过钻头测井--获取测井资料的新方法和迈向“过眼”钻井的第-步-.pdf

2 0 0 5年 第 3期 测 井与 射孔 3 3 过 钻 头 测 井 获取测井资料的新方法和迈向“ 过眼“ 钻井的第一步 J o h n Ru n i a等著 吴 艳 译 胜利测 井公 司 闵家华 校 胜利 石油管理局 摘 要 过钻头测 井 T B L 技术是 由 S h e l l 和 R e e v e s 石油公司在近几年开发 的， 它可 以取代标准 电缆 测井技术 和随钻测井技术 ， 具 有节省成本 和操 作方 便等 特点 。其 工作原 理是测 井仪 经过 钻杆 ． 通 过特 制 的钻头进入裸 眼 内， 采集 到的地层 评价 数据由 电缆工具从 地面读 出或储存起来在起 钻时起 出井眼。 Re e v e s 测井仪能耗低 、 直径小 2 ． 2 5 i n ， 是 目前最先进 的设 备 ． 它既适 用于 电缆作 业也适 用 于电池储 存作业 。Re e v e s 还有一种 2 ． 4 i n外径的地层压 力测试仪 ， 用电缆下人 ． 过钻头对压力进行实 时评价 。 TB L测 井方 法在 S h e l l 公司钻探 的很多小斜度 井 中进行 了试验 ， 准备投入 商业应 用 。其优点 是节 省 起下钻 时间 、 减少井 眼裸 露时间， 特别适合在 复杂 井中降低成本 。 “ 过眼” 钻 井 T h r o u g h B o r e D r i l l i n g ， 简 写为 TB D 技术是一种全新 的方法 ． 钻具 组合 和钻头 不仅仅 起 到钻井 的功 能 ， 而且是通 向井 眼和地层 的通道和 门。通 过这道 门可 以进行 各种作 业 ． 包括测 井和挤 水 泥。 它类似 于医学 上在孔眼中进行手术 ， 可一次性通过单个 导管到达手术点进行各 种手术 。T B D特 别适用 于 斜井 、 水平井和大位移井 中， 大大减少了起下钻 费用和风险 。 该文总结 了 T B L测井方 法及其 目前的试验情 况 ， 并对 T B D的最新进展情况进行 了讨论 。 关键词 过钻头测井过眼钻井 1 简 介 自从 1 9 2 7年斯 伦 贝 谢 兄弟 公 司完 成 了第 一 次 测井 作业 以来 ， 油 气 井 数 据 采 集技 术 在上 个 世 纪 得 到 了不 断 改 进 。 电缆 测 井 已经 完 全 成 熟 ， 随 钻 测井 技 术发 展 迅速 ， 可 以在钻 井 时 、 裸 眼井 或套 管井内进行 数据采集 。他们各 自有优缺点 ， 可在 费 用 、 质 量 与 风险 之 间权衡 利弊 做 出选 择 。 作 为 主要 作业 者 ， s h e l l 公 司采 用现 有方 法 采 集 数据 经历 了重 重 困难 ， 因而 萌 生寻 求 替 代 的方 法 。在这 一 过 程 中 ， S h e l l 公 司找 到 了一 个合 作 伙 伴 R e e v e s 公 司 ， 它能 够提 供裸 眼井 的小 井 眼测 井 仪器 ， 不 用 电缆 而 用存 储 方 式 工作 。Re e v e s公 司 已经有紧凑的定 型仪器 ， 能在现场提供高质量数 据 ， 井 眼 尺 寸最 小允许 1 2 i n ， 还为这 些仪 器 开发 了 存 储 工作 方 式 。这些 都 为合作 建立 了坚 实 的物 质 基 础 ， S h e l l 公 司 提 供 作 业 者 的 洞 察 力 和 钻 井 知 收稿 日期 2 0 0 5 0 6 1 2 译者简介 吴艳 ， 女 ， 1 9 6 9年生 ， 现在胜利测井 公司档案室工作。 识 ， Re e v e s 公 司提 供 成 熟 的 测 井 仪 器 ， 共 同 保 证 了新 技术 的开 发 。 2 过钻头测井如何工 作 测 井 仪下 人 钻 杆 ， 通 过 钻 头 进 入 裸 眼 内 图 1 。TB L钻 头是 在传 统 P DC钻 头 设计 基础 上 进 行 改进 使其 中心 部件 可 以移 开 图 2 。中心 部 件 或 叫插 入件 接 在 衬套上 ， 封 住 了钻 头 上 的孔 ， 衬 套 和插 入件 可 以在测 井仪 器 串 下部 连 结 的工具 的 作 用下 向外 打开 图 3 。这 样 就 打 开 了衬套 一 插 入件 这 个组 合件 ， 用安 全 的方 式 将 它们 锁在 一起 ， 带 到钻 头下 面的 裸 眼内 。仪 器过 钻 头 时打 开的 直 径 为 2 ” 。 T B L钻 头尺寸 在 1 2 i n与 5 i n之 间 ， 是 在标 准钻 头基 础 上 开 发 的 B B L 公 司 ， 目前 由 Va r e l 公 司生产 和销 售 。插入 衬 套 和下 放工 具 由苏 格 兰 Ar b r o a t h的 先锋 石油 仪器 公 司 开发 。 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 测 井 与 射孔 2 0 0 5 图 l 过 钻 头 测 井 。 在 划 眼 作 业 方 式 中 。 TB L 钻 头 位 于 有 问题 的 井 眼 之 下 。 测 井仪 器 下 入 并 打 开 钻 头 插 件 。 通 过 电缆 对 地 层 进 行 测 井 。 图 2 T B L钻头 。 展示中心插件。 b J 图 3 T B L下放 工具 a 。 插入件与锁具 b 。 下人 工具 有 两种 方 式 ， 一 种是单 程 方式 ， 插 人 件 和衬 套 采用 半 永 久 封 闭 ， 只有 在 仪 器起 出井 眼 后 才能 在 地面 进 行 拆 卸 ， 这 种 方 式 适 用 于 测井 仪 器 串通过 钻 头后 提管 柱 测到井 口的情况 。另一种 是往 返封 闭方 式 ， 测井仪 可 回缩 到钻 头 内 并起 到 地 面 ， 关 闭钻 头 上的通 道 然后 继续 钻 井 。 有 一点 要 清 楚 ， 钻 杆 必 须 从 地 面 通 到 钻 头 。 这 种测井 方式 最 有可能 实 现 的场合 是 在检 查性 起 下钻 或 划眼起 下 钻 的 时候 ， 问 题 是 要 调 整 钻 井 程 序 ， 使 过 钻头 测井有 可能 实 现 。 3 运用方 式 T B L测 井有 两种 方式 电缆 输 送 过 钻 头 和 储存 方式 将仪 器悬 挂在 钻 头 内 。可 以用 电缆下 人方式、 泵人方式或两种方法组合。 TB L钻 柱主要 有 两种 使 用 方 式 划 眼 方 式 和 钻 后 方式 。在划 眼方 式 中 ， TB L钻 头 是 单 独 下人 的 ， 例 如 与洗井 结 合 。在 复杂 条 件 下 或井 眼受 冲 刷 、 有 台阶时是 好 的解 决 方法 ， 钻 头 下人 到有 关层 段 的 下面 ， 让仪 器 能 够 在 有 问题 层 段 的 下 面进 行 测 井 。钻后 方式 中， TB L钻 头 用 来 钻 开 整个 或部 分 井段 ， 钻 具组 合要有 通 孔 ， 允许 无 需起 钻就 可在 钻 井 后 测井 ， 其 优 点 是节 省 起 下 钻 时 间 ， 然 而 ， 这 种 有通 孔 的底部 钻具 组合 必 须要 符 合钻 井要 求 。 目前仪 器 已采用 电缆 输送 方 式 在直 井和 中等 斜 度井 中进行 了试验 。在 划 眼方 式 和钻后 方 式下 都采用过电缆输送和储存方式 。下一步将采用储 存 方式 ， 泵送 仪器 到水 平 井 和 大斜 度 井 中完 成 测 井 。 4 测井仪 器 用 于 TB L作业 的测 井 仪器 必 须 是小 直径 的 ， 而且 都 能 够 采 用 电 缆 输 送 和 储 存 方 式 工 作 。 R e e v e s 小直径 仪 的外 径 为 2 i n ， 这 些 产 品 取 代 了 原先 l 2 i n井 眼 以内 的常规 仪 器 包括 l 6 i n井 眼的 电 阻率测 量 。这 些 测 量 已经 在 超 过 l 7 0 0 0次 电 缆测 井作 业 中得 到 了认 可 。仪 器 串 中包 括 用于 无 电缆 输送 的 电池和储 存模 块 。 基 本 测量项 目包 括 阵 列 感 应 、 双 侧 向 、 高 分 辨率 电阻 率 、 地 层 密 度 以及井 径 曲 线 、 自然 伽 马 、 中子 孔 隙 度 与 声 波 时 差 。辅 助 测 量包 括 双 臂 井 径 、 导 向和 温 度 等 项 目。直 径 为 2 ． 4 i n的储 层重 复压力 测试 仪现 已用 于 电缆 输 送 模 式 图 4 。偶 极 声波 确定 横波 速度 和 电阻率 成 像仪 在开 发之 中 ， 仪 器连续 工 作 耐 温 达 到 2 5 7 o F 1 2 5 ℃ ， 耐压 达 到 l 2 ． 5 k p s i 8 6 MP a 。 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 期 过钻 头测 井 获取 测 井资料 的 新 方法和 迈 向“ 过 眼 ” 钻 井的第 一步 图 4 外 径 为 2 ． 4 i n的 储 层 重 复 压 力 测 试 仪 MF T ， 8 i n TB L 钻 头 。 在 无 电缆输 送 方 式 中 ， 电 池 寿命 是 根 据 每 次 工 作 的仪器 串 结构 和预 测 温度 估算 得到 的 。单 个 模 块 为 3 组 合 感 应 、 伽 马 、 密 度 和 中子 孔 隙度 ， 提 供 2 0 h的能 量 ， 对 大 多数 工作 来 说 已足 够 。长 寿命的电池组用 于长周期作 业和更 复杂的仪器 串 。第 二代 电池 组 减 少 了 下 井 时 的能 量 损 耗 ， 相 当于增 加 了井 下 工 作 时 间 ， 能 够 满 足计 划 中将 来 的仪器 的能 量 需求 。 除 了要 求 数据 采集 是在 规定 的时间 间隔 而不 是 一定 的深 度 间 隔 以外 ， 储 存 方 式 与 电缆 地 面 系 统 完成 的数 据采 集 功能 是相 同的 。数据是 被记 录 在 永 久 性 存 储 器 内 的 ， 每 个 标 准 模 块 能 够 记 录 2 0 h的三组合测井数据 ， 每 5 0 0 ms 为一个采样点。 大 一点 的模 块 可 以延 长记 录时 间或 记录高 密度 的 数 据组 如声 波波 形 。 地 面系 统 电缆 输送 方 式时 ， 仪器 通过 以计 算 机 采集 系统 为 基 础 的 小 的专 用 地 面 设 备 下 人 井 内 ， 或者 由单 芯 电缆 输送 ， 使 作业 更灵 活 。储存 方 式 时 ， 储 存模 块 中的数据 可 以被 下载 到计算 机 中， 这 种设 备没 有 电缆 造 成 的额 外 工 作 、 后 勤 保 障 和 费用 问题 。储存 式地 面 系统 的其 他 部分包 括两 个 接线 板 和硬拷 贝绘 图仪 。 5 TB L技术 的优点及用途 这项 技 术 的两 个 重 要 价 值 是 费 用 低 和 风 险 小 ， 当用其 它 方法 有 困难 或 费用 过 高 时 也 可 选 用 该技术 。TB L是 在 相对 无 危 险 的钻 后 条 件下 与 随钻 条件相 比 作 业 的 ， 这 样 可靠 性就增 大 了。其 显 著优点 如下 1 作业 风 险减 小 钻 井管 柱在 绝 大部分 时 间里保 护 着 该 系统 的 最贵重的部件 测井仪 。当发生卡钻时 ， 损失小。 同 时 ， 只在测 井 时裸 眼 内才 有 放射 性 源 。 在 恶劣 的井 眼条件 下 。 T B L钻 头 能 够通 过 复 杂的层段安全地使用测井仪器 。任何时候都可 以 循环 泥 浆 ， 在 钻 头 打 开 或 封 闭状 态 下 ， 系 统 能 以 3 0 r p m 的速度 旋转 。 2 数据 安全 性 TB L增加 了在 第 一 时 间 获 取 高 质 量 数 据 的 机会 ， 尤 其是 井 下 环 境威 胁 到 电缆 输 送 的成 功 完 成 时 。只要 钻 头能 够 到 达 的 实 际 深 度 ， 测 井仪 器 也 能够 达 到 。 3 节 省钻机 时 间 在 大 多数情 况下 ， 测 井要 避开 危 险 的通道 ， 并 且沿 着 最新 的路 径获 取数 据 。 当井况 只允许 使用 管柱 输 送测 井 时 ， 上 述 做 法 将 变 得 更 有 价 值 。同 时 中 间测井 或 检查 性 测 井 的费 用 会 更 加 吸 引人 。 第 二 ， 也 是 同等 重 要 的一 点 就 是 在 进 行 多项 作 业 时 可让 管柱 留在 井筒 内 如钻 探 井到 目的深 度 、 测 井起 回到造 斜点 、 打水 泥塞 、 造 斜 和钻 生 产井 眼 。 4 探 井测 井 将 仪器 通 过 钻 头 下 人 裸 眼 内来 确 定 地 层 顶 界 、 特 性 或 压 力 ， 而且 无 需 起 钻 头 就 可 以继 续 钻 井 。 5 支持 远程 和单 管柱 风 险作 业 所 有 T B L的主 要 部件 能 用 标 准 空 运 箱 快 速 运输 。 6 电缆 不 间断传 输高 质 量数 据 数 据质 量与 电 缆 仪器 相 关 ， 可 以不 问 断提 供 测井 数 据 。整个 测井 阶段 钻杆 都 在 张力 情况 下 工 作 ， 深 度 控制 比 L WD要 简单 一些 。 6 目前 TB L试 验应用情 况 在 TB L开 发 阶段 ， 对钻 头 的性 能 和在 钻 井 中 封 闭的可 靠性 进行 了多次 试验 。在 6次 试验 中钻 进 约 2 0 0 0 m。其 中 2次 只 是 钻 井 试 验 ， 其 余 的 4 次成 功完 成 了 四组合测 井 仪器 串 的测 井 。最 近在 这 些 井 中下人 了压力测 试仪 表 1 。 在所 有 井 例 中钻 井 性 能 与 参 考 井 相 同 或 更 好 。早 期 试验 表 明 ， 当钻 井 泥浆 内有 细粉 末 时 ， 或 在 泵送 时封 闭系统 有潜 在 的弱 点 。在 最 新设 计 中 这 些情 况 都进行 了处 理 ， 该 设 计 首 次 在 2 0 0 4年 1 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 测 井 与 射孔 2 0 0 5血 月在北 海 的 一口浅 海井 中应 用 。结果 证 明该 系统 既能够 提供 高 质量数 据 又能 够节 省成 本 。 表 1过 钻 头 测 井 TBL 和 过 眼试 验 钻 头 序 地区 作业人 作业方式 尺寸 目的 结论 号 i n 钻 头 性 能 1 澳大利亚 Wo o d s |d e T B L 8 D TL曲线 试验 封 闭 性 试 对 细 粉 末 敏 2 C a me r o o n S h e u TB L 6 验 感 封 闭 性 试 测 井 成 功 但 3 美国 C o n o c o TB L 8 估 计 中 心 插 验 件脱落 测 井 效 果 好 ， 钻 井 与 测 由于 泵 入 过 4 荷兰 N a m TB L 8 井 度 中 心 插 件 脱 落 旋 转 定 向 5 美国 过眼 1 2 成功 试 验 定 向 钻 井 6 荷兰 N a n l 过眼 1 2 与 随 钻 测 T B D钻 井 成 功 量 T B D ／ 旋 旋 转 定 向 正在改进 轴 7 多地区 多家公司 1 2 转定向 试验 承、 极板 钻 井 与 测 很好 的 四 组 8 荷兰 Na m T B L 8 井 包括地 合 测 井 资 料 层压 力 包 括压 力 7 井例分析 北海探 井 2 0 0 4年 1月 ， T B L应 用在 北 海南部 的垂 直探 井 中。这 口井 由 8 i n钻 头 钻井 ， 钻 过 一 个 大 的盐 层 段 。TB L就 在井 场 上 ， 如果 钻 头钻 达 目的井 深 时 不能再 用 ， 就 有 可 能 进 行 TB L钻 后 试 验 ， 但 按 照原 计划 又 继 续 钻 进 了 ， 所 以 T B L试 验 失 去 机 会 。 由于 预想 不 到 的 井 眼 问题 使 TB L 系统 又 可 以应 用 了 ， 传统 的 四组 合 电缆 测 井 仪在 管 鞋 下 面 遇阻 ， 在调 整 仪 器并 第 二 次尝 试 后 结 果 相 同 。作 业者决 定使 用 T B L技 术 。接 上 TB L钻 头 ， 下 过 盐层 刚好 到 达 储 层 顶 部 。测 井 仪 器 串用 电缆 下 入 ， 穿过 钻 杆 ， 伸 到 钻 头 外 面 。用 的仪 器 是 双 向 的 ， 打 开 中心插入 件 ， 然后 进 入到 钻头下 面 的裸 眼 内 。 过钻 头 电缆 测 量 完这 一 井 段 后 ， 四组 合 测 井 仪 串又穿 过钻 头 回收 关 闭钻 头 上 的 中心插 件 。 第二 次过 钻头 下入 的是外 径 2 ． 4 i n的地 层 压力 测 试 仪 ， 它成 功进行 了 5组压 力试 验 图 5 、 图 6 。 后 来 由于 注水 泥插 入管 卡在 盐层 不 能继续 下 入 ， 由于 TB L系 统 的成 功 应 用 ， 决 定 采 用 过 钻 头 注水 泥作 业 。选 择 6 i n的 T B L钻 头 恰 好 它 在 井 场 ， 用 3 i n钻 杆作 为注水 泥 插 入 管 。下入 该 钻 具 组合 ， 成 功 注入 4个 水泥 塞 ， 包括 重力 测试 。据 估 图 5在荷 兰海 上油气 井中过钻头测得的 MF T资料 图 6 在荷 兰海上油气 井中过钻 头测得 的 四组合测 井 资 料 计 ， T B L最 少 节 约 了 5 O万 美 元 的 下 衬 管 费 用 。 此外， 获取的测井资料和压力数据可靠， 而且决定 不进 行侧 钻 。在船 上 ， TB L装 置 为作 业 者节 省 了 大量 资金 ， 结论 证 明 ， 其价 值 不仅 测 井而 且 可 以在 钻 井 中广 泛应用 。 n 0 0 0 0 0 ；5 n 7 8 ，2 -／ _／ l／l／ ＼ ＼ 、 一 三一 ∽ ∽ 一 一 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 过 钻 头测 井⋯获取 测 井资料 的新 方 法和 迈 向“ 过 眼” 钻 井的 第一步 8 下一步工作 1 “ 过 眼” 钻 井 T B L测 井 提 出 了 以下 问题 利 用 过 钻 头 ， 我 们还能进行哪些作业如何优化与钻井作业的结 合 这 就引 出 了过 眼 钻 井 TB D 的概 念 ， 这 种 情 况 下 ， 钻 柱组 合就 是 一个 功能 完 整 的钻 井 系统 ， 具 有 为 TB L测 井 和其 它 有 关 作 业 提 供过 眼通 道 的 作 用 。 在 TB L 中除 应 用 P DC钻 头 和 测 井 仪 器外 ， 过 眼钻 井还 需要 另外 两个 部 件 图 3 ① 能过 眼的 2 i n三 维旋 转 导 向装置 。 ② 有 一个 可移 去 和再 插 入 的探 管 式工 具 ， 在 回收 之后能 留下 2 i n的“ 过 眼” 。 当这些 部件 安 装 到 位 后 ， 就 能 利 用 旋 转 导 向 装 置 包 括 MWD 定 向钻井 ， 进 行 进 行裸 眼测井 ， 并且无 需起 出钻 井管 柱继 续 钻井 。 2 旋转 导 向工具 旋转导 向工具由休斯顿旋转导向仪公 司开发 的 。该 仪器 是 一个相 当简单 、 耐 用 的能过 眼 的 2 i n 设备 。其耐温是 3 0 0下， 主要特点是能应用在边 远地区， 全部元件 可以使用手工工具在 1 2 h内拆 开和重新组装 。仪器长 1 2 i n ， 便于空运 图 7 。 图 7 旋转导 向工具试 验 3 可 回收式 随钻 测量 仪 这 种随 钻 测 量 仪 由 C a l g a r y的 Ry a n能 源 技 术公司开发 。仪器经过商业应用 ， 配有特殊安装 设 备和 附件 的可 回收 探管 式 仪 器 ， 可 以过 眼作业 。 该 仪器 采用标 准 电缆设 备 ， 包 括 常规 的随钻 测量 、 磁 定 向测量 与 自然 伽 马 测 井 ， 能够 实 时 进 行 地层 对 比。数据通过水力正脉冲传输到地面。 计划 要 升级 的过 眼随钻 测 量项 目包 括 ①扩 展 电阻 率测 量 。 ②环 空 压力 测量 。 ③ 与旋转 导 向工具 的 井下 通讯 。 随钻 测 量配 套 元 件包 括 便 于 空 运 的 备 用 探 管和 安装 附件 。探 管需要 一根 在井 场便 于使 用 的 普 通 非 磁性 钻铤 。 9 验证过 井眼原理 为 了验 证钻 一 个 定 向井 眼 ， 然 后 打 开 钻 头 进 行 非 钻井 作业 如 地层 评 价 ， 采 用 阶梯 式 方 法 进 行 试 验 。 首先 对 TB L进行 应用 和试 验 表 1中试 验 1 ～ 4 。其 次 ， 旋 转 式 定 向工 具 和 随 钻 测 量 系统 应 用 在 过 眼作 业 中 ， 并 在美 国的 陆 地 井 中进 行 了试 验 。然 后 在 北 海 的 浅 海 区 域 进 行 了 试 验 试 验 6 ， 其 中 6 0 0 m 剖面是 采用 旋 转式 定 向系 统 、 可 回 收式 随钻 测 量 和 1 2 i n TB L钻头 成 功钻 开 的 。 上述试验结束后 ， 对旋转式定 向工具 和随钻 测量 系统 进 行进 一 步 改 进 ， 以便 在 不 久 的将 来 要 进 行 整个 系统 的重复 试验 。所 有合 作 者 在各 自作 业 过 程 中继 续开 发 和 使 用各 个 部 件 ， 每 个 部 件 在 各 自作业 中发挥 着 应 有 的作 用 ， 但 当他 们 组 合 在 一 起 应用 到 TB D 系统 中其 潜 能将 更 大 。 1 0 结论 T B L系统 现在 已经 成熟 ， 可 以 在 现 场应 用 到 直 井 和 中等 斜 度 的 井 中 。它 可 以减 少 费 用 ， 在 复 杂 井 况下 确保 数 据 的 采集 ， 在 复 杂 井 中 的应 用 有 其 特 殊 的吸 引力 ， 能够 快速 确定 取 心／ 下 套管 的位 置 或 评价 一 段地 层 而无需 起下钻 杆 或 者 可避 免 随 钻 测 井 的风 险 。 过 眼钻 井系 统 TB D 将 TB L扩 展 到 更 广 阔 的钻 井领 域 ， 并 使旋转 钻井 再 提高 一 步 ， 该 系 统 具 有 低 成本 、 多功 能定 向钻井 的潜 能 ， 还 能过 钻 头 测 井 。T B D系 统可 以对钻 头 下部 的地 层 进 行 评 价 ， 具 有 进行 多种 低 成本 、 低风 险作 业 的 技术 能力 。 译 自 S P W L A 4 5 An n u a l L o g g i n g S y mp o s i u m ，J u n e 6 9 ，2 0 0 4， P 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m