且，隨著油氣勘探開發(fā)的不斷深入，鉆遇易漏失、高研磨性、極堅(jiān)硬的地層越來越多。氣體鉆井技術(shù)是解決上述鉆井技術(shù)難題、提高鉆井速度的有效技術(shù)手段。有些國家的氣體鉆井進(jìn)尺已占鉆井總進(jìn)尺的30%，而我國還不到1%，因此氣體鉆井的份額還有很大的增長空間和潛力。

無論是對于氣體鉆井的防斜打快還是定向井和水平井鉆井，都必須有效地監(jiān)測和控制井斜。由于EM-MWD系統(tǒng)基本上不受鉆井液介質(zhì)的影響，所以能夠解決氣體鉆井中的隨鉆測量問題，被世界各國普遍采用和推廣。

近年來，我國油氣勘探開發(fā)解放思想，淺層油氣資源開發(fā)呈現(xiàn)出快速發(fā)展的態(tài)勢，在新疆的塔里木盆地、克拉瑪依油田、東北的吉林油田以及渤海灣廣大的灘海地區(qū)都收到了良好的效果。由于EM-MWD的費(fèi)用遠(yuǎn)低于鉆井液脈沖MWD，所以在淺層油氣資源開發(fā)中用EM-MWD取代鉆井液脈沖MWD將會帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。

誠然，EM-MWD技術(shù)也有其自身的弱點(diǎn)。電磁信號在地層中傳播會受到地層特性的影響，特別是低電阻率地層信號衰減快，因此其有效測量深度會受到一定的限制。

復(fù)雜地質(zhì)條件所帶來的鉆井技術(shù)難題以及氣體鉆井等特殊工藝技術(shù)的推廣應(yīng)用，為EM-MWD技術(shù)提供了有利的契機(jī)和發(fā)展空間。隨著EM-MWD技術(shù)的發(fā)展，其適應(yīng)性問題將會得到克服或改善，EM-MWD技術(shù)的諸多優(yōu)勢將會更加突顯，必將成為今后隨鉆測量領(lǐng)域中的一項(xiàng)重要技術(shù)。我國EM-MWD系統(tǒng)的商業(yè)化生產(chǎn)已為期不遠(yuǎn)，這將對石油勘探和開發(fā)產(chǎn)生重要影響，并帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。