井下烴類氣體溶入系數(shù)求取的實驗模擬及其在儲層評價中的應用

楊明清，李三國，王成彪

(1.中國地質大學(北京) 工程技術學院，北京 100083；2.中國石油化工集團公司 石油工程技術服務有限公司 測錄井事業(yè)部，北京 100101；3.中國石油化工股份有限公司 石油工程技術研究院，北京 100101)

井下烴類氣體溶入系數(shù)求取的實驗模擬及其在儲層評價中的應用

楊明清1,2，李三國3，王成彪1

(1.中國地質大學(北京) 工程技術學院，北京 100083；2.中國石油化工集團公司 石油工程技術服務有限公司 測錄井事業(yè)部，北京 100101；3.中國石油化工股份有限公司 石油工程技術研究院，北京 100101)

鉆頭破碎地層后，地層中的烴類氣體組分由鉆井液攜帶至地面，一部分隨即散失在空氣中，一部分溶解在鉆井液內，檢測溶解在鉆井液內烴類氣體組分的體積及體積分數(shù)是發(fā)現(xiàn)和評價油氣顯示的重要方式之一。不同的烴類氣體組分溶入鉆井液的能力是不同的，只檢測溶解在鉆井液內烴類氣體組分，不能及時發(fā)現(xiàn)和準確評價井下油氣藏。為此，首次提出“溶入系數(shù)”概念及求取方法，借助鉆井液高溫高壓旋轉模擬裝置，進行了不同烴類氣體組分在井下高溫高壓流動狀態(tài)下溶入鉆井液能力實驗，得出不同體積烴類氣體組分在井下狀態(tài)下的“溶入系數(shù)”。根據(jù)不同烴類氣體組分的“溶入系數(shù)”，可計算出地下巖層某種烴類組分真實含量，更加客觀地反映地層含油氣信息，有利于油氣顯示的及時發(fā)現(xiàn)和準確評價。

鉆井液；烴類氣體組分；溶入系數(shù)；校正；實驗模擬

在鉆井過程中，近井壁地層內的液體和氣體會侵入井眼而被鉆井液攜帶至地面，測量侵入鉆井液內烴類氣體組分的體積分數(shù)，可用來發(fā)現(xiàn)及評價井下油氣藏[1-3]。烴類氣體組分一般包括甲烷、乙烷、丙烷、異丁烷、正丁烷、異戊烷、正戊烷[4]，侵入鉆井液的烴類氣體，大部分以游離的狀態(tài)存在[5]。目前，在鉆井現(xiàn)場，鉆井液到達地面后，現(xiàn)有的技術手段只能檢測溶入鉆井液內的烴類氣體體積及體積分數(shù)，鉆井液內的游離態(tài)烴類氣體迅速散失而無法檢測[6-8]，無法得知鉆井液攜帶井下烴類氣體的真實含量，不能準確評價地層含油氣信息。為此，提出“溶入系數(shù)”的概念，溶入鉆井液內的烴類氣體組分體積占烴類氣體總體積的比值，定義為“溶入系數(shù)”[9]，只有測量出“溶入系數(shù)”，才能得知鉆井液攜帶的烴類氣體總量。考慮到地面、地下溫度、壓力不同，結合鉆井參數(shù)，根據(jù)氣體方程，可將其換算成在井下地層單位體積巖石的含氣量[10-11]，對發(fā)現(xiàn)、評價地層油氣儲量具有重要的意義[12]。到目前為止，沒有人系統(tǒng)地測量鉆井液“溶入系數(shù)”，為此，筆者采用室內實驗的方法，對“溶入系數(shù)”進行了研究。

1 實驗方法

1.1實驗思路

創(chuàng)造一個井下高溫、高壓、動態(tài)環(huán)境，將配置好的鉆井液置入該環(huán)境中，人為向鉆井液內注入已知體積及體積分數(shù)的烴類氣體，模擬井下條件使鉆井液在動態(tài)條件下升溫—降溫、升壓—降壓。該過程中，部分烴類氣體會溶入鉆井液內，將降溫、降壓后的鉆井液暴露在空氣中，使鉆井液內游離態(tài)氣體自然散失，收集一定體積游離態(tài)氣體已經(jīng)散失的鉆井液，測量鉆井液內烴類氣體的含量，該含量與注入鉆井液內烴類氣體含量的比值即為“溶入系數(shù)”。 獲得“溶入系數(shù)”后，根據(jù)實際測得的鉆井液內游離態(tài)氣體自然散失后烴類氣體的含量，即可得出鉆井液從井下攜帶烴類氣體的總量。

1.2實驗設備

實驗設備由3部分組成：高溫高壓旋轉反應釜[13](圖1)、熱真空定量全脫分析儀[14]和氣相色譜儀[15]。反應釜是一個耐高溫、耐高壓、可旋轉攪拌的容器，用于模擬鉆井液在井下高溫、高壓、鉆柱旋轉等狀態(tài)。反應釜內可容納鉆井液2 400 mL，可加熱至150 ℃，加壓至70 MPa，旋轉轉速可達200 r/min。熱真空定量全脫分析儀用于脫出鉆井液內的氣體，可在近乎真空的狀態(tài)下對一定體積的鉆井液加熱，并進行攪拌，使鉆井液內的氣體充分解析出來，并收集起來進行分析，即可獲得鉆井液內氣體的成分及體積分數(shù)。熱真空定量全脫分析儀是目前脫氣效率最高的脫氣器，可近似認為脫出了鉆井液內所有的氣體[16]。氣相色譜儀用于測量混合氣體中烴類氣體的成分及體積分數(shù)，可在30 s內測出不同烴類氣體的體積分數(shù)，分析精度高[17]。

圖1 高溫高壓旋轉反應釜結構

1.3實驗步驟

1)配置一定數(shù)量鉆井液，鉆井液性能應盡可能接近現(xiàn)場實際，將鉆井液注入反應釜，將反應釜注滿，排出反應釜內的空氣；2)將不同體積的烴類氣體混合樣注入反應釜，使烴類氣體與反應釜內的鉆井液混合，用以模擬近井壁地層內的烴類氣體侵入鉆井液，烴類氣體混合樣由甲烷、乙烷、丙烷、異丁烷、正丁烷、異戊烷、正戊烷按一定比例組成；3)關閉反應釜，加溫、加壓、旋轉攪拌，用于模擬鉆井液在井內循環(huán)過程；4)經(jīng)過一定時間后，打開反應釜，使未溶入鉆井液的游離態(tài)氣體散失，用熱真空定量全脫分析儀的反應容器收集游離態(tài)氣體已經(jīng)散失的鉆井液，做熱真空定量全脫分析，以獲取鉆井液內氣體體積及不同烴類氣體組分的體積分數(shù)，該體積與體積分數(shù)的乘積即為溶入鉆井液內的烴類氣體的真實含量。

1.4“溶入系數(shù)”計算

根據(jù)上面實驗過程，“溶入系數(shù)”可由下式計算得出：

(1)

式中：ηi為某種烴類氣體組分的“溶入系數(shù)”；Va為注入反應釜的烴類氣體體積；Vb為熱真空定量全脫分析獲取的氣體體積；Cai為注入反應釜的某種烴類氣體組分的體積分數(shù)；Cbi為熱真空定量全脫分析獲取的某種烴類氣體組分的體積分數(shù)；i表示甲烷、乙烷、丙烷、異丁烷、正丁烷、異戊烷、正戊烷中的某種烴類氣體組分；V1為反應釜內鉆井液體積；V2為熱真空定量全脫分析儀所分析的鉆井液體積。

2 實驗參數(shù)的選擇及控制

2.1實驗溫度的控制

在實際鉆井過程中，鉆井液在下行過程中溫度逐漸增加，在井底達到最高溫度，在上行過程中溫度逐漸降低。根據(jù)某油田實鉆信息，實驗中起始溫度設定為40 ℃，終了溫度設定為60 ℃，最高溫度設定為110 ℃，為了盡可能模擬鉆井液在井下運動過程中溫度的變化，設定實驗溫度變化如圖2所示。

2.2實驗壓力的控制

在實際鉆井過程中，壓力的變化規(guī)律與溫度類似，也是先增后減的過程，在鉆井液到達井底時壓力達到最大值。由于鉆井液在地面上暴露在空氣中，所以實驗中，設定起始和終了壓力為大氣壓。根據(jù)某油田實鉆信息，最大壓力設定為40 MPa，本實驗設定壓力變化如圖3所示。

2.3其他參數(shù)的控制

在本實驗中，為了避免鉆井液中混入過多的空氣，將鉆井液充滿反應釜，排出反應釜內的空氣，所以實驗鉆井液體積即為反應釜容積。在實際鉆井中，根據(jù)鉆頭使用及地層情況，轉盤轉速一般在60～120 r/min之間，本實驗設定反應釜內攪拌轉速為100 r/min；注入反應釜的烴類氣體組分盡可能接近地層氣體[18-19]，其成分及體積分數(shù)為：甲烷68.32%、乙烷10.00%、丙烷9.772%、異丁烷5.032%、正丁烷4.962%、異戊烷0.960%、正戊烷0.950%。

圖2 溫度參數(shù)控制曲線

圖3 壓力參數(shù)控制曲線

3 實驗結果分析

為了探討地層中不同含油氣量的“溶入系數(shù)”，設定注入反應釜的烴類氣體體積分別為50,100,150,200,250 mL，不同烴類氣體不同濃度下的“溶入系數(shù)”如圖4所示。

由圖4 可以看出：1)在相同注入體積條件下，隨著烴類氣體碳原子數(shù)增加，“溶入系數(shù)”整體呈下降趨勢，甲烷的“溶入系數(shù)”一般在20%左右，而異丁烷的“溶入系數(shù)”只有8%左右，由此說明，烴類氣體組分的碳原子數(shù)越大，溶入鉆井液的能力越弱；2)隨著注入體積的增加，各烴類氣體組分“溶入系數(shù)”同時減小，如注入50 mL烴類氣體時，甲烷的“溶入系數(shù)”為22.61%，注入250 mL烴類氣體時，甲烷的“溶入系數(shù)”為17.39%，這說明，侵入鉆井液的烴類氣體體積越大，其“溶入系數(shù)”越低。

4 鉆井液及地層烴類氣體組分真實含量的求取

4.1鉆井液烴類氣體真實含量的求取

在實際鉆井施工中，借助于熱真空全脫分析儀，隨時可以測量得出游離態(tài)氣體散失后單位體積鉆井液內的氣體體積及不同烴類氣體組分的體積分數(shù)，二者乘積即為單位體積鉆井液內烴類組分的含量，根據(jù)本實驗所獲取的不同烴類氣體組分的“溶入系數(shù)”，就可計算出游離態(tài)氣體散失之前單位體積鉆井液攜帶井下某種烴類氣體的真實含量。

圖4 不同組分“溶入系數(shù)”

(2)

式中：Qi為游離態(tài)氣體散失之前單位體積鉆井液攜帶井下某種烴類氣體的真實含量；該參數(shù)的意義相當于公式(1)中的VaCai；其他參數(shù)意義同公式(1)。

4.2地層烴類氣體組分真實含量的求取

在現(xiàn)有的工作中，單位體積井下地層所含的烴類氣體組分含量一般由下式求取[20]

(3)

式中：Gi為井下條件下單位體積巖石某種烴類氣體的真實含量；τ為鉆時；S為鉆井液排量；D為鉆頭直徑；Ts,Tf為地面、地層開氏溫度；Pf,Ps為地面、地層壓力。

從公式(3)可以看出，單位體積井下地層所含的烴類氣體組分含量的傳統(tǒng)計算方法，沒有考慮從鉆井液散失的游離態(tài)氣體，可用Qi代替Cbi，可得到新的單位體積井下地層所含的烴類氣體組分含量的計算方法：

(4)

公式(4)充分考慮了從鉆井液散失的游離態(tài)氣體，計算所得的地層烴類氣體組分含量更加真實，為準確評價地層油氣儲量提供科學的依據(jù)。

5 結論及建議

1)不同的烴類氣體組分，溶解在鉆井液中的能力是不同的。為此提出了“溶入系數(shù)”這一概念，并通過實驗，得出不同烴類氣體組分的“溶入系數(shù)”。

2)根據(jù)測得的“溶入系數(shù)”，對現(xiàn)有方法測得的鉆井液內烴類氣體含量進行校正，計算所得的地層烴類氣體組分含量更加真實，有利于油氣藏的解釋及評價，對油氣儲量的評估具有重要的參考價值。

3)本實驗中，溫度、壓力、攪拌轉速等參數(shù)的設置相對固定，而在實際鉆井過程中，不同井的不同井段，其溫度、壓力、攪拌轉速等參數(shù)是變化的，在以后的實驗中，應充分考慮有關參數(shù)的匹配與影響。

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(編輯黃 娟)

Experimentalsimulationofcalculationoncoefficientofdownholehydrocarbongasdissolvedintodrillingfluidsanditsapplicationonformationevaluation

Yang Mingqing1,2, Li Sanguo3, Wang Chengbiao1

(1.ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China; 2.LoggingDivision,SINOPECOilfieldServiceCorporation,Beijing100101,China; 3.SINOPECResearchInstituteofPetroleumEngineering,Beijing100101,China)

When drilling bit has cut through strata, crushed rocks and gases are carried to ground by drilling fluid. Some of them are dissipated in the air immediately, and some are dissolved in drilling fluid. To detect the dissolved volume and volume fraction of hydrocarbon gas components is one of the most important methods to discover and evaluate oil-and-gas shows. Different hydrocarbon gas components have different dissolving capacities. And reservoir cannot be discovered and evaluated timely and accurately if the dissolving test of various hydrocarbon gases is just done. For this reason, a “dissolving coefficient” and its solving method are proposed for the first time. Through the dissolving test of various hydrocarbon gases with a rotary simulation device of drilling fluid in high temperature and high pressure, we recognize the dissolving coefficient in these circumstances. According to the dissolving coefficient, the true content of a certain hydrocarbon composition is calculated. This will be advantageous to discover and evaluate oil-and-gas shows timely and accurately.

drilling fluid; hydrocarbon gas component; dissolving coefficient; correction; experimental simulation

1001-6112(2013)05-0579-04

10.11781/sysydz201305579

TE135

A

2012-07-22；

2013-07-22。

楊明清(1972—)，男，高級工程師，碩士生導師，從事測錄井工藝方法研究。E-mail: yangmq.os@sinopec.com。

中國石油化工集團公司科技部項目“錄井油氣信息在線檢測系統(tǒng)與分析技術研究”(P12066)資助。