氣體鉆井條件下的錄井配套技術(shù)研究*

蔡澤訓(xùn) 王崇敬 唐 誠(chéng)

(中國(guó)石化集團(tuán)西南石油局地質(zhì)錄井公司)

0 引言

四川盆地蘊(yùn)藏著豐富的天然氣資源，但是地層埋藏深，研磨性高、可鉆性差，壓力系統(tǒng)復(fù)雜，鉆井速度慢、周期長(zhǎng)?？碧介_(kāi)發(fā)對(duì)鉆井工藝提出提高鉆速和保護(hù)儲(chǔ)層的要求。氣體鉆井工藝能夠適應(yīng)勘探開(kāi)發(fā)形勢(shì)的需要，是保護(hù)儲(chǔ)層、提高鉆井速度的有效途徑之一。近年來(lái)，川西和川東地區(qū)先后采用氮?dú)?、空氣、天然氣鉆井?dāng)?shù)十口。氣體鉆井工藝的推廣卻給錄井施工帶來(lái)工程異常監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)難、循環(huán)遲到時(shí)間確定難、細(xì)小巖屑樣品鑒定難、氣樣采集與油氣層發(fā)現(xiàn)難等問(wèn)題[1-3]，常規(guī)錄井方法不能有效解決，迫切需要開(kāi)展錄井新技術(shù)應(yīng)用研究。

1 氣體鉆井條件下的錄井現(xiàn)狀

(1)氣體鉆井對(duì)工程參數(shù)錄井影響大

氣體鉆井過(guò)程中易發(fā)生燃爆、卡鉆、斷鉆具工程事故，且具有事故過(guò)程短、工程參數(shù)變化不明顯的特點(diǎn)，工程異常不易被發(fā)現(xiàn)。國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的空氣鉆井安全燃爆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，多數(shù)存在氣體分離技術(shù)不過(guò)關(guān)，監(jiān)測(cè)軟件功能不完善，與錄井異常預(yù)報(bào)技術(shù)結(jié)合不緊密，不能進(jìn)行綜合的智能監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的缺點(diǎn)[4]。

(2)遲到時(shí)間測(cè)量誤差大

氣體鉆井條件下遲到時(shí)間的理論計(jì)算公式復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)缺乏專業(yè)的遲到時(shí)間計(jì)算軟件[5-6]，實(shí)測(cè)方法誤差大，一般采用平均速度法確定遲到時(shí)間，沒(méi)有考慮井筒內(nèi)各點(diǎn)的循環(huán)流體密度和流動(dòng)速度變化，計(jì)算的結(jié)果不準(zhǔn)確。

(3)巖屑識(shí)別難度高

在氣體鉆井條件下巖屑一般為粉末、粉塵狀，常規(guī)巖屑鑒定方法幾乎無(wú)能為力。近年來(lái)的新技術(shù)，如巖屑顯微數(shù)碼成像分析對(duì)粉塵狀巖屑的識(shí)別效果不太理想，地面自然伽馬測(cè)量技術(shù)對(duì)海相碳酸鹽巖地層的巖性識(shí)別效果差[7-9]。

(4)氣測(cè)解釋評(píng)價(jià)符合率低

氣體鉆井過(guò)程中所返出的氣體是巖屑、粉塵混合體，現(xiàn)場(chǎng)大多使用以入水除塵的氣樣凈化裝置，導(dǎo)致由于氣體流速降低和被稀釋，氣測(cè)值普遍偏低，常規(guī)鉆井的氣測(cè)異常解釋標(biāo)準(zhǔn)與解釋圖板不適用于氣體鉆井，給氣層評(píng)價(jià)帶來(lái)一定困難[10-11]。

2 錄井配套技術(shù)

2.1 安全監(jiān)測(cè)技術(shù)

(1)建立異常診斷標(biāo)準(zhǔn)及預(yù)報(bào)模型

收集工區(qū)內(nèi)12口井氣體鉆井時(shí)間和井段、氣體鉆井類型、發(fā)生異常原因及綜合錄井實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)所發(fā)生的16次異常事件進(jìn)行分析，篩選出氣體鉆井常見(jiàn)的10類井下復(fù)雜情況，包括地層出水、井壁失穩(wěn)、井下燃爆、硫化氫溢出、斷鉆具、卡鉆、遇阻等。結(jié)合綜合錄井異常判別方法，優(yōu)選出20種需要檢測(cè)的參數(shù)，包括鉆壓、懸重、扭矩、轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速、立壓、出口管壓力、O2、CO、CO2、H2S、CH4、氣體溫度、濕度等。結(jié)合參數(shù)基值和出現(xiàn)復(fù)雜情況時(shí)對(duì)應(yīng)的參數(shù)變化特征，建立單指標(biāo)預(yù)警模型和復(fù)雜事故預(yù)警模型。

(2)引進(jìn)旋風(fēng)除塵脫氣裝置

氣體鉆井中由于出口氣樣粉塵多，傳統(tǒng)的過(guò)水除塵脫氣裝置會(huì)導(dǎo)致氣體流速降低，被稀釋，氣測(cè)異常滯后，H2S、CO2等有毒有害氣體不能被及時(shí)檢出。因此引進(jìn)了旋風(fēng)除塵脫氣裝置，采用“干除塵”方式，氣體經(jīng)過(guò)“三重凈化”，有效實(shí)現(xiàn)氣體采樣中氣、液、固的三態(tài)分離。

(3)鉆井安全異常預(yù)報(bào)軟硬件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

在氣體鉆井中，綜合錄井儀原有的出口參數(shù)如密度、電導(dǎo)率、溫度、出口流量等都無(wú)法檢測(cè)。因此需要新增傳感器組合，增加氣體壓力、溫度、濕度以及H2S、O2、CO2等氣體檢測(cè)傳感器。因此設(shè)計(jì)了傳感器組合，包括氣體傳感器(H2S、CO、O2、CO2、CH4)、溫度、濕度傳感器和傳感器接線箱等，統(tǒng)一安裝在安全監(jiān)測(cè)裝置機(jī)柜內(nèi)。并通過(guò)軟件同步采集新增傳感器組合和綜合錄井儀實(shí)時(shí)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)單指標(biāo)預(yù)警和復(fù)雜事故預(yù)警功能。

2.2 優(yōu)化遲到時(shí)間計(jì)算方法

在氣體鉆井條件下的遲到時(shí)間計(jì)算主要涉及攜巖理論，目前應(yīng)用最普遍的是ANGEL公式。假設(shè)環(huán)空中巖屑與空氣的上返速度相同，把氣體、固體顆粒的兩相流動(dòng)看成混合流體的單相流動(dòng)[12]，這種計(jì)算存在理論缺陷。因此結(jié)合四川地區(qū)天然氣特點(diǎn)，利用多相流的理論和方法，在ANGEL公式的基礎(chǔ)上，從干氣鉆井?dāng)y巖基礎(chǔ)理論、地層產(chǎn)氣、產(chǎn)液及井徑擴(kuò)大等影響因素方面進(jìn)行了理論分析。采用最小動(dòng)能法作為攜巖計(jì)算的基礎(chǔ)，考慮不同循環(huán)介質(zhì)(空氣、氮?dú)?、柴油機(jī)尾氣)對(duì)環(huán)空流動(dòng)的影響，不同大小顆粒對(duì)巖屑運(yùn)移的影響，地層對(duì)環(huán)空流動(dòng)的影響等，根據(jù)不同井身結(jié)構(gòu)和施工參數(shù)，建立環(huán)空氣體、巖屑運(yùn)移方程及數(shù)學(xué)模型。由于這些數(shù)學(xué)模型難以直接求得解析值，因此進(jìn)行了最優(yōu)化求解的算法研究，開(kāi)發(fā)了專用計(jì)算軟件，運(yùn)用迭代計(jì)算求解遲到時(shí)間。

2.3 巖屑元素錄井技術(shù)

巖屑元素錄井技術(shù)建立在X射線熒光分析基礎(chǔ)上，結(jié)合了巖石地球化學(xué)理論，該項(xiàng)技術(shù)不受樣品大小和形態(tài)的影響，因此非常適合粉末狀巖屑的識(shí)別[13]。在工區(qū)內(nèi)6口井18696件巖屑、巖心樣品中開(kāi)展了XRF分析實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了適應(yīng)性研究。雖然標(biāo)準(zhǔn)譜巖性判別方法操作簡(jiǎn)單，但識(shí)別的準(zhǔn)確度與標(biāo)準(zhǔn)譜圖庫(kù)的大小息息相關(guān)，并存在較強(qiáng)的區(qū)域性，而曲線解釋法利用各種元素變化曲線進(jìn)行巖性解釋，較為直觀便于現(xiàn)場(chǎng)推廣。

曲線解釋方法具體又可細(xì)分為曲線交匯、元素比值、定量解釋等。不同的解釋方法在巖性識(shí)別過(guò)程中都有一定的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)。元素含量變化曲線在判斷一些富含特征元素的巖性中應(yīng)用較廣，如煤含大量S、P、Cl，但觀察每個(gè)元素的含量變化較為繁瑣；Fe、Si含量隨井深交匯曲線對(duì)于砂泥巖的判斷較為快速直觀，但難以識(shí)別砂泥巖以外的巖性；Ca/Si元素比值曲線對(duì)于判別灰?guī)r較為準(zhǔn)確，但是否為灰?guī)r礫石需要結(jié)合組段沉積環(huán)境分析；Fe/Si含量曲線(XGR)與砂泥巖地層的GR曲線較為吻合；定量解釋曲線(泥質(zhì)含量XSH、砂質(zhì)含量Xsand)最為直觀，但砂、泥質(zhì)含量在各時(shí)代地層中波動(dòng)較大，不能代表絕對(duì)含量，判別時(shí)依然要觀察其他含量的相對(duì)變化。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，初步建立起工區(qū)主要巖性的元素含量曲線解釋判別方法，見(jiàn)表1。圖1為工區(qū)內(nèi)DY*井元素錄井實(shí)驗(yàn)效果，不同厚度砂巖、頁(yè)巖的錄井元素、電測(cè)GR曲線響應(yīng)特征吻合。

表1 工區(qū)主要巖性的元素含量曲線解釋判別方法

2.4 氣測(cè)解釋評(píng)價(jià)技術(shù)

(1)定性解釋模型

系統(tǒng)接收并篩選出工區(qū)內(nèi)9口氣體鉆井共19層油氣水顯示，分別按照統(tǒng)一制圖規(guī)定繪制出油氣水顯示井段剖面圖，進(jìn)行氣測(cè)全烴曲線形態(tài)分析。通過(guò)總結(jié)歸納出與中幅鈍角-直角形、低幅漏斗形、低幅齒形、高幅尖峰狀、近直線狀下降五種典型全烴曲線形態(tài)，見(jiàn)表2。在全烴曲線形態(tài)基礎(chǔ)上，結(jié)合各井顯示層段的巖性、測(cè)井、測(cè)試等資料，研究全烴曲線形態(tài)的形成與產(chǎn)層壓力、產(chǎn)層性質(zhì)的相關(guān)性。建立起氣體鉆井氣測(cè)全烴曲線形態(tài)解釋模型，作為氣測(cè)定性解釋評(píng)價(jià)的依據(jù)。

圖1 DY*井元素錄井成果圖

表2 氣體鉆井氣測(cè)全烴曲線形態(tài)法的解釋模型

注：繪制標(biāo)準(zhǔn)為縱向比例尺1︰1000，曲線欄寬5 cm，氣測(cè)曲線欄繪制標(biāo)尺0～100 %。

(2)氣測(cè)定量評(píng)價(jià)技術(shù)

氣體鉆進(jìn)過(guò)程中，井底處于負(fù)壓狀態(tài)，產(chǎn)能釋放充分，因此氣測(cè)資料能真實(shí)的反映地層含氣性，在錄井現(xiàn)場(chǎng)全烴檢測(cè)儀測(cè)定的結(jié)果能直接反映排沙管線中天然氣的濃度，結(jié)合排沙管線的流體參數(shù)，就可以計(jì)算出排沙管線中天然氣的流量。據(jù)流體力學(xué)理論，當(dāng)氣層全烴峰值達(dá)到近平穩(wěn)狀態(tài)，就可以認(rèn)為該井在一定生產(chǎn)壓差下穩(wěn)定生產(chǎn)，求出的排沙管線天然氣排量就是該狀態(tài)下地層的產(chǎn)氣量[14]。目前氣體鉆井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還不能對(duì)排沙管線的流體參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)只能采用壓縮機(jī)的排量替代排沙管線流量來(lái)計(jì)算天然氣產(chǎn)量(需忽略進(jìn)出口氣體壓力、溫度影響)。

計(jì)算公式：地層產(chǎn)量qg=壓縮機(jī)排量×全烴含量/(1-全烴含量)

根據(jù)工區(qū)內(nèi)氣體鉆井多口井錄井資料，注氣壓力小于4 MPa，排沙管線壓力多小于0.6 MPa，利用遞推法計(jì)算井底壓力為1 MPa左右。鉆遇產(chǎn)層后立壓上升1～2 MPa，推測(cè)井底流壓不超過(guò)6 MPa，根據(jù)測(cè)試經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，主力產(chǎn)層壓力一般大于30 MPa，借助陳千元推導(dǎo)的利用地層壓降計(jì)算氣井絕對(duì)無(wú)阻流量的公式計(jì)算地層無(wú)阻流量：

式中：

qAOF—?dú)饩慕^對(duì)無(wú)阻流量，104m3/d；

PR—地層壓力，MPa；

Pwf—井底流動(dòng)壓力，MPa。

由于PR2>>Pwf2，PR2-Pwf2≈PR2，因此對(duì)計(jì)算公式可以進(jìn)行簡(jiǎn)化得出：

qAOF=qg

即氣體鉆井中氣層的絕對(duì)無(wú)阻流量與根據(jù)全烴計(jì)算的天然氣產(chǎn)量相等。

目前工區(qū)已施工的12口氣體鉆井，見(jiàn)油氣顯示9口。其中4口見(jiàn)良好油氣顯示的井進(jìn)行了測(cè)試，將無(wú)阻流量計(jì)算結(jié)果與測(cè)試成果對(duì)比，數(shù)據(jù)基本吻合(表3)，因此，認(rèn)為利用氣測(cè)資料計(jì)算的無(wú)阻流量能夠?yàn)闅鈱拥慕忉屧u(píng)價(jià)提供重要參考。

(3)氣測(cè)綜合解釋評(píng)價(jià)方法

在氣測(cè)全烴曲線形態(tài)與無(wú)阻流量計(jì)算的基礎(chǔ)上，結(jié)合各井氣體鉆井地層出水情況，將定性解釋模型與定量計(jì)算技術(shù)結(jié)合，形成綜合解釋評(píng)價(jià)方法，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的解釋軟件。

3 應(yīng)用效果

3.1 安全監(jiān)測(cè)技術(shù)

通過(guò)在YB*H井、M*井和LZ*井3口井的上井試驗(yàn)，安全監(jiān)測(cè)軟硬件系統(tǒng)共成功監(jiān)測(cè)地層出水2次，氣測(cè)異常3次。其中在M*井的上井試驗(yàn)中，準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)到氣測(cè)異常，及時(shí)放噴點(diǎn)火，結(jié)束氣體鉆進(jìn)，防止了井下燃爆，避免了井下復(fù)雜情況的產(chǎn)生,還監(jiān)測(cè)到地層出水1次(濕度參數(shù)值增加，且?guī)r屑潮濕，見(jiàn)少量泥塊)，立壓、扭矩也出現(xiàn)異常，井隊(duì)停鉆烘干井壁3h，濕度、扭矩、立壓均正常后鉆進(jìn),見(jiàn)圖2。從上井試驗(yàn)效果看，該系統(tǒng)能夠有效識(shí)別氣體鉆井過(guò)程中出現(xiàn)的氣測(cè)異常、地層出水，防止進(jìn)一步發(fā)生井下燃爆、井下復(fù)雜情況。

表3 工區(qū)氣體鉆井各井氣測(cè)計(jì)算的無(wú)阻流量與測(cè)試成果對(duì)比表

圖2 M*井1688 m濕度增加判斷地層出水引起扭矩異常

3.2 遲到時(shí)間測(cè)定技術(shù)

分別在YB*H井、M*井2口井進(jìn)行了上井試驗(yàn)，計(jì)算35次，實(shí)測(cè)7次，通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，計(jì)算與實(shí)測(cè)誤差在-0.75～0.53 min之間。而試驗(yàn)井段的鉆時(shí)一般為3～10 min/m，因此計(jì)算誤差在巖屑錄井允許范圍內(nèi)。

3.3 巖屑元素錄井技術(shù)

通過(guò)對(duì)4口試驗(yàn)井進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，解釋符合率均大于90%，有效地提升錄井質(zhì)量。圖3為YB*H井空氣鉆粉末狀巖屑巖性鑒定成果，從圖中可以看出元素錄井Fe/Si與測(cè)井解釋GR曲線較吻合，該井2700 m以淺厚度大于2 m砂體32層，元素解釋30層，符合率93.8%。

圖3 YB*H井空氣鉆粉末狀巖屑巖性鑒定成果圖

3.4 氣體鉆井條件下氣測(cè)錄井技術(shù)

在2次上井試驗(yàn)中共解釋油氣顯示3層。其中M*井解釋1層氣層，通過(guò)定量計(jì)算該層顯示產(chǎn)氣量為1.1241×104m3/d，與鉆井過(guò)程中放噴點(diǎn)火顯示情況吻合。LZ*井解釋2層氣水同層，定量計(jì)算天然氣產(chǎn)量分別為0.652×104m3/d，1.375×104m3/d，測(cè)井綜合解釋為氣水同層，解釋結(jié)論較吻合。

4 結(jié)論

本研究建立了氣體鉆井異常預(yù)報(bào)模型，研制了氣體鉆井安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了氣體鉆井遲到時(shí)間計(jì)算軟件，形成了元素錄井巖性解釋方法，研究了氣體鉆井氣測(cè)解釋評(píng)價(jià)方法并開(kāi)發(fā)了解釋軟件，最終建立起了氣體鉆井條件下的錄井配套技術(shù)。在多口井開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，巖屑錄井剖面符合率、油氣顯示層發(fā)現(xiàn)率、解釋符合率、異常預(yù)報(bào)及時(shí)準(zhǔn)確率均較高，保障了鉆井安全，提升了錄井質(zhì)量。但是由于試驗(yàn)時(shí)間短，試驗(yàn)井少，未能在試驗(yàn)中監(jiān)測(cè)到井下燃爆、井壁失穩(wěn)、硫化氫溢出等異常情況，工程異常預(yù)報(bào)模型的有效性需要進(jìn)一步驗(yàn)證和完善，另外，氣體流量是安全監(jiān)測(cè)、氣層的發(fā)現(xiàn)與評(píng)價(jià)的關(guān)鍵參數(shù)，目前還不能監(jiān)測(cè)氣液固三項(xiàng)流的流量。該項(xiàng)技術(shù)具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值，非常值得在推廣應(yīng)用中進(jìn)一步完善。

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