薛曉衛(wèi)(中石化經(jīng)緯有限公司江漢測錄井分公司,湖北 武漢 430000)
隨鉆測量技術是由國外引進,最早發(fā)現(xiàn)該技術的時間是在1980年,當時推出了最初版本的隨鉆測量工具,但是當時該工具只有井斜、方位、工具面測量的功能,應用整體比較受限。
如果地質條件比較復雜,則不能滿足鉆井需求。在此基礎上研發(fā)了定向鉆井技術,對隨鉆測量技術進行了創(chuàng)新,提高碎鉆測量技術數(shù)據(jù)傳輸效率、穩(wěn)定性,而且在實際應用中還表現(xiàn)出極高的耐磨性、抗震性,對比傳統(tǒng)技術手段的應用體積比較小。
目前,隨鉆測量技術在煤礦、化工等各個領域均得到應用。在高斜度井、水平井等數(shù)量不斷增加的現(xiàn)代,隨鉆測量工具、鉆井工具開始以組合的形式使用,建成常規(guī)電纜測井之后可以實時傳輸數(shù)據(jù)。目前,隨鉆測量技術已經(jīng)非常成熟,在原本功能基礎上可以支持異常地層壓力、地層密度、伽馬射線、中子孔隙度等的測量,同時包括隨鉆測井與地質導向的功能?;诖?,本文圍繞隨鉆測量技術對其發(fā)展與應用現(xiàn)狀進行討論,總結今后技術的發(fā)展前景。
隨鉆測量技術涉及到兩個部分,分別是地面、地下測量兩部分。化工行業(yè)應用該技術以井下系統(tǒng)比較常見,該系統(tǒng)由供電、測量、信號發(fā)生、數(shù)據(jù)傳輸組成,其供電形式為電池與渦輪供電[1]。如果采用電池供電,具有持續(xù)性的特點,但是往往作業(yè)時間比較有限,而渦輪供電的應用存在限定條件,即開泵運行條件方可達到供電目的,可在排量與耗電量比較大的情況下使用。隨鉆測量技術的測量對象包括鉆井軌跡井斜、方位、工具面這些關鍵參數(shù),將該技術和一些功能比較特殊的測量短節(jié)結合應用,可以對電阻率、扭矩、環(huán)空密度等和重要參數(shù)進行測量。轉子、定子中間的通道開關一旦有壓力脈沖產生,會有數(shù)據(jù)傳輸需求,此為井下信號,數(shù)據(jù)傳輸分為有線與無線兩種,適用于光纖、鉆井液、電磁波等工作情況。
根據(jù)化工領域隨鉆測量技術的應用,總結該技術原理如下:接近鉆頭位置的井底組合鉆具安裝測量工具,貼近鉆頭之后可以測量得到數(shù)據(jù),持續(xù)鉆進可以向地面?zhèn)鬏斝畔?,支持鉆進同時進行測量。目前,石油鉆井使用隨鉆測量技術涉及到很多比較復雜的系統(tǒng),而且各個系統(tǒng)結構、功能各異,常規(guī)隨鉆測量技術系統(tǒng)由信號遙測通道、信號與脈沖發(fā)生器、井下電源、參數(shù)傳感器、隨鉆測量地面系統(tǒng)組成,負責定向參數(shù)、地層評價參數(shù)、鉆井參數(shù)和安全鉆井參數(shù)的測量。
隨鉆測量技術在我國的起步比較晚,但是技術從研發(fā)開始一直到實現(xiàn)商業(yè)化應用的時間其實比其他國家短,其間僅有5~10年的時間。我國市場中隨鉆測量有關產品已經(jīng)相對成熟,例如電池驅動與渦輪發(fā)電驅動的裝置。以某頁巖氣工區(qū)為例,該工區(qū)普遍采用上述兩種隨鉆測量技術儀器,繪制自然伽馬實時傳輸曲線,幫助地質導向者制定科學的決策,使該工區(qū)水平段1 500~2 300 m實現(xiàn)了穿越。2021年此工區(qū)作業(yè)共計儀器入井次數(shù)超過了200次,但故障率只有6.0%,大部分井儀器均為零故障,代表隨鉆測量技術在化工領域的應用已經(jīng)進入到成熟期[2]。
我國現(xiàn)有的高溫隨鉆測量技術儀器設備,在應用中其耐溫條件已經(jīng)達到了175 ℃,而且在商業(yè)運作方面具有相對成熟的經(jīng)驗。很多企業(yè)開始進行隨鉆測量技術有關產品的自主研發(fā),將高溫175 ℃條件下的繞組線性衰減問題很好地解決,而且體現(xiàn)出低功耗的功效,設備外徑僅有44.5 mm,在化工領域應用具有良好的成效。對比國內外關于隨鉆測量技術的研究,國外信息傳輸速率問題還沒有完全得到解決時,該技術的發(fā)展方向包括兩點,分別是旋轉導向與單元集成模塊化。其中旋轉導向技術已經(jīng)非常成熟,提前設置井下儀器的若干個指令,達到雙向通信。按照實鉆軌跡選擇對應指令執(zhí)行,此時可以利用閉環(huán)執(zhí)行機構,旋轉的同時定向控制軌跡[3]。單元集成模塊化集合若干個參數(shù)測量裝置,將其集成到一個單根,渦輪發(fā)電負責供電,集成時涉及到改進原本傳感器,使其更加穩(wěn)定,而且支持多個探頭與角度的測量,也能夠達到遠距離測量要求,了解到地層各個交界面和地層所有元素、密度與孔隙度的實際情況。
根據(jù)化工行業(yè)實踐發(fā)現(xiàn),巖石、鉆孔關系很難進行精準定義,所有相關研究均是長期監(jiān)測數(shù)據(jù)之后,結合實際經(jīng)驗總結而來。雖然如此,鉆孔參數(shù)和巖性的聯(lián)系關系在主觀層面已經(jīng)認定為有密切的聯(lián)系。巖石孔隙、裂隙、不連續(xù)面比較多,即使是對一塊巖石取樣,要想對巖石建模也存在難度。受周圍環(huán)境溫度、含水率、圍壓等因素的影響,物理力學性質并非為一個常量[4]。綜合考慮之后,建議利用鉆孔參數(shù)判斷巖石材料性質指標的精準性。滲透率和巖石強度為正比例關系,但是也存在不連續(xù)面、裂縫、孔隙等因素的干擾。要想切實滿足鉆孔爆破的需求,符合數(shù)據(jù)采集、處理技術使用要求,可以采用隨鉆測量技術對數(shù)據(jù)進行監(jiān)測,在海量數(shù)據(jù)中得到有實際應用價值的巖性數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)。這就需要全面了解鉆孔過程、鉆孔時需要能量、鉆孔環(huán)節(jié)所有參數(shù)和巖體強度特性聯(lián)系。
以此為前提可以劃分隨鉆測量技術參數(shù)的類別,主要有測量參數(shù)、計算參數(shù)、推導參數(shù)。鉆機設備應用隨鉆測量技術時,轉速、振動等屬于直接測量參數(shù),扭矩、滲透率屬于計算參數(shù),推導參數(shù)一般與實際環(huán)境有關,按照鉆機、局部巖體性質得出結算結果,作為校正的參考依據(jù)。在隨鉆測量技術相關參數(shù)中,深度、時間、扭矩、鉆速等比較常見,振動、流速和沖洗介質壓力等其他參數(shù),可能會結合實際研究結果決定是否包含在內。此條件下的參數(shù)有兩種類型,即可控參數(shù)與不可控參數(shù)。例如,向下推力、鉆速是可控參數(shù),滲透率、扭矩則為不可控參數(shù)[5]。巖石分類參數(shù)中滲透率比較常見,對于隨鉆測量技術而言也是如此。按照物理學原理,可以發(fā)現(xiàn)鉆頭具有快速穿透軟巖石的效果,所以鉆速一般會被當做巖石強度指標。滲透率這一參數(shù)在測量、分析中也具有極高的參考價值,例如某煤礦鉆孔監(jiān)測工作中,滲透率發(fā)生變化可以直觀了解到煤礦石、廢煤存在的界限。要想了解地質條件,還可以關注到扭矩這一參數(shù),有時扭矩受巖石強度影響,如果巖石強度增加,那么扭矩也會增加。通過回歸分析發(fā)現(xiàn)扭矩、抗壓強度為正相關關系。
隨鉆測量技術主要負責的是測量裸眼井段測量,具有可視化功能,可以直接了解到井段內部實際情況。但是傳輸速率在此環(huán)節(jié)是非常重要的影響因素,采集參數(shù)還無法實現(xiàn)實時傳輸,建議采用單元集成測量模塊,不僅可以將測量得到的數(shù)據(jù)及時存儲,還在每趟鉆讀取和仿真處理等方面有明顯優(yōu)勢。單元集成模塊的主要應用范圍包括有機碳量、孔隙度、礦物組、地層密度、地層應力與傾角的測量與描述,為劃分儲集段提供依據(jù),還可以支撐巖石力學的分析和評估,采集制定壓裂開采決策所需數(shù)據(jù)。
目前,我國采用單元集成模塊化,在實踐中面臨一些難點,集中在以下三個方面:第一,隨鉆測量傳感器的合理應用。在儀器設備中,隨鉆測量傳感器屬于非常重要的部件之一。隨鉆測井實踐操作中需要用到的磁通計、加速度計和晶體,很大程度上依賴進口,采購傳感器總成轉變?yōu)椴少徤⒓?,再由技術人員組裝、標定。站在客戶視角,這種方式有利于縮短維修周期,節(jié)約維修環(huán)節(jié)的成本。第二,高溫芯片與高溫材料。劃分的所有單元采集數(shù)據(jù)之后,要對所有數(shù)據(jù)進行整理、分析與處理,此環(huán)節(jié)便要用到高溫芯片。處于高溫環(huán)境下,導線、橡膠和連接點的特性一般不會發(fā)生明顯變化。但上述材料大多采用進口的形式,所以難免會存在一些限制,導致研發(fā)環(huán)節(jié)難度增加。第三,信息傳輸速率。分析鉆井液的屬性為傳輸介質,傳輸隨鉆測量參數(shù)過程中,通常很少會受到地層、震動、壓力等因素的干擾。調整鉆探速度到3~5 min/m時,隨鉆測量伽馬、電阻率只能二者選其一。泥漿脈沖發(fā)生器和其他新型技術在隨鉆測量中的參與,不僅解決了該問題,也提高了信息傳輸速率。
隨鉆測量技術在化工領域應用,技術引入的初期階段只是被應用在爆破作業(yè)之前的巖體性質表征處理,有利于提升此環(huán)節(jié)的效率。采集物探、地質記錄的數(shù)據(jù)之后,將其與隨鉆測量技術監(jiān)測所得數(shù)據(jù)整合,自動生成巖體地下結構、地質力學數(shù)據(jù),作為礦山開采問題的分析依據(jù)[6]??梢婋S鉆測量技術在爆破、編制支護設計方案、礦體輪廓圈定等方面具有非常顯著的優(yōu)勢。例如,某煤礦的爆破孔鉆進環(huán)節(jié)使用隨鉆測量技術,現(xiàn)場鉆機運行產生的數(shù)據(jù),通過SE、礦區(qū)原始地層信息的對比,發(fā)現(xiàn)向下推力、巖石性質變化聯(lián)系非常密切,尤其是鉆速、扭矩不變時,向下推力更是具有非常重要的意義。監(jiān)測鉆進環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù),在爆破設計之前采集到豐富的地質數(shù)據(jù)。
因為牙輪鉆頭具有較高的成本效應,所以采礦工程的使用也非常普遍。但是發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場與井下信息的采集依然面臨問題,如地質發(fā)生變化之后,鉆頭發(fā)生磨損或是鉆機操作不合理,上述有關信息缺失直接降低了鉆孔效率。結合實際操作經(jīng)驗,對鉆頭軸向振動進行監(jiān)測,獲取牙輪鉆頭運行狀態(tài)[7]。觀察過程中發(fā)現(xiàn)鉆頭磨損之后,鉆頭振動頻率峰值逐漸轉變?yōu)楦哳l。以此為前提,針對牙輪鉆頭的軸向振動構建動力學模型,對鉆頭磨損狀態(tài)做出評估,觀察并分析鉆頭軸向振動得到的模擬結果,并對比實際結果,發(fā)現(xiàn)建模這一方法的有效性,明確鉆頭更換的最佳時間,使鉆機運行效率得到提升。評估鉆頭磨損程度這一方面,對比鉆頭實際鉆進性能、理論性能,發(fā)現(xiàn)鉆頭狀態(tài)可以掌握現(xiàn)場環(huán)境,并科學計算得出巖石強度。若隨鉆測量技術可以采集到現(xiàn)場的數(shù)據(jù)、計算巖石強度,便可以與測井獲得巖石強度展開對比。
鉆孔作業(yè)發(fā)出的聲音信號可以作為巖石抗壓強度的估算依據(jù),室內環(huán)境下應用小型氣動式鉆機。因為地層之間存在差異,同一類鉆機產生的噪聲也會不同,所以聲級變化分別對應不同的巖石類型,根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)可以挑選相應的炸藥類型,調整爆破設計方案。是由當活塞和鉆具、鉆具和巖石發(fā)生相互作業(yè),便會產生低頻聲級。鉆機排氣聲級頻率一般在125 ~2 000 Hz之間。噪聲頻譜的高頻段推力、聲級也有十分密切的聯(lián)系,如果在室內環(huán)境下可能會存在其他聲音信號的干擾,無法直觀了解到聲音信號與現(xiàn)場情況的關系?;谏鲜鰧﹄S鉆測量技術應用的討論,要想在化工領域充分發(fā)揮出該技術的優(yōu)勢,還需要結合現(xiàn)場實際情況與技術應用要求做出調整[8]。
市場經(jīng)濟在各行各業(yè)均表現(xiàn)出極為直觀的效果,尤其促進了市場供給與創(chuàng)新。化工領域也是如此,隨鉆測量技術與隨鉆測井技術在行業(yè)中的期望指數(shù)始終較高,為了適應不斷變化的行業(yè)發(fā)展趨勢,必須要明確未來隨鉆測量技術的前景。由鉆頭、實時傳輸速率、穩(wěn)定性是隨鉆測量技術普遍關注的三個要點,今后隨鉆測量技術的創(chuàng)新與改善也有明確的方向。
(1)實時數(shù)據(jù)傳輸效率將不斷提升。一般隨鉆測量技術的傳輸速率在3 bit/s左右,自然伽馬、中子、密度一類的常規(guī)測井數(shù)據(jù)均可以實現(xiàn)實時傳輸。如果傳輸速率在6 bit/s及以上,便可以實現(xiàn)成像、邊界探測這一類大數(shù)據(jù)流量數(shù)據(jù)的傳輸。根據(jù)技術實踐經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸速率影響因素以機械鉆速、隨鉆測量的傳輸速率為主,定向鉆井作業(yè)中的高隨鉆傳輸速率更是非常重要,可以消除機械鉆速對測量效率的限制。
(2)隨鉆測量技術穩(wěn)定性顯著增加。電子元器件本身必須具有耐高溫、耐高壓的性質,而且可以抵抗磁干擾,這在今后隨鉆測量技術的改進中都是非常必要的切入點[9]。
(3)鉆頭測量技術存在深度突破點,未來技術將實現(xiàn)調整井眼軌跡的實時追蹤,在隨鉆識別油氣、導向等方面做出調整與創(chuàng)新,促使油層鉆遇率得以提高。
(4)隨鉆測量技術的測量將更加全面,測量結果精確性、可視化程度也將不斷變化,尤其是在探邊與成像技術這一方面。我國很多化工項目應用隨鉆傳感器,該設備專利技術很多是由國外購入,今后將更加關注本土技術的研究,節(jié)省技術成本,達到全方位自主研發(fā)的目的,隨鉆測量技術可以適應更加復雜的工作環(huán)境。
(5)隨鉆測量技術已經(jīng)十分先進,但依然需要不斷完善與升級,建議參考國外的成功經(jīng)驗[10]。其他國家研究隨鉆測量技術獲得了成功的應用成果,尤其是對隨鉆測量技術的升級與拓展。例如無線隨鉆測量技術,要想不斷提升井下探測實力,應用無線隨鉆測量技術便需要不斷總結經(jīng)驗,參考國外研發(fā)、應用無線隨鉆測量技術的成功經(jīng)驗,大力研發(fā)MWD無線隨鉆斜測儀等儀器設備,提高我國隨鉆測量技術水平,逐步與世界先進技術接軌。
(6)今后關于隨鉆測量技術的應用與改進,還需要關注技術的自主研發(fā)。隨鉆測量儀器具有多種功能,而且這種綜合性儀器設備,在鉆井與自控等方面也表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢,具有高科技特征。盡管隨鉆測量儀器研發(fā)環(huán)節(jié)依然存在大量的風險,而且需要較多的資金,但是實際上我國已經(jīng)可以進行該技術和相關設備的自主研發(fā),基本上滿足隨鉆測量操作的要求。為此,今后隨鉆測量技術和儀器應該進一步加大自主研發(fā)力度,開發(fā)更加多元化的功能[11]。
(7)關于隨鉆測量技術與儀器的自主研發(fā),應該更加關注合作研究?;诂F(xiàn)有行業(yè)自主研發(fā)環(huán)境,需要在現(xiàn)有隨鉆測量技術基礎上提出創(chuàng)新建議[12]。其一,除了隨鉆測量領域的人才外,還需與其他行業(yè)領域的技術型人才相結合,吸收國外關于隨鉆測量技術的先進經(jīng)驗,發(fā)揮合作的力量進一步提高隨鉆測量技術先進性。其二,自主研發(fā)過程中,應該發(fā)揮相關政策的輔助作用,開發(fā)隨鉆測量技術在信息化、自動化、數(shù)字化行業(yè)環(huán)境下的新著手點,綜合隨鉆測量技術資源,研發(fā)更加多元化的機械儀器型號,改進近鉆頭式測量儀器結構與功能,為井下測量工作提供便利條件,并且進一步提高隨鉆測量技術精準度與應用穩(wěn)定性,發(fā)揮出對于石油工程測量的優(yōu)勢與價值。通通自主研發(fā)合作理念的創(chuàng)新,推進隨鉆測量技術的快速發(fā)展。
綜上所述,隨鉆測量技術是目前化工領域常用技術手段,具有實時跟蹤、高效率等諸多優(yōu)勢。結合目前國內外對于隨鉆測量技術的研究成果,今后在實操過程中還需要深入探究,以加強隨鉆測量技術穩(wěn)定性、實時傳輸效率等為目標,不斷優(yōu)化隨鉆測量技術使用效果,為化工行業(yè)提供先進技術支持,而且也能夠全面實現(xiàn)我國隨鉆測量技術自主研發(fā)與創(chuàng)新。