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應石油勘探開發的需要,以適應更深地層的超深井?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導向井蓬勃發展,導向鉆井從預防井斜到利用井斜?創造更多更加復雜的井斜方向發展,從幾何導向到根據實際地層的地質導向方向發展,其正朝著更深?更遠?更加自動化和智能化的方向發展,其屬于國際石油工業的前沿與關鍵性技術,是整個油服產業的核心競爭力。
地質導向是在幾何導向的基礎上通過隨鉆測量地層屬性或者周圍井眼特征從而及時調整鉆頭往最優的區域或者避開障礙的一種導向鉆井技術,按照測量技術的不同可以分為聲波導向?電阻率導向?電磁測距導向和隨鉆地震導向等。
整體分析從下圖中可以看出在地質導向鉆井領域90年代以前申請量發展緩慢,但是90年代以后申請逐年增加,到90年代出現了申請高峰,隨后申請量波動中上漲;90年代初期出現的申請高峰與當時出現的以北海地區的海上大位移井試驗成功而引發的導向鉆井研究熱潮密切相關,90年代后期以及21世紀初的申請高峰是在各大油服巨頭完成了各自旋轉導向鉆井系統專利部署的背景下為進一步鞏固在地質導向鉆井技術領域的地位作出的競爭性申請,后續的申請則較為側重對地質導向鉆井測量精度?算法改進等相關方面的申請?地質導向鉆井技術的申請量集中在隨鉆電磁測距領域,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人集中在美國,主要還是哈里伯頓?斯倫貝謝?貝克休斯等傳統油服巨頭以及工程鉆井領域的默林科技?中國三桶油的申請量較為欠缺。
分析從下圖可以看出,美國在各個技術分支都遙遙領先,其中,在電磁測距領域最為突出;歐洲和中國申請量不多,歐洲主要集中在隨鉆電阻率和隨鉆地震方面,中國的申請各分支與美國相似,但是申請量遠遠落后。
1993年,WO95/14845A1專利申請中,通過聲波測量裝置主動發聲并接受回聲探測地層邊界,利用探測到的地層邊界實時導向鉆進?1995年,哈里伯頓在US5678643A中,在鉆柱上布置多個聲波接受器,增強地層邊界探測的精度,從而更好地實時導向鉆進?維米爾公司在CN1209184A中提出了工程鉆井上的導向定位裝置,鉆頭附近的管柱上設置超聲波發生器和接收器,超聲波發聲器發出超聲波,地面移動裝置檢測到該超聲波并確定鉆頭位置,從而進行相應的方位調整以適應預想的導向方向,到2009年,哈里伯頓提出的WO2009/073008A1專利申請公開文件可用于諸如從式井等井眼密集的地方的防碰鉆井,在臨井設置聲波接收器,在鉆頭處設置聲波發聲器,鉆進的同時發出聲波,臨井聲波接收器接收聲波信號從而定位鉆頭位置,從而對鉆頭進行導向防止其碰撞臨井?2010年,在專利申請WO2011/080640A2中提出了在鉆柱周向上分區布置聲波發射器和接收器,并與鉆柱方向形成一定角度,能針對鉆頭前方的地層進行探測,并且分區設置能夠在周向上由探測細化,更加精確,從而使得聲波導向也更加準確?2012年,沙特阿拉伯國家石油公司在專利WO20130/74745A2中提出在鉆頭破碎巖石時,由于巖性的不同發出的聲波也不同,根據聲波的不同便可確定鉆頭在哪一中巖石中鉆進,當鉆頭鉆出特定層時,所產生的聲波會發生變化,此時,變換鉆進路徑重新鉆回該特定層,從而實現鉆頭導向。
貝克休斯于1991年在US5230386A專利中通過鉆測所選地層水平方向的電阻率,并對該選定地層水平方向電阻率進行建模,并測定地層邊界,通過模型和所測地層邊界引導鉆頭沿著該地層的水平方向進行鉆進?到1999年,哈里伯頓在EP2108981A2中,為適應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,將部分測量線圈對鉆柱軸向上成一定角度設置,從而使得測量出的電阻率更加準確,邊界更加清晰,導向更加準確,該專利也開啟了方向電阻率測井技術發展?2002年,貝克休斯在US2004/0100263A1中,使用多個多分量電阻率傳感器,用于在隨鉆測井工具的多個工具表面角度上得到測量值。
經過專利分析發現,國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導向鉆井核心專利?我國在這方面發展緩慢,近幾年開始發展,但是從檢索到的專利分析來看,大多偏向于理論以及應用和測試評價,原創性較少?國內在導向鉆井技術的各個技術分支均處于不利地位,無核心專利作支持?當然從近幾年的檢索中也發現了中石化和中石油長城鉆探已經開始注重專利的原創性和高技術含量,并對某些專利慢慢布局諸如美國和歐洲,這是可喜的現象,但要在導向鉆井中這個鉆井核心競爭力也是高附加值的領域中能夠爭得一席之地仍然任重道遠。
