“雙碳”目標下生產測井技術研究進展及展望

周 揚 劉 平 牛步能 賈劍波 劉帥宏 孔垂廣

（1.中國石油集團測井有限公司長慶分公司；2.中國石油長慶油田頁巖油開發(fā)分公司）

在國際社會政治協(xié)同、科技推動、管理驅動和商業(yè)帶動四種內涵和驅動力下，全球能源正在朝向“清潔、無碳、智能、高效”為核心的能源體系轉型[1]。我國2030 年碳達峰與2060 年碳中和目標的提出，推動了中國化石能源綠色低碳轉型步伐加快，油氣巨頭紛紛推出“零碳”計劃。同時動蕩的國際形勢為市場環(huán)境帶來了更多的不確定性，使得油氣公司對于擴大投資大都保持謹慎態(tài)度。2022 年全球油氣勘探開發(fā)投資規(guī)模明顯復蘇，預計到2026年仍將保持穩(wěn)定增長，但利率上升、勞動力成本和原材料價格上漲抵消了大部分投資增長，油服公司需不斷提高生產效率以節(jié)約成本。生產測井是油田技術服務和裝備行業(yè)的重要一環(huán)，在油氣藏動態(tài)監(jiān)測中發(fā)揮著越來越重要的作用。近年來，隨著大數(shù)據、人工智能、物聯(lián)網、遠程作業(yè)、云處理、光纖等技術迅猛發(fā)展，圍繞提升油氣行業(yè)生產效率、降低作業(yè)成本，生產測井在儀器裝備、工藝技術及解釋評價方面取得較大進展。本文介紹了生產測井的定義、類型、發(fā)展歷程及應用現(xiàn)狀，探討和展望了“雙碳”目標下生產測井技術的發(fā)展方向，以期為生產測井技術發(fā)展和科研攻關提供參考。

1 生產測井定義

生產測井技術起源于20 世紀30 年代，斯倫貝謝公司首次利用溫度測井定位井筒進液位置；40 年代，流速和壓力測量與溫度結合，在流體類型判斷和注產量計算中得到進一步應用；60 年代中期，密度和持水率儀器被用于復雜多相流解釋，水泥膠結測井在完井評價中被廣泛應用；90 年代，隨著水平井數(shù)量增加，流動剖面的相態(tài)分析對生產測井儀器提出了更高需求，經過1995—2010 年近15 年時間，新型儀器才取得了突破[2]。

1964 年C.Clavier 提出生產測井概念，1973 年斯倫貝謝公司出版了《生產測井資料解釋》一書，20 世紀90 年代，國內喬賀堂、吳錫令、郭海敏先后對生產測井原理和解釋方法進行了闡述[3-5]。目前，生產測井廣義上是指用于完井后注入井和生產井的測井技術，在動態(tài)監(jiān)測應用中與試井分析合并稱為開發(fā)測井或生產測試。隨著井溫—流量找漏等生產測井技術在鉆井工程中得到有效應用，其定義界限逐漸與完井測井交叉，向“全生命周期生產測井”概念擴展。狹義上，表征生產測井方法的主要技術參數(shù)有自然伽馬、井溫、流量、壓力、密度、持水率、聲波。在實際應用中，根據具體問題和條件選用不同的參數(shù)組合，從測井原理和工藝條件上滿足作業(yè)井的適用性要求。例如，注產剖面主要對象為井內流體，通過劃分井筒注入和產出剖面對目的層的吸入和產出特性進行評價；儲層參數(shù)測井主要對象是油氣產層，通過監(jiān)測油水、油氣界面變化評價地層含油氣飽和度情況；工程測井主要對象是井身結構，通過檢測套后井眼軌跡、水泥膠結質量、套管狀況等對井下技術狀況進行評價，由于在評價井筒完整性方面應用最為廣泛，因此也被稱為井筒完整性測井（圖1）。

圖1 生產測井示意圖

2 生產測井應用現(xiàn)狀

2.1 國內生產測井技術發(fā)展及應用

國內生產測井測試技術的應用發(fā)展以大慶油田為典型代表，20 世紀60 年代，同位素示蹤法測井被研制用于研究前緣水舌突進問題[6]；60 年代中期至70 年代中期，產出剖面測井得到應用；1976 至2002 年，通過工藝和儀器的改進，形成了分層管柱注入剖面測井、環(huán)空產出剖面、三相流測井、高含水地層測井和工程測井方法，以滿足油田加密調整、規(guī)模聚合物驅、分層注入、井筒完整性評價等動態(tài)監(jiān)測配套需求[7-8]，與此同時，其他油田生產測井技術也進入了推廣應用階段[9-10]。21 世紀，以SONDEX 平臺為代表的高通信速率生產測井成套技術引進國內并迅速得到規(guī)模應用。2002—2018 年，伴隨著國內測井測試公司的專業(yè)化重組，以中國石油集團測井有限公司（簡稱中油測井）的CPLog 和中海油田服務股份有限公司的ECAS 等為代表的國產自主生產測井成套設備，逐漸發(fā)展成熟，主要專業(yè)測井公司大都形成了注產剖面測井、儲層參數(shù)測井、井筒完整性三大生產測井業(yè)務系列，在儀器裝備、工藝技術、解釋評價方面均取得長足進步，并朝著提高測量精度、減少重復作業(yè)、注重安全環(huán)保、積極推進智能化轉型等方向不斷聚焦[11-18]。以中油測井為例，目前主要生產測井技術在油、氣、水井全生命周期應用情況如表1 所示。

表1 常規(guī)生產測井技術全生命周期應用概況

生產測井解釋的核心目的是揭示流體性質、流動質量、流動性質、流體流量和評價套管完井后的井身狀況，因此需要開展單井到多井、平面與剖面的測試和解釋，進行油氣藏分析時還需結合巖心、完井測井資料實現(xiàn)動、靜態(tài)結合，才能為油田提高采收率、實施改造措施提供可靠依據。近年來，圍繞高含水油藏、低滲透油藏、稠油油藏、氣藏和其他特殊及復雜油氣藏，生產測井形成了配套的測試方法及相應的資料應用技術。

大慶油田建立了從監(jiān)測方案、測試設計的制定與優(yōu)化到測試成果的綜合應用方法，在解決預測地應力、油氣藏監(jiān)測信息網絡平臺應用、儲層動用狀況評價、無效循環(huán)層識別方面均取得良好效果[19]。長慶油田重點圍繞老油田高含水開發(fā)期水驅規(guī)律和剩余油分布精細認識，強化在周期注水、調剖調驅、措施挖潛中的指導作用，積極開展技術適應性評價和新技術試驗，建立油氣水井生產數(shù)據管理系統(tǒng)、數(shù)字化油氣藏研究與決策支持系統(tǒng)、綜合信息與生產報表系統(tǒng)等，實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測資料的智能精細化應用，努力滿足油田開發(fā)需求，為油田開發(fā)調整和措施挖潛提供有力支撐。中油測井在動態(tài)監(jiān)測成果應用實踐中形成了一套油藏測井綜合評價技術方案[20-21]，通過分析油藏矛盾、設計監(jiān)測項目、優(yōu)化現(xiàn)場采集、資料綜合應用、現(xiàn)場措施挖潛，形成了閉環(huán)技術流程，開展精細地質、區(qū)塊注采對應、剩余油分布、措施方案調整等方向研究，形成“單井—井間—井組—區(qū)域”綜合成果，為油藏規(guī)模增儲、效益建產提供依據（圖2）。

圖2 中油測井動態(tài)監(jiān)測綜合評價技術方案流程示意圖

2.2 國外生產測井技術發(fā)展及應用

國外生產測井技術主要以斯倫貝謝、哈里伯頓、貝克休斯、GE、Probe、Openfield、TGT、WELL-Sense、HOTWELL 等國際油服公司為代表，近年來其發(fā)展應用主要體現(xiàn)在作業(yè)模式的創(chuàng)新和測井儀器性能的提升。

傳統(tǒng)生產測井技術方面，最具代表性的進展是儀器性能優(yōu)化帶來測量精度提高，從而帶動了作業(yè)效率有效提升。例如，Archer 公司推出的VIVID聲波監(jiān)聽平臺，Probe 公司推出的廢棄井新型水泥膠結質量和隔離效果測井評價技術（MSIL），殼牌公司和Openfield 公司聯(lián)合研發(fā)的第三代生產測井儀器FAST，TGT 公司推出了可用于多層套管檢測的Pulse1 高精度電磁探傷儀，哈里伯頓公司的SPIDRlive 井下壓裂實時監(jiān)測遠程可視化作業(yè)系統(tǒng)，Acoustic Data 公司推出的SonicGauge 遠程井下監(jiān)控系統(tǒng)等[22-23]。

在新技術應用方面，以光纖傳感技術為主要代表。光纖傳感技術介入油氣勘探生產領域時間較早，但在近幾年才得到有效發(fā)展，擁有了成熟的應用方案[24]。2014 年，哈里伯頓公司推出FiberWatch光纖測井服務，通過分布式光纖溫度（DTS）、分布式光纖聲波（DAS）和分布式光纖形變（DSS）監(jiān)測技術，計算油氣產出位置、產量和評價井筒完整性；2015 年，貝克休斯公司推出的SureVIEW 光纖油井監(jiān)測系統(tǒng)，結合Fabry-Perot 干涉技術，可同時測量溫度和絕對壓力，實現(xiàn)井溫監(jiān)測和完整性實時評價；2016 年，貝克休斯推出AMBIT 光纖數(shù)據管理服務，通過與地面光纖設備網絡連接、遠程連接和離線操作3 種工作模式，可以更方便快速地處理DTS 數(shù)據；WELL-Sense 公司2019 年推出Fiberline（FLI）可溶解光纖測井系統(tǒng)，棄置式作業(yè)使分布式監(jiān)測工藝更具效率，2020 年該公司推出主動式Active-FLI 電子傳感器，用于可溶光纖監(jiān)測技術FLI，實現(xiàn)分布測量和單點測量相結合，提高了測量精度；2021 年，哈里伯頓公司進一步推出ExpressFiber 壓裂裂縫監(jiān)測方案，一次性使用的光纖電纜使地下測量更為精確、直接，同時也降低了成本；同年，斯倫貝謝公司推出Optiq 光纖解決方案，涵蓋分布式光纖應變和溫度傳感（DSTS）系統(tǒng)等多項核心技術，與公司云處理技術結合，助力動態(tài)監(jiān)測技術應用效率、性能和可靠性大幅提高，能耗和碳排放顯著降低。

在智能化方面，主要體現(xiàn)在以物聯(lián)網、云處理、遠程作業(yè)為代表的自動化和以大數(shù)據、人工智能為代表的智能化兩個方面。自動化方面，如斯倫貝謝公司的Performance Live 實時數(shù)據連接服務，通過物聯(lián)網、云計算實現(xiàn)實時分析，專家協(xié)作實現(xiàn)遠程可視化，結合智能絞車等技術，可大幅提高作業(yè)時效；智能化方面，Quantico Energy Solutions公司和TGS 公司分別推出了Qlog 和ARLAS 曲線預測技術，可根據老油田“數(shù)據湖”計算缺失的目標井測井曲線，實現(xiàn)重構，在此基礎上同時對解釋模型進行修正，提高作業(yè)人員對地層的認識，更加清晰準確地開展油藏分析[24]。2022 年，斯倫貝謝調整產業(yè)布局，推動低碳轉型，在新型能源體系、工業(yè)脫碳、規(guī)模數(shù)字化、石油和天然氣創(chuàng)新4 個領域為客戶提供解決方案。數(shù)智化迅猛發(fā)展改變了生產測井的作業(yè)方式，提升了測井數(shù)據的應用價值。

整體而言，國內外生產測井技術應用主要分為4 個階段：探索應用階段（1930—1970 年）、理論完善階段（1970—1999 年）、裝備發(fā)展階段（1999—2019 年）、新興技術持續(xù)推廣應用階段（2019 年至今）。標注了代表性事件的國內外生產測井技術應用發(fā)展路線如圖3 所示。

圖3 國內外生產測井技術應用發(fā)展路線圖

以斯倫貝謝、貝克休斯為代表的國際油服公司始終堅持提高綜合服務能力和技術水平，并在此基礎上將應用技術作為重要發(fā)展方向，綜合鉆井、測井和錄井，在油藏綜合管理服務、整體技術解決方案方面提供地層評價、地質指導和油藏描述等深度服務[25]。國內在應用廣度和深度上與國際先進水平相比，仍存在一定差異。

3 生產測井技術面臨的主要挑戰(zhàn)

隨著絕大部分油田進入開發(fā)中后期以及非常規(guī)油氣藏開發(fā)、三次采油的規(guī)模開展，生產測井的實施規(guī)模呈整體上升趨勢。例如，長慶油田近10 年油氣產量持續(xù)增加，生產測井測試需求不斷增強（圖4）。油氣田開發(fā)形勢日趨復雜，多樣化開采方式不斷發(fā)展，導致生產測井面臨著一系列挑戰(zhàn)。

圖4 2012—2022 年長慶油田生產測井井次與油氣產量變化趨勢圖

3.1 技術適應性、儀器性能無法滿足復雜儲層勘探開發(fā)需求

“低滲透、超深層、非常規(guī)”等復雜儲層勘探開發(fā)不斷深入，對測試儀器耐高溫高壓、分辨率、探測深度、數(shù)據傳輸速率等指標提出了更高要求。同心雙管、數(shù)字分注等注水工藝的革新要求儀器外徑更小、非接觸式流量測量更精確；空氣泡沫驅、三元復合驅、超臨界二氧化碳等復雜流體驅替要求三相流測量更精確，高黏度流體易聚集黏污且井內異物對渦輪類儀器準確性影響較大；超低滲透油藏低液量井中的流量已經低于當前常規(guī)流量計門檻值，造成測量誤差；剩余油測井儀器分辨率在低孔、低滲透、低礦化度油藏中適應性差，解釋符合率不足70%，且測量深度局限于近井地帶；不斷增多的雙層、三層套管井影響水泥膠結質量評價結果；壓裂裂縫監(jiān)測距離有限、資料信噪比低導致微地震事件弱信號拾取不到等。盡管近年儀器裝備在性能上有所提升，但是在測量精度、探測深度方面仍不能滿足需求。

3.2 部分測井工藝存在工程復雜、占井時間長等問題

環(huán)空產液剖面在斜井中除了測不準之外，常出現(xiàn)遇阻遇卡等工程復雜；井間微地震等作業(yè)需要長時間占井，導致油氣井停產，造成一定的單井產量損失；水平井爬行器牽引工藝在老井作業(yè)中，受水平段長度、射孔井眼、沉砂、固體異物等影響，導致長距離、復雜井況下輸送能力大幅弱化；連續(xù)油管受管徑和強度制約，在超深井、超長水平井的輸送能力受到影響；我國石油行業(yè)正加速向深地和深海進軍，高壓等復雜井況下對防噴等級和工藝的要求更加苛刻。作業(yè)工藝面對復雜井型普遍存在落井風險大、測試成功率低等難題。

3.3 低成本發(fā)展策略給提速提效帶來更多壓力

由于油服行業(yè)資源分散，影響了技術革新速度，油氣田動態(tài)監(jiān)測部署費用受限（部分油田動態(tài)監(jiān)測費用占比不到全部開發(fā)成本的3%），操作成本不足，生產測井平均單井作業(yè)費用持續(xù)下降，給中高端生產測井技術的研發(fā)、實施和發(fā)展造成了較大阻力，導致部分項目仍然延續(xù)較為落后的作業(yè)方式，制約了生產效率的提升。

4 “雙碳”目標下生產測井技術發(fā)展趨勢

“雙碳”目標下，我國正加速構建清潔低碳安全高效的能源體系。生產測井作為油氣開發(fā)生產的配套作業(yè)，需要完成向低成本高效益的新監(jiān)測模式和作業(yè)方式的轉變（表2）。傳統(tǒng)測井技術雖有進步，但仍無法滿足“可靠性、低成本、規(guī)?；钡膽媚繕?，儀器裝備、工藝技術、解釋應用上仍需持續(xù)攻關，實現(xiàn)新的突破，減少人員投入，降低碳排放，提高作業(yè)時效。

表2 “雙碳”目標下生產測井技術未來發(fā)展思路

4.1 傳統(tǒng)技術升級迭代，加快構建新興技術體系

生產測井井下儀器與地面采集系統(tǒng)需持續(xù)向低功耗、集成化、小型化、模塊化、高可靠方向發(fā)展，不斷迭代更新。一方面，傳統(tǒng)測井技術在未來很長一段時間內無法完全被替代，可通過工具設備不斷創(chuàng)新，形成人員配備少、占井時間少、安全風險小、實施效率高、一次下井成功率高的工藝技術，同時提升傳輸速率與傳感器性能參數(shù)，在應用上不斷做好適用性分析、解釋方法優(yōu)化。另一方面，以分布式光纖測井技術為核心，充分發(fā)揮其抗腐蝕、耐高壓、靈敏度高、抗電磁干擾、綠色低能耗、長距離連續(xù)測量等優(yōu)勢，加快在注產剖面（圖5）、井筒完整性、壓裂監(jiān)測方面形成成熟的應用模式[26-30]。結合傳統(tǒng)技術改進，如光電復合技術，形成復雜三元驅的注入剖面評價技術，高含水、低產液、復雜三相流評價的產出剖面測井技術，低孔低滲透、復雜油藏的剩余油精細描述技術，拾取微地震事件全面、精細刻畫縫網形態(tài)的壓裂裂縫監(jiān)測技術等，實現(xiàn)“測得準、測得全”；同時，在工藝上進一步探索永置式光纖和可棄置式光纖的布設方式和應用模式，結合材料學進展解決“下得去”等難題。例如，一次性可溶材料制成的“爬行器”已成功將光纖部署在水平段，實現(xiàn)分布式測井，提高效率的同時節(jié)約了成本。分布式光纖測井技術將實現(xiàn)更多場景下的規(guī)模應用，最終會取代一部分傳統(tǒng)測井技術。

圖5 分布式光纖溫度（DTS）傳感測井圖

4.2 單井監(jiān)測向地質油藏工程一體化模式轉變

生產測井的研究對象已從油氣水井單井監(jiān)測拓展到油藏分析，這就要求一方面在作業(yè)方法上，積極推進如生產測井與試井聯(lián)合作業(yè)[31]、注采同測等方式，降本增效的同時提升井筒動態(tài)與油藏評價綜合運用效果；另一方面在資料應用上，基于“點—面”結合、“注—采”并重、“平面—剖面”兼顧的整體思路，充分分析油藏地質、開發(fā)等資料，對油藏進行全方位診斷、研究，為下一步開發(fā)方案調整、生產措施制定提供可靠的科學依據，實現(xiàn)集單井解釋、多井評價、井間分析于一體的油氣藏綜合評價，更好地滿足油氣田客戶提高采收率、精細挖潛等開發(fā)方案的動態(tài)監(jiān)測需求，形成油氣水井油藏地質工程一體化模式，提升動態(tài)監(jiān)測效果。

4.3 智能化建設帶來全新工作模式

數(shù)字化、智能化技術為生產測井技術革新帶來全新思路。基于智能絞車、5G、物聯(lián)網、云處理技術建設工程作業(yè)智能支持系統(tǒng)，推進協(xié)同作業(yè)與遠程測井；基于大數(shù)據、人工智能的生產測井智能解釋系統(tǒng)[32]，挖掘隱藏的高價值信息，大數(shù)據與算法融合訓練建模，改進解釋方法，并積極向測井曲線重構[33-34]等方向突破；基于光纖永久監(jiān)測、動靜態(tài)資料構建油藏生產數(shù)據空間模型，過濾油藏和井筒冗余信息，實現(xiàn)單井監(jiān)測到監(jiān)測與預警協(xié)同的系統(tǒng)轉變，發(fā)掘低效循環(huán)油水井層位，預測低滲透油藏油井見水方向[33]，以及井筒完整性和泄漏監(jiān)測及預警，提高作業(yè)表現(xiàn)和效率，減少環(huán)境影響。

4.4 新能源發(fā)展開拓綠色低碳應用前景

隨著光伏、風能、生物質能、氫能、地熱能等新能源技術迅猛發(fā)展，推動了清潔能源動力測井裝備的研發(fā)，生產測井作業(yè)動力向新能源轉變，風電、光伏、儲能技術與光纖測井技術的結合使得長久監(jiān)測等作業(yè)場景逐漸成為現(xiàn)實，新能源將賦予生產測井更加清潔低碳、機動靈活的作業(yè)方式，具有廣闊的應用前景（圖6）。同時，生產測井技術將在CCUS 項目建設、地熱資源開發(fā)等方面發(fā)揮重要作用，不斷助力油氣綠色低碳開發(fā)利用。

圖6 智慧油田生產測井示意圖

“雙碳”目標下，生產測井技術體系發(fā)展將以“清潔低碳、安全高效”為基本目標，遵循“需求牽引、數(shù)字賦能、協(xié)同高效、融合創(chuàng)新”的基本原則，針對油氣開發(fā)低成本、綠色及數(shù)智化發(fā)展需求，加強傳統(tǒng)測井技術與新興測井技術融合；推動數(shù)字化智能化技術在油氣開發(fā)全生命周期中各環(huán)節(jié)的覆蓋應用，提高生產測井整體能效、安全生產和綠色低碳水平；推動測井數(shù)據資源在油氣開發(fā)中的充分流通和使用，提升各主體間的協(xié)同運行效率；加快人工智能、數(shù)字孿生、物聯(lián)網等數(shù)字技術在生產測井領域的創(chuàng)新應用，打造生產測井智能感知與智能調控體系。

5 結束語

國內外生產測井技術在非常規(guī)油氣藏、三次采油等方面仍然面臨著儀器性能不足、適應性受限、作業(yè)時效低、工藝不完善等問題和挑戰(zhàn)。隨著油氣田效益開發(fā)模式的推進，一個油田開發(fā)單元的成本上限已基本確定，從降本增效、節(jié)能減排的角度出發(fā)，提高生產效率是生產測井技術發(fā)展的重要方向。“雙碳”目標下，以光纖、人工智能為代表的生產測井技術具有明顯的科學性和時代特性，是生產測井實現(xiàn)智能油氣水井監(jiān)測、油藏精細研究的未來，也是構建清潔低碳、安全高效生產測井技術體系的有效手段。隨著新能源技術和智能化建設的不斷發(fā)展，生產測井將呈現(xiàn)更具想象力的應用前景。