Chinese Oilfield Review Spring 07

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1 斯 伦 贝 谢 油田新 技术 2007 年春季刊 海上完井项目管理 海上地震新方法 试井新技术

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3 永久型传感器 : 是数据 洪流 还是绝佳机会? 一支每秒钟记录一次数据的永久型压力计一年内能记录 3100 万个压力数据单个测量的数据点实际上没有什么价值, 数据的价值来自于对瞬变压力的分析, 而瞬变压力是由流量的持续阶跃变化产生的关井期间是最佳的数据采集时间 ( 无论这种关井是出于作业目的还是为了生成可解释的瞬变压力 )总之, 只要有产量数据, 永久型压力计就会成为压力瞬变分析 (PTA) 真正的数据宝藏在许多井中, 产量数据的采集通常都是每天或每个月不定期进行的, 所得的结果往往也不够准确一口井的油 气 水产量往往是根据几口井混合流入同一分离系统中的流体产量数据回算获得的然而, 智能井利用永久型传感器能够对产量和压力进行连续测量能够连续采集可靠产量和压力数据的井使研究人员得以进行产量数据分析 (PDA)通过 PTA 可以了解短时间内井或油藏特征的基本信息, 而通过 PDA 则可以获得更长时间内的信息一口井的关井时间很少超过一天, 而产量数据采集的时间跨度为数个月甚至数年因此, 典型的压力恢复 PTA 反映的只是几天内压力扰动所探测到的储层动态根据储层特性 ( 尤其是渗透率 ) 的不同, 一天内能够探测到的范围从低渗透储层的数十英尺, 到高渗透储层的数千英尺在这一时间段能够很好地揭示完井的情况, 例如井受污染的情况或增产处理的效果该时间段还能够提供泄油面积或储层本身的边界等信息 ( 请参见 试井新技术及其应用, 第 44 页 )连续压力恢复瞬变能够揭示有关完井和储层变化的重要信息, 如砾石充填表皮系数的增加 水力压裂裂缝导流能力的下降以及地层的压实作用等等作业者需要的是可操作的信息, 而不是成堆的数据例如, 当井产能出现下降时, 作业者应该能够及时得到警报, 以便采取相应措施避免井产能进一步下降或出现更为严重的情况另一方面,PDA 的数据可能持续数个月或数年产量数据反映的是井周围一定距离的储层动态这些 数据通常受所谓的拟稳态响应特征控制, 在井的泄油范围内随之出现流体和压力衰竭令人兴奋的是, 有望将这两种分析方法进行统一实际上人们在这方面已经向前迈出了一步, 即采用文献中所说的反褶积方法然而, 尽管 PTA 和 PDA 的基本数据在时间范围上是互补的, 但其解释程序却将分析过程分开, 这就使得分析结果很难保持一致需要采用进一步的自动化分析来将采集到的海量数据转变为具有实际意义的信息, 从而反映井和储层的实时动态情况显然, 通过数据处理, 极有可能将早期的 PTA 动态和后期的 PDA 响应结合起来作为一个连续 虚拟的恒定产量压降响应加以分析这两种分析方法的结合能够揭示近井储层全面的特征, 包括诸如大型水力压裂和长水平井的长期响应, 以及远距离储层非均质性和边界等信息 Christine Ehlig-Economides Albert B. Stevens 首席教授得克萨斯 A&M 大学 Christine Ehlig-Economides 自 2004 年以来, 在 College Station 的得克萨斯 A&M 大学石油工程系担任教授, 并担任 Albert B. Stevens 首席教授她以前曾在美国费尔班克斯的阿拉斯加大学石油工程系担任系主任她于 1983 年加入斯伦贝谢, 担任油藏工程师, 并且在 2003 年返回学术界之前担任了很多职位 Christine 在休斯敦赖斯大学获得数学和科学学士学位, 在美国劳伦斯的堪萨斯大学获得化学工程硕士学位, 在加利福尼亚州斯坦福大学获得石油工程博士学位她曾获得阿拉斯加年度工程师奖 (1982 年 ),SPE 杰出学者奖 (1982 年 ), SPE 地层评价奖 (1995 年 ),SPE 杰出会员奖 (1996 年 ) 和 SPE Lester Uren 奖 (1997 年 ) Christine 于 2003 年当选为美国国家工程院院士 1

4 斯伦贝谢 油田 新 技术 油田新技术 中文版 执行总编 杨春胜 油田服务 斯伦贝谢中国公司 翻译 北京创思商务服务有限公司 设计制作 / 印刷 世纪卓英图文设计制作中心 技术委员会委员 曾维忠 油田服务 斯伦贝谢中国公司 王瑞轩 信息解决方案 斯伦贝谢中国公司 吴洪波 油田服务 斯伦贝谢中国公司 金树茂 油田服务 斯伦贝谢中国公司 Gwenola Boyault 电缆测井 斯伦贝谢中国公司 4 海上完井项目管理 目前 海上深水井已经成为油气产量的一个重 要来源 并且在未来的几年中 它们的重要性还会 继续提升要想克服深水井所面临的诸多挑战 尤 其是完井作业中的挑战 需要作业者 服务公司和 制造商之间的紧密配合与合作本文通过实例说明 了采用综合项目管理方法是如何确保深水完井作业 取得成功的 14 优质射孔液体系 优化射孔方案包含了许多关键因素 其中包括 旨在优化射孔枪性能的仪器和技术 炮孔的清理以 及优质射孔液体系等直到不久之前 人们对射孔 液的研究还非常欠缺 对其认识尚很肤浅本文介 绍了大量实验室研究结果 说明了如何采用优质射 孔液与正压射孔技术相结合的方法来显著提高射孔 效率 李 宁 油井服务 斯伦贝谢中国公司 Tri Utomo 钻井与测量 斯伦贝谢中国公司 周 玮 油井服务 斯伦贝谢中国公司 Brett Rimmer 油田服务 斯伦贝谢中国公司 Robert Kroener 数据解释与咨询服务 斯伦贝谢中国公司 26 降低勘探风险 最近在地震数据采集和分析方面的进展正在降 低勘探开发井钻井作业失败的风险位于不同水深 的上 / 下拖缆组合测量可以改善信号带宽 产生更 高分辨率的图像宽方位角和多方位角测量能够从 多个方向获取目标层信息 从而扩大覆盖范围 改 善图像质量本文通过墨西哥湾 设得兰西部和墨 西哥海上等地的实例 说明如何利用地震新技术来 降低钻井风险 郝 洁 西方奇科地震服务 斯伦贝谢中国公司 油田新 技术 是斯伦贝谢公司 出版的季刊 该刊向油田专业人 员介绍石油勘探与开发中的技术 进步斯伦贝谢公司将该刊分发 给其雇员和客户 只列有地址的作者是斯伦贝谢公 司或分公司的雇员 Schlumberger版 权所有未经事先书面 许可 本出版物的任何 部分都不得以任何的形 式或手段 如电子 机 械 照相 录制等进行复 制 资料检索或传送 英文版编辑部 Oilfield Review 1325 S. Dairy Ashford Houston, Texas USA 电话: (1) 传真: (1) 电子邮件: editoroilfieldreview@slb.com

5 2007 年春季刊 19 卷 第1期 油田新技术 英文版 执行总编 Mark A. Andersen 44 试井新技术及其应用 长期以来 作业者一直依靠试井得到的压力和 流量数据来对产量进行定量分析为了更好地描述 油气井及油气藏的特性和动态 多年以来 业界已 经开发出日益复杂的仪器和测试方法本文介绍了 井下和地面测试设备的最新进展中东和墨西哥湾 地区的应用实例说明当今试井方法的可靠性和效果 都得到了显著改善 60 潜力巨大的微技术世界 微机电系统 MEMS 正在成为我们日常生活 中越来越重要的一部分MEMS 具有传感器和执行 器的特点 因此 对勘探与生产行业具有很强的吸 引力但是这些微机电系统能适应恶劣的油田环境 吗 本文介绍了 MEMS 的基本概念和制造方法 同 时还对MEMS的优缺点及其在油田中的应用进行了 讨论 顾问编辑 Lisa Stewart 高级编辑 Matt Garber Don Williamson 编辑 Matt Varhaug Rick von Flatern Vladislav Glyanchenko 特约编辑 Rana Rottenberg Judy Jones Erik B. Nelson 设计 / 制作 Herring Design Steve Freeman 插图 Tom McNeff Mike Messinger George Stewart 100 µm 顾问委员会委员 Syed A. Ali 雪弗龙能源技术公司 美国得克萨斯州休斯敦 Abdulla I. AI-Kubaisy 沙特国家石油公司 沙特阿拉伯 Ras Tanura 69 本期作者简介 Dilip M. Kale ONGC 能源中心 印度新德里 封三 油田新技术 下期内容介绍 Roland Hamp Woodside 能源有限公司 澳大利亚珀斯 George King BP 公司 美国得克萨斯州休斯敦 Eteng A. Salam 印尼国家石油公司 印度尼西亚雅加达 油田新技术 英文版 可从下列地址征订 Oilfield Review Services Barbour Square, High Street Tattenhall, Chester CH3 9RF England 电话: (44) 传真: (44) 电子邮件: orservices@t-e-s.co.uk 中文版 油田新技术 译自斯伦贝谢的英文季刊 Oilfield Review 客户可从 斯伦贝谢中国公司得到 地址 北京市机场路丽都广场商务楼 6 层 邮编 电话 (86) 传真 (86) 电子邮件 yangcs@beijing.oilfield.slb.com Richard Woodhouse 独立咨询专家 英格兰萨里 3

6 海上完井项目管理 Iain Caulfield Stephen Dyer Y. Gil Hilsman 美国得克萨斯州 Rosharon Kerby J. Dufrene Jose F. Garcia 特立尼达和多巴哥西班牙港 在全球油气生产中 来自海上井的产量比例正在迅速增长随 着海上项目逐渐向深水转移 必须高效完成完井设备的设计 测试 和施工 这些项目才具有经济上的可行性特立尼达和多巴哥以及 马来西亚的两个实例说明了作业公司 服务公司和设备制造商之间 密切合作的重要性 John C. Healy, Jr. 顾问 美国得克萨斯州休斯敦 Matthew Maharaj John Powers BP 公司 特立尼达和多巴哥西班牙港 Denis Staderoli 安哥拉罗安达 Mark Stracke 马来西亚吉隆坡 Tammy Webb Murphy 石油公司 马来西亚吉隆坡 在过去的五十年内 全球年能源消 耗量增长了三倍多 这主要是因为发展 中国家对能源需求的增长随着这些国 家人口的增长以及生活水平的提高 它 们也将消耗更多能源 陆上油气资源的 缺乏与不断增长的需求促使勘探开发公 司加大海上油气田的开发力度因此 海上油气产量在迅速增长 预计在未来 五年 海上油气产量将翻番 下图 大 多数储量位于深水和超深水区域目 前 主要的深水油气田位于墨西哥湾 巴西近海 西非 东南亚以及北大西洋 边缘等地区[1] 在从钻井一直到废弃的整个过程 中 海上油气井 特别是深水井 都会 使我们面临种种技术挑战这些井的高 产能以及难以接近的特点要求有可靠的 完井设计和流动保障以及可靠 耐用的 设备 在编写本文过程中得到以下人员的帮助 谨表谢 意 美国得克萨斯州 S u g a r L a n d 的 M a r y J o Caliandro 美国得克萨斯州Rosharon的Mark Teel和 Jeremy Walker e-fire FIV 地层隔离阀 GeoMarket PURE QUANTUM max RST 油藏饱和度测井仪 SenTREE Trip Saver 和 WellWatcher 等是斯伦贝谢 公司的商标Alternate Path 是埃克森美孚公司的 商标 该项技术已授权给斯伦贝谢公司独家使 用 1. 根据美国矿产管理局 MMS 的标准 深水 井是指位于水深在 1000 英尺 305 米 以上的 井 超深水井是指位于水深超过 5000 英尺 1520 米 的井有关深水开采项目更多的信 息 请参见 Robertson S Westwood R 和 Smith M Deep Water Enjoys Growth Surge Hart's E&P 79 卷 第 5 期 2006 年 5 月 Carre G Pradie E Christie A Delabroy L Greeson B Watson G Fett D Piedras J Jenkins R Schmidt D Kolstad E Stimatz G 和 Taylor G 深 水完井和固井新技术 油田新技术 14 卷 第 4 期 2002/2003 年冬季刊 > 陆上 浅水和深水油田的历史和预测原油产量专家预计 到2015 年 深 水油田的石油产量将增至总产量的 25%根据美国地质调查局出版物 World Petroleum Assessment 的估计 海上有超过 3000 亿桶 [480 亿米 3]的石油资源 尚待发现[改编自 Robertson S The World Offshore Oil and Gas Forecast英 国 Canterbury Douglas-Westwood 有限公司 2006 年 ] 油田新技术

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8 > 裸眼井和套管井单层完井实例在裸眼井完井中 生产套管或衬管下至储层盖层并进行固井 因此整个储层段都是 裸眼段 左和中 中间的井在整个储层段下入了割缝衬管 从而防止地层固相颗粒流入井筒在下套管完井中 右 射孔为流体从储层进入井筒提供了一个选择通道 并且可以作为酸化或水力压裂作业期间注入增产液的入口 经济可行性则要求以安全 环保的 方式获得最高的产量和最终采收率目 前 深水钻井船的日费率在25万美元到 75 万美元不等 因此 必须高效完成完 井装置的安装 将钻机占用时间降至最 低完井设计和设备的可靠性尤为关 键 因为重入一口海上油井进行修井或 修复作业的成本可能会超过 600 万美 元 在本文中 我们从最初的规划阶段 直至设备生产 测试和安装等对先进的 海上完井进行了全面分析首先 我们 对基本的完井方法和合作项目管理流程 进行了讨论然后 通过特立尼达和多 巴哥以及马来西亚的两个实例来阐述合 作带来的益处 6 完井方法简介 完井装置包括为传输 泵送或控制 流体开采或注入而下入井筒中的管柱 工具和各种设备等[2]完井有几种分类 方法 最常用的标准如下 井筒 油藏界面 裸眼井或套管井 产层 单层或多层 开采方式 自然流动或人工诱导 裸眼井完井仅适用于地层强度足以 防止崩落或坍塌的储层由于不使用套 管 因此使地层与井筒的接触面积最大 化为了防止地层固相颗粒流入井筒 可在整个裸眼段放置割缝衬管或带眼衬 管 上图 裸眼井完井将完井费用降 到最低 并且如果以后要加深钻井的 话 可以使处理作业更加灵活 在套管井完井中 套管下入产层并 进行固井射穿套管和水泥环之后 打 开储层并与井筒建立起联系 流体开始 流动通常 射孔孔道穿过钻井导致的 近井筒地层损害带 进入未受损害的岩 石 从而实现储层无阻碍生产 请参阅 优质射孔液体系 第 14 页 在典型的单层完井中 仅涉及一条 通道或油管柱 封隔器使油管柱和套管 或衬管之间形成了水力分隔 下一页 图 因为封隔器必须提供与储层流体 和环空流体兼容的长效水力阻挡 因此 它被认为是生产管柱中最重要的工具 油田新技术

9 封隔器的上下经常还要安装几种配 件通常在泥线以下 靠近生产油管顶 部安装一个安全阀安全阀是一个应急 流动控制装置 可以使人员 储量和环 境免受井口或设备故障的影响生产油 管上的滑套位于封隔器上面 它可使完 井液通过油管-套管之间的环空进行循 环为了在封隔器上方保持适当的静水 压力和防止腐蚀 环空之间必须有液体 存在座放短节是一个成型插座 可在 其中插入插头或油嘴来控制流体流动 或安装记录装置来监测生产情况割槽 或带孔生产油管可使油气流入油管柱 电缆入口导向器可以保证将电缆仪器顺 利收回到油管柱内 多层完井用于从多个层段开采的情 况有多种配置形式可用于同时开采所 有层段或选择性开采某些层段将多个 产层分隔开有三个主要原因 政府法规 通常要求作业公司监测每个产层的生产 情况 将高压和低压层隔开 防止层间 窜流 不同产层的原油化学性质可能 不配伍 如果将其混合 可能形成淤渣 或沉淀物 一般来说 如果储层完井后不需要 采取辅助手段便能直接进行生产更为经 济不过 在高温高压 HPHT 环境中 需要进行专门的工程和设备设计 以便 实现安全生产在很多情况下 井中流 体最初可以自然流动 而后随着油气藏 的衰竭 需要采用人工举升方法辅助开 采通常 这些因素应该在最初的规划 阶段就加以考虑 避免不必要的费用和 生产中断人工举升完井采用气举技术 或专业电动或机械驱动的电潜泵[3] 2. 有关完井技术更多的信息 请参见 Allen TO 和 Roberts AP Production Operations 第 4 版 塔尔萨 石油与天然气国际咨询公司 1997 年 Economides M J Watters LT 和 Dunn-Norman S Petroleum Well Construction纽约市 Wiley 出 版公司 1998 年 > 单层和多层完井在单层完井中 左 封隔器在生产套管内部形成密封 将油管柱与封隔器上部 的区域 称为 后部 隔开后部注入了加入防腐剂的完井液 用以防止套管腐蚀封隔器之下是 各种流体流动控制装置 可以轻松收回电缆仪器中图的多层完井使用了两个封隔器将产层隔开 但 在生产时两层的流体可以混采右图的多层完井使用了一个特殊的双管封隔器 它可以使来自不同产 层的流体分开单管封隔器隔离了下部产层 并通过较长的油管柱使之与地面连通双管封隔器将上 部产层与环空分隔开 并通过较短的油管柱使之与地面连通 3. 气举是一种人工举升方法 它通过将气体注 入生产油管来降低液柱的静水压力 使井能 够依靠其自身的地层压力进行正常生产有 关气举更多的信息 请参见 Bin Jadid M Lyngholm A Opsal M Vasper A 和 White TM 气举方法的技术创新 油田新技术 18 卷 第 4 期 2006/2007 年冬季刊 年春季刊 7

10 > 井口采油树及防喷器 BOP 采油树控制流体流出井筒 可以将诸如电缆仪器等设备安全下入井 中 左 防喷器可以在钻完井作业期间防止井失控 右 所有完井装置的顶端是阀门 四 通 压力表和油嘴总成 即通常所说的 采油树 上图 采油树可以防止油气 从井中逸散到周围环境中 并引导和控 制流体从井中流出此外 采油树还包 括一些组件 借助这些组件可以将诸如 电缆仪器等设备插入井内在完井过程 中 另一个重要的井口装置是防喷器 BOP 一个可以关闭用以防止井控 装置失灵的阀门很多BOP可以远程启 动 这对于作业人员 钻机和井筒等的 安全来说至关重要 在海上 采油树的位置和设计要满 足水深和平台可用性的要求当水深小 于 6000 英尺 1830 米 时 采油树可 以安装在海上平台的上面[4]这类 干 式采油树 可以在生产过程中使电缆下 到井中 因而具有一定优势当水深超 > 综合海上完井队伍组织结构斯伦贝谢与客户方人员的密切合作对于确保 及时沟通信息 建立项目管理程序并明确各方项目目标极为重要需要考虑的 问题包括能够满足投产要求的钻机安排 详细的组件和完井工程设计 项目组 成员的地理位置以及客户参与工程设计和制造等 8 > 海底采油树立式采油树 上 是在安装生产 油管之后下到井中的卧式采油树 下 的体积 更小 可以在完井之前安装采油树可承受海底 的高静水压力 并可以防止海水腐蚀 照片由 FMC 技术公司提供 过6000 英尺时 目前的技术水平不能进 行基于平台的海上安装作业因此 必 须在海底安装 湿式采油树 通常湿 式采油树比常规的平台完井装置更复 杂 并且一般包含用于压力和温度监测 的装置以及用于流体流动自动控制的复 杂硬件由于通过海底采油树下入电缆 的作业成本非常高 因此一般安装永久 式井下压力 温度和流动监测设备 以 便预警或避免问题的出现[5] 海底采油树分为立式和卧式两种 上图 立式采油树一般在生产油管下 入井内之后才安装因此 如果需要维 修 可以直接收回采油树而不必拆除完 井装置其主要局限就是安装之后的修 井困难而卧式采油树则允许工程师在 安装采油树之后进行完井作业因此 在采油树就位之后 生产油管和其他装 置仍可以下到井内修井作业可在不拆 除采油树的情况下进行 缩短了时间 降低了费用 同时提高了安全性此外 卧式采油树的体积更小 油田新技术

11 > 典型的海上完井项目组织签订合同之后 通常至少需要两年时间才能完成所有任务 然后投入生产 上 从最初的计划到生产和维护 项目分为 9 个阶段 下 各个阶段结束之后都要进行审核 而且 在斯伦贝谢 和客户之间完全达成一致后才进入下一阶段缩写词的含义 BOD 设计的基础 CWOP 纸上完井 EOWR 完井报告 FMEA 故障模式影响分析 HAZOP 风险与可操作性分析 ITT 招标 PO 订单 PP 项目 计划 TPS 第三方供货商 SIT 系统集成测试 海上完井作业的规划和实施 成功进行海上完井作业需要一支 由来自作业公司 钻井和服务公司以 及设备制造商的人员组成的密切合作 的多学科项目管理团队 前一页 下 2007 年春季刊 表 签订合同之后 管理团队通常至 少需要两年时间来分析技术参数和存在 的难题 确定完井策略 设计制造完井 设备 进行全面测试并最终安装完井装 置 上图 4. Carré 等人 参考文献 1 5. Christie A Kishino A Cromb J Hensley R Kent E McBeath B Stewart H Vidal A 和 Koot L 海上钻井的解决方案 油田新技术 11 卷 第 4 期 1999/2000 年冬季刊

12 海上完井设计和安装包括几个阶 段在从一个阶段进入到下一个阶段之 前 项目组所有成员必须对所完成的工 作予以认可从经济角度来看 这一程 序的效率与采用的技术具有同等的重要 性 在规划阶段 工程师需要评估完井 装置所处的工作条件主要参数包括地 质概况 压力 温度 产出液的性质 预期产量 流动保障问题以及井的预计 寿命等完成分析之后 项目组开始设 计一套可高效安装 坚固可靠的完井装 置设计批准之后 开始采购和制造完 井部件 在将设备运至井场进行安装之前 应进行全面的系统集成测试 SIT 以 验证完井装置的性能是否能够满足或超 过规定的标准 并发现所有未预料到的 接口兼容性问题SIT 也是一个 演练 各种完井装置设计的机会 使工程师可 以开发出效率更高的安装程序 测试应 急方案 从而缩短非生产性时间 SIT 在与实际井况相同的模拟条件 下进行为了满足测试要求 斯伦贝谢 公司于 2004 年组建了 Cameron 得克萨 斯州 测试实验中心 CTF [6]这一试 验中心已经通过 ISO-9001 认证在这 里 工程师可以严格按照为某口井制定 的计划装配完井装置 将完井装置下入 具有同等条件的井眼中 并验证系统组 件的运行情况 右上图 [7] 完井装置设计 制造和 SIT 都是在 故障模式影响分析 FMEA 的指导下进 行的其中 FMEA是这样一种方法 即 发现产品 流程或系统可能的故障模 式 评估与故障模式相关的风险 按照 重要程度对问题进行排队 制定并执行 纠正措施以便解决最严重的问题 FMEA 广泛应用于多个行业 尤其是汽 车和航空领域工程师利用 FMEA 可以 列出一个关键项目表 CIL 其中包含 具有灾难性影响的故障模式就完井装 置而言 CIL确定出SIT期间需要评估的 高优先级项目[8] 完井装置的关键参与人亲自或远程 10 > 在得克萨斯州Cameron测试实验中心 CTF 进行系统集成测试 SIT CTF 占地数百英亩 于 2004 年投入使用实验场配备了全功能钻机 可钻出水平 位移超过6000 英尺的井眼钻机安装在轨道上 以便快速进入为裸眼井和套 管井测试准备的井槽Cameron 是一个理想的实验场 因为 CTF 井所穿透的 地层具有各种孔隙度 渗透率和矿物成分 因此可以在各种条件下进行逼真 的测试 观察 SIT 而且必须确保所有人对整个 系统的运行情况都满意通过所有审批 之后 完井设备被运至井场进行准备 安装和运行下面介绍的实例说明了这 套严谨的项目管理方法是如何保证海上 完井作业顺利完成的 于 2000 psi 13.8 MPa 就足以进行砂面 完井而无需防砂不过预计该产层应该 为高产层 每口井的产量应该达到 3 亿 英尺 3/ 日 850 万米 3/ 日 FMEA 表明 即使是少量出砂也会对完井硬件和地面 设备造成灾难性损害因此 为了防止 出砂 项目组选择了由筛管和分流管组 特立尼达高产气井完井实例 成的 Alternate Path 技术来实现全面均 BP 特立尼达和多巴哥公司在特立 匀的砾石充填[10]他们也选择了高速水 尼达海上开发了 Cannonball 气田 为液 力充填作为砾石充填方法 化天然气 LNG 厂供气该气田距 在特立尼达类似的气田中 BP 公 Galeota Point 22 英里 35 公里 水深 司在没有增加生产封隔器的情况下成功 231英尺 70 米 砂岩产层 即33砂岩 进行了裸眼砾石充填 OHGP 砂面完 厚约 280 英尺 85 米 渗透率 185 毫达 井这种简单方法确保了最小的表皮系 西 孔隙度 1 9 % 储层温度为 F 数和高流动效率 因此 完井队为三口 104 C 真垂深 TVD 为 英尺 新井选择了同样的方案 3764 米 为了满足对 LNG 不断增长的 然而 考虑到产量很高 BP 公司 需求 BP和斯伦贝谢联合完成了三口井 决定必须采用 V0 级裸眼封隔器 V0 是 斜角在21 34 井的钻井和完井作业[9] ISO 标准 中封隔器防漏性能的最 在正常条件下 产层的岩石强度大 高级别在2004年选择设备时 斯伦贝 油田新技术

13 谢公司刚刚推出 / 4 英寸 6 英寸 QUANTUM max 砾石充填系统 这是一 种用于高温高压环境的 V0 级水力座放 封隔器因此 项目组决定把它用在初 步完井装置设计中 下图 此外 这一新型封隔器还必须能够 用于砾石充填系统因此 在 OHGP 系 统获准用于 Cannonball 气田之前 必须 能够顺利通过SIT测试2005年末至2006 年初进行了两次 SIT 测试在首次实验 中遇到了一些问题 因此在第二次测试 时使用了新的井筒清洗管串此外 在 封隔器下面放置了 FIV 地层隔离阀 用 以防止防砂组件受到完井液的损害第 二次测试顺利通过 因此完井装置设计 获准在特立尼达进行安装 在第一口井 CAN-01 中 座放封 隔器时出现了问题 因此起出封隔器并 进行检查调查小组在48小时内查明了 原因 原来是碳酸盐岩段塞堵住了冲洗 管 导致无法座放封隔器对井筒进行 彻底清洗后 工程师下了一套备用装 置 并按设计要求顺利完成作业 完井队对完井方案进行了修改 加 入了更为严格的裸眼井段清理步骤 以 防堵塞的再次发生完井队也决定下入 诸如 RST 储层饱和度测井仪之类的砾石 充填测井仪 为今后的所有砾石充填作 业提供宝贵的故障排除数据另外 他 们也注意到 在第一口井砾石充填作业 结束时分流管打开 确认了Alternate Path 技术在完井装置设计中的重要作用 在第二口井 CAN-02 中 Alternate Path 技术发挥了巨大作用 几乎 50% 的 砾石泵送作业是通过分流管完成的在 钻井期间 套管下出现一个大鼠洞进 行砾石充填作业时 鼠洞内形成砂丘 砂 丘在达到临界质量后崩塌 从而出现过 早脱砂现象幸运的是 分流管按设计 要求发挥了作用 因此提前五天完井 前两口井遇到的清洗管堵塞和过早 脱砂问题均出现在第三口井 CAN-03 中不过 有了前面的经验教训 最佳 实践和可靠的整体项目设计 CAN-03 井提前八天完井 Cannonball完井项目的费用低于预 算 非生产时间仅占 16.2%CAN-02 和 CAN-03 井的高效完井作业 使成本分 别节约了 125 万美元和 200 万美元另 外 由于V0级封隔器允许三口井以最大 产量生产 因而减少了生产封隔器及相 关连接件 总成的使用 缩短了测试时 间和钻机使用时间 又使 BP 公司节约 80 万美元2006 年 3 月 Cannonball 天 然气平台投入生产 目前三口井的产量 为 8 亿英尺 3/ 日 2270 万米 3/ 日 是 BP 公司海上产量最高的一个 6. 有关 CTF 更多的信息 请参见 Arena M Dyer S Bernard LJ Harrison A Luckett W Rebler T Srinivasan S Borland B Watts R Lesso B 和 Warren TM 油田新技术投入现场应用前的 测试 油田新技术 17 卷 第 4 期 2005/ 2006 年冬季刊 ISO 标准由国际标准化组织制定请参见 年 3 月 19 日浏览 8. 有关 FMEA 更多的信息 请参见 Stamatis DH Failure Mode and Effect Analysis FMEA from Theory to Execution美国威斯康星州 Milwaukee 美国质量协会 1995 年 9. Powers J Maharaj M Garcia JF 和 Dufrene K Win Place Flow Works in Trinidad Hart's E&P 79 卷 第 11 期 2006 年 11 月 > Cannonball 气田最终完井设计 左 该井在产层采用裸眼完井 利用 Alternate Path 砾石充填筛管 实现防砂上部 V0 级 QUANTUM max 水力座放封隔器 右上 起到分隔的作用 可以承受较高的天 然气生产速率封隔器通过砾石充填工具下入 在油管-环空压差条件下座放它可以通过钻杆回收 另外 FIV 地层隔离阀 右下 可以使防砂装置免受完井液的损害FIV 工具是一个全开式机械球阀 可以根据需要利用转位工具以机械方法控制开关压缩氮启动的 Trip Saver 单次作业特点可使作业者 无需采用常规修井方法便可打开阀门 2007 年春季刊 10. 有关 Alternate Path 技术更多的信息 请参见 Ali S Norman D Wagner D Ayoub J Descroches J Morales H Price P Shepherd D Toffanin E Troncoso J 和 White S 增产和防砂 综合技术 油田新技术 14 卷 第 2 期 2002 年夏季刊 表皮系数无量纲 它通过比较实际条件与理 论或理想条件来反映一口井的生产效率表 皮系数为正表明地层损害或影响正在削弱井 的产能表皮系数为负表明产能提高 一般 是通过实施增产措施来实现 11

14 马来西亚海上完井实例 马来西亚是亚洲油气资源最丰富的 国家之一 总探明储量为40亿桶 6.4亿 米 3 石油 87 万亿英尺 万亿米 3 天然气 该国一直是石油和天然气的净 出口国不过 按照目前的消费速度 到 2015 年 马来西亚将不得不开始进口石 油 除非增加新的产量马来西亚国家 石油公司 PETRONAS 制定了一项雄 心勃勃的计划以应对这一现状 它计划 在未来10年每年增加3%的产量 到2010 年至少达到72万桶/日 11.44万米3/日 在这一目标的指引下 PETRONAS 加快 了勘探步伐 并发现大部分新储量都在 深水区域 2002年 墨菲石油公司 PETRONAS 公司的特许经营公司 在东马来西亚东 部的沙巴州深水区发现了 Kikeh 油田 该油田位于南中国海水深 英尺 1311 米 的区域 砂岩产层中估计蕴 涵数百万桶的可采石油储量地层稍有 超压 井底温度低于 200 F 93 C 渗 透率介于 毫达西之间 为了开发该油田 计划钻19口海底 井 另外在钻井辅助船的支持下从海上 平台钻 20 口干式采油树井 这种方式 效率更高 它将使墨菲石油公司在发现 油田后仅用五年时间就可以投入开采 Kikeh 油田计划于 2007 年开始生产 最 终日产量将超过10万桶 15900米 3 几 乎占到马来西亚 年生产目标的 17% 海底井和海上平台井包括多口生 产井 注水井和一口注气井为了保持 产量 注水井的每日注水量大约20万桶 米 3 注气井的每日注气量需超 过 1 亿英尺 万米 3 在经历了一年多的井设计和开发 规划之后 PETRONAS开始发包Kikeh油 田完井合同开发战略要求尽量采用可 靠的完井技术然而 必须采用几种新 的工具和技术才能实现墨菲公司的目 标 在实施完井作业时保护储层 保护 环境 使井的产能达到最大 采用高效 低成本的程序要实现最后一个目标需 12 要采用能够使设备起下次数最少和完井 时间最短的方法 在选择基本的砂面完井设计之前 墨菲公司的完井和油藏工程部进行了大 量岩石强度研究测试结果表明 三个 主要产层中的上面两个需要采取防砂措 施墨菲公司的工程师规定必须在注水 井的套管段和生产井的裸眼段采用可膨 胀式防砂筛管 下图 斯伦贝谢和墨菲公司的工程师选择 PURE 射孔系统来获得清洁的炮眼 使 表皮系数小于 2.0结合使用 QUANTUM max 封隔器 FIV 工具和油管传送 efire 电子点火头系统 可以在一趟作业中完 成射孔 通过注入测试程序对储层进行 分析 将完井液与炮眼分隔开等 > Kikeh生产井示意图 左 QUANTUM max封隔器 FIV工具和油管传送eFire 电子点火头系统使工程师可以在一趟作业中完成射孔 储层分析 并将炮眼 与完井液分隔开完井装置也配有WellWatcher实时储层和生产监测系统 其 中包括能够运行10年而无需维修的永久式石英压力计 右下 在重要位置安 装了双重止回化学药剂注入工作筒 DCIN 右上 以适应定期注入化学药 剂从而防止结垢 水合物或蜡沉淀工作筒是由防腐合金制成的整体式装置 双重止回阀对液体和气体形成可靠的防漏密封 油田新技术

15 为了达到最高的可靠性, 射孔系统由一个独立的压力启动点火系统支持这项技术可以节约宝贵的时间, 并最大限度保护储层, 达到最好的开发效果除了最新的射孔和 FIV 技术之外, Kikeh 完井装置还包括多控制管线穿越封隔器, 配有免修井型油管隔离阀 (TIV) 系统, 进一步节省了钻机时间, 同时可进行全面的完井装置完整性测试和确认 TIV 和 FIV 的结合使工程师能够全面测试海底油管悬挂器的完整性以及深水完井装置工作管串, 无需进行修井或耗时的地面测试为了避免进行昂贵的修井作业, 或至少将修井作业的规模降至最低, 墨菲石油公司不仅要对生产和注水作业进行管理, 还必须及早发现潜在问题因此, Kikeh 完井装置采用了 WellWatcher 实时储层和生产监测技术 ( 包括永久式石英压力计 ) 海底和地面采油树数据采集和传送系统这些组件的设计可确保运行 10 年无需维修在完井和生产作业过程中, 为了保护环境和墨菲石油公司的油田基础设施, 工程师选择了 TRC-II 井下安全阀这些阀门有两套独立完整的活塞系统, 通过单独的控制线连接, 实现了系统备 [12] 用和长期可靠性 因为阀门有可能安装在超过 英尺 (3858 米 ) 的深度, 远在水合物或石蜡沉积层的深度之下, 所以需要采取措施防止结垢在 Kikeh 油田, 工程师在海平面下 5790 英尺 (1765 米 ) 处安装了 TRC-II 阀不过,Kikeh 完井装置仍然需要注入化学药剂来抑制结垢 石蜡和水合物的沉积双重止回阀化学药剂注入工作筒 (DCIN) 具有这种功能本文介绍的所有完井技术都必须利用可靠的设备将完井硬件安装在海平面以下很大的深度处为了在作业期间最 大限度地确保安全, 墨菲公司决定在注入井中安装经过改进的 SenTREE 7 海底井控系统海底生产井使用了配有测试采油树阀模块的全功能 SenTREE 7 系统, 可以对井进行监控如果在海底生产井安装过程中遇到问题, 控制系统会有 15 秒的反应时间来关井并断开联顶管串在将各种完井组件下入井下的过程中, 作业者在安装完成之前都能够对井下阀和完井系统直接实施水力控制这种灵活性不仅降低了作业成本, 而且还提供了出现意外情况时的应急方案在将完井组件运到马来西亚之前, 实施了一次完整的 SIT 测试测试结果取得成功, 增强了斯伦贝谢和墨菲公司对完井计划的信心随后不到一年, 第一批设备开始抵达在墨菲石油公司钻井和完井部门与斯伦贝谢完井 射孔 海底和测试人员的密切合作下, 首批完井装置在六个月内便安装完毕 2006 年期间, 最初的井动态证明了墨菲公司和斯伦贝谢公司选择的完井结构是正确的, 无需对设计进行大的修改便实现了完井目标之后开展了进一步的协作和优化, 以缩短油田投入开发所需时间, 改善作业效果例如, 因为有多个压力控制 TIV 和 FIV 设备, 所以, 不管实际压力如何, 都必须对井中施加的所有压力进行密切监测, 以预测和防止发生工具意外启动因此, 完井人员在开始作业前便可进行必要的调整 Kikeh 油田综合利用海上平台和海底井的方法十分独特采用海底井可允许使用小型平台, 从而降低了基础设施成本, 缩短了安装时间利用这种方法还可同时进行海上平台和海底钻井 管道敷设及其他设施的施工后一种开发方法大大缩短了墨菲公司原油上市的时间, 同时通过共享资源和专用技术使开发效果达到最大事实上,Kikeh 油田 是在五年内就从发现进入石油生产阶段的为数不多的深水油田之一未来的发展本文介绍的实例说明, 目前海上完井, 尤其是深水完井作业是非常复杂的, 而且面临很多技术挑战服务公司和作业公司之间的密切合作对于及时取得项目成功至关重要此外, 针对开发中面临的各种挑战, 斯伦贝谢推出了一系列综合完井技术, 使作业公司能够安全 高效地进行油气开采随着深水油气田开发的持续升温, 本文所介绍的油气田开发中的经验和教训将会应用到未来的油气田开发中, 所有参与公司之间的密切合作也将日趋普遍 EBN 12. Garner J,Martin K,McCalvin D 和 McDaniel D: 有备无患 : 井下安全阀, 油田新技术, 14 卷, 第 4 期 (2002/2003 年冬季刊 ): 年春季刊 13

16 优质射孔液体系 最近开发出来的新型射孔液既可以帮助作业公司清洁射孔孔 眼 同时又非常经济将这些新型射孔液与性能得到进一步提高的 射孔枪和动态负压射孔新技术相结合 能够极大地提高油气井的产 能 Larry Behrmann Ian C. Walton 美国得克萨斯州 Rosharon Frank F. Chang 沙特阿拉伯宰赫兰 Alfredo Fayard 美国得克萨斯州休斯敦 Chee Kin Khong 中国深圳蛇口 Bjørn Langseth 挪威斯塔万格 Stephen Mason 美国得克萨斯州 Sugar Land Anne-Mette Mathisen Hydro 公司 挪威卑尔根 Italo Pizzolante Tian Xiang CACT 作业集团 中国深圳蛇口 Grete Svanes MI-SWACO 公司 挪威卑尔根 在编写本文过程中得到以下人员的帮助 谨表谢 意 挪威斯塔万格 MI-SWACO 公司的 Nils KagesonLoe 美国得克萨斯州休斯敦 MI-SWACO 公司的 Charlie Svoboda 任何一项井作业之后的清理工作 都非常重要在钻井过程中 钻头的冲 击和钻井泥浆的水力能量使地层岩石破 碎钻井泥浆将岩石碎屑携带至地面 在循环泥浆将岩石碎屑清除之前 地层 已经暴露于外来的固相物质 流体和溶 解的化学物质 有时会降低近井地层的 渗透率 从而造成储层岩石损害这一 渗透率下降通常被称为地层损害 它是 表皮损害的表现之一 同样 在射孔过程中 聚能射孔弹 所产生的高能喷射流射穿套管和水泥 环 穿透地层 形成一条深入储层岩石 的导流通道射孔枪引爆之后 井筒内 的流体会立即流入射孔孔道 与钻井作 业相同 井筒流体与地层之间的接触可 能导致渗透率进一步下降 并降低射孔 效果在正压射孔中这一情况尤为明 显 正压指的是井筒的静水压力大于地 层压力的情况 对射孔液进行适当的设 计能够帮助避免这类损害 从而大大提 高油气井的产能 尽管现代射孔作业涉及许多技术 不过要最大限度地提高油气采收率 有 三个基本要素至关重要它们共同构成 了优化射孔方案的基础首先 必须在 适当方向上进行射孔 其次 必须能够 有效清除射孔孔道的碎屑 第三 在作 业过程中 必须尽量减小对地层的损 害碎屑不仅包括射孔孔道中的松散物 质 更为主要的是 其中还有被压碎的 砂岩颗粒 正是这些破碎颗粒造成了所 谓的射孔损害 在可能出砂的储层中 射孔方向对 实现稳产至关重要 在斜井和水平井中 的影响尤为明显大量出砂是一个常见 问题 它会腐蚀井下设备 堵塞井筒 最终阻断流体的流动2001年 BP公司 注意到 其全球 60% 的油气产量 大约 为日产 200 万桶油当量 即 万米 3 来自于需要进行一定程度防砂管理的油 田[1]由此可以看出 很有必要对射孔 方案进行优化以确保射孔能够在适当的 方向和相位上进行 从而尽可能减少出 砂并最大限度提高油气产量[2] 射孔作业后 必须将孔道内的碎屑 清除长射孔孔道以及致密低渗透率地 层射孔孔道内的碎屑比较难以清除有 时 可以利用负压射孔来帮助清除孔道 中的碎屑 以最大限度减小射孔损害[3] PLT 生产测井仪 PURE 和 SPAN 斯伦贝谢射孔 分析软件 等是斯伦贝谢公司的商标CLEANPERF 是 MI-SWACO 公司的商标 14 油田新技术

17 然而, 最近工程师发现, 在射孔枪引爆后瞬间产生动态负压清洁射孔孔眼的实际效果比负压射孔更好, 而且在某些情况下更适合完井设计和井 [4] 况 一般情况下, 初始状态为负压或正压的条件下都能够产生动态负压 1. Morton N: Screening Out Sand,BP Frontiers, 第 2 期 (2001 年 12 月 ): 有关定向射孔更多的信息, 请参见 :Bersas K, Stenhaug M,Doornbosch F,Langseth B,Fimreite H 和 Parrott B: 定向射孔新技术, 油田新技术,16 卷, 第 1 期 (2004 年春季刊 ):28-37 Acock A,ORourke T,Shirmboh D,Alexander J, Andersen G,Kaneko T,Venkitaraman A,Lopezde-Cardenas J,Nishi M,Numasawa M,Yoshioka K,RoyA,Wilson A 和 Twynam A: 实用防砂和控砂方法, 油田新技术,16 卷, 第 1 期 (2004 年春季刊 ): 有关负压射孔更多的信息, 请参见 :Bakker E, Veeken K,Behrmann L,Milton P,Stirton G, Salsman A,Walton I,Stutz L 和 Underdown D: 动态负压射孔新技术, 油田新技术,15 卷, 第 4 期 (2003/2004 年冬季刊 ): Chang FF,Kageson-Loe NM,Walton IC,Mathisen AM 和 Svanes GS: Perforating in Overbalance - Is It Really Sinful?,SPE 82203,SPE Drilling & Completion,19 卷, 第 3 期 (2004 年 9 月 ): 年春季刊 15

18 > PURE 压力动态变化在射孔枪引爆后的 0.1 秒内 射孔孔道内部及周围的 压力 蓝色 急剧下降在与地面连通的井筒内 压力会在大约 0.15 秒左右 恢复到静水压力这一过程有助于清理孔道内的地层碎屑 提高开采效率 为了在静水压力恢复过程中尽可能降低射孔损害 射孔液必须能够迅速在暴 露不久的地层上形成适当的滤饼或密封 PURE 射孔系统在射孔孔道形成之 后立即产生动态 瞬时 负压 能够获 得清洁的孔道[5]孔眼周围储层流体的 瞬时减压有助于清除射孔孔道内的碎 屑 与此同时井的其他部分可能仍处于 静态正压状态 左图 在大多数情况 下 PURE 技术产生的表皮因子要低于 常规负压射孔所能观察到的表皮因子 一旦射孔枪在设计方位引爆 产生 的动态负压对射孔孔道进行清理后 孔 道内的静水压力将恢复到井筒静水压力 水平如果井筒的初始状态处于负压 那么井筒内的流体很难通过射孔孔道渗 透到地层中不过 根据井身结构和地 层性质的不同 当采用正压射孔时 井 筒内的流体可能会涌入射孔孔道 增加 了进一步损害地层的可能性 工程师认识到 初始正压射孔可能 会导致地层损害 而有时候却必须采用 这一方法不过 正压射孔通常是最经 济 最有效的手段 特别适用于作业者 在射孔之后需要从井筒中起出射孔枪系 统的情况作业者一般有如下三种选 择 射孔后立即丢枪这一方法要求配 有一个被称为丢枪短节的专用连接 装置 完井装置之下有足够的井深 井斜小于 60 度 并且已经预先安装 上部完井装置在这些条件下 可 以采用初始负压射孔 其后释放射 孔枪串 然后立即投入生产这是 三种选择中损害程度最低的一种 以初始负压进行射孔 然后借助井 口适配器收回射孔枪串 适配器的 作用是可以让作业人员在带压情况 下通过井口收回工具这种方法造 成的地层损害很小 但由于需要使 用到一些专用工具 因而并不总是 一种经济实用的选择 采用正压射孔 这样可以安全收回 射孔枪串 并且可在井控条件下安 装上部完井装置在这种情况下 一般是将射孔液 通常为含有固相 颗粒的压井液 循环出井筒 然后 再进行生产 > 地层表面处的过滤作用在正压条件下 即井筒静水压力大于地层压力时 射孔孔道内地层表面的作用相当于过滤器当井筒内的流体在压差作用下被驱 入地层时 固相颗粒会在岩石表面处滤出 只有流体和微粒能够进入渗透性岩 石内 插图 能够穿过初始过滤带的微粒的大小在很大程度上取决于岩石孔 喉尺寸以及流体中固相物质的尺寸和特性一般来说 固相物质沉积在地层表 面附近 形成内部和外部滤饼滤饼的深度 厚度 弹性以及其他力学特性决 定了在生产期间将其清除的难易程度 16 油田新技术

19 在本文中 我们将着重对射孔优化 方案中的第三个要素 即射孔液 进行 讨论我们将介绍大量实验室试验 这 些试验为新型射孔液体系的开发奠定了 基础然后 我们以南中国海一家作业 公司为例 说明该作业公司如何利用这 些理论概念来提高生产效率 页 下图 滤失到地层中的流体以几种不同的 方式降低地层渗透率滤失流体中的物 质可能会与地层孔喉中的粘土矿物发生 反应 导致粘土矿物膨胀 从而降低有 效渗透率渗入储层中的表面活性剂和 聚合物等混合物能够改变孔喉的润湿性 和有效直径 从而改变阻力 并可能限 正压射孔液的评价 制油气的流动 由于射孔后射孔液会渗入地层中 在液相渗入地层的过程中 射孔液 因此可能在射孔孔道径向方向上造成渗 中的固相和聚合物沉淀在射孔孔道和地 透率损害径向渗透率损害程度受多个 层内 在孔道壁与地层之间形成一层低 多因素的影响 其中包括原始地层渗透 渗透率滤饼 或密封 在渗透性岩石 率 井筒与储层之间的压差 地层孔喉 中 形成这一密封的速度以及密封物质 内粘土及其他碎屑的数量和类型 液相 的特性共同决定了滤失速率 总滤失量 化学成分以及固相化学和物理性质等 以及射孔后地层损害的程度 射孔作业最常用的井筒液是盐水完 Hydro 公司 斯伦贝谢公司和 MI井液当盐水完井液滤失量较大时 根 SWACO 公司的工程师认识到尽量减小 据漏失完井液的体积或者成本 需要在 滤失造成地层损害的重要性 于2001年 射孔层段替入二级完井液体系来封堵射 开始进行联合研究 旨在开发出优化射 孔孔眼以防止进一步滤失 这一体系一 孔液 以帮助最大程度减小正压条件下 般是滤失控制完井液 FLCP 或压井液 射孔后的地层损害[6]为了给射孔液损 这种射孔后使用的 FLCP 一般是液相与 害程度确定一个基准 工程师首先对正 固 相 的 混 合 物 固 相 为 诸 如 碳 酸 钙 压射孔中常用的水基和油基完井液进行 CaCO3 等的聚合物和微粒 这些固相 了评价Hydro 石油和能源公司与 MI微粒的尺寸经过优化 能够最大限度减 S W A C O 公 司 在 位 于 挪 威 卑 尔 根 的 少地层滤失量随着射孔孔道内滤失的 Hydro 公司实验室针对流体配方进行了 进行 这些流体中的固相和液相在地层 密切合作对测试流体进行混配并将其 表面处由于过虑作用而发生分离 前一 送往位于休斯敦的 MI-SWACO 实验室 以验证流体性质然后 将流体样品送 往位于得克萨斯州 Rosharon 的斯伦贝 谢油藏完井技术中心 SRC 进行射孔 实验 在 Rosharon 实验中心 研究人员 采用多种配比形式在实验装置内对六 种类型的流体进行了评估 下表 由 于已经证明锌壳聚能弹与某些水基完 井液不配伍 因此对其中几种测试流 体在采用锌壳和钢壳材料时的结果进 行了评估[7]第一组试验采用的是 Castlegate 砂岩岩心 其渗透率范围为 毫达西 在实验室 工程师对测试岩心在 300 F 149 C 温度下进行了 16 个小时 的干燥处理然后将这些岩心中的流体 抽空 用煤油进行饱和 并测定其原始 孔隙度 5. 有关 PURE 技术更多的信息 请参见 Bruyere F Clark D Stirton G Kusumadjaja A Manalu D Sobirin M Martin A Robertson DI 和 Stenhouse A New Practices to Enhance Perforating Results Oilfield Review 18 卷 第 3 期 2006 年秋季 刊 Chang 等人 参考文献 4 7. Javora PH Ali SA 和 Miller R Controlled Debris Perforating Systems Prevention of an Unexpected Source of Formation Damage SPE 发表 在SPE地层损害控制国际研讨会上 美国路易 斯安那州 Lafayette 2000 年 2 月 日 > 不同类型射孔液的测试第一组测试的流体包括油基液和源自盐水完井液的射孔液每种流体的密度基本相同 多数 添加的是碳酸钙[CaCO3]加重剂 2007 年春季刊 17

20 > 全尺寸射孔实验装置实验装置 左上 中岩心被密封在一个弹性套筒内在对实验装置进行密 闭后 在模拟井下条件下对压力和温度进行控制大小蓄液器可以提供远场压力或静水压力 下图 在进行实验时 射孔枪 红色 点火后穿过钢板和水泥进入地层岩心 从而实现对井筒条件的模拟 插图 18 技术员在常温常压条件下确定了轴 向和径向流动形态的渗透率 以对上覆 岩层压力进行模拟然后将岩心装入射 孔实验装置内 岩心面上附有一层钢板 和水泥板 左图 给岩心施加上覆应 力 将射孔枪下入适当位置 模拟井筒 中充注测试流体大多数试验中使用了 旋转实验装置 这样射孔枪可以垂直点 火 以模拟水平井内的定向射孔在实 验装置达到预期油藏温度后 施加孔隙 压力 上覆应力和井筒压力 以形成450 psi 3.1 MPa 的正压所有压力稳定 后 工程师引爆射孔枪 让井筒压力和 孔隙压力读数重新稳定技术员将系统 关闭 并将正压状态保持了三天时间 在某些实验中 在关井期间继续发 生流体滤失 导致井筒压力下降 并接 近油藏压力 下一页 左上图 如果 压力下降到预定的水平 技术员就提高 压力以保持450 psi的正压这个过程是 对现场实际作业情况的模拟 使井筒内 静液柱的高度周期性达到最大 以保持 静水压力在其中一些实验中 这一加 压和滤失循环过程随射孔液控制流体滤 失能力的不同在整个关井期间出现过数 次 三天以后 使系统温度降低 压力 降至大气压在环境温度下 通过让煤 油轴向流过岩心的方法测定了射孔后的 产能从比较低的流量开始 使煤油不 断流过岩心直至建立起稳态流然后 增加流量 以测定清洁效果随流量增加 而改善的情况 为了对各种测试流体的滤失控制特 性进行比较 工程师测定了形成滤饼时 的流量 这一流量也可以被解释为滤失 速率 下一页 右上图 技术员还从 常规高温高压 HPHT 滤失实验中获取 了数据在实验第一分钟内获取的滤液 量 初滤失量 也有助于对不同流体 的滤饼形成特性进行比较 下一页 下 图 油田新技术

21 > 典型的关井压力剖面在 72 小时的关井时间内获得了井筒压力剖面压力峰值出现在技术员增加模拟静水压力的时刻, 说明流体滤失到岩心中根据滤失曲线的斜率可以得到流体滤失速率 ( 插图 ) > 流体滤失速率此处给出的是井筒压力稳定之后井筒静水压力和孔隙压力之间的压差与时间平方根的关系图直线斜率对射孔孔道壁表面积的变化进行了归一化处理, 它代表的是滤饼形成时的速率这一数值也可以被解释为滤失速率, 指示随着时间的推移, 滤失到岩心内或流过岩心的流体体积 > 第一组 10 次试验得到的初步结果 ( 上 ) 试验 1 和试验 2 对使用油基射孔液在水平和垂直方向上射孔的结果进行了比较可以看到, 射孔枪在垂直方向上进行射孔时岩心的流动效率 (CFE) 有明显提高在试验 5 和试验 6 中, 使用钢壳和锌壳射孔弹对由溴化钙 (CaBr 2 ) 制成的射孔液进行了测试, 证实了溶液中的溴和锌会产生不利影响 ( 左下 ) 使用钢壳射孔弹, 归一化处理后的射孔 / 渗透率比 (NPPR) 得到改善此外, 还对使用水基和油基流体时的 CFE 进行了比较除试验 4 外, 利用油基流体进行射孔所产生的损害最小 ( 右下 ) 工程师猜测, 试验 4 中使用的低固相油基泥浆可能受到了破乳的影响, 因此与其他测试的油基流体相比得到的 CFE 值要低试验 7 中使用了水基流体, 得到的 CFE 值较高, 其中的原因尚不十分清楚由于如此高的水基 CFE 值与所有其他水基试验结果均不一致, 因此工程师认为该试验属异常情况 2007 年春季刊 19

22 系列试验得到的数据表明, 大多数流体都减缓了滤液进入岩心的速度不过, 利用甲酸铯 (C s COOH) 盐水配制的溴化钙 (C a Br 2 ) 盐水和低固相油基泥浆 (LSOBM) 属例外以前的试验已经表明, 使用锌壳射孔弹射孔时, 锌碎屑和含钙盐水会发生化学反应这通常会导致 C a Br 2 射孔液失去其防滤失能力, 井筒压力和孔隙压力很快达到平衡就说明了这一点 ( 右图 ) [8] 不过, 当使用钢壳射孔弹时, 可以很好地保持其防滤失能力实验表明, 甲酸铯基 LSOBM 的防滤失能力较弱观察到初始流体滤失量很大, 并且有更多的流体流入地层, 特别是在初始滤失阶段试验后对岩心进行检查时, 研究人员注意到射孔孔道内充填了一些物质, 在某些情况下充填物为射孔液中的固体和地层砂粒孔道内这些物质的作用可能相当于孔隙性介质, 而如果没有这些物质的话, 孔道的导流能力接近于无限大为进一步了解各种流体的清洁潜力, 工程师计算出了射孔渗透率, 该渗透率考虑了射孔孔道内滤饼物质的充填情况研究小组根据测得的产能和射孔孔道尺寸, 使用数字模拟器来计算射孔渗透率在获得射孔渗透率之后, 通过用射孔渗透率除以岩心轴向和径向渗透率的平方根来确定归一化处理后的射孔 / 渗透率比 (NPPR) [9] NPPR 提供了与原始岩石渗透率相比射孔渗透率的大小测量与射孔孔道长度和直径无关通过 NPPR 计算得出的数据证实, 使用油基射孔液可以得到更为洁净的射孔 ( 下一页图 ) NPPR 也为水基射孔液清洁效果的评价提供了一种方法, 而岩心流动效率 (CFE) 计算 [10] 一般不确定清洁效果 数据进一步说明了防滤失能力与产能下降之间的直接关系射孔液形成滤饼的效果越差, 它所造成的损害程度就越大, 这一情况对于水基射孔液尤为明显 > 射孔弹壳对流体防滤失添加剂的干扰影响工程师猜测, 射孔弹锌壳粉碎后的锌粉末与盐水基射孔液中的盐发生化学反应这些反应产物会对射孔和压井液中用于控制流体滤失的聚合物产生不利影响滤失压力数据表明, 使用锌壳聚能弹时缺少防滤失作用 ( 上 ); 井筒压力 ( 绿色 ) 近场孔隙压力 ( 蓝色 ) 和远场孔隙压力 ( 橙色 ) 是相等的, 表明没有滤饼和防滤失能力使用钢壳射孔弹 ( 下 ), 射孔液能够形成滤饼 ; 井筒压力 ( 绿色 ) 和孔隙压力 ( 橙色和蓝色 ) 很容易区分 总的来说, 滤失到地层中的流体越多, 内部和外部滤饼就越致密因而, 在生产期间清除滤饼就更为困难, 并且对射孔孔道造成的损害更大当使用水基射孔液时,NPPR 与滤失速率呈对数线性下降, 表明滤饼清除无效, 同时也表明水基流体会对相对渗透率造成不利影响 LSOBM 流体试验中的滤失量较大, 有可能会损害产能不过, 尽管所测试的 LSOBM 流体的滤失速率较高, 并且 HPHT 时的数值也较高, 但只要在整个射孔过程中油基流体保持稳定并能保持 其油外相乳化状态, 就不会对渗透率造成明显影响能够对模拟井筒压力和地层压力进行测量帮助工程师更好地了解流体滤失的动态情况, 以及射孔造成的潜在损害第一组试验得到的结果表明, 无论使用水基还是油基射孔液, 尽量减小渗透率损害的关键是要在射孔孔道地层表面上迅速形成高质量的滤饼尽管在降低地层损害方面, 油基射孔液的性能优于水基射孔液, 但尽量降低射孔液滤失量仍有助于降低产能损害 20 油田新技术

23 正压射孔射孔之后 利用类似于前面 试验中所用的射孔液对清洁完井液进行 了替换压井液的重量在压力的作用下 有效地将清洁液压入地层 直至压井液 到达射孔孔眼并形成滤饼 工程师在实验室内模拟了这些过 程带有气顶的蓄液器的作用相当于静 液柱 在射孔段之上提供远场压力效 应大蓄液器容量代表在与地面连通的 井中射孔的情况 有充足的井筒流体和 能量可以补充射孔枪点火后射孔段周围 压力的不足相反 小蓄液器容量代表 在封隔井筒中射孔的情况 由于在射孔 后没有足够的能量补充压力的不足 因 此它延长了动态负压期 在 延迟压井 试验中 试验装置 中加入了清洁完井液将注满压井液的 活塞式蓄液器连接到试验装置上 但关 闭状态的阀门将其隔离将蓄液器压力 升高到井筒压力 这样在阀门打开时试 验装置中没有压力损失 通过这一步骤 迅速形成了正压状态 射孔枪点火后 井筒压力和孔隙压 力随即达到平衡将蓄液器与试验装置 > 射孔渗透率的计算归一化射孔 /渗透率比 NPPR 有助于工程师将地层实际渗透率与射孔后岩石 之间的阀门打开 施以正压 驱使清洁 的渗透率进行比较 也有助于了解不同测试流体的效果最终目的是获得高 NPPR 值油基流体 蓝 流体流过岩心样品形成滤饼后 滤失 色菱形 红色方块和褐色三角形 与水基流体相比表现出明显的优势 停止 之后维持稳定的正压在压井过 程中 大量清洁射孔液被压入岩心 导 [11] 模拟现场条件 孔以及使用清洁射孔液进行射孔等 致孔隙压力升高岩心背面的放压阀使 尽管第一组试验通过实验室分析 在第一种 快速压井 情形过程中 井 实验人员能够保持相对稳定的孔隙压 明确了各种流体的效果 但是 关于现 筒中充满专门设计的含有固相的射孔 力 场射孔方案仍有一些问题没有明确答 液 井筒与地面连通来自远场井筒流 案由于各个项目的射孔程序不同 只 体的模拟静水压力提供了能量来源 以 是简单地使用低滤失射孔液就能确保 快速使井下压力增加到所需的正压状 8. Chang 等人 参考文献 4 将渗透率损害程度降到最低吗 应该 态 使用清洁盐水还是专门配制的射孔液 在第二种 缓慢压井 情形过程中 9. NPPR= 其中 k= 渗透率 对油气井进行射孔 是否应该使用隔 对井筒进行正压射孔 但封隔器之下的 离封隔器来帮助优化动态负压条件 井筒被隔离射孔之后 射孔枪点火形 10. 岩心流动效率 CFE 定义为测得的生产指数 PI 岩心被聚能弹射穿后 与理论 PI 假设 为了回答这些问题 研究人员设计了 成的动态压力效应会立即使井筒压力降 射孔孔道和周围地层未受任何射孔损害 的 比值 第二组试验 以评价水基和油基射孔 低然而 由于与整个静液柱不连通 11. Chang FF Mathisen AM Kågeson-Loe N Walton 液在不同模拟现场条件下的性能 井筒分隔部分在封隔器被人为解封之前 IC Svane G Midtbo RE Bakken I Rykkje J 和 设计了几种模拟情形 以再现现 无法回到正压状态在最后一种被称为 Nedrebø O Recommended Practice for Overbalanced Perforating in Long Horizontal Wells SPE 场可能存在的情况 例如 在与地面 延迟压井 的情形中 对试验装置的 发表在 SPE 欧洲地层损害大会上 荷兰 连通的井中射孔 在隔离的井筒中射 配置进行调整 以模拟清洁完井液中的 Scheveningen 2005 年 5 月 日 2007 年春季刊 21

24 从各个射孔方案所获得的CFE计算 结果表明 关井期间流体滤失量越少 如关井压力动态所示 CFE 值就越高 > 岩心流动效率 CFE 采用快速压井 缓慢压井和延迟压井方法对 Castlegate 砂岩进行了射孔在快速压井和缓慢压井试验中 试验采用的是 油基射孔液而在延迟压井试验中 射孔枪点火时使用的是清洁煤油 随后 用油基压井液进行替换快速压井的压力 绿色 显示出较低的滤失速率并 且泵加压次数最少 左上 缓慢压井方法需要对压力进行更频繁的调整 中 而在延迟压井方法中 直到利用油基压井液替换清洁煤油后才获得有 效滤失控制 下 岩心流动效率 CFE 计算结果表明 使用油基射孔液的 快速压井方法造成的渗透率损害最小 右上 22 左图和上图 在与静水压力连通的井 内进行设计适当的射孔所产生的地层损 害预计会小于使用相同流体但与静水压 力隔离的井筒中射孔所产生的损害此 外 使用清洁盐水进行射孔 然后利用 比重较大的压井流体进行替换 似乎会 造成更大的损害 其原因可能是因为有 过多的盐水滤失到地层内 工程师使用 Castlegate 砂岩进行了 类似实验 以评价油基射孔液的性能 与水基射孔液相比 油基射孔液表现出 与之大致相同的趋势 但 CFE 值更高 表明地层损害较小实验数据表明 在 与地面连通的井中使用油基射孔液射孔 所产生的损害是所有测试射孔液和方法 中最小的工程师注意到 在油中射孔 然后压井造成的损害更大 再次说明 快速形成滤饼对于尽量减少损害性固相 和流体侵入地层是非常必要的 所有试验均表明 射孔压力动态会 对所有类型压井液的防滤失性能产生影 响在与地面连通的井中射孔得到的关 井压力剖面显示出良好的滤饼性能而 在与静水压力隔离的井中射孔得到的关 井压力剖面则显示出较差的滤饼性能 在关井期间 需要更加频繁地补充压 力 在模拟井筒中利用清洁流体进行 射孔并随后进行压井时 观察到防滤失 能力较差 油田新技术

25 > 负压的重要性在这一试验中 对 Castlegate 砂岩进行的射孔没 有实现动态负压 左上 尽管滤失压力剖面 左下 显示井筒压 力 绿色 大大高于孔隙压力 橙色 表明有良好的防滤失性能 但低滤失速率主要是由于射孔后未能将射孔碎屑从孔道中清除造成 的计算机轴向层析 X 射线成像 CAT 扫描图像 上 显示孔道 内的物质比较致密 密度较高 白色 为了进行比较 实验人员 采用相同的流体对类似的岩心进行了射孔 但实现了动态负压 岩 射孔孔道中的灰色表明 孔道中留下的 心流动效率较高 右上 碎屑明显减少 最后 在未借助动态负压进行射孔 的试验中 碎屑堵塞帮助实现了有效滤 失控制尽管在没有动态负压的情况下 实现了适当的防滤失效果 但孔道内的 碎屑使保留的渗透率降低 上图 所有试验完成后 Hydro 石油与能 源研究中心的工程师和科学家对岩心薄 片样品进行了岩相研究 对从孔道附近 破碎带到远离孔道的原状砂岩基岩的颗 粒和孔隙结构的变化进行了分析此 外 他们借助扫描电镜 SEM 对经过 抛光和环氧树脂处理的样品进行了研 究 并对反向散射图像的显微照片进行 了分析 靠近孔道壁的岩心薄片图像显示了 压力变化对射孔清理效果的影响 右 图 很显然 聚能射孔弹在靠近孔道 壁附近形成了压碎带 2007 年春季刊 > 孔隙度的变化图像 A B 和 C 下 是取自低渗透 Berea 砂岩岩心 上 薄片样品的图象使用 油基射孔液进行了射孔图像 A 和 B 与图 C 相比 细粒物质含量较低 表明由于在射孔过程中获得了 动态负压 清除了压碎带由于在缓慢压井方法中流体滤失量较大 样品 A 显示的损害程度较高样 品 B 显示在薄片中有稍多的细粒物质 不过 快速压井方法帮助清理了射孔孔道由于没有获得动态 负压 图像 C 中的细粒物质含量较高 同时孔道的压碎带也未得到清除这些试验结果与对较高渗透 率 Castlegate 砂岩所做试验的结果是一致的 23

26 > 选择射孔液图中显示出了不同射孔方法每种试验射孔液的岩心流动效率 (CFE) 在 Castlegate 砂岩 ( 上 ) 和 Berea 砂岩 ( 下 ) 中, 油基射孔液与快速压井方法 ( 紫色 ) 和动态负压相结合, 得到了最有利的结果 ; 较高的 CFE 值表明射孔损害最小延迟压井方法 ( 蓝色 ) 以及未获得动态负压 ( 黄色 ) 试验的损害程度最大 在快速压井和缓慢压井方法中, 均获得了动态负压, 并且清除了压碎带实验室研究表明, 这两种情况下的颗粒大小没有什么区别不过, 在缓慢压井情况下, 滤失量比较大, 可能导致损害程度增加在没有动态负压的情况下, 压碎带没有被清除, 结果导致大量细粒物质留在了孔道内, 从而降低了 CFE 值基于所收集的数据和岩相观察结果, 研究小组断定, 射孔洁净程度与射孔对射孔液侵入的敏感性之间存在一种微妙的权衡关系获得清洁度足以形成有效滤饼的孔道可能比设法获得 最清洁的孔道的做法 ( 可能导致更多的滤液滤失到地层中 ) 更有益于总体预防损害对经过抛光和环氧树脂处理的 SEM 样品所做的检查进一步证明, 要尽量降低渗透率损害程度, 在正压射孔时必须获得动态负压上述大量研究获得的数据表明, 在正压过程中, 射孔液的性质 用于压井和隔离射孔段的方法以及在射孔过程中成功获得动态负压等, 都对油气井最终产能产生重大影响 ( 上图 )正压射孔优化方案中必须包括能够快速形成滤饼的优化射孔液, 并在此过程中获得动态负压 快速压井射孔液应用实例由中国海洋石油总公司 (CNOOC) 雪弗龙公司和 Eni 公司组成的 CACT 作业者集团在南中国海对 HZ 油气田进行联合开发 HZ 油田主要由薄砂岩互层组成, 可通过多层砂岩混采以及钻水平井的方法实现较高的单井产能油管传输射孔 (TCP) 一直以来是厚度较大的生产层的首选射孔工艺但 CACT 工程师发现, 电缆射孔枪对于较大层段内分布多个薄产层来说是一种很 [12] 经济的替代方法 在这些井中, 经常在稍微正压的条件下进行多次电缆射孔作业, 因为从作业角度来看这样做既简便又安全以往采用油管传输负压射孔方法和利用静态负压井筒压力的射孔作业需要占用更多的钻机时间, 而且作业非常复杂在许多情况下, 采用静态负压射孔的井表现不佳, 这可能是由于因射孔而产生的表皮没有被完全清除所致此外, 当采用 TCP 时, 除非钻了足够的鼠洞以便能够将射孔枪丢到井底, 否则必须进行压井作业来收回射孔枪, 这就可能造成射孔后完井液侵入损害的风险为了尽量降低成本 简化作业并尽量减小射孔损害,CACT 决定使用电缆射孔枪对大多数新井进行正压射孔, 并对现有井实施正压再射孔在对候选井进行研究之后,CACT 油藏和生产部门与斯伦贝谢以及 MI- SWACO 公司的工程师联合对两项采用正压射孔的新完井技术进行了试验应用, 包括 PURE 系统和 CLEANPERF 非侵入性射孔液这些技术预计能够提高完井效率为了对新的射孔系统设计进行测试, 工程师计划将 1 号参考井的重新完井结果与新近完井的 6 号井的完井结果进行比较由于 1 号参考井没有可用的压力恢复数据, 因此对生产指数 (PI) 进行了分析, 以估计其完井表皮系数完井后将 PLT 生产测井仪下入井内进行测量, 以确定含水率最低时所有层的流量 24 油田新技术

27 参考井中利用电缆传输射孔枪和 PURE 系统在大约 1.3 MPa 188 psi 正 压下射孔的四个层段的PLT生产测井评 价显示 渗透率从9.4到1605毫达西 表 皮系数从 0 到 号参考井和 6 号井都使用了 PURE 系统进行射孔 但所用射孔液不同工 程师在1号参考井使用了CLEANPERF射 孔液体系 而在 6 号井使用了一种典型 的聚合物压井液 M-I SWACO 研制出的 CLEANPERF 射孔液体系用于与斯伦贝谢 PURE 射孔 系统配合使用 主要用于正压射孔该 射孔液能够在射孔之后立即形成低渗透 率屏障 从而限制固相和流体沿射孔孔 道进一步侵入储层为了进一步减小射 孔后损害 该体系在生产过程中能够很 容易地回流 无需采取补救处理措施 CLEANPERF射孔液是根据包括地层 特征和预计压差在内的几项标准 针对 具体应用情况而设计的下列因素对每 一设计而言至关重要 包括为所需正压 提供足够的密度 在地层表面上快速建 立起低渗透率封闭薄带 在封闭带内形 成最小的粘附力和粘结力 以促使流体 从地层中均匀释出 并在回流时得以清 除 在生产前使该体系在井筒内的一段 时间里保持热稳定性 与射孔弹具有很 好的化学匹配特性 工程师根据 CACT 提供的岩心薄片 分析结果设计出了配比合理的桥堵剂 可以有效封闭地层中的各种孔隙工程 师为 1 号井选择了水基 CLEANPERF 体 系射孔液使用了 4.21% 体积含量的筛 选桥堵剂和两种不同的粘土抑制剂进行 配制为了促进滤饼的清理 加入了化 12.Pizzolante I Grinham S Xiang T Lian J Khong CK Behrmann LA 和 Mason S Overbalanced Perforating Yields Negative Skin Values in Layered Reservoir SPE 发表在 SPE国际石油与 天然气大会暨展览会上 中国北京 2006 年 12 月 5-7 日 2007 年春季刊 > 使用符合要求的射孔液降低表皮因子现场试验数据和 PI 计算结果表明 用 CLEANPERF 液进行射孔的 1 号参考井的实际结果 紫色 与模拟优化结果 绿色 很一致而利用常规压井液射孔的 6 号井的结果比模拟优化结果低 48% 学剂 以减小滤饼在射孔孔道壁上的粘 着力流体中还含有生物聚合增粘剂 一种淀粉基渗滤控制剂 以及pH和微 生物活性稳定剂 工程师使用PURE系统和CLEANPERF 射孔液对1号井进行了现场射孔 然后与 6号井的射孔效果进行了对比测得的完 井表皮系数与利用 SPAN 斯伦贝谢射孔 分析软件模拟的完井表皮系数进行了对 比评价通过模拟完全清理干净的压碎 带的射孔完井表皮确定出射孔效率 并 将其作为技术极限基准工程师将 1 号 参考井根据 PI 公式测得的完井表皮与 6 号井多层储层测试获得的数据进行了对 比1 号参考井的模拟理想完井表皮值 约为 根据现场试验结果模拟的完 井表皮值为-1.37 非常接近理想值6号 井 A 40 层 的模拟理想完井表皮值 约为 而根据现场试验结果模拟的 完井表皮值为 表明完井表皮值比 模拟的最佳结果低 48% 上图 对这两口井的数据进行了仔细分类 和分析考虑到实验室数据的重要性 前面曾讨论过 工程师断定 由于这 两口井都采用了 PURE 系统进行射孔 且所有其他参数基本相同 因此 1 号井 完井效率的提高是使用非侵入 CLEANPERF 射孔液的结果 射孔设计中的第三个要素 尽管现场应用数据还比较有限 但 本文介绍的实验研究表明 工程师目前 已经具备了制定优化射孔方案的必要工 具和手段与许多勘探开发作业一样 完井作业过程井筒内的合成流体也会对 油气井的最终效率和产能产生直接影 响 符合设计要求的射孔液在帮助作业 公司提高射孔投资回报方面具有很大的 潜力毫无疑问 优化射孔方案中的三 大要素 即优化射孔枪方位 动态负压 射孔和新型射孔液 未来会得到不断发 展但就目前而言 符合要求的射孔液 为现代射孔技术的设计和应用带来了不 小的改变 DW 25

28 降低勘探风险 Jose Camara Alfaro 墨西哥国家石油公司墨西哥 Tampico Chris Corcoran 壳牌勘探与生产公司美国得克萨斯州休斯敦 Kevin Davies 雪弗龙公司英国伦敦 能源需求的不断增大及老油气田产量的不断下降, 正在促使油气公司将勘探活动扩展到一些更具挑战性的环境, 如深水区 盐下和玄武岩下构造以及碳酸盐岩油气藏等在这些环境下获得的地震图像通常较模糊, 不过应用新的海上地震技术能够获得高质量地震图象, 从而降低这些环境下的勘探风险 Francisco Gonzalez Pineda 墨西哥国家石油公司墨西哥 Reynosa Gary Hampson 雪弗龙公司美国加利福尼亚州 San Ramon David Hill 英国 Gatwick Mike Howard BHP Billiton 公司得克萨斯州休斯敦 Jerry Kapoor Nick Moldoveanu 得克萨斯州休斯敦 Ed Kragh 英国剑桥 在编写本文过程中得到以下人员的帮助, 谨表谢意 : 里约热内卢的 Robert Balaguer 和 Mario Kieling; 休斯敦的 Andy Coutts,Patricia Marçolla,Raúl Teran 和 David Wilson; 墨西哥城的 Alberto De Anda ; 休斯敦 BHP Billiton 公司的 Richard Harding 以及吉隆坡的 Richard Salter Q-Fin 和 Q-Marine 是斯伦贝谢公司的商标 26 油田新技术

29 油气勘探作业总是存在一定的风 险 而三维地震勘探技术通过提高钻井 成功率降低了勘探风险就这一点而 言 任何其它现代技术或许都无法与三 维地震技术相比在三维地震勘探技术 得到应用之前的二十世纪七十年代和八 十年代 美国的勘探钻井成功率大约是 25%但是自从勘探与生产公司广泛采 用三维地震勘探技术后 到2005年勘探 井成功率几乎提高到50% 开发井成功 率也达到了 88%[1]尽管诸如钻井 随 钻测井 可视化和实时数据传输之类技 术的新进展在其中起到了一定的作用 但勘探工作者认为三维地震方法是最具 重要影响的因素 尽管应用三维地震技术提高了总 体勘探钻井成功率 但在某些情况下 勘探钻井成功率仍然较低如 2006 年 墨西哥湾深水区 水深超过 1000 英尺 300 米 所钻的 119 口勘探井中 只有 11口井钻遇产层[2] 成功率只有10%在 过去10年中 墨西哥湾深水勘探钻井成 功率基本上就是这样一个水平[3]随着 深水井成本的增加 一口深水井的成本 高达1亿美元 各油气公司都在千方百 计寻求各类方法来降低干井发生率 许多公司都认为目前的风险水平 难以接受在 1996 年到2000 年间 油气 公司在墨西哥湾购买了 3000 个租赁矿 区 而其中只有 8% 的矿区实施了钻井 作业[4] 高涨的钻机需求使得钻井成本 在近期不可能下降 所以作业者只好将 提高勘探钻井成功率的希望寄托在新技 术成果之上 虽然三维地震勘探技术已经为陆 地和浅海钻井的成功做出了巨大贡献 但该技术并不一定适合深水区域和其它 复杂区域 如坚硬的海底之下 盐下以 及玄武岩下构造和碳酸盐岩储层等 复 杂的地质环境和高折射层能使射线弯 曲 导致地震波无法触及部分地下目 标 同时 近地表反射层的噪声也会掩 盖从深地层中返回的微弱信号 一直以来 深水盐下构造准确成像 难度较大在过去 10 年中 虽然利用三 2007 年春季刊 > 最近在墨西哥湾获得的盐下发现蕴藏有数十亿桶原油储量 维地震技术在墨西哥湾已经发现了多个 油田 Atlantis Mad Dog Neptune Puma Shenzi 和 Tahiti 只是其中几个油 田 这些油田的原油总储量达到数十亿 桶 但其中只有一小部分资源处于开 发之中 上图 某些情况下 地震数 据的质量也许能满足油气勘探需要 但 还不足以用于建立准确的油藏开发模 型 最近在地震数据采集和分析方面 取得的新成果可能是获得高质量地震 图像并以此降低复杂环境下钻井风险 的有效手段本文对地震勘探采集和 数据分析新技术如何提高三维海上地 震勘探数据质量进行了详细说明 介 绍了通过应用多角度探测地震目标方法 形成的地震解释新技术 并对成像困难 区域提高信号质量的震源和检波器新的 纵向排列进行了讨论地震成像新方法 还为一个海上碳酸盐岩油藏和一个深水 稠油油田重新部署开发井位提供了帮 助通过墨西哥湾 设得兰西部和墨西 哥海上油田的实例 我们可以了解到利 用地震技术成果降低钻井风险的过程 典型的海上地震勘探 典型的海上三维地震勘探是通过一 艘拖有气枪震源和海上拖缆 配有检波 器的电缆 的船只来完成的在地震勘探 过程中 船只按预定航线行驶在海底目 年石油和天然气探井 年 2 月 25 日浏览 com/display_article/283060/9/archi/none/none/ Deepwater-GoM-key-with-50-Bboe-of-undiscoveredreserves/ 2007 年 3 月 29 日浏览 年石油和天然气探井与开发 井 sec4_11.pdf 2007 年 2 月 25 日浏览 3. Deepwater Gulf of Mexico 2006 Interim Report of 2005 Highlights 美国内务部 矿产管理服务 局 墨西哥湾近海大陆架地区 gomr.mms.gov/homepg/whatsnew/techann/2006/ pdf 2007 年 2 月 27 日浏览 Farris A Guest Editorial Emerging Technology and Its Impact on the Industry JPT Online 2006 年 10 月 jptmonthlysection/0,2440,1104_11038_ _ ,00.html 2007 年 2 月 26 日浏览 2. Paganie D Deepwater GoM Key with 50 Bboe of Undiscovered Reserves Offshore 67 卷 第 1 期 2007 年 1 月 46 Deepwater Gulf of Mexico 2005 Interim Report of 2004 Highlights 美国内务部 矿产管理服务 局 墨西哥湾近海大陆架地区 gomr.mms.gov/homepg/whatsnew/techann/2005/ html 2007 年 2 月 27 日浏览 4. Paganie 参考文献 2 27

30 标上方水域, 在气枪释放震源之后, 检波器对从震源向下传输到地下反射层并返回的信号进行记录在获得所要求的一定数量的地震道记录之前, 需要按照确定的空间间隔不断重复该过程 ( 下图 )地震采集标准已经从二十世纪七十年代的单个拖缆拖曳和 10 分钟的爆炸等待时间发展到了当前高效的现代地震 [5] 勘探作业 现在, 每艘船只可以同时拖曳 8-10 根海上拖缆, 拖缆之间的距离为 米 ( 英尺 ), 每根拖缆的长度在 6-8 千米 (4-5 英里 )震源由 个气枪组成, 气枪点火 间隔为每 秒一次, 上述数值适用于很多三维地震勘探作业, 但是采集的参数不同, 具体取决于地震勘探方案, 而地震勘探方案必须对地球物理勘 [6] 探目标和经济条件限制进行权衡 为了最大限度减少噪声和增加信号强度, 地震勘探方案中还具体明确震源和拖缆的拖曳深度虽然较浅的拖缆拖曳深度 ( 不超过 8 米 (26 英尺 )) 能使高频信号得以很好的保存下来, 但却会对低频信号造成不利影响, 而且还会扩大波浪及气候原因所导致的噪声较深的拖曳深度可以保存低频信号, 提高穿透深度, 但却以牺牲高频信号作为代价 通常拖缆拖曳深度小于 10 米 (33 英尺 )同样, 在确定震源拖曳深度时, 也应做出类似权衡考虑空气枪震源组合的拖曳深度一般为 5-10 米 (16-33 英尺 ), 具体取决于所需要的频带宽度典型海上地震勘探的另一方面是采集检波器组的信号, 并将其汇入一个单一的记录道内标准拖缆配有数百个间距为 米 ( 英尺 ) 的海洋检波器, 每个记录道的资料由 个海洋检波器提供从理论上讲, 在记录之前将记录道叠加在一个组内可以提高信噪比但是该过程将不可避免地破坏信号保真度, 从而影响降噪处理效果 > 典型三维海上地震勘探数据采集示意图一艘拖曳震源和拖缆检波器的船只按地震勘探方案所制定的方向在目标上方行驶 ( 下 ) 每个环路的长度已经包括了每次转弯后拖缆伸直所需要的长度地震勘探目标被细分成 面元 ( 即数据处理时作为反射点的小区域 ) 大多数海上地震工程在一定方位角范围内采集数据, 具体的方位角范围取决于炮检距 ( 震源 - 检波器距离 ) 方位角 ( 上 ) 是震源组合内船只航线与某一给定检波器方向之间的角度对于靠近拖缆顶端的一些检波器来说, 炮检距较短, 方位角较大, 但是由于拖缆长度远远超过其覆盖度, 因此大部分地震波射线以小方位角 ( 或近乎与航线平行 ) 传播 28 油田新技术

31 上述震源与检波器的排列方式具有 两大优势 一是提高多数地下目标数 据采集效率 海上地震行业就是以这种 方法为核心 二是提高标准处理技术 获得足够图像的能力尽管如此 该排 列方式在问题区域或次优环境下还是存 在明显缺陷 这些条件下形成的地震图 像非常模糊 或根本无法对其进行解 释气候或海洋环境造成的拖缆噪声对 所有级别的地震记录产生不利影响更 糟糕的是 海上平台及其它设备可能会 阻碍地震勘探船只的航线 从而造成覆 盖范围不全 必须通过增加放炮和地震 勘探时间才能得以弥补而且震源和检 波器组合之间的紧密排列也将限制方位 角覆盖范围 也就是说储层只能受到一 个方向的照射[7] 部分上述问题可以通过 2000 年推 出的 Q-Marine 单传感器海上地震系统 加以克服[8]Q-Marine 系统记录的是每 个检波器 而非检波器组合 的信号 从而改善了噪声和目标波场的空间采样 状况 使其比常规数据采集更具有优 势Q-Marine地震勘探所获得的平均带 宽值比应用检波器组合技术获得的带宽 值高了40% 从而大大提高了地震图像 分辨率应用该技术可以对拖缆噪声进 行充分采样 在不影响信号带宽的条件 下采用信号处理技术抑制噪声因此 即使在恶劣气候环境下 应用Q-Marine 系统也可以获得高质量的地震数据 从 而减少气候原因所导致的停工时间 另外 促成地震图像分辨率显著提 高的因素还包括 可重复的校准震源 拖缆定位以及可以准确掌控和重复操作 拖缆的能力尽管如此 在某些方面还 有待进一步改进 地震勘探新方向 大多数海上地震勘探 包括 Q Marine地震勘探 方法都是沿一个很窄 的方位角采集数据 因此基本上都是从 同一个方向照射目标假设所有地下层 位都是平整且光滑的 那么窄方位角地 震勘探就足以提供足够的地震图像但 2007 年春季刊 > 多次波地震能量脱离震源后 在到达检波器之前可以经过多次反射与 其它多次波不同 虚反射多次波在反射之前向上传播多次波的能量增加了 地震记录的噪声 在勘探开发的目标区域 地下目标层位 及其上覆岩层极少有平整光滑的这些 条件下的窄方位角地震勘探的缺陷可以 通过下面的比喻来说明向一个不规则 地形打一束光 在山后以及峡谷内就会 投下阴影但是如果光束从另一个不同 方向照射 原先处于阴影下的区域就会 被照亮 尽管被称为窄方位角地震勘探 但 大多数海上地震勘探都是在一定方位角 范围内采集数据 具体的方位角范围取 决于炮检距 震源-检波器距离 某些 条件下一些短炮检距的方位角可能很 大 但大多数短炮检距的方位角较窄 大约是航线任意一侧的 10 左右 由 于短炮检距 大方位角地震勘探所获得 的记录道数量不多 所以它们对于应用 标准处理技术处理的图像的贡献也就不 大因此这种地震勘探技术的应用基本 上是通过窄方位角来完成的 这就导致 信噪比差和地震分辨率不佳多数窄方 位角地震勘探设计方案都试图通过对地 下同一点 或面元 的重复采样来弥补 方位角范围小的缺陷[9]增加覆盖次数 或每个面元记录道的数量 是提高信 噪比的方法之一 一种称为 多次波 的特殊噪声对 所有地震勘探都产生不利影响多次 波是指高声阻抗差异界面之间的混响 如海平面与海底之间或是地表与非固 结岩层之间的混响 上图 在地震剖 面图中 多次波以续至波的形式出现 容易与深反射波相混淆由于多次波 的速度可能低于 等于或大于目标信 号 而且其频率组成可能高于期望信 号 因此难以通过滤波或叠加的方式 抑制多次波[10]人们在消除与地表有关 的多次波 SRME 方面做了大量工作 得到的处理技术改善了数据质量 但 模拟结果表明 扩大方位角覆盖范围 能够进一步消除多次波的影响[11] 5. Why Norwegian Seismic Is Still Running in Anders Farestveit s Direction First Break 24 卷 2006 年 12 月 Vermeer GJO 3 D Seismic Survey DesignTulsa 勘探地球物理家协会 2002 年 7. 方位角是指从震源到检波器的方位 8. Christie P Nichols D Özbek A Curtis T Larsen L Strudley A Davis R 和 Svendsen M 提高地 震数据质量的标准 油田新技术 13 卷 第 2 期 2001 年夏季刊 一个面元是指位于目标表面的一块面积 大 小通常为 25 米 25 米 82 英尺 82 英尺 根据其共中心点 CMP 将地震记录道指定到 相应的面元 10. 叠加是指将各个信号相加 其目的是提高信 噪比 11. Regone C Using 3D Finite-Difference Modeling to Design Wide Azimuth Surveys for Improved Subsalt Imaging 详细摘要 SEG 第 75 届国际年会暨 展览会 新奥尔良 2006 年 10 月 1-6 日

32 > 常规和新型采集几何排列 下 以及方位角 - 炮检距分布图 上 绘制方位角 - 炮检距分布图的方法之一是用 玫瑰图 的形式用不同色彩表示某 一特定方位角 - 炮检距对的地震道数量 炮检距对应于距中心的距离 方位角对应于圆圈顶部的角度紫色和深蓝部分表明地震记录道少 绿色 黄色 和红色表明记录道逐渐增多图中从左到右分别为 采用单一方位角的常规海上地震勘探 产生的是窄方位角 - 炮检距分布的数据 多方位角地震勘探 从多个方向采集数据 方位角 - 炮检距分布沿着与地震勘探航线相关方位角聚集 宽方位角地震勘探在单一方向进行 但增加了震源船只数量 扩大了 许多炮检距的方位角范围 富方位角地震勘探综合了多方位角和宽方位角地震勘探的概念及优势 根据 Kapoor 等人的资料修改 参考文献 21 可以通过各种方法扩大方位角覆盖 范围 方法之一是以一个或多个方位角 重复进行标准测量 从而形成多方位角 地震测量 上图 利用这种方法所获 得的多方位角地震勘探增加了覆盖次 数 同时还扩大了方位角覆盖范围在 地中海尼罗河三角洲就进行过这种地震 勘探[12] 一页图 结果表明 在任何条件下 窄 方位角地震勘探的命中次数 即地震能 量到达目标点的次数 都低于宽方位角 地震勘探虽然上述两种方法中都有部 分目标未被命中 但相对来说 这种情 况在宽方位角地震勘探中更少见除了 这一基本的射线追踪法以外 有限差分 及波动方程建模方法也被应用于照射研 究中 宽方位角地震勘探 年 B P 公司和石油 G e o 扩大方位角覆盖范围的另一种方法 Services PGS 公司在北海挪威海域进 是将震源从拖缆船航线中去掉 即宽方 行了宽方位角勘探 包括多次覆盖和使 位角地震勘探 WAZ 除拖缆船以外 用多艘船只 试验应用 此前的测量已 宽方位角地震勘探至少还需要两艘震源 经在多个方向上采集了数据[13] 2001年 船为了提高采集效率 可以采用多个 的地震勘探结果表明 随着方位角覆盖 拖缆船进行宽方位角地震勘探 范围的扩大 噪声衰减效果得到改善 可 以 通 过 一 个 模 拟 实 例 来 了 解 此后 宽方位角方法不断完善 并开始 WAZ采集方法改善盐下照射的情况在 应用于实际作业中在2004年和2005年 该实例中 分别采用窄方位角和宽方位 期间 BP 公司与地震承包商挪威船级 角两种地震勘探方法对复杂盐体构造下 社合作 在Mad Dog油田实施了墨西哥 的一个平整 水平目标实施了探测 下 湾地区首次 WAZ 地震勘探[14] 年 壳牌勘探公司与西方奇科 公司合作 对墨西哥深水区域复杂盐体 构造下的一个深层目标进行了 WAZ 拖 缆拖曳地震勘探[15] 该探区位于水深为 3800 英尺 1160 米 的地区 发现井的 完钻深度达到 英尺 8965 米 地震勘探设计方案试图满足以下几 个看似相互冲突的目标 完全照射 压 制噪声 方便处理及降低成本为了实 现这些目标 需要较大范围的方位角以 照射盐下的目标层 相对均匀的采样 尽量避免低效率 如过多重复采样 及 考虑实际限制 如地震勘探中可用船只 数量及拖缆测量次数 WAZ 地震勘探设计有四个关键参 数 1 最大联络测线炮检距 即震源与 检波器在联络测线方向的最大间距 与 主测线或拖缆方向垂直 2 震源线间 距 即相邻震源线之间的距离 3 地震 勘探规模 4 船只数量通过合成模 拟和合成数据偏移来确定最大联络测线 油田新技术

33 炮检距及震源线间距[16]目标照射程度 及多次波是否得到有效衰减是评估模拟 结果的两个重要标准 同时还应包括拖 缆避让水面障碍物 拖缆偏转以及强洋 流原因造成的拖缆漂移所导致的成像受 损 在对几个地震勘探观测系统进行评 估之后 壳牌公司选择了包含两个双震 源船只和一艘拖曳八根检波器电缆的拖 缆船地震勘探方案检波器电缆之间的 间距为 150 米 拖缆束的有效长度为 1200 米 3937 英尺 [17] 12. Keggin J Benson M Rietveld W Manning T Cook P和Page C Multi-Azimuth 3D Provides Robust Improvements in Nile Delta Seismic Imaging First Break 25 卷 2007 年 3 月 Michell S Summers T Shoshitaishvili E Etgen J Regone C Barley B Keggin J Benson M Reitveld W 和 Manning T Multi-Azimuth and Wide Azimuth Towed Streamer Acquisition for Subsalt Imaging in the Gulf of Mexico and Egypt OCT 发表在海 上技术大会上 休斯敦 2007 年 4 月 30 日 -5 月 3 日 13. Widmaier M Keggin J Hegna S 和 Kios E The Use of Multi-Azimuth Streamer Acquisition for Attenuation of Diffracted Multiples 详细摘要 第 72 届 SEG 国际年会暨展览会 美国犹他州 盐湖城 2002 年 10 月 6-10 日 Houllevigue H Delesalle H 和 de Bazelaire E Enhanced Composite 3D Cube Derived from Multiazimuth 3D Marine Acquisition 详细摘要 第 61届欧洲地学家和工程师协会大会暨展览会 芬兰赫尔辛基 1999 年 6 月 7-11 日 French WS Circular Seismic Acquisition System 美国专利号 年 12 月 4 日 14. Threadgold IM Zembeck-England K Aas PG Fontana PM Hite D 和 Boone WE Implementing a Wide Azimuth Towed Streamer Field Trial The What Why and Mostly How of WATS in Southern Green Canyon 详细摘要 第 76 届 SEG 国际年 会暨展览会 新奥尔良 2006 年 10 月 1-6 日 Corcoran C Perkins C Lee D Cook R Kapoor J 和 Moldoveanu N Wide-Azimuth Streamer Acquisition for Gulf of Mexico Subsalt Imaging OCT 发表在海上技术大会上 休斯敦 2007 年 4 月 30 日 -5 月 3 日 Corcoran C Perkins C Lee D Cattermole P Cook R 和 Moldoveanu N A Wide-Azimuth Streamer Acquisition Pilot Project in the Gulf of Mexico The Leading Edge 26 卷 第 4 期 2007 年 4 月 Corcoran C Perkins C Lee D Cattermole P Cook R 和 Moldoveanu N Wide-Azimuth Streamer Acquistion for Gulf of Mexico Subsalt Imaging 详 细摘要 第 76 届 SEG 国际年会暨展览会 新 奥尔良 2006 年 10 月 1-6 日 > 窄方位角和宽方位角数据采集对盐下照射的影响一个复杂的盐体 上 位于一个目标层 紫色 上方 金色部分代表盐体顶面 粉色部分代表盐体底面 绿色部分代表盐凸起 两种地震勘探方法的 炮点都在黑色长方形内窄方位角地震勘探图 中 显示了到达目标层的记录道的数量宽方位角地 震勘探图 下 显示到达目标层的记录道多于窄方位角地震勘探 且未照射的区域 白色 少于窄方 位角地震勘探 17. Corcoran 等人 参考文献 年春季刊 31

34 > 壳牌勘探公司宽方位角地震勘探采集示意图采用两艘双震源船只和一艘拖曳 8 根检波器电缆的拖缆船 在距离每条震源线不同偏移距处进行了 6 趟采集作业 上 在第一趟作业中 前部的震源船沿着震源线行驶 离拖缆船最近的拖缆在 100 米远处 后部的震源船与震源线保持 450 米的距离在 第二趟作业中 震源船依然沿同一震源线行驶 而拖缆在距震源线 1400 米处进行第二趟采集 在距震源线 2600 米处进行第三趟采集在震源线另一侧进 行相同作业 第四 五 六趟 将这六趟采集结果综合起来就完了成一条震源线上的数据采集第一条震源线数据采集结束后 船只驶向 900 米以外的 另一条震源线继续作业 左下 其中一艘震源船与拖缆船并列行 进 但与外部拖缆保持100米 328英尺 的距离 另一艘震源船行驶在拖缆后 与第一艘震源船间隔450米 1476英尺 上图 震源船在同一条震源线上重复 行驶过程中 拖缆船在距原始震源线 1400米和2600米 4593英尺和8530英尺 处进行额外测量 拖缆船然后在震源线 另一侧相同的距离重复进行测量每条 震源线采集 6 次数据 完成一条震源线 覆盖范围内的数据采集后 这一过程将 在距原震源线 900 米 2952 英尺 处的 另一条震源线上重复进行宽方位角地 震勘探的方位角 - 炮检距图表明 宽方 32 位角勘探与窄方位角勘探相比方位角范 围宽很多 下一页 上图 对宽方位角勘探取得的数据进行 了初步处理 包括相干噪声衰减和利 用原有速度模型进行共炮点道集偏移 处理[18]在对这些数据实施简单处理之 后 将其与同一区域经过充分处理过 的多客户窄方位角数据进行了比较 下一页 下图 [19]窄方位角勘探处理 包括相干噪声衰减 SRME 多次波抑制 以及在 WAZ 勘探中应用的波动方程偏 移即使未对多次波进行进一步抑制 WAZ 勘探获得的盐下图像比窄方位角 勘探要清晰得多 从而可以进一步肯 定 反射来自盐下地层而非多次波 剖面左侧的清晰度改善最为明显 沉积层在剖面中部的盐脊处削蚀WAZ 数据使解释人员更加确信大量盐下同相 轴继续向盐脊上倾 而且这些同相轴不 是多次波 [20] 18. 波动方程偏移是利用速度模型及波动方程不 同的解来进行的 其目的是将反射地震能量 从炮检中点的假设位置重新回归到其实际位 置上 19. 多客户地震勘探是地震承包商对未发放许可 证的地区实施的各种地震采集作业 然后将 地震勘探结果提供给多个客户多客户地震 勘探的部分资金由一家或多家勘探与生产公 司提供 20. 盐脊是侵入盐体根部与母盐层分离后 仍残 留在盐体根部的部分 油田新技术

35 > 壳牌勘探公司宽方位角地震勘探的方位角 - 炮检距分布图 左 和地震勘探参数 右 此次勘探获得了比窄方位角勘探宽 很多的方位角覆盖范围 > 窄方位角 左 和宽方位角 右 成像对比图窄方位角数据已经过噪声衰减 多次波抑制及偏移处理等步骤 而宽方位角数据只经过偏移处理 其速度模型与窄方位角相同宽方位角图像显示的盐下反射更清晰 尤其是剖面的左侧 [根据 Corcoran 等人的结果修改 参考文献 年 4 月 ] 壳牌公司断定 尽管WAZ勘探未能 照射盐层下的所有区域 但还是改善了 大部分区域盐下沉积构造的清晰度未 经特殊处理就将主要的多次波消除后 来进行了减少测量数据以观察是否还能 获得较好效果的试验 结果表明 在较 深的盐下区域 每隔一条震源线去掉一 2007 年春季刊 条震源线测试获得的图像与完整数据集 条件下获得的图像效果几乎相同结果 也表明 与震源船位于拖缆后的情况相 比 震源船在拖缆前采集的数据质量更 高 获得的盐下图像更清晰 因为后者 受拖缆偏转的影响较大这一信息对于 未来的 WAZ 地震勘探设计将会有所帮 助 该两阶段宽方位角勘探研究的目的 是证明 WAZ 技术对勘探复杂盐下构造 的价值在第一阶段成像结果获得成功 后 壳牌勘探公司取消了第二阶段的研 究 开始为在墨西哥湾开展一项大型多 客户 WAZ 地震勘探采集作业做准备工 作 33

36 > 西方奇科公司在总结以往地震勘探经验教训的基础上在墨西哥湾进行的两次大型多客户宽方位角地 震勘探作业第一次地震勘探于2006年完成 地震勘探过程中使用了两艘震源船和一艘拖缆船 上 第二次地震勘探在 2007 年完成 使用了两艘震源船和两艘拖缆船 下 在这两次地震勘探中 每艘 拖缆船都配有一个点震源 西方奇科公司利用建模和早期 WAZ 地震勘探积累经验 设计并实施 了两个大型多客户WAZ地震勘探采集 作业 左图 这些采集作业的设计改 进包括联络测线交互 双方向行进 和在拖缆前 而非拖缆后 布置震源 船等 [21]同时还采纳了较宽的联络测 线炮检距来提高信噪比 减弱多次 波 以获得更好的照射效果 第一次地震勘探于2006年完成 涉 及到墨西哥湾的 222 个区块 区域共计 5183 公里 英里 2 部署了三艘单 震源船排列宽度为 1200 米 3936 英 尺 布置了 10 根长度为 7000 米 英尺 的拖缆 地震勘探航线为双向 第二次地震勘探在 2007 年完成 涉及 252 个区块 区域共计 5895 公里 英里 2 部署了四艘单震源船 其中包 括两艘反方向交错行驶拖缆船上的点 震源 与同一地区窄方位角地震勘探取 得的图像相比 第一次多客户 WAZ 地 震勘探的图像质量更高 尤其是盐蘑 菇下的区域 经过简单处理后清晰度 和照射度都有了明显提高 下图 墨西哥湾第三次和第四次多客户 WAZ地震勘探将于2007年5月启动 勘 探覆盖范围超过 公里 英 里 2 其目的是通过船上数据处理获 得一个快速直观的波动方程偏移数据 体 从而使客户在租赁矿区销售最后 期限到来前尽快完成地震勘探 > 首次多客户宽方位角地震勘探与窄方位角地震勘探结果对比窄方位角地震勘探 左 经过全面的多次波抑制处理 而多方位角地震勘探 右 只经 过基本的偏移处理多方位角图像对盐蘑菇和深部沉积层的照射明显得到改善 34 油田新技术

37 富方位角地震勘探 将多方位角和宽方位角概念综合 后 可以进一步扩大方位角覆盖范围 该方法即富方位角地震勘探 RAZ 2006年 BHP Billiton公司在墨西哥湾的 Shenzi油田首次实施了富方位角地震勘 探该油田发现于2002 年 位于4300英 尺 1300 米 的深水区域 离路易斯安 那海岸大约有 120 英里 190 公里 右 [22] 图 该油田由Green Canyon 和654区块区块组成将通过钻开发 井评估Shenzi油田的可采储量 估计可 采储量在 亿桶 万 米 3 之间 [23] 该项目由 Hess 公司和 Repsol YPF 公司联合开发 根据三维地震数据确定的目标 > Shenzi 油田地震勘探区域 左 及富方位角采集参数 右 在Shenzi油田钻了探井但是第一口评 价井钻遇的深度却出乎钻井人员的意 史上第一次 RAZ 地震勘探由一艘 成采集作业 下图 地震勘探方案允 料 因此需要新的高信噪比和高分辨 率数据来建立更可靠的地下储层模型 配有一个震源的拖缆船和两艘震源船沿 许每一个爆破点至少可以重复三次地震 以降低未来钻井的风险经过地震勘 着三个方位角 和 150 放炮完 勘探 探设计和评估研究之后 BHP Billiton和 21. Kapoor S O Briain M Desta D Atakishiyev I Streamers 详细摘要 第 76 届 SEG 国际年会 和 Tomida M Subsalt Imaging The RAZ/WAZ 暨展览会 新奥尔良 2006 年 10 月 1-6 日 西方奇科的地球物理师最终认为 富 Experience 准备发表在第 77 届 SEG 国际年 方位角地震勘探技术是Shenzi 油田的最 会暨展览会上 得克萨斯州 San Antonio BHP Billiton 公司准备开发墨西哥湾 Shenzi 油气 年 9 月 日 佳选择做出这一决定考虑的重要因 田 news/2006/bhpbillitontodevelopshenzioilandgas 素包括油藏构造的复杂性 强洋流 钻 22. Howard MS 和 Moldoveanu N Marine Survey Design for Rich-Azimuth Seismic Using Surface FieldInGulfOfMexico.jsp 2007 年 3 月 2 日浏览 机数量及海上平台等 > 在 Shenzi 油田进行的史上第一次富方位角地震勘探方案 左 图中画出的航线和平台障碍 粉色点 是为了说明一般概念 与实际地震勘探情况是不 一样的紫色正方形代表 E-W 线震源覆盖范围 黑色六边形代表三个方向上的震源覆盖范围此次地震勘探采集到了具有富方位角 - 炮检距分布 右 的 数据 2007 年春季刊 35

38 在船只以小角度转弯过程中拖缆船继续进行数据记录也是史上首次在转弯过程中放炮和记录数据可以提高作业效率, 减少非生产性时间一般情况下, 地震勘探船只需要延长其航线, 在勘探边界以外较远处转弯, 以便当船只重新进入勘探边界时, 拖缆能够伸直, 并且拖缆间具有适当的间隔上述过程增加了勘探采集的时间 ( 每次转弯需要多花两个小时 )( 下图 )由于转弯过程中拖 缆不能准确沿设计航线行进, 而且也无法准确计算检波器位置, 因此在此过程中通常不采集数据此外, 拖缆沿曲线移动时产生的噪声太大, 无法采集到可用的数据利用 Q-Marine 系统, 能够对拖缆进行定位和控制, 使其在整个转弯过程中都能保持间距不变此外, 记录来自各个水下检波器 ( 而不是在记录之前组合检波器 ) 的数据, 能够消除转弯引起的 噪声, 转弯引起的噪声与恶劣天气引起的噪声类似上述特点促进了原本为非生产性时间段内有价值数据的采集在 Shenzi 油田工区边缘采集更多数据扩大了有效成像区域, 提高了工区边界周围目标的成像效果与经过全面处理的常规窄方位角地震勘探相比, 只经过基本处理的 Q- Marine 富方位角地震勘探能够消除更多的噪声假象, 产生更清晰的盐底照射及盐下反射 ( 下一页, 上图 ) [24] 甚至还能够确定盐层内的反射然而, 最大的改进表现在盐下较深的反射上这样, BHP Billiton 公司的地球物理师能够对获得较好照射的构造层做出解释按照地震勘探计划,RAZ 地震勘探需要持续 105 天, 而在同一区域中进行常规地震勘探需要 72 天 Shenzi 油田的 RAZ 地震勘探只用了 88 天的时间和 12 天的动迁时间就获得了相当于常规地震勘探 6 倍的数据时间的节省归功于多个因素在三个方向上放炮进行宽方位角采集避免了对障碍物进行跨越放炮, 减少了加密线放炮时间由于拖缆拖曳在较深处, 即海平面下 12 米 (39 英尺 ) 处, 而且 Q-Marine 单传感器记录的天气原因所引起的噪声采样非常充分, 因此基本上没有产生与天气有关的停工时间在第一次 RAZ 地震勘探取得成功后, BHP Billiton 公司开始着手准备下一个地震勘探西方奇科公司在进行 RAZ 和 WAZ 地震勘探中积累的经验说明了宽方位角和富方位角地震勘探的一些优点通过降低多次波和其它相干噪声能提高地下同相轴的信噪比不同方位角的射线路径能使储层得到更好的照射, 而在相同位置重复放炮能够提高偏移处理的效率另外, 在转弯过程中采集数据能够提高效率, 西方奇科公司希望能将这一做法延伸应用到常规三维 Q-Marine 地震勘探中 > 在转弯过程中继续放炮和记录可以提高作业效率在常规地震勘探作业中 ( 左上 ), 每条航线 ( 虚线 ) 都要延长以确保在每次爆炸中拖缆都处于伸直状态, 但是转弯前后扩展的额外长度增加了转弯时间而 Q-Marine 系统使拖缆在转弯过程中能够保持原来的位置 ( 绿色线 ), 因此在转弯过程中能够采集数据转弯过程中获得的数据质量与航线上采集数据的质量相当 ( 右上 ) 转弯过程中得到的数据有利于地下反射层的整体成像, 并与伸直拖缆取得的数据相吻合 ( 下 ) 36 油田新技术

39 > 与经过全面处理的窄方位角地震勘探相比 Shenzi 油田富方位角地震勘探明显提高了盐下同相轴的清晰度窄方位角地震勘探 左 似乎显示盐下存 在倾斜地层 而富方位角 右 地震勘探却能清楚地对盐下层进行照射每次地震勘探的排布方式都显示在地震图像旁边 根据 Howard 的资料修改 参考文献 24 拖曳深度优化 一种完全不同的改善地震信号的 方法涉及到震源与拖缆之间不同的排 布方式 目的是对噪声及期望的能量 场进行更全面的采样如前所述 海上 地震数据的采集通常需要根据地震勘 探方案中确定的深度拖曳震源和检波 器电缆而在确定拖曳深度时 应综合 考虑多种因素 其中包括震源和检波 器深度对记录地震能量频率成分的限 制影响要想了解震源和检波器排布 方式对信噪比和频率成分的影响 就 需要研究能量从震源到检波器电缆的 传播方式 尤其要研究近表层多次波 增加噪声 减低信号的过程 右图 震源释放的能量向上下各个方向 传播海平面处的负声阻抗差异使上 行波场反转极性向下反射[25]因为极 性反转 在海平面处反射的波 称为震 源虚反射 与震源产生的下行直达波 产生破坏性干扰 干扰严重到一定程 度时 在特定频率下振幅相互抵消 导 2007 年春季刊 > 虚反射多次波 或海平面下侧的反射波从震源往上传播的能量到达海平 面处发生反射 极性发生改变 严重干扰了从震源向下传播的能量同样 从海底向上传播的反射能量也在海平面处发生反射 然后在拖缆处被记录为 检波器虚反射这些反射波也会严重干扰上行反射能量 使所记录的振幅在 特定频率下降为零 特定频率的大小取决于震源和检波器的深度 致向下传播的波场在这些频率下的能量 不足具有上述能量不足的频率 在这 些频率段振幅降为零 称为震源 - 虚反 射陷波频率 与震源深度有关震源深 度越大 第一个非零震源 - 虚反射陷波 频率就越低 24. Howard M Marine Seismic Surveys with Enhanced Azimuth Coverage Lessons in Survey Design and Acquisition The Leading Edge 26 卷 第 4 期 2007 年 4 月 地震信号的极性是指地震记录道中记录的振 幅方向正振幅与负振幅的极性相反 37

40 同样, 从深部反射层反射的能量往上向检波器电缆传播, 也会在海平处反射, 严重干扰从深部反射层直达检波器的能量这一干扰导致产生多个电缆 - 虚反射陷波频率 ( 右上图 )震源 - 虚反射和电缆 - 虚反射陷波同时存在, 增加了振幅谱的复杂性, 使获得的地震信号存在间断处理过程中的最大频率通常不超过第一个检波器陷波频率, 最小频率受采集滤波器的制约, 一般为 3 赫兹为了获得最大带宽 最高频率的数据, 通常将震源和拖缆拖曳在较浅处, 使第一个非零陷波频率增大但是, 拖曳深度较浅具有一些不利因素风 波浪和浅洋流增大了采集信号的噪声为了尽量减少噪声, 只有在天气适宜的时候才能实施数据采集作业而且, 较浅的拖曳深度降低了反演所需要的超低频率 ( 反演是一种从地震数据中提取声阻抗和其它岩石特性的处理技术 ) [26] 缺失低频信号的另一个缺点是导致地震波探测能力下降由于穿透深度与地震波长有关, 所以低频信号缺失将限制地震能量的传播深度增加拖曳深度使数据采集能在一个相对安静的环境下进行, 扩大了数 据采集的时令范围, 将带宽延伸到较低的频率范围随着拖曳深度的增加, 地震成像深度也随之增加, 但是记录数据的最大频率却随之降低, 导致图像总体分辨率下降直到最近, 地震勘探设计人员还不得不以牺牲分辨率和高频信号为代价来提高穿透深度和获得安静的数据采集环境, 或者相反, 为提高分辨率和高频信号而牺牲穿透深度和安静的采集环境地震勘探设计人员不得不在浅 深或中等拖曳深度中做出选择但是现在, 一种被称为 上 / 下 采集的新技术却可以使作业公司在不受任何不利影响的条件下同时享受浅拖曳深度和深拖曳深度 [27] 带来的益处 上 / 下拖缆早在大约 50 多年前, 就已经有人提出了在深拖缆上面再拖一根浅拖缆 ( 一 [28] 根在上, 一根在下 ) 的理论 二十世纪八十年代, 人们开始在实际作业中尝试使用该技术, 以降低气候原因导致的 [29] 噪声和停工时间 上 / 下拖缆方法的主要优点在于保留深拖缆低频优势的条件下, 通过上下拖缆的组合填补了非零虚反射陷波频率, 扩大了带宽而且, 从理论来说, 上下垂直分离的两条线性检波器的组合能将上行地震波场与下行波分离开来, 更易于压制与海平面有关 [30] 的多次波 > 模拟拖缆深度对所记录信号频率成分的影响将拖缆拖曳到较浅的 8 米处 ( 红色虚线 ), 在第一个非零陷波频率将信号振幅消减为零之前, 产生的信号达到 93 赫兹将拖缆拖曳到较深的 30 米处 ( 绿色线 ), 在第一个非零陷波频率将信号振幅消减为零之前, 产生的信号为 25 赫兹 ( 根据 Moldoveanu 等人的资料修改, 参考文献 27 ) > 雪弗龙公司在墨西哥湾实施二维地震勘探时所采用的上 / 下拖缆配置一对上 / 下拖缆 ( 深蓝色 ) 的拖曳深度分别为 18 米和 25.2 米, 左右两侧位置监测拖缆的深度为 18 米, 实验控制拖缆的深度为 7.2 米震源深度分别为 5 米和 10 米 38 油田新技术

41 这种采集观测系统能否成功消除地 震数据中的虚反射陷波 就要看其中一 根拖缆是否可以一直保持在另一根拖缆 的正下方 整段拖缆一直与另一根拖缆 保持在同一垂直平面 二十世纪八十年 代的拖缆拖曳技术根本无法做到这一点 因此多年来 这种方法一直未在实际作 业中得到应用尽管存在这些限制因素 但是科学家们仍在努力开发波场分离技 术 为该技术的最终应用做准备[31] 最近 数据采集技术已经跟上了处 理方面的发展步伐采用Q-Marine系统 能够以足够的精度将两条拖缆控制在同 一垂直平面内 为上 / 下拖缆技术的成 功奠定基础为了说明该方法的可行性 及良好的应用前景 雪弗龙公司和西方 奇科公司于 年对墨西哥湾的 Genesis 油田实施了二维实验[32] 根据二维测线采集方案 拖缆拖曳 深度为 18 米和 25.2 米 59 和 82.7 英尺 为了准确计算检波器的位置 在上 / 下 拖缆对的两侧各布置了一根拖缆 拖缆 深度为 18 米 前一页 下图 还在上 / 下拖缆的正上方布置了另外一根拖缆 目的是获得常规Q-Marine数据 以便进 行实验对照 该拖缆的拖曳深度为7.2米 23.6 英尺 上述五根拖缆都配有 Q-Fin 海上地震拖缆导向装置及完整的声学网 络 以便对中间拖缆实施准确定位为 了将预计中的低频响应记录在内 带宽 记录范围被扩大到了 赫兹 在数据采集过程中对拖缆垂向偏离 和水平偏离实施监测 结果表明 拖曳 深度为 7.2 米的拖缆垂向偏离平均不超 过 10 厘米 4 英寸 水平偏离 联络测 线偏离 一般不超过 6 米 20 英尺 这 个距离足以将上行波场和下行波场分离 开来 比较对照数据集和上 / 下拖缆的上 行波场就会发现 上 / 下拖缆数据的低 频响应和信噪比都有了提高 右上图 被断层和刺穿盐丘所界定的盆地中的深 部沉积层以及剖面中盐层近垂直侧和高 倾斜层特征清晰度更高带宽扩展到低 频后 增加了地震能量的穿透深度 使 深部反射图像比对照数据集中看到的图 像更清晰 2007 年春季刊 > 与常规地震勘探数据 上 相比 上 / 下拖缆数据 下 中的低频成分和信号穿透率都得到改善 上 / 下拖缆上行波场偏移数据显示上 / 下拖缆方法提高了陡倾界面图像的清晰度 同时也改善了深部 沉积层信号的低频成分 根据 Moldoveanu 等人的资料修改 参考文献 一般情况下 地震数据本身只能提供高频信 息 如每个层界面上的反射率或声阻抗的相 对变化 因此需要低频信息来进行地震数据 反演低频信息一般从校验炮或综合声波测 井资料中取得 该信息为高频数据的变化提 供基线参考通过将低频和高频信息进行综 合 可以计算岩石性质的绝对变化由于地 震反演需要综合地震和井数据 因此在缺少 井信息的情况下 通常无法实施可靠的地震 反演但是如果地震数据包含完整的低频成 分 则可以在更多区域进行反演 27. Moldoveanu N Combee L Egan M Hampson G Sydora L 和Abriel W Over/Under Towed-Streamer Acquisition A Method To Extend Seismic Bandwidth to Both Higher and Lower Frequencies The Leading Edge 26 卷 第 1 期 2007 年 1 月 Haggerty PE Method and Apparatus for Canceling Reverberations In Water Layers 美国专利第 号 1956 年 7 月 21 日 29. Brink M和Svendsen M Marine Seismic Exploration Using Vertical Receiver Arrays A Means for Reduction of Weather Downtime 详细摘要 第 57 届 SEG 国际年会暨展览会 新奥尔良 1987 年 10 月 日 Sonneland L Berg LE Eidsvig P Haugen R Fotland B和Vestby J 2-D Deghosting Using Vertical Receiver Arrays 详细摘要 第 56 届 SEG 国际 年会暨展览会 休斯敦 1986 年 11 月 2-6 日 Posthumus BJ Deghosting Using a Twin Streamer Configuration Geophysical Prospecting 41 卷 第 3 期 1993 年 4 月 Moldoveanu 等人 参考文献 27 39