淺析過鉆頭測井面臨的挑戰(zhàn)及應(yīng)對策略

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(1.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069 2、西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

自 1927 年斯侖貝謝兄弟開啟測井時(shí)代，測井技術(shù)已經(jīng)過近90 a的發(fā)展，期間發(fā)生過許多革命性的變化。測井?dāng)?shù)據(jù)的采集方式經(jīng)歷了電纜測井、隨鉆測井以及過鉆頭測井。為應(yīng)對復(fù)雜的測井環(huán)境尤其是水平井、大斜度井、不穩(wěn)定井等特殊井眼，Shell 殼牌公司研發(fā)部門從 1998 年開始就對過鉆頭測井(Through Bit Logging)方法進(jìn)行研究。過鉆頭測井自開發(fā)以來，解決了多種技術(shù)難題，于2008 年12 月首次投入商業(yè)應(yīng)用。該技術(shù)曾于 2005 年和 2009 年兩次榮獲國際石油科技十大進(jìn)展項(xiàng)目。

過鉆頭測井雖然具有鮮明的特點(diǎn)，但是也有很大的不足之處。一方面，過鉆頭儀器的抗壓、抗腐蝕，耐高溫等性能指標(biāo)都不及常規(guī)電纜測井儀器；另一方面，過鉆頭測井儀器測量不連續(xù)，測井項(xiàng)目少，測量精度及橫向分辨率不夠。因此，過鉆頭測井現(xiàn)在并未在全國普及，如何解決這些問題已成為當(dāng)務(wù)之急。

1 過鉆頭測井原理

簡單來說，過鉆頭測井是指測井儀器由鉆桿穿過鉆頭進(jìn)入井眼實(shí)施測井作業(yè)。作業(yè)時(shí)利用鉆具將過鉆頭測井儀器導(dǎo)入目的段進(jìn)行測量。其鉆頭須采用TBL鉆頭，TBL鉆頭是PDC鉆頭經(jīng)過特殊改造制成的，該鉆頭中間有2.5in供測井儀器收放的運(yùn)移通道。其TBL作業(yè)原理如圖1所示[1-2]。

圖1 TBL作業(yè)原理圖

這種測量方式對過鉆頭測井儀器的制造提出了很高的要求。相比電纜測井，過鉆頭測井儀器的直徑要小得多，儀器內(nèi)元器件也要更密集。過鉆頭測井儀器目前主要有自然伽馬測井儀、感應(yīng)測井儀、中子測井儀、密度測井儀、聲波測井儀等(見表1)。

表1 過鉆頭測井儀器明細(xì)表

2 過鉆頭測井面臨的挑戰(zhàn)及應(yīng)對策略

2.1 過鉆頭儀器耐溫耐壓性能面臨的挑戰(zhàn)及應(yīng)對策略

當(dāng)今世界對石油、天然氣的強(qiáng)大需求、低投資高回報(bào)率及有限的油氣資源，使得石油勘探行業(yè)趨向于在惡劣環(huán)境下尋找油氣藏。2010年以后，油氣勘探開發(fā)目的層深度不斷增加，尤其是深層氣藏的數(shù)量有了較大幅度的提升，10%以上的氣藏的深度已經(jīng)超過了5 000 m。 隨著勘探難度的日益增加，要求地球物理測井儀器提高耐高溫性能指標(biāo)。由表1所示，過鉆頭測井的最大耐溫為150℃，最大耐壓為103 MPa，較常規(guī)電纜測井而言，過鉆頭測井儀器的耐溫耐壓指標(biāo)明顯偏低，那么過鉆頭儀器就不能適用于高溫高壓的井段[3]。

同常規(guī)電纜測井儀器一樣，過鉆頭測井儀器在研發(fā)中必須考慮如下問題，以解決儀器在耐溫耐壓性能方面的問題：

(1) 過鉆頭測井儀器須有能夠承受高壓的加厚承壓外殼材料，同時(shí)必須具備足夠的抗張力抗壓縮強(qiáng)度，能適應(yīng)在目的深度及特殊井眼尺寸下打撈作業(yè)對機(jī)械強(qiáng)度的要求。

(2) 過鉆頭測井儀器要求更嚴(yán)格的機(jī)械加工公差。公差是指儀器各項(xiàng)實(shí)際參數(shù)值的允許變動(dòng)量，在經(jīng)濟(jì)條件和技術(shù)條件允許的情況下，更嚴(yán)格的機(jī)械加工公差有助于提高儀器的性能指標(biāo)，尤其是抗壓性能。

(3) 過鉆頭測井儀器須設(shè)計(jì)一定數(shù)目承受深井高壓的自動(dòng)保險(xiǎn)裝置。過鉆頭測井儀器直徑很小，井下儀器的控制比電纜測井增加了不小的難度，如何做到收放自如，防止儀器落入井中也是一個(gè)至關(guān)重要的問題。過鉆頭測井儀器應(yīng)該在儀器頂部安裝一種有溫度壓力傳感器的自動(dòng)保險(xiǎn)裝置，實(shí)時(shí)傳輸和測量井下溫度和壓力參數(shù)，一旦溫度和壓力超過儀器可以承受的范圍，自動(dòng)保險(xiǎn)裝置開啟收回測井儀器。

(4) 由于測井儀器的作業(yè)于嚴(yán)酷的高溫高壓環(huán)境條件，因此必須保證儀器內(nèi)元器件不遭受破壞，性能不發(fā)生改變，這對元器件的設(shè)計(jì)制造提出了更高的要求。為了使測井儀器的電子線路和元件在井下高溫高壓環(huán)境下正常工作，采取的辦法有三種。一是選用耐高溫耐高壓的測井元器件，篩選出性能較好的元件，使其能夠在測井儀器極限溫度和壓力下正常工作。二是使用金屬材料的保溫瓶，在保溫瓶的瓶塞中加入熔點(diǎn)適中，溶解熱高的吸熱劑，如采用水楊酸苯甲酯做吸熱劑。三是盡量減少元器件的數(shù)量，注意元器件和測線的排布，簡化儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增大元器件的間隙。

2.2 過鉆頭儀器垂直分辨率和測量精度分析

為適應(yīng)油田勘探幵發(fā)的需要，薄層測井解釋變得更為重要。在前人的研究基礎(chǔ)上，我們需要進(jìn)一步研究薄層的特性，識別薄層并評價(jià)儲層流體性質(zhì)。這就對測井儀器的垂直分辨率和測量精度提出了挑戰(zhàn)，如何提高過鉆頭測井的垂直分辨率和測量精度又是一大難題[4]。

過鉆頭測井的垂直分辨率見表1。垂直分辨率就是測井?dāng)?shù)據(jù)能夠定量分析的最小地層厚度。 垂直分辨率受多種因素影響，主要是測井采樣間隔和儀器本身的分辨率。就目前的測井技術(shù)水平來說，一般每英尺采3～4個(gè)點(diǎn)，井下儀器的采集動(dòng)作如果是由采集信號驅(qū)動(dòng)的，自身不具備處理一定時(shí)間間隔內(nèi)所有采集信息并處理上傳的功能的話，分辨率受到采樣點(diǎn)過少的影響是很大的。儀器本身的分辨率需要根據(jù)不同的儀器分而論之，儀器的探頭設(shè)計(jì)和處理能力都會決定其分辨率。通常可以從縱向響應(yīng)曲線上求解分辨率，例如感應(yīng)測井儀器，就可以正演計(jì)算出夾層地層模型的縱向響應(yīng)曲線，夾層的厚度變化時(shí)求出該儀器的不同響應(yīng)，考察其能用于數(shù)據(jù)分析的最小夾層厚度，即垂向分辨率。

測量精度的影響主要是分為兩大類，一是儀器本身的刻度精度，二是實(shí)時(shí)采集的精度。針對儀器的刻度精度(見表2)，我們可以定期進(jìn)行室內(nèi)刻度定標(biāo)，測后刻度定標(biāo)。影響實(shí)時(shí)采集的因素主要有兩點(diǎn)，一是儀器在井下的位置是不確定的，二是來自鉆具的干擾。針對這些因素，可以采用增加微型扶正器和推靠臂，優(yōu)化儀器組裝方式，改進(jìn)傳感器等方法消除影響。

表2 過鉆頭儀器測量精度表

2.3 過鉆頭儀器測量項(xiàng)目分析

在地球物理測井中，測量的項(xiàng)目種類及數(shù)量會直接決定解釋的精細(xì)程度，較少的測量項(xiàng)目往往會產(chǎn)生多解性，這給后續(xù)的勘探開發(fā)提高了困難。過鉆頭測井由于技術(shù)條件的限制，只有一些基本的測井項(xiàng)目，詳見表1。而常規(guī)電纜測井已經(jīng)集測井儀絞車、對面操作系統(tǒng)、井下儀器、輔助作業(yè)設(shè)備、解釋設(shè)備等為一體，測量項(xiàng)目全面，解釋精度高。過鉆頭測井應(yīng)該增加一些比較重要的測井項(xiàng)目(如核磁共振測井)，以增加過鉆頭測井解釋的精度。

3 過鉆頭測井前景展望

過鉆頭測井技術(shù)已經(jīng)越來越成熟，在世界各大油田發(fā)揮著一定的作用。由過鉆頭測井衍生出的過孔鉆井(TBD系統(tǒng))也越來越完善，并且過鉆頭測井將會在這種過孔鉆井中起到至關(guān)重要的作用。這種全新的鉆井技術(shù)提供一個(gè)更為方便的實(shí)施過鉆頭測井的通道，因此TBD會是過鉆頭測井重要的發(fā)展方向[5]。

高精度高分辨率過鉆頭測井也是過鉆頭測井的發(fā)展方向之一，測井?dāng)?shù)據(jù)的優(yōu)劣會直接影響后續(xù)的解釋工作。因此，有必要提高過鉆頭測井的測量精度和垂向分辨率，以適應(yīng)越來越復(fù)雜的井眼環(huán)境和地質(zhì)背景。

4 結(jié)語

(1)過鉆頭測井作用已經(jīng)越來越完善，比較于電纜測井和隨鉆測井是一個(gè)革命性的變化。隨著復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的增多和井眼環(huán)境更加的惡劣，過鉆頭測井將會在今后很長一段之間內(nèi)發(fā)揮不可被替代的作用。

(2)過鉆頭測井仍然有很大的提升空間，適用范圍還很有限，只能適用于小井眼、水平井、大斜度井等惡劣環(huán)境中，各項(xiàng)儀器性能也有待提升。