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过钻杆测井系统研制*

2014-12-24曹宇欣童茂松段雅静

石油管材与仪器 2014年5期
关键词:井眼钻杆水平井

曹宇欣 童茂松 张 敏 段雅静

(大庆钻探工程公司测井公司 黑龙江 大庆)

0 引 言

目前,非常规油气和难以有效开采的低品质(低孔、低渗、低丰度)储层已成为重点开发对象,其主要求产方式是水平井[1],例如美国页岩气井钻井主要包括直井和水平井两种方式。直井主要目的用于试验,了解页岩气藏特征,获得钻井、压裂和投产经验,并优化水平井钻井方案,而水平井主要用于生产,可以获得更大的储层泄流面积,得到更高的天然气产量[2]。非常规油气的水平井,具有井深大、水平段长、位垂比大、井眼情况相对恶劣等特点,采用传统的水平井测井工艺施工的风险大,甚至无法完成生产任务[3],例如湿接头式水平井测井工艺,存在对接失败的风险[4],下井仪器易受钻杆重量的作用而损坏[4];泵入式水平井测井工艺的最长水平段为700 m[5]。过钻杆测井是近几年发展起来的新技术,施工工艺简洁,可靠性高,适用的水平段长(大于1 000 m)[6],并且能够在井眼坍塌、页岩膨胀等复杂井眼条件下完成测井作业,技术发展迅速。国外代表性的仪器有斯伦贝谢的Multi Express、哈里伯顿的Ultra Slim、威德福的Compact 以及ThruBit 公司(2011 年底被斯伦贝谢收购)的SureLog、Xtream 公司的XP 等。国内开展过钻杆测井技术研究的公司主要有胜利伟业的Sl -6000LWF系列、北京信远华油的过钻杆系列。

国内外过钻杆测井系统及配套工艺的应用,提高了勘探开发测井施工效率,同时降低了工程风险,但也存在不能监控井下仪器工作状态,以及由于井下仪器的直径小,仪器测量受井眼等的影响较大,测井系列不全等诸多新问题。针对上述情况,大庆钻探工程公司测井公司开展研究,研制了过钻杆测井系统,本文分析了研发过程中的关键技术。

1 过钻杆测井系统概况

1.1 系统构成

过钻杆测井系统包括地面计算机采集系统、井下配套工具、测井仪器串,图1 所示为系统示意图。

井下配套工具包括马笼头、吊挂系统(内置无线传输)、储能短接(电池组)、柔性短接、旋转短接、绝缘短接、偏心器、扶正器等。

提供以下测井服务:

自然伽马/自然电位/连续测斜;

岩性密度;

阵列感应;

阵列声波(带水泥胶结测井);

微电位/微梯度;

补偿中子;

双侧向;

四臂井径;

三参数(井温、张力、泥浆电阻率)

图1 系统示意图

该系统兼具电缆测井和过钻杆测井(存储测井)两种方式,能够实现一串下井,取得合格的资料。

1.2 主要技术指标

耐压:140 MPa;

耐温:175℃;

最大外径:57 mm;

适应井眼范围:91.4 mm ~466.4 mm;

测速:549 m/h;

全集成仪器串的总长度:32.88 m;

测井仪器的测量范围与精度:与常规仪器相同。

1.3 施工过程

过钻杆测井系统所完成测井任务与有线裸眼井测井是一样的,它的工作方式有别于电缆式裸眼井测井,其施工过程如下:

1)钻具与定制钻铤

在地面将定制钻铤与最下一节钻杆连接,然后下井。

2)仪器串安装

当钻具和定制钻铤组合下到预定测量井段深度位置时(预留仪器下放深度),在地面组装集成串(马笼头+遥测+吊挂系统+测井仪器),并置于钻杆内部,电缆鱼雷从钻杆旁通,进入钻杆,与集成串连接,地面系统判断仪器工作状态,正常后,进入集成串输送阶段。

3)集成串输送

集成串向井底输送时,在钻杆内部,初期靠重力下放,当重力不足以使集成串下放时,采用泥浆泵送的方式,推动集成串下放。

4)集成串着陆

集成串下到相应深度后,吊挂系统在定制钻铤上安全着陆。

5)仪器状态检测

通过地面系统向集成串下发指令,置仪器于自诊断模式,收到回复,判断仪器工作正常后,进入上下吊挂分离阶段。

6)上下吊挂器分离

电机推动上下吊挂器分离,仪器由储能短接供电,测井仪绞车通过电缆将马笼头、遥测、上吊挂收回至地面。

7)上提钻具开始测井

仪器在预设开始测井时刻进入测井模式,上提钻具,进行存储测井,各支仪器的测井信息统一存储在遥测短节的存储单元(双存储)中,同时每支仪器备用存储单元也对单支仪器数据进行备份。

在测井过程中,可以将马笼头、遥测、上吊挂下放,与下吊挂连接,检测仪器工作状态,避免出现问题而返工。

8)仪器返回地面、测井结束

由钻井深度标识,目的层测井完成后,下放马笼头、遥测、上吊挂下放,与下吊挂连接,取出集成串,并收回地面,施工过程结束。

9)数据回放

仪器返回地面后,通过地面读取装置读取存在存储单元的测井信息,并进行时深转换等数据预处理,至此完成测井施工过程。

2 系统设计

2.1 吊挂系统可靠性设计

为了确保仪器安全测井,吊挂系统是仪器串着陆、上下吊挂器可靠分离与对接的关键,过钻杆测井系统的吊挂系统设计灵巧、可靠,其结构如图2 所示,其工作原理如下:

1)下井时,上吊挂与马笼头连接,上吊挂与下吊挂在“挂接点A”处挂接,下吊挂底部连接仪器串;

2)到底指定深度,下吊挂挂接在“挂接点B”,此时通过“无线通讯”检查仪器状态,一切正常后,在“挂接点A”使上吊挂与下吊分离;将上吊挂提出井口;

3)需要将下吊挂及仪器串从钻杆处取出时,通过电缆放入上吊挂,通过泵送以很小的速度保证上吊挂与下吊挂在“挂接点A”挂接,取出仪器串或通过“无线通讯”检查仪器。

图2 吊挂系统示意图

2.2 仪器关键技术实现

由于仪器直径减小,导致仪器的开发难度急剧增大,通过理论研究和原理验证相结合的方式,解决了井下仪器和配套工具的技术关键,形成了过钻杆测井系统。

遥测是系统实现电缆测井和存储测井的保证,实现与地面系统、吊挂系统中的无线通信模块以及井下仪器总线通讯。传统的井下仪变压器尺寸较大,由于仪器内部空间的尺寸限制,无法放置。通过提高工作频率(400 Hz)、优选磁芯,实现了大功率电源变压器的小型化。

自然伽马测井仪器中集成了自然电位、连续测斜以及存储单元。在NaI 晶体径向和轴向均采取减震措施,充分保障了仪器抗震性能。存储单元选择大容量的高温可靠的存储芯片,容量为8 G(单片4 G,双片备份),数据存储平均速度:360 KB/min;数据读取速度:10 MB/min。优化伽马传感器的封装,尽量保证晶体的直径以及晶体与光电倍增管的耦合面积,确保自然伽马的计数率。仪器外壳为无磁的铍青铜材料,而且测斜传感器磁参考点的上下50 cm 内均为无磁性材料,充分保证了连续测斜仪器的精度。

通过有限元数值模拟技术,优化双侧向电极系,并计算了井眼、泥浆电阻率、层厚等影响因素的校正图版,经过地层电阻网络、室内刻度系统、电法模拟井测井验证,该仪器的探测深度与常规双侧向相当,经过校正后,电阻率测量范围、测量精度以及纵向分辨率均能够满足需求。

三参数测井仪器集成了井温、张力和泥浆电阻率测井,通过优选小型传感器,合理设计测量方式,满足了这三个参数的精确测量要求。

对于补偿中子和岩性密度测井仪器,通过MCNP 蒙特卡洛数值模拟软件进行理论计算,并结合机械实现,在保障机械强度的前提下,优化了源距和探测器尺寸,并计算了井径等环境因素的校正图版,保障了测井效果。

阵列感应测井属于成像测井,该仪器的直径减小,导致仪器实现非常困难,通过理论计算,优化线圈系,开发了趋肤效应校正、井眼校正等算法。在电路测量上,通过有效屏蔽、极微弱信号处理、温漂自动补偿,实现了超小直径的阵列感应测量,提供1 ft、2 ft、4 ft 三种纵向分辨率,每种纵向分辨率下提供10 in、20 in、30 in、60 in、90 in 五种径向探测深度的曲线。

2.3 低功耗设计

过钻杆测井系统兼有电缆测井和存储测井两种模式,在存储测井模式下,整个系统由储能短接(电池组)提供电源,为了实现长时间可靠测井,必须进行系统低功耗设计,在具体的设计过程中,采用以下方式实现:

(1)发射功率与测量信号匹配设计

在保证测量信号幅度、确保测井质量的前提下,尽量降低发射功率,尤其是对于电法测井仪器和声波测井仪器。

(2)电路模块化设计

仪器直径变小后,电路板的空间有限,为了保证仪器串长度,降低功耗,需要电路进行高度集成化,并且尽量选择低功耗元器件。

(3)系统间歇式工作

由于仪器测井速度较慢(取决于起钻速度),因此仪器不需要连续工作,可以通过间歇式工作,只要保证测井数据不丢失即可。

经过测试,井下集成串的功率如表1 所示。

表1 过钻杆测井系统的功耗

由表1 可以看出,集成串各单项的功耗都非常低,总功耗小于30 W,能够满足存储测井的需求。

3 系统特点与优势

与目前国内外过钻杆测井系统相比较,过钻杆测井系统具有以下显著特点与优势。

3.1 测井可靠性高

3.1.1 测井仪器的状态可实时检测

可在仪器进行测井前,检测仪器的工作状态:井下仪器具备工作状态是否正常的诊断功能,在上吊挂器与下吊挂器分离前,各井下仪器启动后,进入自诊断模式,通过上、下吊挂器之间的无线通信、遥测短接向地面系统上传工作状态,地面系统在判断所有井下仪器均工作正常后,上、下吊挂器分离,电缆带着马笼头、遥测以及上吊挂器回到地面,井下仪器开始转入测井模式。否则,如果有仪器在输送过程中导致工作不正常,则上、下吊挂器不分离,电缆重新将仪器带到地面,进行维修或更换相应仪器,避免在测井结束时发现有仪器工作不正常,而出现二次测井情况出现。

可在测井过程中实现监测测井仪器工作状态:在测井过程中,可以将马笼头、遥测、上吊挂下放,与下吊挂连接,仪器停止测井,转入自诊断模式,上传各自的工作状态,通过地面系统判断各仪器是否正常,避免仪器出现问题而返工。

3.1.2 吊挂系统可靠性高

经过多次试验,吊挂系统能够实现可靠着陆、分离、对接,充分保证井下仪器的安全可靠。

3.1.3 数据存储的可靠性高

自然伽马仪器内部集成了整个系统的存储模块,两片芯片,每个4 GBit 容量,共8 GBit 容量,充分保证测井数据的足够的存储空间,同时进行备份存储。另外各井下仪器的通信模块自带一个1GBit 的存储芯片,不仅向自然伽马仪器内的存储模块上传数据,同时能够存储本仪器的测井数据,因此,对于每一支仪器的测井数据而言,有三个存储空间,确保数据存储的可靠性。

3.2 测井时效高

3.2.1 井下仪器输送时效高

仪器向井底输送时,在钻杆内部,初期靠重力下放,当重力不足以使仪器下放时,采用泥浆泵送的方式。整个仪器输送工艺简洁、快速。

对于水平井、大斜度井,仪器靠自重无法下去,可通过泥浆将仪器泵送到位,避免了需要钻杆输送等耗时耗力的举措。

3.2.2 可以实现组合下井

过钻杆测井仪器采用标准的机械接口与电气接口,可以自由组合,能够实现一串下井,测井速度取决于起钻速度。

当测井项目增加,需要多串下井时,可以将马笼头、遥测与上吊挂重新下井,取出前次测井仪器串,再通过这套吊挂系统将第二串仪器下井,从而可以减少起下钻次数,提高水平井测井效率。

3.3 适用范围广

3.3.1 兼有电缆测井和存储测井两种模式

具有电缆测井的实时测井数据的传送,也可采用存储的方式测井,从而消除了使用电缆而带来的限制。

该系统包含的仪器本身就是超小井眼仪器,因为该系统具备所有的实时测井功能,只是比常规小井眼仪器更细、更轻,所以其优点将更突出,在井况复杂的情况下,超小直径测井仪器能够可靠获取地层参数。

3.3.2 可实现恶劣井况下测井

在恶劣的井况下,例如高狗腿肚井、大斜度井或长水平段的水平井中,下钻杆或起下设备时岩层不稳定等情况下,就显得尤其重要和可靠。测井仪器在输送和测井过程中,受钻杆的保护,从而避免仪器卡住或丢失的危险性,也免除为单独下井而需要的多次滑眼通井的需要,从而在这些“以往不可能测井”的井况下,可提供地层测井数据,有效避免了用随钻测井(LWD)和钻杆输送测井(PCL)的高昂的成本和风险。

3.4 测井项目全

井下仪器包含常规的测井仪器,也包括高端的阵列感应、阵列声波、岩性密度等测井仪器,能够满足油田勘探开发对储层评价的需要,也可以视客户要求开发低端的或某些特殊项目。

4 结 论

通过吊挂系统的可靠性设计、关键技术实现以及低功耗设计,开发了过钻杆测井系统,兼有电缆测井和存储测井功能,结合了传统水平井测井工艺和随钻测井的优点,具有可靠性高、时效高、适用范围广、测井项目全等显著特点,测井精度满足要求,能够实现常规裸眼井、小井眼直井和疑难复杂井况的测井任务,尤其适用于长水平段水平井、大斜度井的测井任务,必将为测井市场服务、能力拓展又提供一套全新的解决方案。

[1]钟启刚,刘 合,邹 野,等. 大庆钻井技术现状与发展方向[J].大庆石油地质与开发,2009,28(5)

[2]刘洪林,王 莉,王红岩,等. 中国页岩气勘探开发适用技术探讨[J].油气井测试,2009,18(4)

[3]仲相莉. 吉林油田浅层水平井测井及射孔工艺技术[D]. 大庆:东北石油大学,2011

[4]卢世春,王爱英,雷真田,等. 湿接头式水平井测井原理和仪器改进[J].石油仪器,2012,26(6)

[5]马建中,祁振萍,相九涛. 水平井测井仪器输送方法[J].石油仪器,2004,18(3)

[6]王冬冬,张传举,申小虎. LWF 测井在碳酸盐岩地层的应用[J].国外测井技术,2013,34(6)

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