测井技术新进展及测井行业发展趋势

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作为油气勘探的重要手段之一,测井技术具有分辨率高、连续性强、节约成本等优势。随着油气勘探开发向着更深更复杂储层的推进,常规测井技术逐渐难以满足当前地层评价的需求。对此,越来越多的石油公司和服务公司致力于改进、提升测井探测和评价能力。经过近年不懈地研发和试验,成像测井、核磁共振测井、地层测试及油藏监测等领域已取得显著进展。

当前,全球油气行业正处于调整期,国际油价低位震荡,石油需求增速放缓,技术服务市场竞争激烈,全球测井行业受这些因素影响,出现了新的趋势和动向。文章通过梳理近年测井技术新进展,研判全球测井行业发展趋势,以期更好地把握测井技术的未来发展动向。

一、近几年测井技术新进展

1 电缆测井测量精度大幅提升,功能得到扩展

近年来,电缆测井技术进入平稳发展期,虽未推出革命性的系列技术,但在原有电、声、核等测量原理的基础上,发展了许多新的测量方法、新技术和新工艺,电缆测井技术的测量精度得到大幅提升,功能也越来越完善。

新型高分辨率岩性扫描成像测井仪Litho Scanner

斯伦贝谢公司正式推出了基于14MeV脉冲中子发生器的新型高分辨率岩性扫描成像测井仪Litho Scanner,该仪器可在井场提供高分辨率能谱测井数据,实时定量分析复杂岩性地层的矿物成分及有机碳含量。主要技术特点包括:

1)准确的总孔隙度定量分析和储层质量量化评价;

2)俘获谱和非弹性伽马谱成功组合使用,精确确定总有机碳TOC参数;

3)提供准确的镁含量,区分白云岩和方解石;

4)仪器的测量值不受岩芯标定和复杂解释模型限制。

Litho Scanner较之前的岩性识别技术ECS具有明显优势(见下表)。

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新型多分量多阵列感应测井仪MCI

多年来,阵列感应测井在改善常规和非常规储层评价方面发挥着重要作用,这类技术主要采用多频单阵列或单频多阵列方式进行测量。为了满足不断增加的各向异性储层评价需求,哈里伯顿公司研发了新型多频多阵列MCI仪器,该仪器具有1组发射线圈(轴向线圈和正交线圈)和6组接收线圈,在12~84千赫范围多个频率上顺序激励每个发射线圈(X、Y、Z方向),测量每个接收线圈的信号。

MCI的主要特点是,采用多个频率和多个阵列在垂直或大斜度井中测量所有张量数据,然后利用快速数据处理算法和软件系统,准确计算出地层水平电阻率、垂直电阻率、倾角和走向等。仪器具有较强的适用性,可在垂直和大斜度的水基泥浆井、油基泥浆井和空气钻成井中使用。

新型高分辨率油基泥浆微电阻率成像测井仪Quanta Geo

尽管近年油基泥浆微电阻率成像测井技术取得了一定进步,但受成像质量不高等因素限制,仍落后于水基泥浆微电阻率成像测井技术,特别是在深海低阻地层中,油基泥浆微电阻率成像测井的成像效果较差。斯伦贝谢公司研制的新型油基泥浆微电阻率成像测井仪Quanta Geo,由探测器、供电部分和采集部分(含测斜模块)组成。

其中,探测器部分有8个极板,安装在2组间隔3.6英尺的支撑臂上,每组支撑臂上4个极板位于相同的测量深度上,极板与支撑臂之间由旋转接头连接,可以轴向旋转15°,所有6个支撑臂完全独立,可变换节面角,测井时无需使仪器完全居中,便于在各种剖面和倾角的井中测井。

与常规成像测井仪不同,新型高分辨率油基泥浆微电阻率成像测井仪的测量全部在极板上实现(见下图),且频率(兆赫)高于以往的任何成像仪器。极板中心装有一排钮扣电极,屏蔽电极环绕着钮扣电极,两个回流电极位于屏蔽电极两侧。钮扣电极和屏蔽电极基本保持相同电位,共同形成电流发射极,两个回流电极的电位也基本保持相同。新型仪器的测量结果具有更高的分辨率、更大的井眼覆盖范围,受环境影响也更小。

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2 随钻测井系列不断完善,探测深度和数据传输率逐步提高

多层位地层边界探测技术PeriScope HD

为了更准确地探测多层位、多方向的地层及流体边界,确定边界方位,以便在碎屑岩或碳酸盐岩等复杂地层中优化井位布置,斯伦贝谢公司推出了多层位地层边界探测技术PeriScope HD。该技术可获取方位伽马、多深度电阻率、深方位成像及随钻环空压力(APWD)等数据,定量评价地层和当量循环密度,在含薄层、隔层的多种储层类型中提供较好的地质导向服务。

结合反向对称测量的随机反演模型,能够准确地预测地层倾角,从而更好地在复杂地层导向,确保井筒穿过储层最佳甜点,有效增加产能。PeriScope HD技术通过提高信噪比可降低地层边界的不确定性,更精细地描绘储层边界和流体界面。

此外,该仪器的一项全新质量控制指标可用于验证实时解释结果,包括反演数据的不确定性,从而得到更准确的储藏模型和储量估值,优化未来的井位设计。

油藏随钻成图技术GeoSphere

斯伦贝谢公司推出的GeoSphere油藏随钻成图服务,利用深探测定向电阻率测量仪器和专用的实时解释方法,有效识别地下岩层和流体边界特征,优化井眼轨迹和地质导向,完成多层边界绘制。该项服务采用全新的数学反演方法,通过模块化多频测量,获取多种地层电阻率、倾角和储层厚度等数据,进而实现实时、自动随机反演。

GeoSphere仪器分为675和825两种型号(见下图),分别适用81/2~97/8英寸和121/4~143/4英寸井眼,探测深度达100英尺,可准确指导钻达目标油藏,无需钻领眼,从而大大降低钻井风险和成本。利用GeoSphere技术还可确保井眼保持在目标储层范围内,远离流体边界,提高油藏接触面积。该技术可对专业人员开展地震解释结果和地质结构模型完善工作提供有力保障。

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新一代MWD小井眼随钻测量仪DigiScope

在深井、超深井的随钻数据传输过程中,受井深距离影响,泥浆脉冲信号在传输至地表时会出现信号衰减,降低了数据质量。斯伦贝谢公司开发出新一代小井眼随钻测量仪DigiScope(见下图),仪器采用平滑相移键控(SPSK)遥测方法,实时完成井斜、方位、工具面、方位伽马、振动与冲击、压力等的测量,可为大位移井、陆上和深海小井眼井实时提供地质导向和油藏描述服务。

该仪器的工作频率为0.25~24赫兹,最大数据传输速率36比特/秒,较常规传输速率提高了6倍。通过采用新型调制算法,将DigiScope技术与新型数据压缩平台Orion Ⅱ结合,可使数据传输速率提升至140比特/秒。如果采用加工后的微粉化重晶石钻井液进行钻井作业,可将随钻测量(MWD)信号强度提升一个数量级。

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3 地层测试与采样技术优化升级,应用效果良好

三维流体测试与采样技术Saturn 3D

斯伦贝谢公司推出的自密封Saturn 3D探头技术,可实现井眼周围地层中真正的三维环形流体流动,使获得有代表性的地层流体和流体取样及挑战性环境下(低渗透、重油、未固结地层、不规则井眼等)的井下流体分析(DFA)所需时间大大减少。

Saturn 3D的4个椭圆形径向探头分布在仪器四周,间隔90°(见下图),每个探头的表面流动面积均为19.86平方英寸,是传统探头最大表面流动面积的2倍以上,4个探头的总流动面积达79.44平方英寸,是传统标准探头的500倍。

探头边缘四周安装了64个独立的重型弹簧,并在芯轴四周安装了2个大直径重型弹簧,弹簧系统较大的累计闭合力能够保证圆形探头的回收,使作业风险降到最低。该仪器的探头排列有助于流体沿井眼四周形成环形流动,快速清除井周的泥浆滤液,抽取未被污染的地层流体。较大的流动面积可诱发和保持低渗透地层、未胶结岩地层和稠油油藏的流体流动。

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地层流体采样系统RCX Sentinel

相较于常规流体取样技术,贝克休斯公司新推出的RCX  Sentinel技术采用聚焦取样探头模块,封隔器配有两个同心的环形流体入口。当封隔器贴靠地层时,通过不同的管线和泵出模块将流体分别引入不同入口。独立的外围入口充当泥浆滤液向中心入口流动的屏障,单独控制与每个入口连接的流体泵,可以优化流速。

通过对地层/井眼界面的流速进行优化,可以将被污染的流体引入外围入口,使纯净流体进入内部流动区域,进而获取纯净流体样品。RCX  Sentinel系统可快速开启和关闭取样筒,确保纯净流体不受干扰进入单相取样筒,从而获取较高纯度的地层流体样品,且作业时间节省50%以上。

新系统能够耐高温高压,可承受的最高温度达375Fo(约191℃),最高耐压达2.5万磅/平方英寸(约172兆帕),可以在高温高压等恶劣环境下使用。

4 光纤监测技术快速发展,发展前景广阔

近年来,光纤监测技术取得较大进展,主要体现在以下三个方面。

1)光纤分布式温度测量(DTS)

威德福、斯伦贝谢、哈里伯顿等大型服务公司均推出了耐温达300℃的光纤温度测量系统,该项技术将光纤转换成间隔0.5米或1米的若干个温度传感器,在测量时,通过询问器向光纤发送激光脉冲,光纤中的分子振动引起拉曼反散射,通过对比反散射强度来计算光纤的温度。利用DTS技术对油气井的温度剖面进行永久性监测,利于更好地实现油气井和油藏管理,尤其适用于蒸汽辅助重力驱(SAGD)和注蒸汽采油作业。

2)光纤分布式声波测量(DAS)

DAS系统使用沿井筒长度方向布放的标准单模光纤,将数千米长的标准电信光纤转变为微型检波器阵列,利用相干光时域反射测定技术,观测因光纤玻璃芯非均质性引起的微弱的反散射信号,并在上部读写单元对采样率、空间分辨率和通道数量等参数进行优化,从而将原始声波数据从读写器单元传送到处理单元,进行信号的解释与可视化。

利用该项技术可实现流量测定、出砂检测、气体突破、人工举升优化、智能完井监测及近井眼监测等。

3)光纤分布式应变测量(DSS)

受地质应力或油藏压力过高等因素影响,套管会出现变形或破裂等情况。为了对套管形态变化进行预防性检测,优化油气井生产和开发,壳牌与贝克休斯公司联合开发了实时套管成像仪(RTCI),可提供连续、实时、高分辨率的套管图像,监测受油藏压实、上覆层膨胀和其他地质力引发的套管异常。

截至目前,尚无其他方法能够在无需下入井中、不干扰生产的情况下,实现同等灵敏度、动态范围、空间分辨率和响应时间的套管监测。

5 非常规地层评价技术备受关注,依然是研究重点

从近几年测井分析家协会(SPWLA)年会中的论文数量可以看出,正式论文中涉及非常规地层评价领域的文章占比最大,这说明非常规储层的测井评价依然是难点和热点。

从研究内容上来看,近年来主要是将测井评价与石油公司储层研究紧密结合,在采集技术、岩石物理研究、处理与解释方法研究以及储层评价等系列技术方面提升优化,形成有地质针对性的测井综合解决方案。

例如,哈里伯顿公司与Anschutz勘探公司联合研究的利用微电阻率成像和元素分析数据来识别富含有机质的非常规薄层;斯伦贝谢公司提出一种新的工作流程来精确评价古沉积环境的氧化还原条件等级,量化非常规地层有机质含量,并结合测井与录井方法,利用软件对矿物及其比例进行精确识别,计算得到的元素比率对地层评价起到关键的指示作用。

6 数字岩石物理技术发展迅速,越来越受到重视

数字岩石物理技术能够克服经验化的岩石物理数据、理想化的岩石物理模型以及难以开展的实验室实验等种种限制,可以获得同一块岩芯的几乎所有岩石物理特性及其相互关系;而对于一组给定的流动单元、相或者岩石类型的若干岩芯,还可以通过高分辨率成像、细分以及特征值的计算与处理,获得这些岩芯的岩石物理特性变化趋势或规律,因此该项技术一直被测井界所推崇。

近几年,建立在孔喉尺寸级别上大量岩石物理实验的严格的数值模拟技术不断涌现,包括成像、计算、模拟等,这不仅降低了钻井取芯工作量,加快了低渗透岩石物理测量进度,提高了数据精度,也极大地提高了非常规复杂储层岩石物理研究水平和能力。预计未来数字岩石物理技术将在测井评价与分析方面发挥更重要的作用。

7 测井软件系统不断更新,构建综合解释评价平台

近年来,测井软件系统方面也获得了新进展。CGG公司的powerlog测井分析软件系统,可快速满足单井、多井的测井资料分析任务,在单井压裂分析与评价方面有特色。PARADAM公司的Geolog 7.2测井解释系统在油藏背景的测井评价方面具有特色。斯伦贝谢公司的Techlog 2015版平台,能够把所有的井筒数据集成到一个高度直观的应用模块中进行分析,且支持跨学科的复杂工作流程。

二、测井行业发展趋势

1 国际先进测井技术仍将以大型测井服务公司引领为主

从近几年测井新技术、新仪器的推出情况来看,国际先进测井技术垄断的格局依旧存在。斯伦贝谢、哈里伯顿、贝克休斯等大公司仍主导着全球测井技术的发展方向,在仪器研发、基础研究、资金投入等方面都处于领先地位。

2015年,斯伦贝谢公司在已有产品基础上开发出GeoFlex井场岩芯定量分析与成像装备、proVISION Plus核磁共振随钻测井仪器等前沿技术;贝克休斯公司推出的新一代水泥胶结测井仪Integrity eXplorer,代表着该领域的世界最新水平。由此可见,国际先进测井技术仍将以大型测井服务公司引领为主。

2 随钻测井技术向纵深发展,测量系列日趋完善

由于地层界面的变化和储层的非均质性越来越强,加大随钻测井仪器的探测深度能够更好地探测储层边界及油气水界面,了解地层界面和储层性质的变化情况,使井眼轨迹保持在储层以内并同储层界面保持一定的距离,远离油水界面,从而起到更好的勘探生产效果。目前,随钻电阻率测井的探测深度已经增加到30米,利用深探测定向电阻率测量、实时解释方法和油藏随钻成图服务,可以有效识别地下岩层和流体边界特征,进行油藏多层边界绘制。

近年来在全球随钻测井领域,既有随钻核磁共振测井仪、自然伽马能谱随钻测井仪等新型仪器推出,也有利用随钻测井资料开展水平井的储层评价与岩石物理研究,还有在成熟的常规随钻技术基础上加入了新的成像测井系列仪器。随钻测井技术正在向纵深发展,测量系列更完善,解决地质难题的能力也更强。

3 地层测试技术需求不断增加,未来应用范围广泛

地层测试技术的最新进展表明,仪器探头的数量已经从1个增加到4个,可以从井眼周围4个方向开展压力测试和流体采集,从而实现三维压力测试和流体采样。此外,探头表面流动面积大幅增加,使低渗、未固结和含高粘度流体地层的测试和取样时间大幅减少。

随着目标储层愈加复杂,地层评价难度越来越大,未来对地层测试技术的需求将不断增加,其应用范围将进一步扩展。

4 测井解释评价软件向多学科一体化方向发展,更重视油气藏综合评价

经过数年发展,测井软件系统已不是单一的测井解释评价,而是向多学科一体化方向发展,与岩石物理实验分析、硬件的结合更加紧密,更加重视运用综合井筒数据对储层进行全面评价和整体解释。通过实现平台化、模块化和系列化,油气藏综合评价已经成为未来测井解释评价软件发展的主体趋势。

5 测井基础理论方法研究更加重要,分析技术与手段日益丰富

近年来,国际大型石油公司、服务公司以及涉及油气领域的综合大学,在测井基础理论方法研究方面投入巨大,形成的解释方法、解释模型得到了很好的应用。

例如,贝克休斯公司为了提高水泥胶结测井的精度与可靠性,研究了一种新型电磁声波换能器,通过改变磁场和线圈结构,使换能器发出不同模式的波,可用于空气钻成井的水泥胶结测量,实验证实了这种换能器测井仪器的稳定性,形成了在测井理论、方法等方面的前沿性研究成果。

BP公司联合贝克休斯公司研究了高频介电测井仪器在介电各向异性测量的敏感性,并基于渐进分析和数值模拟结果,针对不同的仪器结构、相对倾角、频率和地层参数,取得了一些介电各向异性敏感性研究结果,新方法具有扎实的测井基础理论作支撑。

可见,在测井技术的未来发展道路上,测井基础理论方法的研究具有至关重要的作用,通过不断的深入研究和探索,分析技术与手段将日益丰富。

三、结语

当前地层评价对测井技术要求越来越高,全球测井行业继续保持稳定发展,技术进展主要集中在传统技术的性能提升、新技术的系列完善以及前沿技术的探索研究等方面。伴随着国际油价振荡、技术服务市场收紧等复杂环境,测井技术发展将面临严峻挑战。

我国测井技术发展虽然起步较晚,但近十几年来,通过实施”学习、跟随、追赶”的技术发展战略,并适当增加科研人力物力投入,我国测井技术已经取得显著进展。电缆测井方面,成功研发出了以EILog、LEAP为代表的电缆测井技术,大大提高了国内测井成套装备的技术水平,并形成了”三电两声一核磁”等成像测井仪器系列,但与国外电缆测井技术的飞速发展相比,仍存在一定差距,需要持续开展重点新技术和新仪器的研发工作。

随钻测井、地层测试及前沿技术等方面与国外差距明显,在研发力度和应用规模方面均处于落后状态,必须紧跟技术发展趋势,借鉴国外先进经验,加快发展步伐。当前全球范围内的大型测井公司正处于格局调整的关键时期,可酌情开展国际间合作或并购,把握国外大公司重组整合机遇,提高研发起点,推动测井技术跨越发展,增强我国测井行业的竞争力。(文|王丽忱 中国石油集团经济技术研究院 原载《国际石油经济》)