随钻测量随钻测井技术现状及研究.docx

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随钻测量随钻测井技术现状及研究随钻测量(measurewhiledrilling，MWD)技术可以在钻进的同时监测一系列的工程参数以控制井眼轨迹，提高钻井效率。随钻测井(loggingwhiledrilling，LWD)技术可以不中断钻进监测一系列的地质参数以指导钻井作业，提高油气层的钻遇率[1-5]。近年来，油气田地层状况越来越复杂，钻探难度越来越大。在大斜度井、大位移井和水平井的钻进中，MWD/LWD是监控井眼轨迹的一项关键技术[6-8]，是评价油气田地层的重要手段[9]，是唯一可用的测井技术[3]，而常规的电缆测井无法作业[10]。国外的MWD/LWD技术日趋完善，而国内起步较晚，技术水平相对落后，国际知识产权核心专利较少[9]，与国外的相关技术有一段差距。本文介绍国内外MWD/LWD相关产品的技术特点和市场应用等情况，分析国内技术落后的原因以及应对措施。1国外MWD/LWD技术现状20世纪60年代前，国外MWD的尝试都未能成功。60年代发明了在钻井液柱中产生压力脉冲的方法来传输测量信息。1978年Teleco公司开发出第一套商业化的定向MWD系统，1979年GearhartOwen公司推出NPT定向/自然伽马井下仪器[10]。80年代初商用的钻井液脉冲传输LWD才产生，例如：1980年斯伦贝谢推出业内第一支随钻测量工具M1，但仅能提供井斜、方位和工具面的测量，应用比较受限，不能满足复杂地质条件下的钻井需求[11]。1996年后，MWD/LWD技术得到了快速的发展。国际公认的三大油服公司：斯伦贝谢、哈里伯顿、贝克休斯，其MWD/LWD技术实力雄厚，其仪器耐高温耐高压性能好、测量精度高、数据传输速率高，几乎能满足所有油气田的钻采，在全球油气田均有应用。斯伦贝谢经过长期的技术及经验积累，其技术特点为高、精、尖、专，业内处于绝对的领先地位[12-15]，是全球500强企业。LWD的技术主要体现在智能性、高效性、安全性[10]。全球范围内主要以服务为主。哈里伯顿是典型的美式风格，技术层次化。MWD/LWD仪器趋于大众化，业务较广。利用LWD进行地质导向，井下传感器与地面之间双向传输，提高大斜度井和水平井的钻井效率[16-19]。贝克休斯在简化及小型化仪器方面，注重测量精度。定向控制技术更为先进，精控井径，井眼质量更好。其LWD技术在定向井、地层评价和地质导向等方面，且有高效、可靠的特点[20-21]。1.1国外三大油服公司的MWD/LWD仪器特点MWD仪器方面，三大油服公司的技术均比较成熟。高温仪器在井况175℃，甚至200 ℃，都能正常工作。数据传输速率是评定MWD仪器性能好坏的一项关键指标，斯伦贝谢的MWD仪器可以适应不同的实时传输需求，例如：TeleScope测量仪的数据传输速率范围为(0.5～120)bit/s[10]。三大油服公司均没有具有打捞功能的下坐键式MWD仪，仅斯伦贝谢的上悬挂式仪器SlimPulse可以打捞[22]。哈里伯顿特有的Sperry上悬挂650系列的仪器，在极端环境下，能精确的控制井眼轨迹，准确的评价地层，但其脉冲器复杂，研制周期长，成本较高[23-24]。斯伦贝谢与贝克休斯的旋转阀脉冲器，主要特点是高速传输、防堵及耐温性好。伽马仪器的技术水平相当。LWD仪器方面，三大油服公司的技术各有专长。斯伦贝谢的Vision和Scope系列仪器，基本上完成了所有的传统电缆测井任务；TeleScope主要用于数据的遥测遥传，保证实时性[25-26]；PeriScope仪器最大的亮点是提高了钻遇率[27-28]；SeismicVision仪器实现了随钻地震测量，井眼轨迹实时可视化，实时地层评价[29]，目前仅斯伦贝谢拥有随钻地震技术[7]。贝克休斯的AutoTrakeXpress系统可实现自动三维钻井导向技术，在定向钻井、地层评价和地质导向方面具有高效、可靠的特点[30-34]。常规型电磁波电阻率仪器的技术性能相当，其中，贝克休斯的电阻率仪器最具特色，设计结构更加经济，更稳定；斯伦贝谢的电磁波电阻率仪器能适应(3～9)in的所有尺寸，提供不同深度和侧向电阻率并实现成像[10]。仅斯伦贝谢有EM近钻头仪器，可在距井底0.5m测量井斜、伽马、钻头转数、电阻率值；确定地层界面和划分岩性，准确控制井眼轨迹；测量快，成本低等特点；方位伽马仪器性能相当，其中，贝克休斯结构设计更具特色，例如探管式和钻铤式高清方位伽马，其分辨率更高。其他工具仪器方面，旋转导向仪可精确控制井径，实现准确增斜、稳斜、降斜，降低所钻井段的狗腿度，降低钻进过程中卡钻的机率。斯伦贝谢和贝克休斯的旋转导向技术比较前沿，引领科技前沿；其中，斯伦贝谢的旋转导向仪的应用范围最广。密度及孔隙度仪器的技术水平相当，其中，斯伦贝谢的无放射源仪器的市场占有率最高。声波仪器性能特点及测量类似，推入市场近30年，较成熟稳定。1.2三大油服公司MWD/LWD仪器的市场应用三家公司的MWD/LWD仪器在全球范围内均有应用，其中，斯伦贝谢的MWD/LWD各类测井仪在世界各地的油田均得到了越来越广泛的应用。据统计，到2010年为止，我国各油田引进的MWD/LWD仪器主要有：斯伦贝谢的PowerDriver，贝克休斯的Ontrack系列5套、Navitrack系列28套，哈里伯顿的FEWD系列22套[10]，后来也有相应的引进。据2021年上海石油装备展会会议报告，三家公司的MWD/LWD均以全球服务为主，纯MWD市场只是附带，主要以独立的中小公司为主，其市场覆盖范围很广，占有率相对较低，估计为40%左右。所有电阻率市场配套目前还是以三家公司为主，全球市场占有率超过70%。其中斯伦贝谢市场占有率最高。 从会议数据显示可知，斯伦贝谢与贝克休斯的旋转导向仪器市场占有率超过90%，斯伦贝谢更是以产品系列及应用市场范围最广，占据市场最高占有率，超过50%。密度及孔隙度仪器和声波仪器主导着市场，主要应用于海上油田，市场占有率高达90%，斯伦贝谢与贝克休斯的市场占有率超过70%，其中斯伦贝谢预计超过50%。其中，声波仪器应用范围很少，全球声波仪器总计估计不超过100套。2国内MWD/LWD技术现状国内MWD/LWD的研究起步较晚，仪器的数据传输速率小于12bit/s[35]，仅常规150℃的MWD仪器研制相对成熟，而LWD技术较落后。在六五、七五期间开始研究LWD项目，但未取得应用成果。2000年前，主要依赖引进国外的设备，消化吸收后，创建作业队伍和研究力量。之后开始自主研制LWD，取得了一定的成果，并逐步兴起。2005年随钻电阻率测井仪首次下井试验成功，标志着我国LWD技术具备国际服务竞争的能力，势必打破国外服务公司的垄断局面。国内石油行业在随钻测量仪及定向井随钻仪器方面制定了标准[36-37]，也有企业标准[38]。目前国内在MWD/LWD技术上有一定水平且能自主研制成功的公司主要有三家：公司A、公司B、公司C。公司A是国内首家专业化MWD仪器的生产厂家，专注技术的积累和提升，在仪器的耐温性方面有所突破，已自主研制了高温175℃的仪器。MWD/LWD仪器在国内市场占有率最高，且国内所有油田均有应用。公司B成功吸收了哈里伯顿Sperry上悬挂350、650系列相关仪器，目前测斜仪领域内极具竞争力。在常规150℃以内，自主研制的仪器较成功。近年来其主营业务逐渐转向市场服务，且服务业务占具国内首位。公司C在MWD/LWD方面起步稍晚，但在无线随钻仪器设计开发、生产制造和销售方面拥有丰富的经验。技术上与美国GE-BakerHughes合作开展随钻测量工程服务。目前在油田小井眼中应用的仪器较多。2.1国内三家公司的MWD/LWD仪器特点MWD仪器方面，三家公司均有下坐键式MWD仪，主要是具有打捞的功能。其中，公司A的下坐键式MWD仪最具特色，极力提高仪器的耐温性。公司B和公司C有Sperry上悬挂650系列仪器，一般应用于150℃以下的温度环境；其中，公司B的技术水平相对较高，在国内首屈一指。目前仅公司A有旋转阀脉冲器上悬挂系列仪器，针对深井175℃高温环境研制的产品，市场应用较成功。另外，伽马仪器技术水平相当。LWD仪器方面，电磁波电阻率仪器，公司A主要与美国PAISANO公司合作推广，公司B主要仿制贝克休斯的仪器，公司C早期与GE合作。EM近钻头仪器，仅公司A在耐温技术上有所突破，150℃的仪器较为成熟。仅公司A有4.75in系列的电流式近钻头仪器，以及有线近钻头仪器，能够解决无线近钻头仪器的一些弊端。方位伽马仪器，三家公司的技术水平相当，其中，公司A在国内市场占有率较高。 2.2国内MWD/LWD仪器的市场应用公司A由于起步早，拥有全套常规、高温仪器，在市场占有率方面拥有绝对优势；公司B和公司C在不同区块拥有各自强势的市场区域，其中，公司B在中石化销售应用占优，公司C在中石油销售应用占优。公司A除Sperry上悬挂650系列仪器之外，其他MWD仪器在国内市场占有率最高，主要市场为陆地市场，是独立定向井服务公司的首选仪器。MWD仪器在售价、生产维护成本、维修周期上相对占优。LWD产品较为成熟，拥有实际成功案例，且国内市场占有率属于第一梯队，主要特点为深井、耐温性好。在中石油区块服务业务中，每年都是中标厂家，业务经验较丰富。公司B在Sperry上悬挂650系列仪器的市场方面占有率最高，出售价最高，相同配置下差额达到20%左右。因销售市场饱和，主要业务逐渐转向市场服务。技术服务主要以150℃的MWD仪器和电阻率仪器为主，同时引进旋转导向仪器，提供综合服务，总体服务能力较强，服务业务收入居国内首位。然而，150℃温度等级，其单口井中使用的耗材成本较高，是公司A整体成本的1倍左右。公司C研制的MWD仪器在5000m以内的油井中使用相对平稳。3国内外技术差距及国内应对措施3.1国内外技术差距(1)在MWD/LWD技术方面，国内目前还没有一家真正有影响力的国际化、专业化服务的公司。(2)技术方面，国内仅常规150℃的MWD技术水平及仪器与国外相当，但高温仪器方面存在一定的差距，主要表现在以下几个方面：①耐高温性，国内仪器的耐温性大多处于150℃，而175℃的仪器尚不完善；②数据传输速率，国内的数据传输速率为(1～12)bit/s，国外的数据传输速度为(6～120)bit/s；③性能持续稳定性及可靠性与国外尚有差距；④产品系列较少，高端设备如旋转导向、密度孔隙度等仪器国内至今未能形成真正市场化。(3)市场方面，国内陆地市场基本以国产MWD为主，几乎没有差距，主要差距在国际市场；国际市场仍然以欧美产品为主；因为高端产品缺乏，国际主流市场、海上高端市场仍然为国外垄断。(4)价格方面：同等产品，国内价格基本是国际的40%～60%之间，价格优势明显。3.2国内的应对措施(1)不断学习、研究、消化，进一步拓展高端产品，解决高温、深井仪器的可靠性。(2)以中外合作的模式进行产业化。一方面采用国外的技术及原材料为基础，国内设计及系统配套降低综合成本。另一方面促使市场服务水平达到更高的程度。 (3)资源有效整合。目前国内各家公司有各自的核心技术，可能有一定的互补性，发扬各家之所长，整合市场其他产品技术，形成一致的技术平台与完整产业链。(4)国内常规产品销售市场已经饱和，发展空间受限。下一步，要提高仪器的性能及质量，拓展海上作业市场及高端服务市场。4结语MWD/LWD是油田钻采中的一项关键技术，不仅节省成本，提高效率，更重要的是降低了事故率，搞高了安全性。国内MWD/LWD技术水平较落后，生产的相关仪器应用有限，应该紧跟国际技术的发展趋势，通过不断引进和学习，结合国内各油井的地层情况，研制相适应的MWD/LWD仪器，推动MWD/LWD技术进一步发展，进而在实践中节约成本，提高安全性，获得经济效益和社会效益。