錄井裝備技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展探討

萬亞旗， 陳會(huì)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(tuán)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(jià)長期低位運(yùn)行，對(duì)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(shì)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(jìn)水平差距的機(jī)遇。為了充分把握這次機(jī)遇，縮小與國外先進(jìn)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(jìn)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(dòng)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(cè)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(cè)錄井、工程錄井、綜合錄井、信息化錄井儀。在氣測(cè)錄井方面，先后研究出熱導(dǎo)檢測(cè)、氣相色譜分析、紅外及質(zhì)譜氣體檢測(cè)系統(tǒng)；在工程錄井方面，針對(duì)鉆井異常監(jiān)控需求，研發(fā)應(yīng)用了測(cè)量鉆時(shí)、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(cè)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(shí)現(xiàn)井場信息實(shí)時(shí)傳輸和遠(yuǎn)程共享，方便不同區(qū)域、不同角色人員“零距離”交互，實(shí)時(shí)掌握施工動(dòng)態(tài)，實(shí)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(kuò)展方便、可帶電插拔的特點(diǎn)，最多能連接228個(gè)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(dá)到50 Hz，最高可達(dá)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(cè)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(dòng)導(dǎo)致的氣測(cè)值誤差，檢測(cè)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(shí)現(xiàn)了定量氣液分離；GEOLOG和geoNEXT綜合錄井儀可以同時(shí)記錄鉆井液入口和出口的氣測(cè)值，與工程參數(shù)結(jié)合進(jìn)行回歸計(jì)算，能消除二次循環(huán)、鉆井液添加劑的影響，提高油氣識(shí)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(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)，還能根據(jù)需要計(jì)算各類參數(shù)，處理采集的數(shù)據(jù)，如進(jìn)行摩阻分析，計(jì)算地層壓力指數(shù)和水功率指數(shù)，監(jiān)測(cè)停泵時(shí)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(jī)械比能(MSE)，利用機(jī)械比能監(jiān)測(cè)鉆頭的磨損，并將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)同理論模型計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(cè)井、定向井、固井等數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)互通，并能通過互聯(lián)網(wǎng)在多種終端進(jìn)行實(shí)時(shí)發(fā)布和共享。

深海平臺(tái)鉆井和超深井鉆井要求錄井裝備具有油氣實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)、鉆井液流量精確檢測(cè)、井眼狀況實(shí)時(shí)監(jiān)控、隨鉆地層壓力預(yù)測(cè)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(shí)時(shí)流體錄井檢測(cè)系統(tǒng)(fluid logging and analysis in real time，簡稱FLAIR)，該系統(tǒng)通過檢測(cè)C1—C8等多種烴組分，實(shí)時(shí)評(píng)估地層流體特征[5-7]。鉆井工程監(jiān)測(cè)方面，Schlumberger公司研制了基于科里奧利流量計(jì)的井涌井漏監(jiān)測(cè)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(dòng)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(qiáng)了井下錄井裝備的研發(fā)，Schlumberger公司研發(fā)了模塊化地層測(cè)試儀(modular formation dynamics tester,MDT)，可以連續(xù)測(cè)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(cè)儀器(integrated computation element，簡稱ICE)，采用光學(xué)方法檢測(cè)儲(chǔ)層油氣含量[11-13]，檢測(cè)速度快，現(xiàn)已進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(cè)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(qiáng)(最小傳輸距離120 m)、操作簡單等特點(diǎn)；正壓防爆儀器房大多通過了挪威船級(jí)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和后臺(tái)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(yuǎn)程傳輸、井場視頻監(jiān)控等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了井場數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)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(cè)方面，研制了前置式氣體檢測(cè)裝置，該裝置可以直接在井口附近測(cè)量，大大縮短了氣路延遲時(shí)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(cè)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(cè)體積分?jǐn)?shù)達(dá)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(cè)井等多專業(yè)融合，通過地質(zhì)建模、實(shí)時(shí)跟蹤、隨鉆評(píng)價(jià)、三維導(dǎo)向的方式，可實(shí)時(shí)調(diào)整井眼軌跡，有效提高水平井中靶率和儲(chǔ)層鉆遇率[17]。隨鉆地層壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集數(shù)據(jù)管理、智能分析和科學(xué)評(píng)價(jià)于一體，可實(shí)現(xiàn)鉆前預(yù)測(cè)、鉆中監(jiān)測(cè)和鉆后評(píng)價(jià)，顯著提高異常壓力監(jiān)測(cè)的成功率，保證鉆井施工安全。

針對(duì)錄井技術(shù)向井下隨鉆發(fā)展的趨勢(shì)，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(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究，并研制了井下氣體檢測(cè)原理樣機(jī)[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(xì)節(jié)不完善

當(dāng)前國產(chǎn)綜合錄井儀氣體檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集、井場安全防護(hù)、錄井軟件、井場信息共享等核心技術(shù)已達(dá)到國際先進(jìn)水平，滿足了常規(guī)錄井需求，但與geoNEXT、GEOLOG等錄井儀相比在細(xì)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(dá)到228個(gè)，采集頻率最高達(dá)到100Hz，而國產(chǎn)綜合錄井儀采集通道一般僅為40～60個(gè)，一般不具備高速采集能力；在氣體檢測(cè)方面，國產(chǎn)定量脫氣器還未普及，鉆井液入口、出口氣測(cè)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(bào)警、人工識(shí)別的方法進(jìn)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(duì)特殊工況的預(yù)報(bào)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(gè)別技術(shù)還要優(yōu)于國外錄井儀，但是有些技術(shù)細(xì)節(jié)不完善，直接影響了錄井儀的整體水平。

2.2 單項(xiàng)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(shí)國內(nèi)錄井技術(shù)服務(wù)要求單一，一般不需要單項(xiàng)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(duì)實(shí)時(shí)流體分析、鉆具振動(dòng)監(jiān)測(cè)、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(kuò)大，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)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(yàn)階段，與國外相比差距明顯：如實(shí)時(shí)流體分析系統(tǒng)雖然能檢測(cè)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(shí)別模型；鉆具振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)能夠高速采集扭矩、懸重和立壓等傳感器信號(hào)，但缺乏信號(hào)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(yàn)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(jī)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(duì)性不強(qiáng)

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(duì)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?duì)氣測(cè)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(jī)進(jìn)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(tái)進(jìn)行，需要配套合適的單項(xiàng)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(jià)比高和針對(duì)性強(qiáng)的特點(diǎn)。

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(yùn)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(yàn)。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(cè)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(cè)的原理樣機(jī)，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(diǎn)有2個(gè)：一是檢測(cè)裝備要具有微型化和低功耗的特點(diǎn)；二是井下錄井裝備要能適應(yīng)井下高溫、高壓、振動(dòng)、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(kuò)展采集通道，以滿足海上平臺(tái)等特殊作業(yè)環(huán)境的需求。氣體檢測(cè)方面，把能測(cè)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(duì)國外形成氣體檢測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)推廣使用定量脫氣器，加快校正模型的研究，提高氣體檢測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。工程預(yù)警方面，研究適用性強(qiáng)、預(yù)警效果好的軟件，取代門限值報(bào)警，從而提高工程預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。錄井軟件方面，研究智能化監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)，建立鉆井時(shí)效模型，以協(xié)助鉆井提速提效。

3.2 研發(fā)應(yīng)用單項(xiàng)高端錄井裝備

國內(nèi)鉆井液流量檢測(cè)、井壁穩(wěn)定性分析、地層流體分析和鉆具振動(dòng)檢測(cè)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(shí)際情況改進(jìn)完善。對(duì)于鉆井液流量檢測(cè)，國外多采用大口徑科里奧利流量計(jì)，檢測(cè)儀器制造成本和安裝維護(hù)成本較高，一般只應(yīng)用于海洋平臺(tái)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(jì)外，還應(yīng)研發(fā)基于超聲波和電磁波等的低成本檢測(cè)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(shí)際需求增加巖屑自動(dòng)取樣、檢測(cè)功能，為開展地層巖性識(shí)別、油藏評(píng)價(jià)提供依據(jù)。對(duì)實(shí)時(shí)流體分析、鉆具振動(dòng)檢測(cè)，應(yīng)盡快建立檢測(cè)模型，積累現(xiàn)場施工經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，在國外進(jìn)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(xiàng)目進(jìn)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(jī)、定錄一體化和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ芡?，還需要具備煤層含氣量測(cè)量、煤層氣解釋等功能。地?zé)徜浘畠x應(yīng)具備測(cè)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(cè)試鉆井液性能，分析水質(zhì)，檢測(cè)地層壓力和地?zé)峤忉尩裙δ埽€要具備高精度信號(hào)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(cè)裝備，適用于PDC鉆頭條件下的巖屑識(shí)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(jī)的井深、壓力測(cè)量裝置和應(yīng)用于無線錄井模式下的井口氣體檢測(cè)、無線傳感器等分析檢測(cè)設(shè)備。

3.4 研發(fā)儲(chǔ)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(shì)將綜合錄井儀發(fā)展成“井場信息中心”，將鉆井、測(cè)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(shí)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(yùn)行模式。遼河油田錄井公司開展的“遠(yuǎn)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(jìn)行了結(jié)合，在改變錄井技術(shù)服務(wù)模式方面進(jìn)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(jià)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(cè)工程樣機(jī)，發(fā)展井下隨鉆硫化氫檢測(cè)、鉆井液核磁檢測(cè)等新裝備，推動(dòng)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(dá)到了國際先進(jìn)水平，并研制應(yīng)用了井口氣體檢測(cè)、質(zhì)譜檢測(cè)等多種實(shí)用的高端錄井裝備，但在實(shí)時(shí)流體分析、鉆具振動(dòng)監(jiān)測(cè)、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(diǎn)，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(shí)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(chǔ)備工作，以從容應(yīng)對(duì)能源格局變化帶來的挑戰(zhàn)，在新的形勢(shì)下謀生存、謀發(fā)展，以便在下一輪發(fā)展高峰贏得主動(dòng)。

參 考 文 獻(xiàn)

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