隨鉆測量隨鉆測井技術(shù)現(xiàn)狀及研究

吳東華(上海海隆石油管材研究所，上海 200949)

0 引言

隨鉆測量(measure while drilling，MWD)技術(shù)可以在鉆進的同時監(jiān)測一系列的工程參數(shù)以控制井眼軌跡，提高鉆井效率。隨鉆測井(logging while drilling，LWD)技術(shù)可以不中斷鉆進監(jiān)測一系列的地質(zhì)參數(shù)以指導鉆井作業(yè)，提高油氣層的鉆遇率[1-5]。

近年來，油氣田地層狀況越來越復雜，鉆探難度越來越大。在大斜度井、大位移井和水平井的鉆進中，MWD/LWD是監(jiān)控井眼軌跡的一項關鍵技術(shù)[6-8]，是評價油氣田地層的重要手段[9]，是唯一可用的測井技術(shù)[3]，而常規(guī)的電纜測井無法作業(yè)[10]。國外的MWD/LWD技術(shù)日趨完善，而國內(nèi)起步較晚，技術(shù)水平相對落后，國際知識產(chǎn)權(quán)核心專利較少[9]，與國外的相關技術(shù)有一段差距。本文介紹國內(nèi)外MWD/LWD相關產(chǎn)品的技術(shù)特點和市場應用等情況，分析國內(nèi)技術(shù)落后的原因以及應對措施。

1 國外MWD/LWD技術(shù)現(xiàn)狀

20世紀60年代前，國外MWD的嘗試都未能成功。60年代發(fā)明了在鉆井液柱中產(chǎn)生壓力脈沖的方法來傳輸測量信息。1978年Teleco公司開發(fā)出第一套商業(yè)化的定向MWD系統(tǒng)，1979年Gearhart Owen公司推出NPT定向/自然伽馬井下儀器[10]。80年代初商用的鉆井液脈沖傳輸LWD才產(chǎn)生，例如：1980年斯倫貝謝推出業(yè)內(nèi)第一支隨鉆測量工具M1，但僅能提供井斜、方位和工具面的測量，應用比較受限，不能滿足復雜地質(zhì)條件下的鉆井需求[11]。1996年后，MWD/LWD技術(shù)得到了快速的發(fā)展。

國際公認的三大油服公司：斯倫貝謝、哈里伯頓、貝克休斯，其MWD/LWD技術(shù)實力雄厚，其儀器耐高溫耐高壓性能好、測量精度高、數(shù)據(jù)傳輸速率高，幾乎能滿足所有油氣田的鉆采，在全球油氣田均有應用。

斯倫貝謝經(jīng)過長期的技術(shù)及經(jīng)驗積累，其技術(shù)特點為高、精、尖、專，業(yè)內(nèi)處于絕對的領先地位[12-15]，是全球500強企業(yè)。LWD的技術(shù)主要體現(xiàn)在智能性、高效性、安全性[10]。全球范圍內(nèi)主要以服務為主。

哈里伯頓是典型的美式風格，技術(shù)層次化。MWD/LWD儀器趨于大眾化，業(yè)務較廣。利用LWD進行地質(zhì)導向，井下傳感器與地面之間雙向傳輸，提高大斜度井和水平井的鉆井效率[16-19]。

貝克休斯在簡化及小型化儀器方面，注重測量精度。定向控制技術(shù)更為先進，精控井徑，井眼質(zhì)量更好。其LWD技術(shù)在定向井、地層評價和地質(zhì)導向等方面，且有高效、可靠的特點[20-21]。

1.1 國外三大油服公司的MWD/LWD儀器特點

MWD儀器方面，三大油服公司的技術(shù)均比較成熟。高溫儀器在井況175 ℃，甚至200 ℃，都能正常工作。數(shù)據(jù)傳輸速率是評定MWD儀器性能好壞的一項關鍵指標，斯倫貝謝的MWD儀器可以適應不同的實時傳輸需求，例如：TeleScope測量儀的數(shù)據(jù)傳輸速率范圍為(0.5～120)bit/s[10]。三大油服公司均沒有具有打撈功能的下坐鍵式MWD儀，僅斯倫貝謝的上懸掛式儀器SlimPulse可以打撈[22]。哈里伯頓特有的Sperry上懸掛650系列的儀器，在極端環(huán)境下，能精確的控制井眼軌跡，準確的評價地層，但其脈沖器復雜，研制周期長，成本較高[23-24]。斯倫貝謝與貝克休斯的旋轉(zhuǎn)閥脈沖器，主要特點是高速傳輸、防堵及耐溫性好。伽馬儀器的技術(shù)水平相當。

LWD儀器方面，三大油服公司的技術(shù)各有專長。斯倫貝謝的Vision和Scope系列儀器，基本上完成了所有的傳統(tǒng)電纜測井任務；TeleScope主要用于數(shù)據(jù)的遙測遙傳，保證實時性[25-26]；PeriScope儀器最大的亮點是提高了鉆遇率[27-28]；SeismicVision儀器實現(xiàn)了隨鉆地震測量，井眼軌跡實時可視化，實時地層評價[29]，目前僅斯倫貝謝擁有隨鉆地震技術(shù)[7]。貝克休斯的Auto Trak eXpress系統(tǒng)可實現(xiàn)自動三維鉆井導向技術(shù)，在定向鉆井、地層評價和地質(zhì)導向方面具有高效、可靠的特點[30-34]。常規(guī)型電磁波電阻率儀器的技術(shù)性能相當，其中，貝克休斯的電阻率儀器最具特色，設計結(jié)構(gòu)更加經(jīng)濟，更穩(wěn)定；斯倫貝謝的電磁波電阻率儀器能適應(3～9)in的所有尺寸，提供不同深度和側(cè)向電阻率并實現(xiàn)成像[10]。僅斯倫貝謝有EM近鉆頭儀器，可在距井底0.5m測量井斜、伽馬、鉆頭轉(zhuǎn)數(shù)、電阻率值；確定地層界面和劃分巖性，準確控制井眼軌跡；測量快，成本低等特點；方位伽馬儀器性能相當，其中，貝克休斯結(jié)構(gòu)設計更具特色，例如探管式和鉆鋌式高清方位伽馬，其分辨率更高。

其他工具儀器方面，旋轉(zhuǎn)導向儀可精確控制井徑，實現(xiàn)準確增斜、穩(wěn)斜、降斜，降低所鉆井段的狗腿度，降低鉆進過程中卡鉆的機率。斯倫貝謝和貝克休斯的旋轉(zhuǎn)導向技術(shù)比較前沿，引領科技前沿；其中，斯倫貝謝的旋轉(zhuǎn)導向儀的應用范圍最廣。密度及孔隙度儀器的技術(shù)水平相當，其中，斯倫貝謝的無放射源儀器的市場占有率最高。聲波儀器性能特點及測量類似，推入市場近30年，較成熟穩(wěn)定。

1.2 三大油服公司MWD/LWD儀器的市場應用

三家公司的MWD/LWD儀器在全球范圍內(nèi)均有應用，其中，斯倫貝謝的MWD/LWD各類測井儀在世界各地的油田均得到了越來越廣泛的應用。據(jù)統(tǒng)計，到2010年為止，我國各油田引進的MWD/LWD儀器主要有：斯倫貝謝的 PowerDriver，貝克休斯的Ontrack系列5套、Navitrack系列28套，哈里伯頓的FEWD系列22套[10]，后來也有相應的引進。

據(jù)2021年上海石油裝備展會會議報告，三家公司的MWD/LWD均以全球服務為主，純MWD市場只是附帶，主要以獨立的中小公司為主，其市場覆蓋范圍很廣，占有率相對較低，估計為40%左右。所有電阻率市場配套目前還是以三家公司為主，全球市場占有率超過70%。其中斯倫貝謝市場占有率最高。

從會議數(shù)據(jù)顯示可知，斯倫貝謝與貝克休斯的旋轉(zhuǎn)導向儀器市場占有率超過90%，斯倫貝謝更是以產(chǎn)品系列及應用市場范圍最廣，占據(jù)市場最高占有率，超過50%。密度及孔隙度儀器和聲波儀器主導著市場，主要應用于海上油田，市場占有率高達90%，斯倫貝謝與貝克休斯的市場占有率超過70%，其中斯倫貝謝預計超過50%。其中，聲波儀器應用范圍很少，全球聲波儀器總計估計不超過100套。

2 國內(nèi)MWD/LWD技術(shù)現(xiàn)狀

國內(nèi)MWD/LWD的研究起步較晚，儀器的數(shù)據(jù)傳輸速率小于12 bit/s[35]，僅常規(guī)150 ℃的MWD儀器研制相對成熟，而LWD技術(shù)較落后。在六五、七五期間開始研究LWD項目，但未取得應用成果。2000年前，主要依賴引進國外的設備，消化吸收后，創(chuàng)建作業(yè)隊伍和研究力量。之后開始自主研制LWD，取得了一定的成果，并逐步興起。2005年隨鉆電阻率測井儀首次下井試驗成功，標志著我國LWD技術(shù)具備國際服務競爭的能力，勢必打破國外服務公司的壟斷局面。國內(nèi)石油行業(yè)在隨鉆測量儀及定向井隨鉆儀器方面制定了標準[36-37]，也有企業(yè)標準[38]。

目前國內(nèi)在MWD/LWD技術(shù)上有一定水平且能自主研制成功的公司主要有三家：公司A、公司B、公司C。

公司A是國內(nèi)首家專業(yè)化MWD儀器的生產(chǎn)廠家，專注技術(shù)的積累和提升，在儀器的耐溫性方面有所突破，已自主研制了高溫175 ℃的儀器。MWD/LWD儀器在國內(nèi)市場占有率最高，且國內(nèi)所有油田均有應用。

公司B成功吸收了哈里伯頓Sperry上懸掛350、650系列相關儀器，目前測斜儀領域內(nèi)極具競爭力。在常規(guī)150 ℃以內(nèi)，自主研制的儀器較成功。近年來其主營業(yè)務逐漸轉(zhuǎn)向市場服務，且服務業(yè)務占具國內(nèi)首位。

公司C在MWD/LWD方面起步稍晚，但在無線隨鉆儀器設計開發(fā)、生產(chǎn)制造和銷售方面擁有豐富的經(jīng)驗。技術(shù)上與美國GE-Baker Hughes合作開展隨鉆測量工程服務。目前在油田小井眼中應用的儀器較多。

2.1 國內(nèi)三家公司的MWD/LWD儀器特點

MWD儀器方面，三家公司均有下坐鍵式MWD儀，主要是具有打撈的功能。其中，公司A的下坐鍵式MWD儀最具特色，極力提高儀器的耐溫性。公司B和公司C有Sperry上懸掛650系列儀器，一般應用于150 ℃以下的溫度環(huán)境；其中，公司B的技術(shù)水平相對較高，在國內(nèi)首屈一指。目前僅公司A有旋轉(zhuǎn)閥脈沖器上懸掛系列儀器，針對深井175 ℃高溫環(huán)境研制的產(chǎn)品，市場應用較成功。另外，伽馬儀器技術(shù)水平相當。LWD儀器方面，電磁波電阻率儀器，公司A主要與美國PAISANO公司合作推廣，公司B主要仿制貝克休斯的儀器，公司C早期與GE合作。EM近鉆頭儀器，僅公司A在耐溫技術(shù)上有所突破，150 ℃的儀器較為成熟。僅公司A有4.75in系列的電流式近鉆頭儀器，以及有線近鉆頭儀器，能夠解決無線近鉆頭儀器的一些弊端。方位伽馬儀器，三家公司的技術(shù)水平相當，其中，公司A在國內(nèi)市場占有率較高。

2.2 國內(nèi)MWD/LWD儀器的市場應用

公司A由于起步早，擁有全套常規(guī)、高溫儀器，在市場占有率方面擁有絕對優(yōu)勢；公司B和公司C在不同區(qū)塊擁有各自強勢的市場區(qū)域，其中，公司B在中石化銷售應用占優(yōu)，公司C在中石油銷售應用占優(yōu)。

公司A除Sperry上懸掛650系列儀器之外，其他MWD儀器在國內(nèi)市場占有率最高，主要市場為陸地市場，是獨立定向井服務公司的首選儀器。MWD儀器在售價、生產(chǎn)維護成本、維修周期上相對占優(yōu)。LWD產(chǎn)品較為成熟，擁有實際成功案例，且國內(nèi)市場占有率屬于第一梯隊，主要特點為深井、耐溫性好。在中石油區(qū)塊服務業(yè)務中，每年都是中標廠家，業(yè)務經(jīng)驗較豐富。

公司B在Sperry上懸掛650系列儀器的市場方面占有率最高，出售價最高，相同配置下差額達到20%左右。因銷售市場飽和，主要業(yè)務逐漸轉(zhuǎn)向市場服務。技術(shù)服務主要以150 ℃的MWD儀器和電阻率儀器為主，同時引進旋轉(zhuǎn)導向儀器，提供綜合服務，總體服務能力較強，服務業(yè)務收入居國內(nèi)首位。然而，150 ℃溫度等級，其單口井中使用的耗材成本較高，是公司A整體成本的1倍左右。

公司C研制的MWD儀器在5 000 m以內(nèi)的油井中使用相對平穩(wěn)。

3 國內(nèi)外技術(shù)差距及國內(nèi)應對措施

3.1 國內(nèi)外技術(shù)差距

(1)在MWD/LWD技術(shù)方面，國內(nèi)目前還沒有一家真正有影響力的國際化、專業(yè)化服務的公司。

(2)技術(shù)方面，國內(nèi)僅常規(guī)150 ℃的MWD技術(shù)水平及儀器與國外相當，但高溫儀器方面存在一定的差距，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①耐高溫性，國內(nèi)儀器的耐溫性大多處于150 ℃，而175 ℃的儀器尚不完善；②數(shù)據(jù)傳輸速率，國內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸速率為(1～12)bit/s，國外的數(shù)據(jù)傳輸速度為(6～120)bit/s；③性能持續(xù)穩(wěn)定性及可靠性與國外尚有差距；④產(chǎn)品系列較少，高端設備如旋轉(zhuǎn)導向、密度孔隙度等儀器國內(nèi)至今未能形成真正市場化。

(3)市場方面，國內(nèi)陸地市場基本以國產(chǎn)MWD為主，幾乎沒有差距，主要差距在國際市場；國際市場仍然以歐美產(chǎn)品為主；因為高端產(chǎn)品缺乏，國際主流市場、海上高端市場仍然為國外壟斷。

(4)價格方面：同等產(chǎn)品，國內(nèi)價格基本是國際的40%～60%之間，價格優(yōu)勢明顯。

3.2 國內(nèi)的應對措施

(1)不斷學習、研究、消化，進一步拓展高端產(chǎn)品，解決高溫、深井儀器的可靠性。

(2)以中外合作的模式進行產(chǎn)業(yè)化。一方面采用國外的技術(shù)及原材料為基礎，國內(nèi)設計及系統(tǒng)配套降低綜合成本。另一方面促使市場服務水平達到更高的程度。

(3)資源有效整合。目前國內(nèi)各家公司有各自的核心技術(shù)，可能有一定的互補性，發(fā)揚各家之所長，整合市場其他產(chǎn)品技術(shù)，形成一致的技術(shù)平臺與完整產(chǎn)業(yè)鏈。

(4)國內(nèi)常規(guī)產(chǎn)品銷售市場已經(jīng)飽和，發(fā)展空間受限。下一步，要提高儀器的性能及質(zhì)量，拓展海上作業(yè)市場及高端服務市場。

4 結(jié)語

MWD/LWD是油田鉆采中的一項關鍵技術(shù)，不僅節(jié)省成本，提高效率，更重要的是降低了事故率，搞高了安全性。國內(nèi)MWD/LWD技術(shù)水平較落后，生產(chǎn)的相關儀器應用有限，應該緊跟國際技術(shù)的發(fā)展趨勢，通過不斷引進和學習，結(jié)合國內(nèi)各油井的地層情況，研制相適應的MWD/LWD儀器，推動MWD/LWD技術(shù)進一步發(fā)展，進而在實踐中節(jié)約成本，提高安全性，獲得經(jīng)濟效益和社會效益。