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火中取栗的勘探开发测井技术装备——中国海油超高温高压测井系统ESCOOL

2021-11-25

 

测井被称为地质学家的“眼睛”,是发现油气藏、精细评价油气藏、优化油气藏开发方案的重要技术手段,是油气勘探开发不可或缺的技术。ESCOOL是中国海洋石油集团有限公司(简称“中国海油”)下属中海油田服务股份有限公司(简称“中海油服”)自主研发的新一代网络化电缆测井系统,由网络化地面系统和井下测井仪器构成,支持裸眼测井、套管测井、地层测试和井壁取心作业服务,具有模块化、标准化、网络化、耐高温高压等技术特点。ESCOOL系统采用OFDM方式,自动估计和适应电缆缆芯,充分利用电缆信道拓展通讯带宽,数据传输速率高达1Mbps,提升大数据量仪器测井速度,有效缩短作业时间;井下仪器采用现代电子技术、材料科学、超高温探头以及热管理等多项技术,实现耐温235℃,耐压175 MPa,能在复杂恶劣地质环境下准确获取地层各项参数,实时将数据上传到地面,让油藏“无所遁形”。
该项成果获得国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”课题3“深水深层高温高压测井技术系列”(课题编号:2017ZX05019-003)、课题4“超低渗地层测试技术与装备”(课题编号:2017ZX05019-004)的支持。ESCOOL有效打破国外技术垄断,满足中国海上高温高压井的勘探开发需求,已在国内成功完成60余井次作业,逐渐形成了品牌效应,为高温高压油气藏勘探开发提供了中国测井技术解决方案。据预测,未来5年国内每年基于ESCOOL系统的作业量可达40井次,作为高端电缆测井服务市场必需的设备,ESCOOL对我国油气增储上产具有重要支撑作用。
 
1 研发背景
随着油气勘探的不断深入,寻找优质油气藏的难度越来越大,勘探逐渐向深层、深水、高温高压、低孔渗、低阻和薄层拓展。目前,全球获得的重大油气发现50%来自深水,我国南海是世界四大海洋油气聚集区之一,其中70%的油气资源蕴藏在深水区。深水经常和高温高压相伴,据统计,高温高压井占比30%,而且有逐年增多的趋势。
我国海域深层勘探不断取得新的发现,渤海和南海部分区块的井底温度已经超过175℃,一些区块井温甚至超过了200℃。每年高温高压探井占比在30%左右。同时,随着渤中区块、乐东区块进入开发阶段,高温高压开发井也将大幅度增加。
之前我国成套测井技术装备工作温度与压力指标是175℃/140 Mpa,可覆盖常规井况的勘探开发测井需求。中国海油高温高压测井技术起步较晚,高温高压测井作业基本依赖国外公司,而且设备数量严重不足,费用昂贵,不能满足中国海油高温高压油气藏勘探开发的需要,严重制约海上作业的顺利实施,亟需发展自主高温高压作业设备,为中国海上油气勘探开发提供保障。
 
2 研发历程
2013年,中海油服启动了高温测井系列仪器研制首期科研项目,解决了现场急需的高温高压测井作业需求。在“十三五”期间,实现了现有测井装备耐高温高压性能指标的提升,完成了样机到产品的转变,并实现产业化应用。
2016年,成功自主研发出技术指标为耐温205℃、耐压140 MPa的ESCOOL高温高压满贯测井装备(图1、图2),于2018年9月在青海干热岩地质井(189℃)圆满完成首次作业,自此拉开了ESCOOL系统推广应用的帷幕。与此同时,项目团队在软件方面持续加大信息化技术应用力度,开发了记录测井作业全过程的“黑匣子”监控系统和井下作业粘卡预警系统,并可以将所有数据通过卫星网络实时传输到作业支持中心,大幅提升了作业效率和成功率。
 
3 突破的关键技术
超高温高压主要技术难题包括两大方面:一是耐高温高压传感器、元器件、机械材料、生产工艺的设计与定制;二是高温高压环境下测井数据的处理与校正,保障测量精度与稳定性。超高温高压电缆测井技术在材料、高温元器件等方面存在受限风险。
项目团队针对高温高压环境,结合仪器原理、井眼条件、地层沉积特征等建立了理论模型,展开适应性研究、关键传感器研制、超高温电路系统研制、机械结构设计、数据处理方法及软件的开发。开展了超高温高压测井系统的研制及应用研究,从设计、材料、热管理、器件、工艺和评价方法等方面开展关键技术攻关,系统攻克了超高温电子系统、高温高压系统可靠性以及个性化成像测井精细测量等技术难题。
3.1 超高温电子系统
作为一项系统工程,高温热管理需要综合考虑所处环境、自身发热功率、热源分布、结构形式、空间限制、电磁约束等因素,项目团队采用隔热-储热-导热三技术联用的方式设计了科学的热管理方案。
为提高高温环境下可靠工作时间,创新引入白石墨烯导热胶技术(图3)。根据超高温高压电缆测井技术产品耐温需求研制了耐高温、高导热三防涂料——白石墨烯导热胶,产品固化后硬度低,可降低应力对敏感元器件产生的影响与风险,具有操作简单、可长期耐高温至235℃、导热系数高等特点。对发热元器件等提供三防保护的同时具有非常优良的热扩散功能,可以迅速把电子元器件的热量扩散开来,提升电路板的耐温性能和可靠性。
高温工艺方面,采用了绝缘硅SOI工艺、碳化硅SiC工艺、MCM多芯片模块封装技术(图4)。
选用性能可靠的高温耐压材料,并对耐压壳体进行了全新研究设计,对传感器进行特殊的耐压设计,推靠器采用内外平衡设计。
3.2 高温高压系统
重构了液压系统,采用双液压系统冗余设计,当一个液压系统出现问题时,启动备用液压系统,确保系统能够正常工作,提高了系统可靠性。
动力提升方面,对电机功率进行精确管理,从而降低功率消耗,提高了动力系统的可靠性能(图5)。
机械结构及加工工艺方面,对取心动作进行细分分解,根据作业实际需求,控制每个动作的力量与速度,增强可靠性的同时确保作业高效(图6)。
3.3 成像测井精细测量技术
在高分辨率成像测量电路方面,攻克了提取测量微弱电流信号、提高信号测量精度等关键技术,实现信号纯净、大功率的地层激励信号源,以及仪器测量的大数据量,设计仪器的复杂控制逻辑和数据传输,保证仪器具有较宽的测量动态范围,并在苛刻条件下获取高分辨率图像。
对现有超声换能器激励电路与接收信号采集处理电路进行了技术升级,提升仪器可靠性,增加时变增益控制技术,进一步提高接收信号采集处理电路的信噪比,提升仪器超声成像质量。
构建了高温环境核磁共振精密测量系统(图7)。研制了高温磁体、磁芯材料,设计了耐高压油路平衡整体结构和高分辨率天线。以油气藏特征为出发点,设计了测井采集模式,具备一维、二维、三维测量能力,涵盖海上油气勘探所有观测对象。
3.4 作业保障技术
开发了测井作业全过程记录子系统(Logging Proce-duringRecorder,LPR,黑匣子),通过电缆测井作业过程中工程参数全周期记录,解决了作业过程安全、质量问题复现的取证分析难题,进一步提供后续保障。
开发了电缆粘卡预警子系统。该技术能起到预警的作用,有效降低电缆测井作业过程中粘卡风险,减少打捞次数及平台占用时间。配合地层测试作业,可有效解决地层测试取样长时间静置作业情形下,电缆粘卡的预警问题。
 
4 应用情况
中国海油在自主高温高压测井技术取得突破的基础上,围绕235℃/175 MPa超高温高压大满贯电缆测井技术、205℃/175 MPa成像测井技术、205℃/140 MPa取心取样技术、高温高压井作业保障技术四方面开展研究和攻关,解决现有自主技术在耐温耐压、可靠性、装备量、维护性和适应性方面的制约,使核心关键技术具备规模化作业和持续发展的能力。
4.1 海上应用
ESCOOL超高温高压满贯测井装备实现规模化应用,累计作业60余井次,最高作业井温196℃,中国海上作业占比从2019年的12.5%提高到81.5%,2020年承担渤海海域所有高温高压井的测井作业,有效保障中国海上高温高压油气勘探开发任务顺利实施,对我国油气增储上产发挥了重要作用。
4.2 陆地油田应用
成功完成中石化四川元坝气田三口高温高压井作业,仪器表现稳定,数据质量优越,图像清晰可靠,获用户高度认可(图8)。这两口井具有超深、超高压、高温、高含硫的“两超两高”特点,该井完钻深度7113m,井底实测温度160℃,压力高达163MPa,相当于1cm2承压1.6t。在这种极端情况下,既兼顾了仪器推靠臂灵活自如,又保证了极板上的电路和探头完好无缺,确保了测井数据的真实可靠。该井的作业成功,创造国内同类仪器最高压力作业纪录,进一步验证了ESCOOL系统稳定性和可靠性。
在中石油新疆塔东区块成功作业一口井,该井深达7550m,井底温度206℃,压力超90MPa,刷新了我国自有设备高温电缆测井作业纪录。
完成青海共和干热岩三口高温井作业,最高井温194.8℃。其中一口井是中国青海省最深的干热岩井,该井作业井深4009m,井温高达183℃,下段花岗岩层硬度大,斜度最大值达到29°,测井作业难度大。该井的成功验证了中海油服自研电成像测井仪的可靠性、稳定性,证明其具备在复杂井况下的作业能力。
中海油服秉承合作开放的心态,以全球合作共赢的理念,积极开拓全球供应渠道,积极发展与“一带一路”沿线国家的合作。同时,加大国内合作研究,提升关键核心部件国产化率。目前,已与国内30余家高校、研究院所、科技公司等开展了深入合作,其中包括多家民营企业,合作范围涵盖六大类40余种关键技术载体(图9)。
下一步,中海油服将加强“产、学、研、用”模式的布局,集全国资源实现技术的提升和突破,加快国产化替代。提高元器件、材料、软件、工艺等基础方面的能力建设,从根本上解决问题,促进国家基础工业水平的提升。继续推进产业化应用,根据海上油田作业需求制定应用计划,预计年作业超40井次。