欠平衡鉆井隨鉆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

吳鵬程 孟英峰 李皋 陳一健 魏納

“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)

欠平衡鉆井隨鉆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

吳鵬程 孟英峰 李皋 陳一健 魏納

“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)

欠平衡鉆井技術(shù)具有突出優(yōu)點(diǎn),因而得到了廣泛應(yīng)用,但欠平衡鉆井條件下,施工設(shè)備、流程和鉆井液體系等諸多變化常導(dǎo)致常規(guī)監(jiān)測(cè)技術(shù)不能滿足現(xiàn)場(chǎng)工作的要求。針對(duì)欠平衡鉆井的特殊性,開(kāi)發(fā)了一套適用于欠平衡鉆井的隨鉆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)將地層和井筒看作一個(gè)系統(tǒng),通過(guò)監(jiān)測(cè)注入?yún)?shù)、返出參數(shù)和鉆井工程參數(shù),結(jié)合井筒多相流模型及地層滲流模型來(lái)對(duì)地面、井筒和地層進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià);通過(guò)對(duì)地層產(chǎn)出流體的監(jiān)測(cè),井筒壓力及流態(tài)的監(jiān)測(cè),地層壓力和孔隙度的監(jiān)測(cè),鉆井安全、井控和有害氣體的監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)了對(duì)欠平衡鉆井狀態(tài)下的包括流量、壓力和氣體組成等多參數(shù)的監(jiān)測(cè);結(jié)合地層滲流及井筒多相流耦合模型,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所鉆井段井筒壓力、地層壓力、儲(chǔ)層特性和流體特征進(jìn)行全面監(jiān)控與評(píng)價(jià)。通過(guò)在欠平衡鉆井現(xiàn)場(chǎng)的多次實(shí)際應(yīng)用,驗(yàn)證了該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的合理性與實(shí)用性。該成果有助于提高欠平衡鉆井的工藝水平和儲(chǔ)層保護(hù)效果,同時(shí)還有利于早期識(shí)別和控制井下復(fù)雜情況。

欠平衡鉆井 隨鉆監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 地層壓力 井筒壓力 儲(chǔ)集層特征 流體特征 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

為了實(shí)現(xiàn)欠平衡鉆井,通常在設(shè)備、鉆井工藝、流程和鉆井液體系上進(jìn)行了一系列改進(jìn)與完善,因此使得常規(guī)錄井及一些測(cè)試手段難以滿足現(xiàn)場(chǎng)工作需要[1-6]。

欠平衡鉆井隨鉆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將地層和井筒看成一個(gè)系統(tǒng),通過(guò)監(jiān)測(cè)注入、返出參數(shù)和鉆井工程參數(shù),結(jié)合井筒多相流模型及地層滲流模型來(lái)對(duì)地面、井筒和地層進(jìn)行綜合性的監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)。主要包括以下功能:①地層產(chǎn)出流體監(jiān)測(cè);②井筒壓力及流態(tài)監(jiān)測(cè);③地層壓力和孔隙度監(jiān)測(cè);④鉆井安全、井控和有害氣體監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)的組成

欠平衡鉆井隨鉆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理與傳輸、采集與評(píng)價(jià)等部分構(gòu)成。

1.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)欠平衡鉆井過(guò)程中重要的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和間接計(jì)算,由安裝在相應(yīng)位置的傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集工作。隨鉆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要對(duì)欠平衡鉆井下的注入?yún)?shù)、返出參數(shù)和鉆井工程參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。注入?yún)?shù)包括:注入氣體和鉆井液的流量、溫度和壓力,以及鉆井液的密度和流變性等參數(shù)。返出參數(shù)包括:返出鉆井液流量及性質(zhì),返出油的流量,返出氣體流量和氣體組分及濃度(全烴、H2S含量等)。鉆井參數(shù)包括:井深、鉆時(shí)、立壓、套壓等。

1.2 信號(hào)處理與傳輸

該系統(tǒng)采用分布式信號(hào)采集、集中式數(shù)據(jù)計(jì)算處理體系結(jié)構(gòu),如圖1所示。系統(tǒng)中大部分傳感器都是模擬量信號(hào)輸出,包括氣體組分、濃度、泵沖、立壓、套壓等傳感器,通過(guò)組合式多路A/D轉(zhuǎn)換模塊對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)信號(hào)采集處理和控制。其他以數(shù)字信號(hào)輸出的傳感器則直接連接A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸出總線并與主計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化信號(hào)傳輸。A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出的總線信號(hào)通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊與主計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)線傳輸,減輕了在復(fù)雜的井場(chǎng)環(huán)境中布線的工作量。根據(jù)實(shí)際情況,系統(tǒng)可以增加A/D模塊和各種不同類型的傳感器來(lái)滿足測(cè)量與監(jiān)控的需要。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.3 采集與評(píng)價(jià)軟件

采集軟件對(duì)傳感器直接測(cè)量的各種原始數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算處理,所有數(shù)據(jù)都存入數(shù)據(jù)庫(kù),并以曲線形式實(shí)時(shí)顯示在屏幕上,為監(jiān)測(cè)人員提供直觀、連續(xù)、可回放的監(jiān)測(cè)界面,同時(shí)支持對(duì)各種監(jiān)測(cè)參數(shù)的報(bào)警設(shè)置。

隨鉆評(píng)價(jià)軟件通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和所鉆井的基本信息如井身結(jié)構(gòu)、鉆具組合等數(shù)據(jù),結(jié)合井筒多相流、儲(chǔ)層評(píng)價(jià)等技術(shù),對(duì)欠平衡鉆井作業(yè)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)與監(jiān)測(cè)。

1.4 系統(tǒng)主要指標(biāo)

欠平衡鉆井隨鉆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括:

1)工作溫度:-20～50℃。

2)工作濕度:15%～90%RH(非冷凝)。

3)工作電源:220 V。

4)無(wú)線通訊可靠距離:200 m。

5)全烴濃度測(cè)量范圍:0～100%。

6)H2S濃度測(cè)量范圍:0～200 mg/L。

7)CO2濃度測(cè)量范圍:0～50 000 mg/L。

8)立壓、套壓測(cè)量范圍:0～40 MPa。

9)注入氣體質(zhì)量流量計(jì):0～5 T。

10)返出氣體流量計(jì):0～3 600 m3/h。

11)燃燒管線壓力測(cè)量范圍:0～100 kPa。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用及效果

2.1 地層產(chǎn)氣量監(jiān)測(cè)

氣體組分與濃度分析是在注氣欠平衡下計(jì)算地層產(chǎn)氣量的重要參數(shù),同時(shí)也是發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)層和監(jiān)測(cè)H2S的重要手段。通過(guò)安裝在燃燒管線的取樣器對(duì)分離出的氣體進(jìn)行分流取樣,取樣氣體通過(guò)干燥處理后流入分析儀器箱,儀器箱內(nèi)的各種傳感器[7]將對(duì)其中全烴、CO2、O2、H2S等氣體的濃度以及壓力和溫度進(jìn)行采集。

返出氣體流量通過(guò)安裝在分離器氣體出口燃燒管線上的氣體流量計(jì)獲得。由于返出氣體流量范圍較大,為了確保從低流量到高流量都能準(zhǔn)確測(cè)量,在分離器出口增加了2個(gè)測(cè)量支管,同時(shí)有3個(gè)閥門(mén)控制其開(kāi)關(guān),根據(jù)監(jiān)測(cè)到的氣體流量和壓力大小,實(shí)時(shí)切換3個(gè)不同量程的氣體流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量。

如果采用的是液基欠平衡鉆井方式,注入流體中不含氣體,因而監(jiān)測(cè)到的氣體流量直接反映地層的出氣狀況。如果是注氣欠平衡鉆井方式,監(jiān)測(cè)到的流量是注入氣體流量和地層返出的氣體流量之和。因此可以通過(guò)以下方法對(duì)地層產(chǎn)氣量進(jìn)行監(jiān)測(cè):①進(jìn)出口氣體流量之差,監(jiān)測(cè)注入氣體流量和返出氣體流量,兩者之差即為地層產(chǎn)氣量;②通過(guò)全烴濃度和出口氣體流量換算,通過(guò)氣體組分濃度分析儀監(jiān)測(cè)燃燒管線中全烴的濃度,再乘以返出氣體流量就得到地層產(chǎn)氣量。

通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)隨鉆監(jiān)測(cè)不同回壓及不同工況下的地層產(chǎn)氣量,用隨鉆產(chǎn)能計(jì)算方法,可以全面反映所鉆遇的產(chǎn)層及其產(chǎn)能大小。

2.2 介質(zhì)特性評(píng)價(jià)

由于鉆遇裂縫和孔隙性基塊會(huì)有不同的產(chǎn)氣量顯示,根據(jù)隨鉆監(jiān)測(cè)的產(chǎn)氣量隨著井深變化特征,可以準(zhǔn)確判斷地層的介質(zhì)類型及其供氣能力。圖2為鉆遇裂縫—孔隙型儲(chǔ)層時(shí)的產(chǎn)氣隨鉆進(jìn)變化規(guī)律,其氣體產(chǎn)量是隨每鉆遇一個(gè)裂縫(組)而上升一個(gè)臺(tái)階;圖3為鉆遇均質(zhì)砂巖型儲(chǔ)層時(shí)的產(chǎn)氣隨鉆進(jìn)變化規(guī)律,其產(chǎn)氣量與鉆進(jìn)深度幾乎呈直線變化關(guān)系。

圖2 裂縫—孔隙型儲(chǔ)層產(chǎn)氣量隨鉆進(jìn)的變化圖

圖3 均質(zhì)砂巖的產(chǎn)氣量隨鉆進(jìn)的變化圖

2.3 井底壓力與欠平衡狀態(tài)監(jiān)測(cè)

通過(guò)隨鉆監(jiān)測(cè)鉆井液的排量、密度、黏度、注氣流量、立壓、套壓,結(jié)合所鉆井的井身結(jié)構(gòu)、鉆具組合等數(shù)據(jù),配合以相應(yīng)的理論計(jì)算方法,利用建立的欠平衡鉆井井筒與儲(chǔ)層耦合多相流模型[8-9],可以得到井下整個(gè)裸眼段的環(huán)空壓力數(shù)據(jù)。這為實(shí)時(shí)判定不同井段的欠平衡狀態(tài)及欠壓值大小提供了關(guān)鍵參數(shù)。

地層壓力是確定欠平衡狀態(tài)的另一個(gè)重要參數(shù)。欠平衡鉆井過(guò)程中,井底處于欠平衡狀態(tài),地層流體在儲(chǔ)層壓力的驅(qū)動(dòng)下流入井筒,其與井筒循環(huán)介質(zhì)混合后,流到地面。不同欠壓值對(duì)應(yīng)不同的地層流體產(chǎn)出量[10-12]。當(dāng)井底流動(dòng)壓力與地層壓力相等時(shí),儲(chǔ)層沒(méi)有流體產(chǎn)出。因此可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地層的產(chǎn)氣量,通過(guò)改變現(xiàn)場(chǎng)的鉆井液排量及注氣量,得到不同井底壓力條件下的穩(wěn)定產(chǎn)氣量,取得3組產(chǎn)氣量與井底循環(huán)當(dāng)量壓力數(shù)據(jù),并繪制于“產(chǎn)氣量—井底動(dòng)壓”坐標(biāo)內(nèi),回歸三點(diǎn)的直線與井底動(dòng)壓坐標(biāo)的交點(diǎn)即地層壓力。

圖4所示的是某井在5 087 m處地層壓力測(cè)試所得產(chǎn)氣量與井底動(dòng)壓的關(guān)系曲線。根據(jù)MWD實(shí)測(cè)資料,5 087 m處實(shí)測(cè)垂深為4 105 m,則可計(jì)算出地層壓力系數(shù)為1.034,回歸計(jì)算結(jié)果與完鉆測(cè)試解釋結(jié)果吻合。

圖4 產(chǎn)氣量與井底流壓的關(guān)系曲線圖

在隨鉆獲得地層壓力及井筒壓力數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合隨鉆流體監(jiān)測(cè),可以判斷所鉆開(kāi)產(chǎn)層段的欠平衡狀態(tài)以及計(jì)算欠壓值大小。圖5為某井實(shí)測(cè)地層壓力與井底動(dòng)壓的分布曲線,通過(guò)地層壓力與井底壓力的差值就可以判斷所鉆層位的欠平衡狀態(tài)。

圖5 地層壓力與井底動(dòng)壓分布曲線圖

3 結(jié)論

1)欠平衡隨鉆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)彌補(bǔ)了欠平衡作業(yè)下常規(guī)錄井無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能,提高了欠平衡鉆井安全性和經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)隨鉆監(jiān)測(cè)試驗(yàn),驗(yàn)證了系統(tǒng)的實(shí)用性與可靠性。

2)通過(guò)對(duì)返出氣體的組分與流量監(jiān)測(cè),結(jié)合井筒壓力和地層壓力數(shù)據(jù),得到不同壓差下的產(chǎn)氣量大小,從而實(shí)現(xiàn)了在不中斷鉆井作業(yè)的情況下進(jìn)行儲(chǔ)層產(chǎn)能的初步計(jì)算和評(píng)估。

3)欠平衡隨鉆監(jiān)測(cè)技術(shù)與控壓欠平衡鉆井相結(jié)合,可以實(shí)時(shí)跟蹤計(jì)算井底欠平衡狀態(tài),通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥或改變注入?yún)?shù),使井底欠壓值保持在設(shè)計(jì)范圍內(nèi),從而保證了欠平衡鉆井的可靠性。

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(修改回稿日期 2011-03-09 編輯 居維清)

10.3787/j.issn.1000-0976.2011.05.020

吳鵬程等.欠平衡鉆井隨鉆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用.天然氣工業(yè),2011,31(5):77-79.

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目“全過(guò)程欠平衡技術(shù)與裝備”(編號(hào):2006AA06A104)。

吳鵬程,1981年生,博士研究生;碩士畢業(yè)于西南石油大學(xué),主要從事欠平衡鉆井與綜合錄井研究工作。地址: (610500)四川省成都市新都區(qū)西南石油大學(xué)。電話:13880698261。E-mail:pc.wu@qq.com