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錄井裝備技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展探討

2018-03-28 19:03:48萬亞旗陳會年楊明清
石油鉆探技術(shù) 2018年2期
關(guān)鍵詞:錄井井場鉆井液

萬亞旗, 陳會年, 楊明清, 張 杰

(1.中石化勝利石油工程有限公司地質(zhì)錄井公司,山東東營 257064;2.中國石化集團石油工程技術(shù)研究院錄井裝備制造中心,山東東營 257064;3.中國石化石油工程技術(shù)研究院,北京 100101;4.中石化石油工程技術(shù)服務(wù)有限公司工程技術(shù)部,北京 100020)

近年來,國際油價長期低位運行,對油氣勘探開發(fā)的投資持續(xù)減少,國內(nèi)外錄井裝備的研發(fā)和應(yīng)用受到較大影響。在這種形勢下,國外油服公司大幅減少了研發(fā)投入,錄井裝備的發(fā)展速度明顯變慢。在國內(nèi),以國有企業(yè)為主要力量的錄井裝備研發(fā)制造企業(yè),正面臨著縮小與國外先進水平差距的機遇。為了充分把握這次機遇,縮小與國外先進水平的差距,筆者在分析了國內(nèi)外錄井裝備現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,指出了國內(nèi)錄井裝備存在的問題及與先進水平的差距,提出了錄井裝備下一步的發(fā)展方向,以期推動我國錄井裝備技術(shù)水平的提高。

1 國內(nèi)外錄井裝備現(xiàn)狀

1.1 國外錄井裝備現(xiàn)狀

國外從事常規(guī)錄井裝備研制與制造的知名公司主要有Schlumberger、Baker Hughes、Weatherford、Geolog等油服公司[1],這些公司自20世紀(jì)30年代起,不斷將最新的檢測技術(shù)和信息化技術(shù)應(yīng)用到錄井裝備中,先后研究了氣測錄井、工程錄井、綜合錄井、信息化錄井儀。在氣測錄井方面,先后研究出熱導(dǎo)檢測、氣相色譜分析、紅外及質(zhì)譜氣體檢測系統(tǒng);在工程錄井方面,針對鉆井異常監(jiān)控需求,研發(fā)應(yīng)用了測量鉆時、轉(zhuǎn)速、扭矩、鉆井液密度、鉆井液流量、鉆井液池體積、壓力和溫度等參數(shù)的測量系統(tǒng),并配套了數(shù)據(jù)采集處理軟件;信息化錄井技術(shù)始于20世紀(jì)70年代,用以實現(xiàn)井場信息實時傳輸和遠程共享,方便不同區(qū)域、不同角色人員“零距離”交互,實時掌握施工動態(tài),實現(xiàn)快速、科學(xué)決策。

當(dāng)前,國外常規(guī)錄井裝備有Schlumberger公司的geoNEXT、Advanced Logging System(ALS)系列綜合錄井儀,Geolog公司的GEOLOG綜合錄井儀[2]等。在數(shù)據(jù)采集方面,上述儀器采用總線技術(shù),數(shù)據(jù)采集模塊具有體積小、擴展方便、可帶電插拔的特點,最多能連接228個傳感器,是其他錄井儀2倍以上;在快速采集技術(shù)的支持下,國外錄井儀的數(shù)據(jù)采集頻率普遍達到50 Hz,最高可達100 Hz,是國內(nèi)錄井儀的4~5倍,能提供高質(zhì)量的原始數(shù)據(jù)。在常規(guī)氣體檢測領(lǐng)域,國外的錄井儀普遍配套了定量脫氣器,用以消除脫氣效率變化、鉆井液液面波動導(dǎo)致的氣測值誤差,檢測成分已由全烴或單一甲烷拓展到C1—C5烴組分、非烴組分氣體;Weatherford公司的GC-tracer錄井儀采用了半透膜脫氣技術(shù),直接從鉆井液中獲取氣體,實現(xiàn)了定量氣液分離;GEOLOG和geoNEXT綜合錄井儀可以同時記錄鉆井液入口和出口的氣測值,與工程參數(shù)結(jié)合進行回歸計算,能消除二次循環(huán)、鉆井液添加劑的影響,提高油氣識別能力。國外與錄井儀配套的錄井軟件系統(tǒng)不僅能以各類圖表實時顯示、存儲測量數(shù)據(jù),還能根據(jù)需要計算各類參數(shù),處理采集的數(shù)據(jù),如進行摩阻分析,計算地層壓力指數(shù)和水功率指數(shù),監(jiān)測停泵時鉆井液的回流、鉆井液池液面變化等;與geoNEXT綜合錄井儀配套的THEMA系統(tǒng)引入了機械比能(MSE),利用機械比能監(jiān)測鉆頭的磨損,并將實時采集的數(shù)據(jù)同理論模型計算的結(jié)果進行對比,分析工況。各錄井儀制造公司采用井場信息傳輸標(biāo)記語言標(biāo)準(zhǔn)(wellsite information transfer standard markup language,WITSML)傳輸采集到的數(shù)據(jù),這樣可以與鉆井、測井、定向井、固井等數(shù)據(jù)實現(xiàn)互通,并能通過互聯(lián)網(wǎng)在多種終端進行實時發(fā)布和共享。

深海平臺鉆井和超深井鉆井要求錄井裝備具有油氣實時評價、鉆井液流量精確檢測、井眼狀況實時監(jiān)控、隨鉆地層壓力預(yù)測等功能[3-4],為此,國外油服公司經(jīng)過長期研究和完善,研制出了大量的高端錄井裝備。油氣發(fā)現(xiàn)和解釋方面,Schlumberger公司研制了實時流體錄井檢測系統(tǒng)(fluid logging and analysis in real time,簡稱FLAIR),該系統(tǒng)通過檢測C1—C8等多種烴組分,實時評估地層流體特征[5-7]。鉆井工程監(jiān)測方面,Schlumberger公司研制了基于科里奧利流量計的井涌井漏監(jiān)測系統(tǒng)(fluid loss and gain detection service,簡稱FLAG)和基于巖屑稱重的井壁穩(wěn)定性分析系統(tǒng)(cleaning and wellbore risk reduction service,簡稱CLEAR);Geolog公司研發(fā)了井涌預(yù)警系統(tǒng)(KickAlarm)[8]、井壁分析系統(tǒng)(DrillClean)和鉆具振動分析系統(tǒng)(DrillVibe)[9-10]。

隨著井下隨鉆錄井概念的提出和不斷發(fā)展,國外油服公司逐漸加強了井下錄井裝備的研發(fā),Schlumberger公司研發(fā)了模塊化地層測試儀(modular formation dynamics tester,MDT),可以連續(xù)測量地層壓力和地層流體的特性;Halliburton公司研發(fā)了集成式井下油氣組分檢測儀器(integrated computation element,簡稱ICE),采用光學(xué)方法檢測儲層油氣含量[11-13],檢測速度快,現(xiàn)已進入商業(yè)化應(yīng)用階段。

1.2 國內(nèi)錄井裝備現(xiàn)狀

國內(nèi)常規(guī)錄井裝備研發(fā)制造起步較晚,自20世紀(jì)80年代起從國外引進應(yīng)用了TDC、ALS系列錄井儀、ADVANTAGE和DLS等綜合錄井儀,并通過科技攻關(guān)逐漸掌握了綜合錄井儀的核心技術(shù);20世紀(jì)90年代,國內(nèi)錄井企業(yè)與國外錄井儀制造公司合作研發(fā)了一系列綜合錄井儀,主要有“探索者”系列錄井儀、“德瑪”系列錄井儀和CMS錄井儀等,還研制了適合開發(fā)井的小型錄井儀,如PLS和MAS錄井儀等;進入21世紀(jì),國內(nèi)石油公司加大了錄井儀研發(fā)力度,研制了具有國際先進水平的錄井儀,采用的核心技術(shù)與國外相比沒有明顯差距:烴類氣體檢測系統(tǒng)能夠在30 s完成C1—C5烴組分分析,優(yōu)于國外同類產(chǎn)品的42~45 s;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大多采用CAN總線或RS-485總線,高端裝備還能夠兼容板卡、無線等其他采集模式,配套的無線傳感器具有功耗超低(最高連續(xù)工作180 d)、抗干擾能力強(最小傳輸距離120 m)、操作簡單等特點;正壓防爆儀器房大多通過了挪威船級社DNV認(rèn)證;錄井軟件采用開放式框架結(jié)構(gòu),具有完善的實時監(jiān)測和后臺資料處理能力;井場信息共享系統(tǒng)集成了井場數(shù)據(jù)管理、井場數(shù)據(jù)共享發(fā)布、井場數(shù)據(jù)遠程傳輸、井場視頻監(jiān)控等技術(shù),實現(xiàn)了井場數(shù)據(jù)的實時共享。

在高端錄井裝備領(lǐng)域,國內(nèi)各企業(yè)不斷加大攻關(guān)力度,研制了一批適合國內(nèi)勘探需求的特色裝備。在氣體檢測方面,研制了前置式氣體檢測裝置,該裝置可以直接在井口附近測量,大大縮短了氣路延遲時間,將油氣發(fā)現(xiàn)提前了120 s以上。國產(chǎn)高端氣相色譜儀最快能夠在60 s內(nèi)檢測到C6—C8等重?zé)N組分[14],優(yōu)于國外同類產(chǎn)品的120~150 s。質(zhì)譜分析系統(tǒng)最小監(jiān)測體積分?jǐn)?shù)達到千萬分之一,提高了油氣發(fā)現(xiàn)的能力[15-16]。水平井地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)將鉆井、錄井、定向、測井等多專業(yè)融合,通過地質(zhì)建模、實時跟蹤、隨鉆評價、三維導(dǎo)向的方式,可實時調(diào)整井眼軌跡,有效提高水平井中靶率和儲層鉆遇率[17]。隨鉆地層壓力監(jiān)測系統(tǒng)集數(shù)據(jù)管理、智能分析和科學(xué)評價于一體,可實現(xiàn)鉆前預(yù)測、鉆中監(jiān)測和鉆后評價,顯著提高異常壓力監(jiān)測的成功率,保證鉆井施工安全。

針對錄井技術(shù)向井下隨鉆發(fā)展的趨勢,國內(nèi)錄井公司開展了探索性的研究工作。中石化勝利地質(zhì)錄井公司開展了井下氣體檢測關(guān)鍵技術(shù)研究,并研制了井下氣體檢測原理樣機[18]。

2 國內(nèi)錄井裝備存在的問題

2.1 綜合錄井儀技術(shù)細節(jié)不完善

當(dāng)前國產(chǎn)綜合錄井儀氣體檢測、數(shù)據(jù)采集、井場安全防護、錄井軟件、井場信息共享等核心技術(shù)已達到國際先進水平,滿足了常規(guī)錄井需求,但與geoNEXT、GEOLOG等錄井儀相比在細節(jié)上存在差距。數(shù)據(jù)采集方面,國外錄井儀采集通道最多達到228個,采集頻率最高達到100Hz,而國產(chǎn)綜合錄井儀采集通道一般僅為40~60個,一般不具備高速采集能力;在氣體檢測方面,國產(chǎn)定量脫氣器還未普及,鉆井液入口、出口氣測校正技術(shù)還不成熟;軟件方面,國產(chǎn)錄井儀一般采用門限值報警、人工識別的方法進行工程預(yù)警,而國外大力推廣智能化分析預(yù)警技術(shù),對特殊工況的預(yù)報能力能力要優(yōu)于國產(chǎn)錄井儀。雖然國產(chǎn)錄井儀整體技術(shù)框架與國外相比沒有區(qū)別,甚至個別技術(shù)還要優(yōu)于國外錄井儀,但是有些技術(shù)細節(jié)不完善,直接影響了錄井儀的整體水平。

2.2 單項高端錄井裝備不夠成熟

國內(nèi)錄井裝備發(fā)展初期,應(yīng)用錄井儀主要是找油找氣,提高勘探開發(fā)效率。當(dāng)時國內(nèi)錄井技術(shù)服務(wù)要求單一,一般不需要單項高端錄井技術(shù)服務(wù),導(dǎo)致相關(guān)裝備的研制長期滯后。隨著鉆井技術(shù)不斷發(fā)展,國內(nèi)外錄井技術(shù)服務(wù)對實時流體分析、鉆具振動監(jiān)測、井涌井漏預(yù)警和井壁穩(wěn)定分析等高端服務(wù)的需求逐年增多[19],Schlumberger,Baker Hughes和Geolog等國外油服公司研制了相應(yīng)的錄井裝備,應(yīng)用規(guī)模不斷擴大,取得了顯著的經(jīng)濟效益。相比之下,國內(nèi)同類錄井裝備大部分還處于研發(fā)試驗階段,與國外相比差距明顯:如實時流體分析系統(tǒng)雖然能檢測井口氣體中的C1—C8烴組分、定量脫氣,但缺乏與之配套的流體識別模型;鉆具振動檢測系統(tǒng)能夠高速采集扭矩、懸重和立壓等傳感器信號,但缺乏信號處理系統(tǒng)、判斷鉆具異常工況的技術(shù)方法;雖然開展了大量的井涌井漏預(yù)警系統(tǒng)研究及試驗工作,但該系統(tǒng)還不夠成熟,尚未商業(yè)化應(yīng)用;井壁穩(wěn)定性分析系統(tǒng)樣機雖已研制成功,但分析軟件不夠成熟。

2.3 非常規(guī)資源錄井裝備針對性不強

隨著能源結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展變化,錄井技術(shù)服務(wù)近年來逐步向煤層氣、地?zé)岷吞烊粴馑衔锏确浅R?guī)資源延伸。相對于傳統(tǒng)油氣勘探開發(fā)錄井,煤層氣錄井錄取參數(shù)少、不需要繁多的鉆井液錄井設(shè)備,但多分支水平井需要地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù);地?zé)徜浘畬鉁y錄井設(shè)備要求較低,但需要配備地層流體離子分析設(shè)備,且有些區(qū)塊需要便攜式錄井設(shè)備;陸地天然氣水合物錄井往往因鉆機進行了簡配,無法安裝常規(guī)的絞車、懸重等傳感器,需要研制專用錄井裝置;海洋天然氣水合物錄井因在深海平臺進行,需要配套合適的單項高端錄井裝備。由于非常規(guī)資源錄井與常規(guī)油氣錄井相比有特殊要求,因此要求非常規(guī)資源錄井裝備應(yīng)具備性價比高和針對性強的特點。

2.4 井下錄井裝備研究起步較晚

受地面采集條件制約和井筒運移環(huán)境影響,適用于常規(guī)地面環(huán)境條件錄井技術(shù)的發(fā)展受到限制,井下隨鉆錄井技術(shù)與裝備已成為今后的主要發(fā)展方向[20-21]。國外多家油服公司在20世紀(jì)80代就開始研發(fā)井下錄井儀器,并積累了大量的經(jīng)驗。目前Schlumberger和Halliburton 2家油服公司已經(jīng)研制出相關(guān)的井下氣體檢測工具并提供技術(shù)服務(wù),相比之下國內(nèi)自2010年起才開展探索性研究,雖然已經(jīng)研制了井下氣體檢測的原理樣機,但距離商業(yè)化應(yīng)用還有很大距離。今后井下錄井裝備研究主要面臨的技術(shù)難點有2個:一是檢測裝備要具有微型化和低功耗的特點;二是井下錄井裝備要能適應(yīng)井下高溫、高壓、振動、腐蝕環(huán)境。

3 國內(nèi)錄井裝備發(fā)展建議

3.1 完善國產(chǎn)綜合錄井儀軟硬件功能

數(shù)據(jù)采集方面,國產(chǎn)綜合錄井儀要優(yōu)化數(shù)據(jù)采集模塊的架構(gòu),不僅提高數(shù)據(jù)采集速率,也要擴展采集通道,以滿足海上平臺等特殊作業(yè)環(huán)境的需求。氣體檢測方面,把能測量C6—C8等重?zé)N組分的高端氣相色譜儀移植到常規(guī)綜合錄井儀上,作為常規(guī)錄井的基本功能,相對國外形成氣體檢測方面的優(yōu)勢,同時推廣使用定量脫氣器,加快校正模型的研究,提高氣體檢測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。工程預(yù)警方面,研究適用性強、預(yù)警效果好的軟件,取代門限值報警,從而提高工程預(yù)報的準(zhǔn)確率。錄井軟件方面,研究智能化監(jiān)測評估系統(tǒng),建立鉆井時效模型,以協(xié)助鉆井提速提效。

3.2 研發(fā)應(yīng)用單項高端錄井裝備

國內(nèi)鉆井液流量檢測、井壁穩(wěn)定性分析、地層流體分析和鉆具振動檢測等技術(shù)與國外相比還不夠成熟,但在研發(fā)應(yīng)用過程中不能盲目照搬國外技術(shù)方案,應(yīng)根據(jù)國內(nèi)實際情況改進完善。對于鉆井液流量檢測,國外多采用大口徑科里奧利流量計,檢測儀器制造成本和安裝維護成本較高,一般只應(yīng)用于海洋平臺鉆井,不利于在陸地鉆井推廣。國內(nèi)在研發(fā)過程中除采用科里奧利流量計外,還應(yīng)研發(fā)基于超聲波和電磁波等的低成本檢測儀器。國外采用巖屑連續(xù)稱重裝置分析井壁穩(wěn)定性,成本較高且功能單一,不利于在國內(nèi)推廣,應(yīng)根據(jù)國內(nèi)實際需求增加巖屑自動取樣、檢測功能,為開展地層巖性識別、油藏評價提供依據(jù)。對實時流體分析、鉆具振動檢測,應(yīng)盡快建立檢測模型,積累現(xiàn)場施工經(jīng)驗。同時,在國外進行錄井技術(shù)服務(wù)過程中,要注重收集甲方關(guān)注的問題,積極向甲方推薦各類新技術(shù)、新產(chǎn)品,依托國際錄井技術(shù)服務(wù)項目進行推廣應(yīng)用。

3.3 研發(fā)應(yīng)用非常規(guī)資源專用錄井裝備

煤層氣錄井裝備除需要具備快速卡準(zhǔn)煤層界面、適應(yīng)各種鉆機、定錄一體化和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ芡猓€需要具備煤層含氣量測量、煤層氣解釋等功能。地?zé)徜浘畠x應(yīng)具備測量水溫,產(chǎn)水量,分布面積,工程參數(shù),非烴、稀有氣體含量及地層流體離子含量,測試鉆井液性能,分析水質(zhì),檢測地層壓力和地?zé)峤忉尩裙δ?,還要具備高精度信號采集和智能化數(shù)據(jù)分析能力,且要具備小型化、便攜化等特征。另外,要研發(fā)適應(yīng)高原稀薄空氣的氣體檢測裝備,適用于PDC鉆頭條件下的巖屑識別儀器,空氣鉆井、泡沫鉆井的巖屑采集裝置,適用于小型鉆機的井深、壓力測量裝置和應(yīng)用于無線錄井模式下的井口氣體檢測、無線傳感器等分析檢測設(shè)備。

3.4 研發(fā)儲備錄井新技術(shù)和新裝備

近年來,錄井公司依托專業(yè)優(yōu)勢將綜合錄井儀發(fā)展成“井場信息中心”,將鉆井、測井、錄井、地質(zhì)、固井、LWD/MWD和視頻監(jiān)控等信息集合在一起,通過傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)井場和后方的信息共享,創(chuàng)建了“互聯(lián)網(wǎng)+錄井 ”的運行模式。遼河油田錄井公司開展的“遠程錄井”和中原油田錄井公司提出的“集群式錄井”,都將錄井裝備和信息化技術(shù)進行了結(jié)合,在改變錄井技術(shù)服務(wù)模式方面進行了探索。今后,錄井行業(yè)還應(yīng)深入研究井場信息融合、數(shù)據(jù)價值挖掘和數(shù)據(jù)服務(wù)技術(shù),為形成新的信息服務(wù)創(chuàng)造條件。要研發(fā)井下隨鉆錄井技術(shù)及裝備,研制井下隨鉆氣體檢測工程樣機,發(fā)展井下隨鉆硫化氫檢測、鉆井液核磁檢測等新裝備,推動井下隨鉆錄井技術(shù)的發(fā)展,打破地面?zhèn)鹘y(tǒng)錄井技術(shù)發(fā)展的瓶頸[22-23]。

4 結(jié)束語

國內(nèi)錄井裝備研究單位和制造企業(yè)經(jīng)過長期的努力,常規(guī)錄井裝備已達到了國際先進水平,并研制應(yīng)用了井口氣體檢測、質(zhì)譜檢測等多種實用的高端錄井裝備,但在實時流體分析、鉆具振動監(jiān)測、井涌井漏預(yù)警和井壁穩(wěn)定分析等方面與國際油服公司相比有明顯差距。在當(dāng)前錄井裝備發(fā)展的低點,國內(nèi)錄井裝備研究單位和制造企業(yè)應(yīng)當(dāng)立足自身和國內(nèi)的實際情況,大力推廣國產(chǎn)錄井裝備,研發(fā)應(yīng)用高端、特色錄井裝備,做好技術(shù)儲備工作,以從容應(yīng)對能源格局變化帶來的挑戰(zhàn),在新的形勢下謀生存、謀發(fā)展,以便在下一輪發(fā)展高峰贏得主動。

參 考 文 獻

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