美國(guó)頁(yè)巖氣藏水平井生產(chǎn)測(cè)井技術(shù)

趙軒 何順利 劉東濤 (中國(guó)石油大學(xué) (北京)石油工程學(xué)院)

美國(guó)頁(yè)巖氣藏水平井生產(chǎn)測(cè)井技術(shù)

趙軒 何順利 劉東濤 (中國(guó)石油大學(xué) (北京)石油工程學(xué)院)

美國(guó)頁(yè)巖氣藏的開發(fā)、測(cè)井技術(shù)相對(duì)成熟,使用連續(xù)油管輸送測(cè)井儀器為其一大特色。Barnett組頁(yè)巖氣藏水平井生產(chǎn)測(cè)井中主要采用11/4in油管輸送和過27/8in油管井牽引器輸送測(cè)量?jī)x器的兩種測(cè)井方法。分析其儀器部署和測(cè)量實(shí)踐表明,兩種方法各具優(yōu)勢(shì),在氣、水層與裂縫的識(shí)別、持率測(cè)量等方面精度更高;降低了儀器在油管中發(fā)生阻塞的機(jī)率;增強(qiáng)了抵抗井內(nèi)流體流動(dòng)干擾的能力,使測(cè)得的數(shù)據(jù)能更好地反映儲(chǔ)層實(shí)際情況。目前,我國(guó)多用鉆桿傳輸?shù)臏y(cè)井方式,而連續(xù)油管輸送的測(cè)井技術(shù)涉及尚淺,因此,美國(guó)頁(yè)巖氣藏生產(chǎn)測(cè)井實(shí)踐不僅對(duì)我國(guó)水平井測(cè)井技術(shù)的發(fā)展有指導(dǎo)作用,更可為我國(guó)處于起步階段的頁(yè)巖油氣藏開發(fā)提供借鑒。

頁(yè)巖氣藏 水平井生產(chǎn)測(cè)井連續(xù)油管輸送測(cè)量 牽引器輸送測(cè)量

1 引言

頁(yè)巖油氣作為非常規(guī)能源之一,正在全球能源結(jié)構(gòu)中扮演著重要角色。水平井開采方式在頁(yè)巖油氣藏開發(fā)中優(yōu)勢(shì)明顯,精準(zhǔn)的水平井生產(chǎn)測(cè)井技術(shù)無疑會(huì)為高效開發(fā)提供可靠依據(jù)。但與常規(guī)測(cè)井方式相比,水平井施工過程中對(duì)接設(shè)計(jì)長(zhǎng)度大、旁通外電纜長(zhǎng)、儀器井下工作時(shí)間久,對(duì)原始數(shù)據(jù)獲取和井下儀器穩(wěn)定都產(chǎn)生了一定難度,目前在測(cè)井工藝中還屬于技術(shù)難度較大的測(cè)井項(xiàng)目[1]。

世界上的水平井測(cè)井技術(shù)一般可分為五大類:隨鉆測(cè)井、鉆桿傳輸測(cè)井、連續(xù)油管傳輸測(cè)井、管泵送和爬行器測(cè)井。而目前最常用的是鉆桿傳輸測(cè)井,也是我國(guó)在現(xiàn)場(chǎng)操作中的主要方法。本文詳細(xì)介紹美國(guó)FortWorth盆地Barnett組頁(yè)巖氣藏水平井開采中,使用連續(xù)油管輸送生產(chǎn)井測(cè)量技術(shù)。該技術(shù)在我國(guó)目前使用較少,理論和實(shí)踐相對(duì)薄弱。

美國(guó)是目前唯一實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣商業(yè)開采的國(guó)家,截至2008年底累計(jì)生產(chǎn)頁(yè)巖氣3 316×108m3。美國(guó)FortWorth盆地Barnett組頁(yè)巖氣藏中的水平井生產(chǎn),是繼N2壓裂、泡沫壓裂、凝膠壓裂、清水壓裂等增產(chǎn)措施之后發(fā)展起來的開采技術(shù)。這些水平井鉆井深度約1 500～2 500 m,傾斜度大;水平生產(chǎn)段600～1 600 m,通常配41/2in(1 in= 25.4 mm)或51/2in套管和23/8in油管,油管裝有氣舉心軸用以輔助排水[2]。壓裂處理后的頁(yè)巖氣層會(huì)有一個(gè)壓力瞬變現(xiàn)象,能夠使致密地層的微達(dá)西流動(dòng)氣體保留在頁(yè)巖中。裂縫和斷層這樣的天然地質(zhì)構(gòu)造可以通過地震測(cè)量定位,但精確度低。生產(chǎn)測(cè)井對(duì)水平井段與水夾層物質(zhì)交換的裂縫測(cè)量精確度更高。本文將闡述如何準(zhǔn)確部署和測(cè)量水平生產(chǎn)井段,圖1所示為水平井中多相生產(chǎn)狀況。

圖1 水平井生產(chǎn)圖示

2 水平井生產(chǎn)測(cè)井組件

生產(chǎn)測(cè)井的目的是為油氣藏工程分析提供基礎(chǔ)信息,通常通過測(cè)量流動(dòng)井段來辨別流入水或烴類的分布區(qū)域。還能夠輔助辨別存在水竄、漏失、竄流、吸水段和邊界效應(yīng)等問題井段[3]。

水平井生產(chǎn)測(cè)井傳感器組件包含以下部分 (圖2):

伽馬射線發(fā)射器——用以深度校正;

套管接箍定位器——用以深度校正;

壓力 (探頭)——確定PTA分析用的底壓力和油藏壓力;

溫度 (探頭)——測(cè)量流入或竄進(jìn)液體或氣的溫度;

流量計(jì)——測(cè)量井段之間的流量變化;

流體辨別感應(yīng)器應(yīng)用于兩相或三相流動(dòng)條件下;

流體電容 (探頭)——測(cè)量辨別水和烴類;

流體密度 (探頭)——測(cè)量辨別水、液態(tài)烴和氣態(tài)烴;

持率測(cè)量 (探頭)——直接測(cè)量井筒橫截面上的流體和烴類持率。

流體密度和電容的測(cè)量結(jié)果可用于持率 (氣體與液體在管柱中所占比率)計(jì)算,這些測(cè)量對(duì)于直井中混合液體的測(cè)量是理想的,而持率測(cè)量適用于水平井中兩相或三相的測(cè)量。

圖2 水平井生產(chǎn)測(cè)井傳感器組件

3 連續(xù)油管輸送測(cè)井

在不同井況條件下,使用連續(xù)油管輸送測(cè)井工具是一種有效且多功能的方法。它將輸送過程中可能出現(xiàn)的意外情況 (斜井段聚集“意外的”砂巖和支撐劑的堵塞)都充分考慮到了。連續(xù)油管抽出來的流體或硝化流體可沖洗這些固態(tài)物,從而保證井眼中的儀器輸送順利進(jìn)行。

在水平井中,完成一次成功測(cè)井首先要滿足的條件是測(cè)量?jī)x器到達(dá)理想的深度。在下井過程中由于連續(xù)油管與套管之間摩擦力的存在,往往會(huì)阻礙生產(chǎn)測(cè)井工具到達(dá)理想深度[4]。圖3顯示水平井中的連續(xù)油管和完井的操作狀況。

圖3 連續(xù)油管圖例說明

通常使用11/4in的連續(xù)油管輸送生產(chǎn)井測(cè)井儀器下入井中,這比大口徑的連續(xù)油管循環(huán)產(chǎn)生更少的疲勞。環(huán)繞模擬中推薦使用較大口徑的連續(xù)油管,來預(yù)測(cè)在達(dá)到最大理想測(cè)井深度之前局部鉆具組合是否會(huì)摩擦鎖死井,因此,通常選擇較長(zhǎng)的水平段或較短的垂直段。在較短的垂直段,油管中與摩擦力相反的連續(xù)油管懸重力較小。較大口徑的套管 (13/4in和2 in)每米質(zhì)量相對(duì)較大,因此有更大的推力。

4 Barnett組頁(yè)巖氣藏測(cè)井輸送方式的水平井生產(chǎn)測(cè)井

目前,美國(guó)頁(yè)巖氣藏的水平井開采中,多數(shù)井產(chǎn)氣率與產(chǎn)水率都很低。測(cè)井傳感器的輸送技術(shù)對(duì)于產(chǎn)氣、水層的測(cè)量具有非常重要的作用。Barnett組頁(yè)巖氣藏中典型生產(chǎn)測(cè)井方式有以下兩種:

◇過 23/8in油管的 11/4in連續(xù)油管輸送測(cè)井(生產(chǎn)在油管之上,氣舉在套管之下);

◇過27/8in油管的井牽引器輸送測(cè)井 (生產(chǎn)在油管之上,氣舉在套管之下)。

4.1 過23/8in油管的11/4in連續(xù)油管輸送

標(biāo)準(zhǔn)非常規(guī)頁(yè)巖天然氣藏的井中使用23/8in油管[5]。如果在修井時(shí)沒有使用修井機(jī)來清洗橫截面區(qū)域,測(cè)井采用過23/8in油管的11/4in連續(xù)油管輸送,若修井時(shí)沒有清洗橫截面,氣舉則是最經(jīng)濟(jì)的裝配方案。

井場(chǎng)上,為保證高質(zhì)量的生產(chǎn)測(cè)井,井在測(cè)量之前至少放流3天,在井口安裝頂部測(cè)井閥以防止在測(cè)井過程中發(fā)生意外。生產(chǎn)測(cè)井測(cè)量之前和期間要安裝一個(gè)合適的氣流率和水流率測(cè)量系統(tǒng)。

第一天,在井中安裝并輸送11/4in連續(xù)油管,輸送過程中進(jìn)行清洗并確定流量。

幾乎所有井中都有含油碎屑物,如砂、管塞零件等,因此,很有必要在安裝測(cè)井傳感器之前先下連續(xù)油管。若連續(xù)油管標(biāo)示在碎物以上,設(shè)計(jì)安裝在底部鉆具組合下部的連續(xù)油管可清洗出含砂碎屑。

為保證成功測(cè)量,有必要在輸送連續(xù)油管后進(jìn)行流量監(jiān)測(cè)。11/4in連續(xù)油管占據(jù)了超過一半的油管容積,從而可能在井中形成阻塞。高速分離器和井壓力降的線性壓力組合實(shí)際上也可能造成井阻塞。如果井產(chǎn)水,油管內(nèi)會(huì)形成水栓,引起水流和氣流的循環(huán)效應(yīng),導(dǎo)致產(chǎn)氣量減少。現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員需要及時(shí)調(diào)整回流的最低恢復(fù)壓力,以保證井中流體持續(xù)流動(dòng)。

第二天操作與第一天相同,但需要注意井中輸送時(shí)的回流速率和氣舉注入量。測(cè)井人員需利用適合的流通量來測(cè)量橫截面流速。

圖4為過23/8in油管的11/4in連續(xù)油管輸送的測(cè)量結(jié)果。井中流體大約為6.4 m3/h的水和850 ×104m3/d的天然氣。限制在該區(qū)域的地震數(shù)據(jù)并不能確定橫截面上哪里產(chǎn)水,生產(chǎn)測(cè)井曲線則可將流入井中的水流速變化清楚地顯示出來。圖中曲線顯示水和氣都來自于趾部,持率圖顯示井中水相部分占橫截面的80%;溫度升高指示進(jìn)水量,溫度降低的釘狀證實(shí)進(jìn)氣量。

4.2 過27/8in油管的井牽引器輸送

電纜井牽引為不需要連續(xù)油管或鉆桿作推力的輸送方法,可使測(cè)井儀器到達(dá)水平橫截面的末端。井牽引通過電子電纜來輸送和啟動(dòng),開啟并牽引測(cè)井儀器到達(dá)橫截面的末端。

生產(chǎn)測(cè)井牽引器的最小外徑為21/8in,因此,非常規(guī)的頁(yè)巖氣井需要安裝27/8in的生產(chǎn)油管。若需要偏心氣舉工作筒,則帶工作筒的油管徑為5 in或更大。

圖4 過23/8in油管11/4in連續(xù)油管水平井生產(chǎn)井測(cè)井圖

過油管牽引輸送的生產(chǎn)測(cè)井方法優(yōu)點(diǎn)在于:該方法很少受阻塞或井內(nèi)流體流動(dòng)干擾的影響。這意味著在生產(chǎn)測(cè)井同時(shí),井實(shí)際上處于正常生產(chǎn)狀態(tài),因此測(cè)得的數(shù)據(jù)更能反映儲(chǔ)層實(shí)際情況。

井牽引通過外徑為5/16in的電子電纜輸送,生產(chǎn)測(cè)井傳感器安裝在井牽引器的下面。一旦牽引器離開油管底部進(jìn)入套管,可通過連接地面的電纜來執(zhí)行牽引卷軸臂和輪的啟動(dòng)命令。僅需要控制牽引的電壓,就可使?fàn)恳斔鸵?0～60 ft/min(1 ft=30.48 cm)的速度穿過橫截面[5]。用于校正的測(cè)井傳感器可安裝在電纜上 (實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)模式)或在存儲(chǔ)模式中程序化。圖5為在井中運(yùn)行的井牽引器。

圖5 井牽引器

在一口標(biāo)準(zhǔn)的頁(yè)巖氣井中,這種輸送方法需使用修井機(jī)牽引現(xiàn)有的23/8in生產(chǎn)油管,下儀器到趾部洗井,然后使用27/8in生產(chǎn)油管替代23/8in油管。尤其要注意殘留在井中的碎屑物質(zhì)和井趾段角度的影響。

同連續(xù)油管輸送的測(cè)井方式一樣,在生產(chǎn)測(cè)井開始之前要安裝一個(gè)合適的氣流率和水流率的測(cè)量系統(tǒng)。牽引行動(dòng)像運(yùn)行在井中的開關(guān),為了防止?fàn)恳诰羞\(yùn)行時(shí)井停噴,在輸送階段要留意。

一旦牽引和生產(chǎn)測(cè)井組件移出油管,應(yīng)等待一段時(shí)間,讓井恢復(fù)到穩(wěn)定流量后再開始測(cè)量。通過橫截面目標(biāo)點(diǎn)的測(cè)量,可得到橫截面上相對(duì)流速剖面、持率圖、密度、容量和溫度的變化情況。

圖6為帶井牽引的水平井生產(chǎn)測(cè)井曲線圖。采用31/3in油管和51/2in套管,水竄槽改變產(chǎn)氣量至850×104m3/d和產(chǎn)水159 m3/d。操作人員多次嘗試用連續(xù)油管輸送的測(cè)井方法來確定見水層位,但連續(xù)油管的阻塞效應(yīng)使井內(nèi)無流體流動(dòng),需5～7天的抽吸作業(yè)使井恢復(fù)運(yùn)行。帶井牽引器輸送的水平井生產(chǎn)測(cè)井系統(tǒng),使得井內(nèi)流體在測(cè)井同時(shí)以自然速率流動(dòng),從而避免了油管阻塞現(xiàn)象。

圖6 帶井牽引輸送生產(chǎn)測(cè)井曲線圖

5 總結(jié)與啟示

5.1 兩種測(cè)量方式的對(duì)比

美國(guó)頁(yè)巖氣藏水平井生產(chǎn)測(cè)井實(shí)踐表明,這兩種不同的輸送技術(shù)關(guān)鍵在于如何使測(cè)井傳感器發(fā)揮最大效果,以達(dá)到精確、可靠的水平井生產(chǎn)測(cè)井結(jié)果。兩種方式特點(diǎn)總結(jié)如下:

(1)過21/8in油管的11/4in連續(xù)油管輸送測(cè)井方法

◇充分考慮到測(cè)量?jī)x器輸送過程中可能出現(xiàn)的意外情況 (斜井段聚集“意外的”砂巖和支撐劑的堵塞),連續(xù)油管抽出來的流體或硝化流體可沖洗這些固態(tài)物,從而保證井眼中的儀器輸送順利進(jìn)行。

◇選用小口徑的11/4in的連續(xù)油管輸送生產(chǎn)井測(cè)井儀器下入井中,將油管中與摩擦力相反的連續(xù)油管懸重力降到最小,減少生產(chǎn)測(cè)井工具到達(dá)理想深度的阻礙。

◇在安裝采油傳感器之前先下連續(xù)油管,若連續(xù)油管標(biāo)示在碎物以上,設(shè)計(jì)安裝在底部鉆具組合的下部連續(xù)油管可清洗出含砂碎屑,但油管內(nèi)仍較易發(fā)生阻塞。

(2)過27/8in油管井牽引器輸送測(cè)井方法

◇不需要連續(xù)油管或鉆桿作推力,而以電子電纜輸送和啟動(dòng)測(cè)井儀器到達(dá)測(cè)量橫截面末端。

◇很少受阻塞或井內(nèi)流體流動(dòng)干擾的影響。井在生產(chǎn)測(cè)井同時(shí)處于正常生產(chǎn)狀態(tài),因此測(cè)得的數(shù)據(jù)更能反映儲(chǔ)層實(shí)際情況。

5.2 對(duì)我國(guó)頁(yè)巖氣藏水平井開采及測(cè)井的啟示

我國(guó)頁(yè)巖油氣資源十分豐富,頁(yè)巖油探明儲(chǔ)量20×108t,頁(yè)巖氣資源量可達(dá)100×1012m3,相當(dāng)于常規(guī)天然氣量的2倍。在近60年的常規(guī)油氣勘探開發(fā)歷程中,多個(gè)含油氣盆地在頁(yè)巖段見頁(yè)巖氣顯示,如松遼古龍、柴達(dá)木、渤海灣歧口、四川等地。其中在四川盆地的威遠(yuǎn)、陽高寺等地區(qū)鉆探158口常規(guī)天然氣井中,均發(fā)現(xiàn)有頁(yè)巖氣顯示。有些地區(qū)在頁(yè)巖段氣測(cè)異常高達(dá)80%。1996年完鉆的威5井,鉆遇九老洞組頁(yè)巖段發(fā)生氣浸與井噴,裸眼測(cè)試日產(chǎn)氣量達(dá)到24 600 m3。目前正處于資源全面勘探、評(píng)價(jià)階段的頁(yè)巖油氣藏,需要通過全巖樣分析,聲、電等成像測(cè)井技術(shù)展開詳細(xì)研究[6]。為了提高勘探開發(fā)的綜合效益,近年來我國(guó)油田采用一些水平井、大斜度定向井、老井開窗側(cè)鉆井等技術(shù),測(cè)井面臨如何作業(yè)的新問題。

頁(yè)巖氣水平井測(cè)井技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)已具備了一定的技術(shù)基礎(chǔ),但還未投入實(shí)踐,需要開展試驗(yàn)性的工作來驗(yàn)證,并從中摸索經(jīng)驗(yàn)。在開發(fā)初期,可先選擇較淺 (深度2 000 m左右)的頁(yè)巖儲(chǔ)層鉆直井進(jìn)行試驗(yàn),了解目的層特性,獲得鉆井、測(cè)井、壓裂等技術(shù)經(jīng)驗(yàn),獲取一定數(shù)據(jù)資料和施工經(jīng)驗(yàn)后再向深井 (深度3 000～4 000 m)和水平井發(fā)展。同時(shí),借鑒國(guó)外,尤其是美國(guó)對(duì)頁(yè)巖氣藏水平井的鉆探、測(cè)井等實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),提高我國(guó)水平井等測(cè)井的技術(shù)水平,逐漸縮小中國(guó)測(cè)井設(shè)備和世界先進(jìn)測(cè)井設(shè)備的差距,為我國(guó)非常規(guī)油氣藏測(cè)井技術(shù)的國(guó)際化發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

[1]閏存章,黃玉珍,葛春梅,等.頁(yè)巖氣是潛力巨大的非常規(guī)天然氣資源[J].天然氣工業(yè),2009,29(5):1-6.

[2]Mavor M.Barnett shale gas-in-place volume including sorbed and free gas volume[R].Fort Worth,Texas: AAPG Southwest Section Metting,2003.

[3]Montgomery S.Barnett shale:a new gas play in the FortWorth basin[J].Petroleum Frontiers Excerpt, 2004,20(1):1-76.

[4]Hill A D.Production logging-theoretical and interpretive elements[J].SPE Monographs Series,V14,December,1990.

[5]BJServices C.Coiled tubing production logging deployment manual,2008.

[6]李厚裕,劉皇冰.水平井測(cè)井解釋原理與應(yīng)用[M].東營(yíng):石油大學(xué)出版社,1993.

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.12.018

2010-04-11)