在井下和地面设备成为主流趋势之前，钻井人几乎不知道他们在向哪个方向钻进或者井下的状况如何。终于，随着技术的突破，如随钻测量（MWD）工具和钻井综合录井仪的发明，让钻井人能够更准确和更多地收集数据。如同制造业一般的近乎工厂化的钻井方式更具现代举措，例如精准钻探、极限钻探以及使油气井恢复新生的钻井极限方案等，这些举措都使得石油钻井作业在油气井设计和创建过程中变得更加有效。机械钻速（ROP）提高了50%以上。不幸的是，这些工具在温度和成本方面的限制制约了其在大多数地热井中使用这种先进的设备。
当今，石油钻井作业可以收集地面测量的关键钻井参数，例如：旋转扭矩、大钩载荷（提供地面钻压）、转速、游车高度（提供ROP）、泵压、池体积（提供井涌和井漏指示的泥浆量）、以及泵冲（提供流量）等。钻井人还可利用MWD/LWD（随钻测井）工具来收集井眼方位、井斜、井底温度和压力、每分钟转数（RPM）、钻头扭矩（TOB）、井底钻压（WOB）、井下振动/摆动、以及弯矩等井下测量数据，虽然这些数据不一定都是实时的。这些数据可用来计算和最小化机械比能（mechanical specific energy,简称MSE），即移除单位体积岩石所需的能量输入。
在地热钻井作业中，由于精度差或缺乏设备，这些数据并不总被使用。这是打地热井的主要障碍之一，也是为什么打地热井相比打油气井周期更长的一个原因。本文讲述的是石油行业地面和井下数据采集所使用的设备及其相关的成本、能力、局限性和影响。石油工业的这些井下工具和测量手段对提高钻井效率的影响表明，为地热工业开发高温高压环境下的测量工具也可能有着同样的影响。
自20世纪20年代末以来，钻井作业期间，传感器就被用来测量地面数据。这些传感器采集的数据非常重要，因为传感器提供了有关地下和地面正在使用的设备的重要信息。在地面，采集传统操作数据的测量值，包括钻具测量数据，如旋转扭矩、钩载和游车高度，从中可以确定ROP。还可对其他地面参数进行测量，以获取有关泵送井下的泥浆信息，包括：泥浆流量、温度、压力（泵压）、泥浆电阻率、气体读数和泵冲数等。上世纪60年代末，研发出了第一套MWD工具，这让司钻能够采集到实时的井下数据。上世纪80年代，开发出了LWD工具，可采集伽马、密度、孔隙度和电阻率等地层岩性数据。今天，MWD工具能提供近乎实时的测量数据，如井眼方位、井斜、温度、压力、RPM、井底TOB、井底WOB、井底钻具振动和弯矩等井下数据。
这些工具存在于井下是钻井行业的普遍常识，但也要清除的懂得，在地热行业，这些工具因井下恶劣环境而并不常被使用。为了对此进行分析，我们对可用的井下工具的类型、所采集的数据类型、工具使用的频率、数据采集对ROP的影响以及地热井使用这种设备的限制等进行一次探讨。目的是为了更好的了解地热钻井期间如何提高ROP的潜力，如果是为地热环境而开发这类工具的话。
为了在一定程度上解决这些问题，可以进行一次彻底的分析，或许可以扩展至未来，从统计学角度，收集和使用来自石油与地热行业大量的钻井数据。由于时间和预算的限制，以及数据访问的缺失，我们依据文献调查和两个行业钻井专家的访谈来进行探讨，我们发现专家访谈和文献来源向我们提供的信息是一致的。
过去50年来，地面和井下数据的采集方法都有了很大进步。钻机数据，例如旋转扭矩、转速、钩载、泥浆温度、压力、池体积和泵冲数、以及大钩高度等现在都得到了实时监测，现场和远程作业人员都能很容易获得这些数据。井下数据测量也有了显著改善。MWD/LWD随钻测量技术的引入使井下数据实时采集成为可能。这些MWD/LWD工具比地面测量工具采集的数据更准确，数据中带有很大的噪声信号。当今，在地热和石油两个行业所用的钻机上，采用综合录井仪在地面采集和连续记录钻井过程中直接和间接的测量数据是标准的配置。
收集井下数据可显著提高测量精度，有助于提高钻井速度。不过，由于工具的温度限制，地热钻井的井下数据采集并不普遍。LWD工具可提供地质数据的井下测量，这对在含水的沉积岩中寻找油气藏非常有帮助，但我们的专家们认为，这对在地热环境中钻井价值不大。
不过，MWD工具可以测量井下数据，例如：井底温度和压力、定向数据和井下钻井参数，这些数据在石油钻井和地热钻井过程中都有价值。MWD工具采集不同的测量数据，但我们发现几乎所有安装在井底钻具组合（BHA）上的MWD工具都能提供有关温度、压力、井斜和方位的信息，无论是什么样式或模式。
在石油工业中，地面和井下设备都被广泛使用，但对于地热钻井作业而并非如此。在地面设备方面，石油钻井和地热钻井的司钻们使用类似的设备，但石油钻井作业会更有效地利用这些数据来提高其ROP，降低所需的MSE。优化钻井期间所需的MSE可以提高ROP。MSE是钻去单位岩石体积所需的能量输入，MSE可以以可控参数如WOB、TOB、ROP和RPM的数学方法来表示，通过优化可控因子使MSE最小化，从而获得最高的ROP。
接受采访的石油专家们建议，陆上钻井作业中，像温度、井眼方位、井斜、转速和振动等井下信息常被视为标准或半标准数据测量，图1给出了MWD/LWD工具数据采集及其在石油钻井作业中的使用频次。像井下压力这样的数据采集被视为是半超前的，有助于提高效率。其它数据测量，如TOB和WOB，通常不属于地热钻机井下测量的范畴，除非采用MWD工具来测量这类数据。这些数据对提高ROP、缩短钻井周期和降低作业成本特别有帮助，只需告知司钻井底的真实情况即可。不幸的是，这类信息往往未在地热钻井作业中被使用。
上图给出了MWD/LWD工具采集的数据及其在石油钻井作业中使用的频次。我们的专家们表示，无论井眼朝着那个方向钻进，温度和定向数据都是所有石油钻井现有的标准测量。在地热钻井作业中，这种设备仅有50%的时间在使用。随着井的复杂性的增加，石油钻井的司钻们会使用更多的测量数据，如压力和钻井机械参数。由于工具的温度限制，这些数据在地热钻井中一般不会使用。
井下工具能够近乎实时地将采集的数据传送至地面，或将数据储存在工具中的存储器内，以便工具起出后在地面对数据进行复查。
泥浆脉冲遥测是目前MWD工具最常用和最可靠的数据传输技术，该技术可将采自井下的数据传送至地面。这种工具在钻具内的泥浆中制造一些小的压力波，这些压力波在地面被收集并被解码，可以实时采集可用的信息。压力信号为二进制编码，可以是正压力脉冲、负压力脉冲、或者是调频波。司钻们采用此方法进行连续测量采集数据。为了遵守州和联邦法规，当追加或去除一根钻杆时，MWD的操作员会进行一次静态测量，通常每钻进10至30m就会做一次。对于一次静态测量，泥浆脉冲遥测一般需要约2至7分钟的时间来接收数据，并获取有用的信息。这通常比接一根钻杆的时间要长一些，每进行一次静态测量都会带来几分钟的非生产时间（NPT）。
电磁（EM）遥测能使信息更快地传送至地面，只需不到一分钟就能收到数据包。这种方法比泥浆脉冲遥测要快得多，但该方法在围岩电导率较强或电阻率较高的区域（如高含水或高含盐地层）则不大奏效。有些MWD工具目前具有双重遥测功能，允许在条件合适的情况下进行EM遥测，当出现高电导或高电阻率地层时切换到泥浆脉冲遥测模式，也就是根据井下地层状况变换传送方法。
声波遥测利用声波以及沿钻具布放的一系列放大器来实现实时数据传送。这种方法很少使用，这种方法无法提供与其它遥测方式一样多的数据。不过，声波遥测一直在进行改进，未来可能会变得更加可行而派上用场。
有线钻杆可在某些场合替代其它遥测。这种方法采用专用的管壁内布设有导线的钻杆直接将数据传输至地面，可瞬间将井下采集的数据传送至地面。不幸的是，这种钻杆可能非常昂贵，不能在高温环境下使用，这也限制了它在地热钻井作业中的应用。
井下存储器工具是可用于钻井作业的另一种方法。这种工具可以采集井下定向和钻井作业参数，主要用作收集和储存井下数据，用于钻井后的数据分析。这些存储工具不将数据传送至地面，其对大多数MWD工具（150℃）都有相当的温度限制。目前，市场上的井下存储器工具主要有国民油井的BlackBox、哈里伯顿的Cerebro、斯伦贝谢的Dori。
在高温地热井中，井下MWD工具或有线钻杆并不常用。如果工具在井下烧坏，更换这些工具很不经济，成本会很高。当需要进行井下测量时，如规定每30m进行一次定向测量，可使用一种可回收的绳索式工具来获取井下数据。这类工具通常用来获取定向数据，可以向井下投放或泵送来进行勘测作业。由于这类工具在井下滞留的时间很有限，泥浆循环会对其进行冷却，而且，可以设计有保护套筒，因此，这种工具通常可以在井底温度超过300℃的环境下执行勘测作业。由于循环和起下次数的原因，使用这类工具可能会非常耗时，整个一口井钻井过程中会增加大量的NPT。（未完待续）
来源:《石油与装备》12月; 作者:李晓生
