張宇飛 趙昆 王攀 孫瑞娜 阮小飛
1.中國(guó)石油華北油田公司勘探開發(fā)研究院;2.中國(guó)石油華北油田公司勘探部
阿北凹陷位于馬尼特坳陷東部,面積約600 km2,是二連盆地勘探潛力較大的凹陷之一[1]。該凹陷發(fā)育有欣蘇木、扎拉格、阿東以及阿西4 個(gè)正向構(gòu)造。已發(fā)現(xiàn)油藏為構(gòu)造油藏,凹陷構(gòu)造活動(dòng)劇烈,地層破碎,地震資料品質(zhì)較差,且存在稠油油藏,成藏規(guī)律不清[2]。針對(duì)阿北凹陷復(fù)雜斷塊油藏,尋找一種更加有效的地層測(cè)試技術(shù),進(jìn)一步增強(qiáng)測(cè)試資料的針對(duì)性、可靠性、實(shí)用性,指導(dǎo)儲(chǔ)層措施改造、合理認(rèn)識(shí)儲(chǔ)層,成為下一步勘探部署的關(guān)鍵工程。地層測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能夠?qū)崿F(xiàn)井下關(guān)井狀態(tài)下的數(shù)據(jù)直讀,是及時(shí)判定工藝有效性、制定下步生產(chǎn)決策的有效手段之一。但目前陸地試油常規(guī)測(cè)試無(wú)法對(duì)井底數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),通常需要起出管柱工具儀器才能得到測(cè)試數(shù)據(jù),導(dǎo)致在試油測(cè)試某一環(huán)節(jié)(如射孔、開關(guān)井)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)不能及時(shí)監(jiān)測(cè)或因開關(guān)井時(shí)間不合理導(dǎo)致測(cè)試資料錄取不到有效參數(shù)而重復(fù)測(cè)試。最新研究發(fā)展的井下無(wú)線傳輸測(cè)試技術(shù)可在射孔后實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井底壓力變化情況,對(duì)保障測(cè)試成功率和試油成效具有重要意義[3-6]。
國(guó)外井下無(wú)線傳輸測(cè)試系統(tǒng)研制始于上世紀(jì)70 年代初,但受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件所限,該系統(tǒng)技術(shù)極不成熟,存在傳輸速率低、傳輸距離短、數(shù)據(jù)通訊不可靠等問(wèn)題。隨后,國(guó)外眾多公司在該技術(shù)的相關(guān)研究上投入了大量的精力及經(jīng)費(fèi),取得了一定的成果,特別是在無(wú)線隨鉆領(lǐng)域取得了可喜的進(jìn)展。2000 年美國(guó)IntelliSrev 公司在美國(guó)能源部的支持下經(jīng)過(guò)7 年的工程實(shí)踐和研發(fā),成功研制了傳輸速率可達(dá)2 M/s 的智能鉆桿系統(tǒng)。但采用該技術(shù)的測(cè)試系統(tǒng),如高山公司的“無(wú)線傳輸測(cè)試系統(tǒng)”、先鋒公司PLS、McAllister 的“無(wú)線實(shí)時(shí)”系統(tǒng),以及哈里伯頓公司的ATS(聲波無(wú)線測(cè)試技術(shù))無(wú)線傳輸系統(tǒng)等多處于研發(fā)試驗(yàn)階段,其無(wú)線傳輸速率和通訊距離均不理想,無(wú)法滿足油氣井測(cè)試的需求。目前較為成熟的產(chǎn)品為Schlumberger 公司的DataLatch 工具及法國(guó)地質(zhì)服務(wù)公司的EMROD 工具[7-9]。Data-Latch 工具通過(guò)電磁耦合方式,實(shí)現(xiàn)DST 測(cè)試閥上下接收器與電子壓力計(jì)的雙向無(wú)線通訊。其技術(shù)核心為耦合通訊磁芯結(jié)構(gòu),最高工作壓差120.68 MPa,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力可達(dá)960 000 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn);EMROD 工具采用低頻電磁波數(shù)據(jù)傳輸方式進(jìn)行跨測(cè)試閥無(wú)線通訊,其壓力量程為103.4 MPa,溫度量程175 ℃[10-11]。我國(guó)對(duì)井下無(wú)線傳輸測(cè)試系統(tǒng)的研究始于上世紀(jì)80 年代,其中最具代表性的為中國(guó)電波傳播研究所承擔(dān)的“隨鉆測(cè)量電磁波傳輸信道可行性研究”項(xiàng)目,其設(shè)計(jì)最大無(wú)線傳輸深度可達(dá)3 280 m,為當(dāng)時(shí)同類研究之首。渤海鉆探測(cè)試公司自1994 年起對(duì)井下無(wú)線傳輸測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行研究,陸續(xù)形成了SG-1、JJ-1、SG-2 和JJ-2 系列。SG-1 和JJ-1 系列采用美國(guó)PANEX1500 直讀式電子壓力計(jì),無(wú)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)功能,當(dāng)井下未能對(duì)接時(shí),外掛壓力計(jì)所采數(shù)據(jù)將全部丟失;SG-2 系列能夠?qū)崿F(xiàn)井下和地面的雙單向通訊,也具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能,但井下無(wú)線通訊距離很短,耐溫只有125 ℃,適應(yīng)范圍??;JJ-2 系列采用電磁耦合傳輸方式[12],可實(shí)現(xiàn)每秒10 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的全雙工雙向通訊,整體耐溫150 ℃,壓力精度0.02%,單芯鎧裝電纜驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)度≥7 000 m,但井下無(wú)線通訊距離較短(最大通訊距離只有1 m),實(shí)際關(guān)井時(shí)因井內(nèi)壓力劇減,會(huì)使接收器與發(fā)射器位置發(fā)生變化,導(dǎo)致對(duì)接超出范圍的現(xiàn)象。同時(shí)受通訊距離短的限制,該系統(tǒng)只能與APR 測(cè)試工具進(jìn)行配合使用,施工成本高,不適合陸地油田應(yīng)用,造成其推廣使用受到嚴(yán)重限制。
目前用于井下無(wú)線測(cè)試通信方式大致可分為4 種:鉆井液脈沖方式、聲波及應(yīng)力波方式、電磁耦合方式、低頻電磁波方式。鉆井液脈沖方式數(shù)據(jù)傳輸速率較慢(每秒幾個(gè)比特),信息量較小,傳輸信號(hào)受鉆井液的質(zhì)量和泵的不均勻性影響較大?;诼暡ǚ绞降臒o(wú)線傳輸系統(tǒng),由于傳輸過(guò)程中信道結(jié)構(gòu)不均勻,井內(nèi)聲場(chǎng)相互作用影響,信號(hào)接收微弱,存在回波振蕩、非線性失真,信號(hào)衰減嚴(yán)重等問(wèn)題,信號(hào)提取較為困難?;趹?yīng)力波的無(wú)線傳輸系統(tǒng)功耗較大,數(shù)據(jù)傳輸較慢。電磁耦合方式無(wú)線傳輸系統(tǒng),具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率和可靠性,但其無(wú)線傳輸距離較短,需要與電纜通信結(jié)合使用。低頻電磁波方式的主要優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸能力較強(qiáng)、通訊距離遠(yuǎn),但難點(diǎn)主要為:(1)極低頻電磁信號(hào)的發(fā)射,對(duì)天線的絕緣度、天線與地層間的阻抗匹配要求很高,導(dǎo)致收發(fā)電路復(fù)雜程度提高;(2)地層衰耗和背景噪聲對(duì)信號(hào)的影響較大,需要比較復(fù)雜的信號(hào)檢測(cè)與數(shù)字處理方法。
在深入研究國(guó)內(nèi)外油田DST 測(cè)試特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,結(jié)合阿北凹陷地質(zhì)特點(diǎn)和幾種無(wú)線傳輸方式技術(shù)特點(diǎn),優(yōu)選了基于低頻電磁波方式的無(wú)線傳輸來(lái)跨越測(cè)試閥,并配合長(zhǎng)距離電纜傳輸?shù)降孛娴脑O(shè)計(jì)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試閥下地層參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
阿北凹陷井下儀器系統(tǒng)對(duì)井下測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線實(shí)時(shí)傳輸,采用低頻電磁波進(jìn)行井下測(cè)試信號(hào)的無(wú)線傳輸。其中,井下電子壓力計(jì)采集的溫度和壓力數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)發(fā)射器傳送至井下電纜所攜帶的接收器上,繼而通過(guò)電纜傳輸至地面信號(hào)收發(fā)器及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上,而地面信號(hào)收發(fā)器則通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到基地客戶端和評(píng)價(jià)解釋中心,其結(jié)構(gòu)組成及工作原理如圖1 所示。
圖1 儀器結(jié)構(gòu)及工作原理Fig.1 Instrumental structure and working principle
該技術(shù)目前已在陸上其他地區(qū)展開應(yīng)用,應(yīng)用效果良好,但仍存在井下信號(hào)對(duì)接不成功、電磁波信號(hào)弱、傳輸距離短等問(wèn)題,為進(jìn)一步強(qiáng)化儀器可靠性和適用性,對(duì)電磁波無(wú)線傳輸測(cè)試工具及管柱結(jié)構(gòu)和信號(hào)處理及發(fā)射電路進(jìn)行改進(jìn)。
電磁波無(wú)線傳輸技術(shù)在以往試驗(yàn)中,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)井下信號(hào)對(duì)接不成功的問(wèn)題。通過(guò)分析研究得出原因主要有3 個(gè)方面:(1)井斜過(guò)大、方位角變化的影響;(2)井下工具串尺寸及結(jié)構(gòu)不科學(xué),導(dǎo)致與套管內(nèi)壁接觸,使信號(hào)短路衰減;(3)信號(hào)接收的對(duì)接部位和方式需要改進(jìn)。
2.1.1 測(cè)試管串結(jié)構(gòu)短路位置分析
(1)以X16 井為例,測(cè)射聯(lián)作管柱結(jié)構(gòu)如圖2 所示。根據(jù)圖2 所示內(nèi)外徑尺寸,假設(shè)水平放置,扶正器在充分靠近套管的情況下,計(jì)算工具管串與套管的間隙,具體數(shù)據(jù)見表1。將計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比,液壓定位短節(jié)下部與套管的間隙最小,間隙值約3 mm。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,分析液壓定位短節(jié)處易出現(xiàn)短路。此外,對(duì)管串各段的彈性及柔性進(jìn)行分析,從液壓定位短節(jié)到測(cè)試閥管串的組合及外徑研究,短油管外徑最小僅為?73 mm,彈性彎曲度可能最大,也易造成短路現(xiàn)象。
表1 工具管串各儀器上下扶正器與套管間隙表Table 1 Clearance between casing and upper/lower centralizer of each instrument of tool string
圖2 X16 井下管柱組合示意圖Fig.2 Downhole string combination in Well X16
在不考慮井的斜度、方位角、套管形變等情況下,假設(shè)短路僅由測(cè)試管串與套管的間隙和管串彈性彎曲2 個(gè)因素造成,那么定位短節(jié)及其下部短路的可能性最大。因此,針對(duì)大斜度井的施工環(huán)境,在現(xiàn)有工具的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)對(duì)定位短接、扶正器、接收器進(jìn)行升級(jí)改造。
2.1.2 扶正器和扶正方式改進(jìn)
目前,設(shè)計(jì)管柱結(jié)構(gòu)中的最上部和最下部的金屬扶正器為一體結(jié)構(gòu),上部距離定位縮頸1.43 m,外徑112 mm,內(nèi)徑62 mm;管柱結(jié)構(gòu)中間5 個(gè)尼龍扶正器為2 部分組成的分體結(jié)構(gòu),其尼龍部分內(nèi)徑82 mm,外徑114 mm,金屬軸部分內(nèi)徑62 mm,外徑76 m,尼龍部分和金屬軸之間的縫隙為3 mm,間隙過(guò)大,水平放置或在斜井時(shí),導(dǎo)致管串靠緊井壁一側(cè)的管串與套管壁間隙變小。
針對(duì)尼龍扶正器和扶正器方式改進(jìn):一是將金屬軸光滑面部分的外徑由76 mm 增加為80 mm,扣型不變;尼龍部分大小不變,保持原來(lái)尺寸,便于拆卸時(shí)通過(guò)絲扣端;或者,將金屬軸更換為0.4 m 長(zhǎng)平式油管短節(jié),外徑73 mm,兩端為平式油管扣,再配合平式扣變加大扣接箍,尼龍件外徑114 mm 不變,內(nèi)徑變小為75 mm;二是將工具串最上部的金屬扶正器更換成尼龍扶正器或向上再增加一個(gè)或多個(gè)尼龍扶正器,保留中間的尼龍扶正器和WDT 載體最下部的金屬扶正器;或者不更換而調(diào)整定位短節(jié)的位置。
2.1.3 定位方式的改進(jìn)
以往的定位方式是通過(guò)縮頸阻擋實(shí)現(xiàn)的,液壓定位內(nèi)徑56 mm,接收器外徑58 mm,當(dāng)接收器下放到液壓定位短節(jié)縮頸處時(shí),接收器遇阻停止下行,實(shí)現(xiàn)接收器與定位短節(jié)對(duì)接,形成通訊導(dǎo)通回路。這種定位方式存在不足:(1)定位短節(jié)外徑102 mm,外徑偏大,儀器入井后存在井下短路的重大隱患。(2)通訊回路的聯(lián)通點(diǎn)是唯一的,即只有在工具對(duì)接時(shí)通訊回路才能建立起來(lái),離開定位點(diǎn)信號(hào)就會(huì)因斷路而消失。把區(qū)域通訊變成了單點(diǎn)通訊,掩蓋了WDT 的優(yōu)勢(shì),使數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊揽侩姶挪ㄩL(zhǎng)距離覆蓋的通訊性能不能充分體現(xiàn)。即使定位短節(jié)下部區(qū)域有電磁波信號(hào),也會(huì)因接收器下不去而無(wú)法接收、通訊,限制了設(shè)備性能的發(fā)揮。(3)上部的金屬扶正器距離定位點(diǎn)或縮頸點(diǎn)只有1.43 m。在金屬扶正器處及以上部位會(huì)由于短路和反射電阻而信號(hào)衰竭,即金屬扶正器上部無(wú)信號(hào)。因?yàn)橄掠凶钃跎嫌兴p,從而導(dǎo)致接收信號(hào)的可移動(dòng)距離只有1 m 左右。這種結(jié)構(gòu)削弱了WDT測(cè)試系統(tǒng)井下長(zhǎng)距離無(wú)線通訊的優(yōu)點(diǎn),限制了該項(xiàng)技術(shù)的特長(zhǎng)。
根據(jù)以上問(wèn)題對(duì)定位方式進(jìn)行了升級(jí)完善:一是重新加工定位短節(jié),設(shè)計(jì)長(zhǎng)度0.4 m,本體外徑由102 mm 改為62 mm,以保障接收器與定位短節(jié)能有效對(duì)接;同時(shí),兩端加厚油管扣設(shè)計(jì)外徑73 mm,內(nèi)部加工成兩端帶倒角的縮頸臺(tái)階,縮徑56 mm,厚度10 mm;二是將最上部的金屬扶正器和電阻環(huán)短節(jié)與定位短節(jié)分開,根據(jù)實(shí)際情況中間適當(dāng)增加尼龍扶正器的數(shù)量。定位短節(jié)+短油管放到測(cè)試工具的泵返上部,保留金屬扶正器和反射短節(jié);入井連接時(shí)定位短節(jié)連在尼龍扶正器上部,根據(jù)井況定位短節(jié)下部再連接一根1.5 m 長(zhǎng)的短油管存放加重桿,防止加重桿進(jìn)入測(cè)試工具內(nèi)部造成事故。
2.2.1 電磁波信號(hào)增強(qiáng)改進(jìn)
針對(duì)電磁波信號(hào)弱、傳輸距離短的問(wèn)題,筆者經(jīng)過(guò)技術(shù)調(diào)研,與中國(guó)石油大學(xué)(北京)、北京、西安等地公司進(jìn)行交流,確定從電磁波信號(hào)增強(qiáng)和弱信號(hào)檢測(cè)兩方面改進(jìn)。一是為適應(yīng)井下傳輸距離≥40 m,加強(qiáng)發(fā)送端發(fā)送功率,提高電磁波傳輸距離,進(jìn)行地面仿真試驗(yàn),重新設(shè)計(jì)信號(hào)放大電路:二是升級(jí)微弱信號(hào)檢測(cè)及處理模塊(圖3);對(duì)接收端濾波電路進(jìn)行改進(jìn),以加強(qiáng)電磁波的傳輸距離;同時(shí)提高干擾信號(hào)的過(guò)濾技術(shù),為增強(qiáng)傳輸距離,發(fā)送端采用振蕩信號(hào);結(jié)果顯示,經(jīng)過(guò)改進(jìn)在40 m 端可對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行有效解調(diào)。
圖3 微弱信號(hào)檢測(cè)與處理模塊Fig.3 Weak signal detection and processing module
2.2.2 信號(hào)收發(fā)器通訊優(yōu)化
針對(duì)信號(hào)收發(fā)器進(jìn)行了升級(jí)完善,保持原來(lái)的收發(fā)電路板的電氣接口(LEMO 接插件)、通信速率、數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)、發(fā)送間隔(72 s)、命令等接口參數(shù)的兼容性,同時(shí)在保持原來(lái)的耐高溫等技術(shù)指標(biāo)的前提下,對(duì)系統(tǒng)接收靈敏度進(jìn)行優(yōu)化。
現(xiàn)在的接收器只能通過(guò)遇阻來(lái)實(shí)現(xiàn)金屬面碰金屬面的對(duì)接,電路導(dǎo)通點(diǎn)是單一的、唯一的,離開這個(gè)位置就會(huì)斷路,也就接收不到信號(hào),即使向上區(qū)域的信號(hào)是存在的。固定點(diǎn)通訊是目前工藝的不足,限制了施工方式,把定點(diǎn)通訊改進(jìn)為多點(diǎn)乃至縱向區(qū)域通訊,正是電磁波無(wú)線傳輸技術(shù)的主攻方向。針對(duì)此問(wèn)題,在接收器的定位板兩側(cè)連接上4 根鋼絲,這種結(jié)構(gòu)保證接收器在油管內(nèi)移動(dòng)時(shí)始終與油管壁接觸,也就保證了無(wú)論在油管內(nèi)什么位置接收器通訊回路時(shí)導(dǎo)通,從而擴(kuò)大了信號(hào)的搜索范圍,把原來(lái)的定點(diǎn)通訊變成了多點(diǎn)乃至區(qū)域通訊,只要有信號(hào)就能搜索到,方便了施工。
優(yōu)選阿北凹陷欣蘇木構(gòu)造帶X16 井作為試驗(yàn)井,其測(cè)試段基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表2。該井完鉆井深1 200.0 m,測(cè)試目的為評(píng)價(jià)X8 東斷塊K1bt1油組的勘探潛力,采用電磁波無(wú)線傳輸測(cè)試工藝施工,監(jiān)測(cè)井底射孔、開/關(guān)井是否正常及關(guān)井是否達(dá)到徑向流以滿足出參條件,求取地層參數(shù)。
表2 X16 井測(cè)試段基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table 2 Basic data of the test interval of Well X16
本井測(cè)試段877.0~895.0 m,采用MFE 射孔聯(lián)作+WDT 無(wú)線傳輸測(cè)試工藝,二開二關(guān)二開抽汲工作制度。測(cè)試期間下入WDT 儀器進(jìn)行對(duì)接,將實(shí)時(shí)錄取到的測(cè)試資料傳輸至地面,之后通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心。
無(wú)線傳輸測(cè)試監(jiān)測(cè)射孔-開井-關(guān)井的施工過(guò)程,如圖4 所示。監(jiān)測(cè)到射孔震動(dòng)曲線,射孔后流壓曲線緩慢上升,說(shuō)明已經(jīng)射孔。關(guān)井壓力恢復(fù)曲線,關(guān)井后壓力恢復(fù)曲線平滑,測(cè)試曲線正常,判定測(cè)試工藝成功。電磁波WDT 無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)的,可根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線判定是否達(dá)到徑向流,達(dá)到徑向流滿足出參條件時(shí),即可進(jìn)行下步施工操作。該井關(guān)井24 h,WDT 監(jiān)測(cè)14 h 出現(xiàn)徑向,后執(zhí)行下步操作。根據(jù)電磁波無(wú)線傳輸WDT 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),用Ecrin 4.2 測(cè)試解釋軟件進(jìn)行分析,得到了油井關(guān)鍵參數(shù),877.0~895 m 井段,流壓折算產(chǎn)油量為11.38 m3/d,地層壓力為7.65 MPa,滲透率為323.0 ×10?3μm2,表皮因數(shù)為?1.14。
圖4 WDT 監(jiān)測(cè)射孔、關(guān)井曲線Fig.4 WDT monitored perforation and shut in curve
(1)針對(duì)電磁波無(wú)線傳輸測(cè)試工具和管柱結(jié)構(gòu),在對(duì)管串短路位置進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,對(duì)扶正器結(jié)構(gòu)和安放位置進(jìn)行優(yōu)化改造,針對(duì)載體與扶正器間隙過(guò)大的問(wèn)題,將扶正器金屬軸內(nèi)徑由?76 mm 增至?80 mm;同時(shí)將最上部金屬扶正器改為尼龍扶正器,提高絕緣效果;對(duì)定位短節(jié)定位方式進(jìn)行改進(jìn),將本體外徑由?102 mm 改為?62 mm,保障實(shí)現(xiàn)接收器與定位短節(jié)有效對(duì)接;同時(shí)將定位短節(jié)位置進(jìn)行優(yōu)化,防止短路。
(2)針對(duì)電磁波信號(hào)弱、傳輸距離短的問(wèn)題,優(yōu)化了信號(hào)放大線路設(shè)計(jì)和弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù),解決了井下遠(yuǎn)距離傳輸問(wèn)題,在40 m 端可對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行有效解調(diào);同時(shí)改進(jìn)信號(hào)接收器傳輸結(jié)構(gòu),由單點(diǎn)接收改為通訊回路雙向接收,信號(hào)搜索范圍增加。
(3)低頻電磁波無(wú)線傳輸測(cè)試技術(shù)在X16 井成功應(yīng)用,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)了井下測(cè)試數(shù)據(jù),開關(guān)井正常,測(cè)試曲線光滑,滿足地層測(cè)試資料錄取要求,對(duì)阿北凹陷儲(chǔ)層和油藏進(jìn)行及時(shí)、真實(shí)、有效的評(píng)價(jià),提高了現(xiàn)場(chǎng)施工效率,為該凹陷下一步勘探部署提供高效測(cè)試技術(shù)支持。