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低频电磁波无线传输测试技术在阿北凹陷复杂断块油藏的应用

张宇飞 赵昆 王攀 孙瑞娜 阮小飞

张宇飞,赵昆,王攀,孙瑞娜,阮小飞. 低频电磁波无线传输测试技术在阿北凹陷复杂断块油藏的应用[J]. 百度彩票 工艺,2021,43(3):328-333 doi:  10.13639/j.odpt.2021.03.010
引用本文: 张宇飞,赵昆,王攀,孙瑞娜,阮小飞. 低频电磁波无线传输测试技术在阿北凹陷复杂断块油藏的应用[J]. 百度彩票 工艺,2021,43(3):328-333 doi:  
ZHANG Yufei, ZHAO Kun, WANG Pan, XUN Ruina, RUAN Xiaofei. Application of low-frequency electromagnetic wireless transmission test technology in the complex fault block reservoirs of Abei sag[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2021, 43(3): 328-333 doi:  10.13639/j.odpt.2021.03.010
Citation: ZHANG Yufei, ZHAO Kun, WANG Pan, XUN Ruina, RUAN Xiaofei. Application of low-frequency electromagnetic wireless transmission test technology in the complex fault block reservoirs of Abei sag[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2021, 43(3): 328-333 doi:  

低频电磁波无线传输测试技术在阿北凹陷复杂断块油藏的应用

doi: 
基金项目: 中国石油天然气股份有限公司科技项目“华北油田持续有效稳产勘探开发关键技术研究与应用”(编号:2017E-15)
详细信息
    作者简介:

    张宇飞(1989-),2017年毕业于长江大学地球探测与信息技术专业,获硕士学位,现从事石油地质相关的综合研究工作,工程师。通讯地址:(062550)河北省任丘市会战道局机关小区2号办公楼。Email:.cn

    通讯作者:

    赵昆(1988-),2014年毕业于中国石油大学(北京)石油与天然气工程专业,获硕士学位,现主要从事油气勘探相关的研究工作,工程师。通讯地址:(062550)河北省任丘市会战道华北油田公司勘探开发综合楼。E-mail:.cn

  • 中图分类号: TE27

Application of low-frequency electromagnetic wireless transmission test technology in the complex fault block reservoirs of Abei sag

  • 摘要: 二连阿北凹陷构造复杂、成藏规律不清,采用常规测试工艺无法实现井底关井或井下数据的实时读取,对资料准确性和关井时间难以把控。为此优选了低频电磁波无线传输测试技术,并对存在的问题进行完善,以增强测试资料的针对性、可靠性。针对井下信号对接不成功的问题,对管柱结构短路位置进行了分析,并对测试工具及管柱结构进行改进,将扶正器金属轴内径由76 mm增至80 mm,最上部金属扶正器改为尼龙扶正器,将定位短节本体外径由102 mm改为62 mm;针对电磁波信号弱、传输距离短的问题,优化了信号放大线路和强化微弱信号检测技术,井下远距离传输可达40 m;同时改进信号接收器传输结构,由单点接收改为通讯回路双向接收。该技术在欣苏木构造带X16井进行现场应用,通过对射孔-开井-关井施工过程和测试曲线径向流等数据进行实时监测,有效保障了测试成功率和试油成效,对阿北凹陷下一步勘探部署提供技术支持。
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    图  1  仪器结构及工作原理

    Figure  1.  Instrumental structure and working principle

    图  2  X16井下管柱组合示意图

    Figure  2.  Downhole string combination in Well X16

    图  3  微弱信号检测与处理模块

    Figure  3.  Weak signal detection and processing module

    图  4  WDT监测射孔、关井曲线

    Figure  4.  WDT monitored perforation and shut in curve

    表  1  工具管串各仪器上下扶正器与套管间隙表

    Table  1.   Clearance between casing and upper/lower centralizer of each instrument of tool string

    仪器名称扶正器材质扶正器与套管间隙/mm
    液压定位短节
    上部金属扶正器5
    下部尼龙扶正器3
    RDS+泵返短节
    上部尼龙扶正器4.5
    下部尼龙扶正器4.5
    验漏托筒
    上部尼龙扶正器5
    下部尼龙扶正器5
    STV测试阀
    上部尼龙扶正器5
    下部尼龙扶正器5
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    表  2  X16井测试段基础数据

    Table  2.   Basic data of the test interval of Well X16

    层号解释井段/m厚度/m电阻率/(Ω·m)声波
    时差/(μs · m−1)
    孔隙度/%含油饱和度/%射孔井段/m厚度/m油气显示
    15877.0~879.02.082.5280.918.954.0877.0~879.02.0富含油
    17880.0~885.45.464.9253.515.437.3880.0~885.45.4油浸
    19886.6~895.08.4115.3291.420.264.4886.6~895.08.4油浸
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出版历程
  • 修回日期:  2021-03-12
  • 刊出日期:  2021-05-31

低频电磁波无线传输测试技术在阿北凹陷复杂断块油藏的应用

doi: 
    基金项目:  中国石油天然气股份有限公司科技项目“华北油田持续有效稳产勘探开发关键技术研究与应用”(编号:2017E-15)
    作者简介:

    张宇飞(1989-),2017年毕业于长江大学地球探测与信息技术专业,获硕士学位,现从事石油地质相关的综合研究工作,工程师。通讯地址:(062550)河北省任丘市会战道局机关小区2号办公楼。Email:.cn

    通讯作者: 赵昆(1988-),2014年毕业于中国石油大学(北京)石油与天然气工程专业,获硕士学位,现主要从事油气勘探相关的研究工作,工程师。通讯地址:(062550)河北省任丘市会战道华北油田公司勘探开发综合楼。E-mail:.cn
  • 中图分类号: TE27

摘要: 二连阿北凹陷构造复杂、成藏规律不清,采用常规测试工艺无法实现井底关井或井下数据的实时读取,对资料准确性和关井时间难以把控。为此优选了低频电磁波无线传输测试技术,并对存在的问题进行完善,以增强测试资料的针对性、可靠性。针对井下信号对接不成功的问题,对管柱结构短路位置进行了分析,并对测试工具及管柱结构进行改进,将扶正器金属轴内径由76 mm增至80 mm,最上部金属扶正器改为尼龙扶正器,将定位短节本体外径由102 mm改为62 mm;针对电磁波信号弱、传输距离短的问题,优化了信号放大线路和强化微弱信号检测技术,井下远距离传输可达40 m;同时改进信号接收器传输结构,由单点接收改为通讯回路双向接收。该技术在欣苏木构造带X16井进行现场应用,通过对射孔-开井-关井施工过程和测试曲线径向流等数据进行实时监测,有效保障了测试成功率和试油成效,对阿北凹陷下一步勘探部署提供技术支持。

English Abstract

张宇飞,赵昆,王攀,孙瑞娜,阮小飞. 低频电磁波无线传输测试技术在阿北凹陷复杂断块油藏的应用[J]. 百度彩票 工艺,2021,43(3):328-333 doi:  10.13639/j.odpt.2021.03.010
引用本文: 张宇飞,赵昆,王攀,孙瑞娜,阮小飞. 低频电磁波无线传输测试技术在阿北凹陷复杂断块油藏的应用[J]. 百度彩票 工艺,2021,43(3):328-333 doi:  
ZHANG Yufei, ZHAO Kun, WANG Pan, XUN Ruina, RUAN Xiaofei. Application of low-frequency electromagnetic wireless transmission test technology in the complex fault block reservoirs of Abei sag[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2021, 43(3): 328-333 doi:  10.13639/j.odpt.2021.03.010
Citation: ZHANG Yufei, ZHAO Kun, WANG Pan, XUN Ruina, RUAN Xiaofei. Application of low-frequency electromagnetic wireless transmission test technology in the complex fault block reservoirs of Abei sag[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2021, 43(3): 328-333 doi:  
  • 阿北凹陷位于马尼特坳陷东部,面积约600 km2,是二连盆地勘探潜力较大的凹陷之一[1]。该凹陷发育有欣苏木、扎拉格、阿东以及阿西4个正向构造。已发现油藏为构造油藏,凹陷构造活动剧烈,地层破碎,地震资料品质较差,且存在稠油油藏,成藏规律不清[2]。针对阿北凹陷复杂断块油藏,寻找一种更加有效的地层测试技术,进一步增强测试资料的针对性、可靠性、实用性,指导储层措施改造、合理认识储层,成为下一步勘探部署的关键工程。地层测试数据实时监测能够实现井下关井状态下的数据直读,是及时判定工艺有效性、制定下步生产决策的有效手段之一。但目前陆地试油常规测试无法对井底数据进行实时监测,通常需要起出管柱工具仪器才能得到测试数据,导致在试油测试某一环节(如射孔、开关井)出现问题时不能及时监测或因开关井时间不合理导致测试资料录取不到有效参数而重复测试。最新研究发展的井下无线传输测试技术可在射孔后实时监测井底压力变化情况,对保障测试成功率和试油成效具有重要意义[3-6]

    国外井下无线传输测试系统研制始于上世纪70年代初,但受当时技术条件所限,该系统技术极不成熟,存在传输速率低、传输距离短、数据通讯不可靠等问题。随后,国外众多公司在该技术的相关研究上投入了大量的精力及经费,取得了一定的成果,特别是在无线随钻领域取得了可喜的进展。2000年美国IntelliSrev公司在美国能源部的支持下经过7年的工程实践和研发,成功研制了传输速率可达2 M/s的智能钻杆系统。但采用该技术的测试系统,如高山公司的“无线传输测试系统”、先锋公司PLS、McAllister的“无线实时”系统,以及哈里伯顿公司的ATS(声波无线测试技术)无线传输系统等多处于研发试验阶段,其无线传输速率和通讯距离均不理想,无法满足油气井测试的需求。目前较为成熟的产品为Schlumberger公司的DataLatch工具及法国地质服务公司的EMROD工具[7-9]。DataLatch工具通过电磁耦合方式,实现DST测试阀上下接收器与电子压力计的双向无线通讯。其技术核心为耦合通讯磁芯结构,最高工作压差120.68 MPa,数据存储能力可达960 000个数据点;EMROD工具采用低频电磁波数据传输方式进行跨测试阀无线通讯,其压力量程为103.4 MPa,温度量程175 ℃[10-11]。我国对井下无线传输测试系统的研究始于上世纪80年代,其中最具代表性的为中国电波传播研究所承担的“随钻测量电磁波传输信道可行性研究”项目,其设计最大无线传输深度可达3 280 m,为当时同类研究之首。渤海钻探测试公司自1994年起对井下无线传输测试系统进行研究,陆续形成了SG-1、JJ-1、SG-2和JJ-2系列。SG-1和JJ-1系列采用美国PANEX1500直读式电子压力计,无存储数据功能,当井下未能对接时,外挂压力计所采数据将全部丢失;SG-2系列能够实现井下和地面的双单向通讯,也具有数据存储功能,但井下无线通讯距离很短,耐温只有125 ℃,适应范围小;JJ-2系列采用电磁耦合传输方式[12],可实现每秒10个数据点的全双工双向通讯,整体耐温150 ℃,压力精度0.02%,单芯铠装电缆驱动长度≥7 000 m,但井下无线通讯距离较短(最大通讯距离只有1 m),实际关井时因井内压力剧减,会使接收器与发射器位置发生变化,导致对接超出范围的现象。同时受通讯距离短的限制,该系统只能与APR测试工具进行配合使用,施工成本高,不适合陆地油田应用,造成其推广使用受到严重限制。

    • 目前用于井下无线测试通信方式大致可分为4种:钻井液脉冲方式、声波及应力波方式、电磁耦合方式、低频电磁波方式。钻井液脉冲方式数据传输速率较慢(每秒几个比特),信息量较小,传输信号受钻井液的质量和泵的不均匀性影响较大。基于声波方式的无线传输系统,由于传输过程中信道结构不均匀,井内声场相互作用影响,信号接收微弱,存在回波振荡、非线性失真,信号衰减严重等问题,信号提取较为困难。基于应力波的无线传输系统功耗较大,数据传输较慢。电磁耦合方式无线传输系统,具有较高的数据传输速率和可靠性,但其无线传输距离较短,需要与电缆通信结合使用。低频电磁波方式的主要优点是数据传输能力较强、通讯距离远,但难点主要为:(1)极低频电磁信号的发射,对天线的绝缘度、天线与地层间的阻抗匹配要求很高,导致收发电路复杂程度提高;(2)地层衰耗和背景噪声对信号的影响较大, 需要比较复杂的信号检测与数字处理方法。

      在深入研究国内外油田DST测试特点的基础上,结合阿北凹陷地质特点和几种无线传输方式技术特点,优选了基于低频电磁波方式的无线传输来跨越测试阀,并配合长距离电缆传输到地面的设计方案来实现对测试阀下地层参数的实时监测。

    • 阿北凹陷井下仪器系统对井下测试数据进行无线实时传输,采用低频电磁波进行井下测试信号的无线传输。其中,井下电子压力计采集的温度和压力数据通过数据发射器传送至井下电缆所携带的接收器上,继而通过电缆传输至地面信号收发器及计算机系统上,而地面信号收发器则通过无线网络发送到基地客户端和评价解释中心,其结构组成及工作原理如图1所示。

      图  1  仪器结构及工作原理

      Figure 1.  Instrumental structure and working principle

    • 该技术目前已在陆上其他地区展开应用,应用效果良好,但仍存在井下信号对接不成功、电磁波信号弱、传输距离短等问题,为进一步强化仪器可靠性和适用性,对电磁波无线传输测试工具及管柱结构和信号处理及发射电路进行改进。

    • 电磁波无线传输技术在以往试验中,经常会出现井下信号对接不成功的问题。通过分析研究得出原因主要有3个方面:(1)井斜过大、方位角变化的影响;(2)井下工具串尺寸及结构不科学,导致与套管内壁接触,使信号短路衰减;(3)信号接收的对接部位和方式需要改进。

    • (1)以X16井为例,测射联作管柱结构如图2所示。根据图2所示内外径尺寸,假设水平放置,扶正器在充分靠近套管的情况下,计算工具管串与套管的间隙,具体数据见表1。将计算数据对比,液压定位短节下部与套管的间隙最小,间隙值约3 mm。根据计算结果,分析液压定位短节处易出现短路。此外,对管串各段的弹性及柔性进行分析,从液压定位短节到测试阀管串的组合及外径研究,短油管外径最小仅为Ø73 mm,弹性弯曲度可能最大,也易造成短路现象。

      图  2  X16井下管柱组合示意图

      Figure 2.  Downhole string combination in Well X16

      表 1  工具管串各仪器上下扶正器与套管间隙表

      Table 1.  Clearance between casing and upper/lower centralizer of each instrument of tool string

      仪器名称扶正器材质扶正器与套管间隙/mm
      液压定位短节
      上部金属扶正器5
      下部尼龙扶正器3
      RDS+泵返短节
      上部尼龙扶正器4.5
      下部尼龙扶正器4.5
      验漏托筒
      上部尼龙扶正器5
      下部尼龙扶正器5
      STV测试阀
      上部尼龙扶正器5
      下部尼龙扶正器5

      在不考虑井的斜度、方位角、套管形变等情况下,假设短路仅由测试管串与套管的间隙和管串弹性弯曲2个因素造成,那么定位短节及其下部短路的可能性最大。因此,针对大斜度井的施工环境,在现有工具的基础上,重点对定位短接、扶正器、接收器进行升级改造。

    • 目前,设计管柱结构中的最上部和最下部的金属扶正器为一体结构,上部距离定位缩颈1.43 m,外径112 mm,内径62 mm;管柱结构中间5个尼龙扶正器为2部分组成的分体结构,其尼龙部分内径82 mm,外径114 mm,金属轴部分内径62 mm,外径76 m,尼龙部分和金属轴之间的缝隙为3 mm,间隙过大,水平放置或在斜井时,导致管串靠紧井壁一侧的管串与套管壁间隙变小。

      针对尼龙扶正器和扶正器方式改进:一是将金属轴光滑面部分的外径由76 mm增加为80 mm,扣型不变;尼龙部分大小不变,保持原来尺寸,便于拆卸时通过丝扣端;或者,将金属轴更换为0.4 m长平式油管短节,外径73 mm,两端为平式油管扣,再配合平式扣变加大扣接箍,尼龙件外径114 mm不变,内径变小为75 mm;二是将工具串最上部的金属扶正器更换成尼龙扶正器或向上再增加一个或多个尼龙扶正器,保留中间的尼龙扶正器和WDT载体最下部的金属扶正器;或者不更换而调整定位短节的位置。

    • 以往的定位方式是通过缩颈阻挡实现的,液压定位内径56 mm,接收器外径58 mm,当接收器下放到液压定位短节缩颈处时,接收器遇阻停止下行,实现接收器与定位短节对接,形成通讯导通回路。这种定位方式存在不足: (1)定位短节外径102 mm,外径偏大,仪器入井后存在井下短路的重大隐患。(2)通讯回路的联通点是唯一的,即只有在工具对接时通讯回路才能建立起来,离开定位点信号就会因断路而消失。把区域通讯变成了单点通讯,掩盖了WDT的优势,使数据传输的依靠电磁波长距离覆盖的通讯性能不能充分体现。即使定位短节下部区域有电磁波信号,也会因接收器下不去而无法接收、通讯,限制了设备性能的发挥。(3)上部的金属扶正器距离定位点或缩颈点只有1.43 m。在金属扶正器处及以上部位会由于短路和反射电阻而信号衰竭,即金属扶正器上部无信号。因为下有阻挡上有衰减,从而导致接收信号的可移动距离只有1 m左右。这种结构削弱了WDT测试系统井下长距离无线通讯的优点,限制了该项技术的特长。

      根据以上问题对定位方式进行了升级完善:一是重新加工定位短节,设计长度0.4 m,本体外径由102 mm改为62 mm,以保障接收器与定位短节能有效对接;同时,两端加厚油管扣设计外径73 mm,内部加工成两端带倒角的缩颈台阶,缩径56 mm,厚度10 mm;二是将最上部的金属扶正器和电阻环短节与定位短节分开,根据实际情况中间适当增加尼龙扶正器的数量。定位短节+短油管放到测试工具的泵返上部,保留金属扶正器和反射短节;入井连接时定位短节连在尼龙扶正器上部,根据井况定位短节下部再连接一根1.5 m长的短油管存放加重杆,防止加重杆进入测试工具内部造成事故。

    • 针对电磁波信号弱、传输距离短的问题,笔者经过技术调研,与中国石油大学(北京)、北京、西安等地公司进行交流,确定从电磁波信号增强和弱信号检测两方面改进。一是为适应井下传输距离≥40 m,加强发送端发送功率,提高电磁波传输距离,进行地面仿真试验,重新设计信号放大电路:二是升级微弱信号检测及处理模块(图3);对接收端滤波电路进行改进,以加强电磁波的传输距离;同时提高干扰信号的过滤技术,为增强传输距离,发送端采用振荡信号;结果显示,经过改进在40 m端可对接收信号进行有效解调。

      图  3  微弱信号检测与处理模块

      Figure 3.  Weak signal detection and processing module

    • 针对信号收发器进行了升级完善,保持原来的收发电路板的电气接口(LEMO接插件)、通信速率、数据帧结构、发送间隔(72 s)、命令等接口参数的兼容性,同时在保持原来的耐高温等技术指标的前提下,对系统接收灵敏度进行优化。

      现在的接收器只能通过遇阻来实现金属面碰金属面的对接,电路导通点是单一的、唯一的,离开这个位置就会断路,也就接收不到信号,即使向上区域的信号是存在的。固定点通讯是目前工艺的不足,限制了施工方式,把定点通讯改进为多点乃至纵向区域通讯,正是电磁波无线传输技术的主攻方向。针对此问题,在接收器的定位板两侧连接上4根钢丝,这种结构保证接收器在油管内移动时始终与油管壁接触,也就保证了无论在油管内什么位置接收器通讯回路时导通,从而扩大了信号的搜索范围,把原来的定点通讯变成了多点乃至区域通讯,只要有信号就能搜索到,方便了施工。

    • 优选阿北凹陷欣苏木构造带X16井作为试验井,其测试段基础数据见表2。该井完钻井深1 200.0 m,测试目的为评价X8东断块K1bt1油组的勘探潜力,采用电磁波无线传输测试工艺施工,监测井底射孔、开/关井是否正常及关井是否达到径向流以满足出参条件,求取地层参数。

      表 2  X16井测试段基础数据

      Table 2.  Basic data of the test interval of Well X16

      层号解释井段/m厚度/m电阻率/(Ω·m)声波
      时差/(μs · m−1)
      孔隙度/%含油饱和度/%射孔井段/m厚度/m油气显示
      15877.0~879.02.082.5280.918.954.0877.0~879.02.0富含油
      17880.0~885.45.464.9253.515.437.3880.0~885.45.4油浸
      19886.6~895.08.4115.3291.420.264.4886.6~895.08.4油浸
    • 本井测试段877.0~895.0 m,采用MFE射孔联作+WDT无线传输测试工艺,二开二关二开抽汲工作制度。测试期间下入WDT仪器进行对接,将实时录取到的测试资料传输至地面,之后通过数据传输平台发送到数据中心。

    • 无线传输测试监测射孔-开井-关井的施工过程,如图4所示。监测到射孔震动曲线,射孔后流压曲线缓慢上升,说明已经射孔。关井压力恢复曲线,关井后压力恢复曲线平滑,测试曲线正常,判定测试工艺成功。电磁波WDT无线传输数据是实时的,可根据实时监测曲线判定是否达到径向流,达到径向流满足出参条件时,即可进行下步施工操作。该井关井24 h,WDT监测14 h出现径向,后执行下步操作。根据电磁波无线传输WDT实时数据,用Ecrin 4.2测试解释软件进行分析,得到了油井关键参数,877.0~895 m井段,流压折算产油量为11.38 m3/d,地层压力为7.65 MPa,渗透率为323.0 ×10−3 μm2,表皮因数为−1.14。

      图  4  WDT监测射孔、关井曲线

      Figure 4.  WDT monitored perforation and shut in curve

    • (1)针对电磁波无线传输测试工具和管柱结构,在对管串短路位置进行分析的基础上,对扶正器结构和安放位置进行优化改造,针对载体与扶正器间隙过大的问题,将扶正器金属轴内径由Ø76 mm增至Ø80 mm;同时将最上部金属扶正器改为尼龙扶正器,提高绝缘效果;对定位短节定位方式进行改进,将本体外径由Ø102 mm改为Ø62 mm,保障实现接收器与定位短节有效对接;同时将定位短节位置进行优化,防止短路。

      (2)针对电磁波信号弱、传输距离短的问题,优化了信号放大线路设计和弱信号检测技术,解决了井下远距离传输问题,在40 m端可对接收信号进行有效解调;同时改进信号接收器传输结构,由单点接收改为通讯回路双向接收,信号搜索范围增加。

      (3)低频电磁波无线传输测试技术在X16井成功应用,实时监测了井下测试数据,开关井正常,测试曲线光滑,满足地层测试资料录取要求,对阿北凹陷储层和油藏进行及时、真实、有效的评价,提高了现场施工效率,为该凹陷下一步勘探部署提供高效测试技术支持。

参考文献 (12)

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