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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(kāi)啟測(cè)井時(shí)代，測(cè)井技術(shù)已經(jīng)過(guò)近90 a的發(fā)展，期間發(fā)生過(guò)許多革命性的變化。測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的采集方式經(jīng)歷了電纜測(cè)井、隨鉆測(cè)井以及過(guò)鉆頭測(cè)井。為應(yīng)對(duì)復(fù)雜的測(cè)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(mén)從 1998 年開(kāi)始就對(duì)過(guò)鉆頭測(cè)井(Through Bit Logging)方法進(jìn)行研究。過(guò)鉆頭測(cè)井自開(kāi)發(fā)以來(lái)，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(guó)際石油科技十大進(jìn)展項(xiàng)目。

過(guò)鉆頭測(cè)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(guò)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(cè)井儀器；另一方面，過(guò)鉆頭測(cè)井儀器測(cè)量不連續(xù)，測(cè)井項(xiàng)目少，測(cè)量精度及橫向分辨率不夠。因此，過(guò)鉆頭測(cè)井現(xiàn)在并未在全國(guó)普及，如何解決這些問(wèn)題已成為當(dāng)務(wù)之急。

1 過(guò)鉆頭測(cè)井原理

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，過(guò)鉆頭測(cè)井是指測(cè)井儀器由鉆桿穿過(guò)鉆頭進(jìn)入井眼實(shí)施測(cè)井作業(yè)。作業(yè)時(shí)利用鉆具將過(guò)鉆頭測(cè)井儀器導(dǎo)入目的段進(jìn)行測(cè)量。其鉆頭須采用TBL鉆頭，TBL鉆頭是PDC鉆頭經(jīng)過(guò)特殊改造制成的，該鉆頭中間有2.5in供測(cè)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(cè)量方式對(duì)過(guò)鉆頭測(cè)井儀器的制造提出了很高的要求。相比電纜測(cè)井，過(guò)鉆頭測(cè)井儀器的直徑要小得多，儀器內(nèi)元器件也要更密集。過(guò)鉆頭測(cè)井儀器目前主要有自然伽馬測(cè)井儀、感應(yīng)測(cè)井儀、中子測(cè)井儀、密度測(cè)井儀、聲波測(cè)井儀等(見(jiàn)表1)。

表1 過(guò)鉆頭測(cè)井儀器明細(xì)表

2 過(guò)鉆頭測(cè)井面臨的挑戰(zhàn)及應(yīng)對(duì)策略

2.1 過(guò)鉆頭儀器耐溫耐壓性能面臨的挑戰(zhàn)及應(yīng)對(duì)策略

當(dāng)今世界對(duì)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(kāi)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(guò)了5 000 m。 隨著勘探難度的日益增加，要求地球物理測(cè)井儀器提高耐高溫性能指標(biāo)。由表1所示，過(guò)鉆頭測(cè)井的最大耐溫為150℃，最大耐壓為103 MPa，較常規(guī)電纜測(cè)井而言，過(guò)鉆頭測(cè)井儀器的耐溫耐壓指標(biāo)明顯偏低，那么過(guò)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(cè)井儀器一樣，過(guò)鉆頭測(cè)井儀器在研發(fā)中必須考慮如下問(wèn)題，以解決儀器在耐溫耐壓性能方面的問(wèn)題：

(1) 過(guò)鉆頭測(cè)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(duì)機(jī)械強(qiáng)度的要求。

(2) 過(guò)鉆頭測(cè)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(guò)鉆頭測(cè)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(guò)鉆頭測(cè)井儀器直徑很小，井下儀器的控制比電纜測(cè)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(wèn)題。過(guò)鉆頭測(cè)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(cè)量井下溫度和壓力參數(shù)，一旦溫度和壓力超過(guò)儀器可以承受的范圍，自動(dòng)保險(xiǎn)裝置開(kāi)啟收回測(cè)井儀器。

(4) 由于測(cè)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(duì)元器件的設(shè)計(jì)制造提出了更高的要求。為了使測(cè)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(cè)井元器件，篩選出性能較好的元件，使其能夠在測(cè)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(cè)線的排布，簡(jiǎn)化儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增大元器件的間隙。

2.2 過(guò)鉆頭儀器垂直分辨率和測(cè)量精度分析

為適應(yīng)油田勘探幵發(fā)的需要，薄層測(cè)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(shí)別薄層并評(píng)價(jià)儲(chǔ)層流體性質(zhì)。這就對(duì)測(cè)井儀器的垂直分辨率和測(cè)量精度提出了挑戰(zhàn)，如何提高過(guò)鉆頭測(cè)井的垂直分辨率和測(cè)量精度又是一大難題[4]。

過(guò)鉆頭測(cè)井的垂直分辨率見(jiàn)表1。垂直分辨率就是測(cè)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(cè)井采樣間隔和儀器本身的分辨率。就目前的測(cè)井技術(shù)水平來(lái)說(shuō)，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(hào)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(guò)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(huì)決定其分辨率。通?？梢詮目v向響應(yīng)曲線上求解分辨率，例如感應(yīng)測(cè)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(cè)量精度的影響主要是分為兩大類(lèi)，一是儀器本身的刻度精度，二是實(shí)時(shí)采集的精度。針對(duì)儀器的刻度精度(見(jiàn)表2)，我們可以定期進(jìn)行室內(nèi)刻度定標(biāo)，測(cè)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(lái)自鉆具的干擾。針對(duì)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(guò)鉆頭儀器測(cè)量精度表

2.3 過(guò)鉆頭儀器測(cè)量項(xiàng)目分析

在地球物理測(cè)井中，測(cè)量的項(xiàng)目種類(lèi)及數(shù)量會(huì)直接決定解釋的精細(xì)程度，較少的測(cè)量項(xiàng)目往往會(huì)產(chǎn)生多解性，這給后續(xù)的勘探開(kāi)發(fā)提高了困難。過(guò)鉆頭測(cè)井由于技術(shù)條件的限制，只有一些基本的測(cè)井項(xiàng)目，詳見(jiàn)表1。而常規(guī)電纜測(cè)井已經(jīng)集測(cè)井儀絞車(chē)、對(duì)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(cè)量項(xiàng)目全面，解釋精度高。過(guò)鉆頭測(cè)井應(yīng)該增加一些比較重要的測(cè)井項(xiàng)目(如核磁共振測(cè)井)，以增加過(guò)鉆頭測(cè)井解釋的精度。

3 過(guò)鉆頭測(cè)井前景展望

過(guò)鉆頭測(cè)井技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越成熟，在世界各大油田發(fā)揮著一定的作用。由過(guò)鉆頭測(cè)井衍生出的過(guò)孔鉆井(TBD系統(tǒng))也越來(lái)越完善，并且過(guò)鉆頭測(cè)井將會(huì)在這種過(guò)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(guò)鉆頭測(cè)井的通道，因此TBD會(huì)是過(guò)鉆頭測(cè)井重要的發(fā)展方向[5]。

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

4 結(jié)語(yǔ)

(1)過(guò)鉆頭測(cè)井作用已經(jīng)越來(lái)越完善，比較于電纜測(cè)井和隨鉆測(cè)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(guò)鉆頭測(cè)井將會(huì)在今后很長(zhǎng)一段之間內(nèi)發(fā)揮不可被替代的作用。

(2)過(guò)鉆頭測(cè)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。