應(yīng)石油勘探開(kāi)發(fā)的需要,以適應(yīng)更深地層的超深井?海上油田的大位移井?從式井?分支井,以揭露最大泄油面積為目的的類似貪吃蛇的地質(zhì)導(dǎo)向井蓬勃發(fā)展,導(dǎo)向鉆井從預(yù)防井斜到利用井斜?創(chuàng)造更多更加復(fù)雜的井斜方向發(fā)展,從幾何導(dǎo)向到根據(jù)實(shí)際地層的地質(zhì)導(dǎo)向方向發(fā)展,其正朝著更深?更遠(yuǎn)?更加自動(dòng)化和智能化的方向發(fā)展,其屬于國(guó)際石油工業(yè)的前沿與關(guān)鍵性技術(shù),是整個(gè)油服產(chǎn)業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

地質(zhì)導(dǎo)向是在幾何導(dǎo)向的基礎(chǔ)上通過(guò)隨鉆測(cè)量地層屬性或者周圍井眼特征從而及時(shí)調(diào)整鉆頭往最優(yōu)的區(qū)域或者避開(kāi)障礙的一種導(dǎo)向鉆井技術(shù),按照測(cè)量技術(shù)的不同可以分為聲波導(dǎo)向?電阻率導(dǎo)向?電磁測(cè)距導(dǎo)向和隨鉆地震導(dǎo)向等。

整體分析從下圖中可以看出在地質(zhì)導(dǎo)向鉆井領(lǐng)域90年代以前申請(qǐng)量發(fā)展緩慢,但是90年代以后申請(qǐng)逐年增加,到90年代出現(xiàn)了申請(qǐng)高峰,隨后申請(qǐng)量波動(dòng)中上漲;90年代初期出現(xiàn)的申請(qǐng)高峰與當(dāng)時(shí)出現(xiàn)的以北海地區(qū)的海上大位移井試驗(yàn)成功而引發(fā)的導(dǎo)向鉆井研究熱潮密切相關(guān),90年代后期以及21世紀(jì)初的申請(qǐng)高峰是在各大油服巨頭完成了各自旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)專利部署的背景下為進(jìn)一步鞏固在地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)領(lǐng)域的地位作出的競(jìng)爭(zhēng)性申請(qǐng),后續(xù)的申請(qǐng)則較為側(cè)重對(duì)地質(zhì)導(dǎo)向鉆井測(cè)量精度?算法改進(jìn)等相關(guān)方面的申請(qǐng)?地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的申請(qǐng)量集中在隨鉆電磁測(cè)距領(lǐng)域,其次是隨鉆電阻率,再次是隨鉆聲波和隨鉆地震?從下圖中可以看出主要申請(qǐng)人集中在美國(guó),主要還是哈里伯頓?斯倫貝謝?貝克休斯等傳統(tǒng)油服巨頭以及工程鉆井領(lǐng)域的默林科技?中國(guó)三桶油的申請(qǐng)量較為欠缺。

2.2地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)分支統(tǒng)計(jì)

分析從下圖可以看出,美國(guó)在各個(gè)技術(shù)分支都遙遙領(lǐng)先,其中,在電磁測(cè)距領(lǐng)域最為突出;歐洲和中國(guó)申請(qǐng)量不多,歐洲主要集中在隨鉆電阻率和隨鉆地震方面,中國(guó)的申請(qǐng)各分支與美國(guó)相似,但是申請(qǐng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。

2.3地質(zhì)導(dǎo)向鉆井各分支技術(shù)演進(jìn)

2.3.1聲波導(dǎo)向

1993年,WO95/14845A1專利申請(qǐng)中,通過(guò)聲波測(cè)量裝置主動(dòng)發(fā)聲并接受回聲探測(cè)地層邊界,利用探測(cè)到的地層邊界實(shí)時(shí)導(dǎo)向鉆進(jìn)?1995年,哈里伯頓在US5678643A中,在鉆柱上布置多個(gè)聲波接受器,增強(qiáng)地層邊界探測(cè)的精度,從而更好地實(shí)時(shí)導(dǎo)向鉆進(jìn)?維米爾公司在CN1209184A中提出了工程鉆井上的導(dǎo)向定位裝置,鉆頭附近的管柱上設(shè)置超聲波發(fā)生器和接收器,超聲波發(fā)聲器發(fā)出超聲波,地面移動(dòng)裝置檢測(cè)到該超聲波并確定鉆頭位置,從而進(jìn)行相應(yīng)的方位調(diào)整以適應(yīng)預(yù)想的導(dǎo)向方向,到2009年,哈里伯頓提出的WO2009/073008A1專利申請(qǐng)公開(kāi)文件可用于諸如從式井等井眼密集的地方的防碰鉆井,在臨井設(shè)置聲波接收器,在鉆頭處設(shè)置聲波發(fā)聲器,鉆進(jìn)的同時(shí)發(fā)出聲波,臨井聲波接收器接收聲波信號(hào)從而定位鉆頭位置,從而對(duì)鉆頭進(jìn)行導(dǎo)向防止其碰撞臨井?2010年,在專利申請(qǐng)WO2011/080640A2中提出了在鉆柱周向上分區(qū)布置聲波發(fā)射器和接收器,并與鉆柱方向形成一定角度,能針對(duì)鉆頭前方的地層進(jìn)行探測(cè),并且分區(qū)設(shè)置能夠在周向上由探測(cè)細(xì)化,更加精確,從而使得聲波導(dǎo)向也更加準(zhǔn)確?2012年,沙特阿拉伯國(guó)家石油公司在專利WO20130/74745A2中提出在鉆頭破碎巖石時(shí),由于巖性的不同發(fā)出的聲波也不同,根據(jù)聲波的不同便可確定鉆頭在哪一中巖石中鉆進(jìn),當(dāng)鉆頭鉆出特定層時(shí),所產(chǎn)生的聲波會(huì)發(fā)生變化,此時(shí),變換鉆進(jìn)路徑重新鉆回該特定層,從而實(shí)現(xiàn)鉆頭導(dǎo)向。

貝克休斯于1991年在US5230386A專利中通過(guò)鉆測(cè)所選地層水平方向的電阻率,并對(duì)該選定地層水平方向電阻率進(jìn)行建模,并測(cè)定地層邊界,通過(guò)模型和所測(cè)地層邊界引導(dǎo)鉆頭沿著該地層的水平方向進(jìn)行鉆進(jìn)?到1999年,哈里伯頓在EP2108981A2中,為適應(yīng)地層各向異性造成巖石在水平方向和垂直方向山的電阻率差異,將部分測(cè)量線圈對(duì)鉆柱軸向上成一定角度設(shè)置,從而使得測(cè)量出的電阻率更加準(zhǔn)確,邊界更加清晰,導(dǎo)向更加準(zhǔn)確,該專利也開(kāi)啟了方向電阻率測(cè)井技術(shù)發(fā)展?2002年,貝克休斯在US2004/0100263A1中,使用多個(gè)多分量電阻率傳感器,用于在隨鉆測(cè)井工具的多個(gè)工具表面角度上得到測(cè)量值。

經(jīng)過(guò)專利分析發(fā)現(xiàn),國(guó)際油服巨頭斯倫貝謝?哈里伯頓?貝克休斯等油服巨頭掌握了大量的地質(zhì)導(dǎo)向鉆井核心專利?我國(guó)在這方面發(fā)展緩慢,近幾年開(kāi)始發(fā)展,但是從檢索到的專利分析來(lái)看,大多偏向于理論以及應(yīng)用和測(cè)試評(píng)價(jià),原創(chuàng)性較少?國(guó)內(nèi)在導(dǎo)向鉆井技術(shù)的各個(gè)技術(shù)分支均處于不利地位,無(wú)核心專利作支持?當(dāng)然從近幾年的檢索中也發(fā)現(xiàn)了中石化和中石油長(zhǎng)城鉆探已經(jīng)開(kāi)始注重專利的原創(chuàng)性和高技術(shù)含量,并對(duì)某些專利慢慢布局諸如美國(guó)和歐洲,這是可喜的現(xiàn)象,但要在導(dǎo)向鉆井中這個(gè)鉆井核心競(jìng)爭(zhēng)力也是高附加值的領(lǐng)域中能夠爭(zhēng)得一席之地仍然任重道遠(yuǎn)。