連續(xù)油管光纖測井技術(shù)及其在頁巖氣井中的應(yīng)用

王偉佳中石化江漢石油工程有限公司頁巖氣開采技術(shù)服務(wù)公司

連續(xù)油管光纖測井技術(shù)及其在頁巖氣井中的應(yīng)用

王偉佳
中石化江漢石油工程有限公司頁巖氣開采技術(shù)服務(wù)公司

水平井復合橋塞分段壓裂是國內(nèi)頁巖氣井的主要開發(fā)方式，由于頁巖氣井快優(yōu)鉆井造成的井眼軌跡及井深結(jié)構(gòu)的特殊性、鉆塞結(jié)束后井筒內(nèi)殘留部分橋塞碎屑、水平段多相流的復雜性等，常規(guī)產(chǎn)出剖面測井技術(shù)難以滿足頁巖氣井的測試要求。針對頁巖氣井數(shù)量眾多，鉆塞后井筒金屬碎屑較多的特性，測井前利用強磁打撈器進行打撈兼通井以提高施工成功率，采用連續(xù)油管內(nèi)穿光纖并下掛流體掃描成像測井儀FSI的工藝進行產(chǎn)氣剖面測井，能得到較真實的產(chǎn)氣產(chǎn)液剖面、各射孔簇產(chǎn)氣產(chǎn)液貢獻，可以有效評價各級壓裂效果。連續(xù)油管光纖測井方法在頁巖氣井中的應(yīng)用前景良好。

連續(xù)油管；光纖測井；流體掃描成像測井儀FSI；頁巖氣井；生產(chǎn)測井

目前，國內(nèi)頁巖氣井主要以叢式井、長水平段、多級射孔、大規(guī)模拉鏈式加砂壓裂方式進行完井試氣，試氣產(chǎn)量和壓力不穩(wěn)定，無法落實單井產(chǎn)能，難以正確認識地層的實際產(chǎn)出情況，影響開發(fā)配產(chǎn)方案的制定［1］。針對頁巖氣特殊的完井方式，目前動態(tài)監(jiān)測技術(shù)沒有行之有效的手段，甄選國內(nèi)外壓后評價技術(shù)，產(chǎn)氣剖面測試技術(shù)為解決上述難題最經(jīng)濟有效的手段。

國內(nèi)常規(guī)測試所使用的井下工具多為多陣距、單轉(zhuǎn)子，測試工作繁雜、轉(zhuǎn)子需較大的啟動速度，監(jiān)測誤差大，無法清晰判別井下流體類型。以連續(xù)油管為載體的光纖生產(chǎn)剖面測試技術(shù)，在頁巖氣井超長水平段、多級壓裂開發(fā)模式下，能直觀清晰地找出主力產(chǎn)層、描述井底積液現(xiàn)狀，同時采用光纖作為數(shù)據(jù)傳輸手段，抗干擾能力強，井下監(jiān)測工具電信號轉(zhuǎn)換成光信號，更快、更準傳遞數(shù)據(jù)，工具串中的FSI生產(chǎn)測井儀擁有多級轉(zhuǎn)子，更加清晰識別井下流體動態(tài)，具有檢測精度高、解釋成果可靠等特點。

1 連續(xù)油管光纖生產(chǎn)剖面測試系統(tǒng)Test system for coiled tubing optical fiber production profile

1.1配套連續(xù)油管機組

Supporting coiled tubing unit

連續(xù)油管光纖生產(chǎn)剖面測試是將井下儀器連接在內(nèi)部穿有光纖的連續(xù)油管頂端，由連續(xù)油管上提或下放帶動儀器完成測試，儀器輸送動力較大、成功率高、深度控制方便。根據(jù)國內(nèi)頁巖氣井的實際情況，一般選用外徑?50.8 mm、長度大于5 000 m的連續(xù)油管，同時要求連續(xù)油管作業(yè)機組的提升能力大于360 kN。

1.2ACTIVE光纖傳輸系統(tǒng)

ACTIVE optical fiber transmission system

ACTIVE光纖傳輸系統(tǒng)通過連續(xù)油管傳輸可實時獲得井下數(shù)據(jù)，包括井底壓力（連續(xù)油管內(nèi)外）、實際深度、井下工具受力情況、井底溫度、全井筒溫度分布曲線等，在施工過程中可隨時優(yōu)化作業(yè)方案，迅速準確判斷井下情況，降低作業(yè)風險。主要包括光纖、井下儀器及地面電子設(shè)備3部分。

1.2.1光纖 ACTIVE光纖傳輸系統(tǒng)是將4條光纖安置在鉻鎳鐵合金光纖載體中，光纖載體又被安放在連續(xù)油管內(nèi)。這4條光纖中有2條用于井下工具的信號傳輸，另外的1條或者2條可用來獲取井筒溫度曲線。鎳鉻鐵合金光纖載體直徑只有?1.8 mm，重量10 kg/1 000 m，比電纜更小、更輕。使用該系統(tǒng)的連續(xù)油管可以進行正常投球、正常泵送液體、不受酸或者其他腐蝕性溶劑的腐蝕，光纖松弛度處理也相對簡單。

1.2.2井下儀器 ACTIVE光纖傳輸系統(tǒng)的井下儀器主要包括3部分，可以單獨或者組合組裝：（1）光纖頭，光纖在光纖頭的終止端終止后，可以連接任何種類的傳統(tǒng)連續(xù)油管井下工具；（2）PTC-G-TC，可實時監(jiān)測井下溫度、井底壓力（連續(xù)油管內(nèi)外）、井下工具受力情況，可通過節(jié)箍定位器和伽馬射線確定連續(xù)油管下入深度；（3）光電信號轉(zhuǎn)化器，可連接電纜產(chǎn)量測井平臺，無需更換為帶電纜的連續(xù)油管和其他的電纜測井設(shè)備。

1.2.3地面電子設(shè)備 使用地面電子設(shè)備，數(shù)據(jù)會通過無線傳輸方式，從連續(xù)油管傳遞到操作間的電腦上，電腦軟件會解讀和顯示井下的實時數(shù)據(jù)。如果需要測量全井筒溫度分布曲線，需要安裝一個井下Ultra盒子并連接到連續(xù)油管里面的光纖上，進行測量。

1.3流體掃描成像測井儀FSI

Fluid scanning imaging logging tool

斜井中井下流態(tài)復雜，包括層流、霧狀流和循環(huán)流。分異、流態(tài)和井斜微小變化都會影響流動剖面。常規(guī)儀器測量存在井筒頂端泡狀流、重相循環(huán)流或、不適合以不同流速流動的分層流動斜井等問題。流動回路實驗也表明了常規(guī)測井儀器在多相流中無效。FSI 水平井和斜井生產(chǎn)測井系統(tǒng)是特別為大斜度井、水平井和近水平井開發(fā)的。如圖1所示，該儀器一個儀器臂上有4個微轉(zhuǎn)子流量計，測量流動速度剖面，另一個臂上有5個電探針和5個光學探針，分別測量局部的持水率和持氣率。另外，儀器殼體上還有第五個轉(zhuǎn)子流量計和第六對電探針和光學探針，測量井筒底端的流動。該儀器為偏心儀器，測量時儀器主體位于井筒的底端，測量臂可展開，最大可到井筒的內(nèi)直徑，像井徑儀一樣，提供計算流動速率所需要的井筒內(nèi)全范圍測量［2］。

圖1　流動掃描成像掃描儀Fig.1 Fluid scanning imaging scanner

如圖2所示，F(xiàn)SI 測量沿井筒直徑方向的速度剖面，可測量到單個居中轉(zhuǎn)子測不出的速度變化，測量混合和分層流態(tài)，包括多相流水平井中氣相流速的獨立測量，甚至可以探測到井下水相的循環(huán)流動。5個微型轉(zhuǎn)子中的每個可直接測量到流經(jīng)其位置的流體速度，從而計算多相流速度剖面［3-4］。Flow Scanner通過6個低頻探針測量流體阻抗來探測水。因為水導電，但油氣不能，設(shè)定一個限值可使儀器能辨別出油、氣和水。當連續(xù)水相中的油滴或氣泡，或連續(xù)油氣相的水滴接觸到探針針尖時，探針會產(chǎn)生一個二進制信號。根據(jù)電路接通的時間可計算出持水率，持水率剖面精確地表現(xiàn)了井筒內(nèi)的流態(tài)。

FSI 配備了用于氣檢測的光學探針，6個持氣率光學探針對流體的光學折射系數(shù)敏感。氣的折射率接近于1，水的約為1.35，原油的是1.5。油和水具有類似的流體光學折射系數(shù)，所以光學探針用來從液體中辨別氣體。從原始數(shù)據(jù)中也可得到氣泡計數(shù)，用來確定第一個產(chǎn)氣點的位置。光學探針和電探針結(jié)合可提供同一深度三相持率數(shù)據(jù)。

流體掃描成像測井儀的特點：可與生產(chǎn)測井平臺和其他套管井測井儀器組合；因儀器長度短，可在狗腿度嚴重的井中作業(yè)；在同一深度進行完全的三相持率測量；通過傳感器掃描，更準確探測各相之間的界面；測量混合和分離流態(tài)；在多相水平井中獨立測量氣相流速。

圖2　流動掃描成像掃描儀轉(zhuǎn)子分布Fig.2 Rotor distribution on FSI

2 測井工藝Logging technology

由于連續(xù)油管光纖測井技術(shù)需要通過光纖來傳遞測井工具在井筒中采集的數(shù)據(jù)，而光纖又需要以連續(xù)油管作為輸送設(shè)備，因此必須將光纖從連續(xù)油管內(nèi)部穿越才能與下部的測井工具進行連接。連續(xù)油管穿光纖時需要通過水力泵送（如圖3所示）：光纖從光纖滾筒中出來，通過一根內(nèi)徑很小的速度管，依靠摩擦力送入油管滾筒，進入油管后，由于光纖內(nèi)徑外徑很小，僅依靠水力即可送達油管另一端。雖然光纖自身重量很小且外層鉻鎳鐵合金強度較大，發(fā)生光纖纏繞的可能性較小，但隨著光纖在使用過程中隨油管的頻繁起下及自身重力、循環(huán)時的水力等影響，光纖有可能在油管底端余量較大。因此每進行2～3口井作業(yè)，光纖需進行一次余量管理，即從油管尾端循環(huán)清水，使聚集在油管尾端的光纖均勻分布于油管中。

圖3　連續(xù)油管穿光纖示意Fig.3 The schematic of optical fiber through coiled tubing

由于國內(nèi)頁巖氣井前期對鉆塞技術(shù)認識不足，對鉆塞完后的井筒處理不干凈，產(chǎn)生一系列問題：井筒碎屑聚集，造成部分井連續(xù)油管遇阻，未能下至目的深度，最終未能取全所有井段生產(chǎn)數(shù)據(jù)；井筒聚集的碎屑造成FSI測井工具損壞或者影響轉(zhuǎn)子和探針的正常工作；測井工具攜帶的碎屑帶到井口后，隨氣體流至地面生產(chǎn)流程，導致可調(diào)式針型節(jié)流閥堵塞。連續(xù)油管光纖測井技術(shù)針對頁巖氣投產(chǎn)在國內(nèi)相繼應(yīng)用了20余口井，形成了一套不影響正常開采的完整施工工藝。

（1）前期井筒處理。針對生產(chǎn)井減少泵注的要求，及井筒內(nèi)碎屑多為復合橋塞金屬卡瓦的實際情況，設(shè)計產(chǎn)出剖面測試專用強磁打撈器。在正式測試前增加連續(xù)油管強磁打撈器通井及打撈碎屑作業(yè)。該打撈器由于受采氣井口限制最大外徑為?73 mm，采用凹槽式設(shè)計，瓷片在槽內(nèi)，增加了可吸附碎屑容積。該強磁打撈器在測試前期井筒處理上取得了良好的應(yīng)用效果，有效地降低了井筒碎屑聚集造成的連續(xù)油管遇阻及井下儀器損壞現(xiàn)象。同時該強磁打撈器現(xiàn)已應(yīng)用于鉆塞結(jié)束后的碎屑打撈中，在試氣過程中有效增加了橋塞碎屑的返排率。

（2）連續(xù)油管本體保護措施。為確保施工安全，建議連續(xù)油管本體所受外力不超過7 MPa，否則在井下受力情況下油管存在擠毀可能。國內(nèi)頁巖氣井在投產(chǎn)前期普遍存在井口壓力高的特點，部分井可能高達30 MPa，因此在進行測試時建議在油管內(nèi)部用液氮進行補壓，使油管內(nèi)外壓差不超過5 MPa。

（3）測試制度的選擇。為取得良好的采氣貢獻率分析，建議選用2種制度進行測試，兩種制度之間產(chǎn)量間距5×104m3/d以上。由于連續(xù)油管入井后占有一定體積，套管容積有所減少，對于套管生產(chǎn)井來說具有一定的排水效果，建議在通井前就選用產(chǎn)量的較大測試制度生產(chǎn)，測試時也可先進行產(chǎn)量較大的制度測試，效果較好。

（4）測試速度的選擇。為確保解釋成果，測試時進行下放測量及上提測量兩次測試，同時在保證安全的前提下盡量加快油管上提下放的速度，油管速度越快，解釋結(jié)果越準確。

（5）由于氣井全程帶壓作業(yè)，確保井控安全意義重大，井口設(shè)備必須定期檢測，同時建議測井連續(xù)油管配備在線檢測裝置，防止因油管物理損傷引起油管刺漏或斷裂。

3 應(yīng)用實例Application examples

在四川盆地的一口井進行了連續(xù)油管光纖產(chǎn)出剖面測試，該井人工井底4 214.14 m，水平段長1375 m，共分16段壓裂。測試時該井井口壓力30.1 MPa，采用液氮在油管內(nèi)進行補壓作業(yè)，第一趟強磁打撈作業(yè)共從井筒中撈出橋塞卡瓦牙3.47 kg，最大卡瓦牙直徑?16 mm，有效清除了井筒內(nèi)的碎屑，測試分別在地面計量產(chǎn)量為20×104m3/d和29×104m3/d的工作制度下進行。

測試解釋成果顯示：產(chǎn)液剖面測試結(jié)果顯示所有壓裂段均有產(chǎn)氣量貢獻，其中16個射孔簇（35.6%）產(chǎn)量低于平均產(chǎn)量的1/3，17個射孔簇（37.8%）產(chǎn)量高于平均產(chǎn)量，和美國頁巖氣均勻分段壓裂結(jié)果符合［5］；16段中有4段產(chǎn)氣貢獻值較大，8段貢獻值較低，4段貢獻值處于平均值，其中8段貢獻值較低的壓裂段中有3段在壓裂過程中出現(xiàn)加砂困難；2個工作制度下，產(chǎn)量變化較大的壓裂段有8段，其余壓裂段產(chǎn)氣量變化不大。29×104m3/d制度下，井筒中水持率明顯比20×104m3/d制度下水持率低；井下流態(tài)以水平層流為主，測量井段井斜的變化較小。從不同深度的井筒截面圖可得出流態(tài)分布規(guī)律：水平井筒中，水在井筒中的最下部，氣在井筒中的中上部，水滯留在井筒中，氣體流速快。在水平井井筒中，井筒中水持率隨深度增加而增加，伴隨井斜變化，經(jīng)?？梢杂^察到“回流”現(xiàn)象，影響單個轉(zhuǎn)子儀器的響應(yīng)。

4 結(jié)論Conclusions

（1）連續(xù)油管光纖產(chǎn)出剖面測試能得到真實產(chǎn)氣產(chǎn)液剖面、各射孔簇產(chǎn)氣產(chǎn)液貢獻，操作方便，測試精度高，解釋成果可靠，有效評價各級壓裂效果。

（2）連續(xù)油管光纖產(chǎn)出剖面測試技術(shù)可實時獲得井下數(shù)據(jù)，包括井底壓力（連續(xù)油管內(nèi)、外）、實際深度、井下工具受力情況、井底溫度、全井筒溫度分布曲線等，在施工過程中可隨時優(yōu)化作業(yè)方案，迅速準確判斷井下情況，降低作業(yè)風險。

（3）FSI測井儀設(shè)置5個微型轉(zhuǎn)子，6對探針，可直接測量到流經(jīng)其位置的流體速度，計算多相流速度剖面，結(jié)合6對探針得來的流相，可真實得到井下流體的產(chǎn)出剖面。

（4）針對井筒碎屑聚集，增加連續(xù)油管強磁打撈器通井及打撈碎屑作業(yè)，可適當緩解部分井連續(xù)油管遇阻、井下儀器損壞、井口流程堵塞的問題。可進一步研究采用泵注氮氣驅(qū)動螺桿鉆具帶動磨鞋進行通井的工藝可行性。

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（修改稿收到日期 2015-12-20）

〔編輯 李春燕〕

Well logging via coiled tubing fiber optic infrastructures and its application in shale gas wells

WANG Weijia
Shale Gas Mining Technology Service Company， Jianghan Petroleum Engineering Co. Ltd.， SINOPEC， Wuhan， Hubei 430074， China

Staged fracturing of horizontal wells by composite bridge plug is the main development mode of domestic shale gas wells. Due to the particularity of wellbore trajectory and well depth configuration caused by optimized fast drilling of shale gas wells，some plug debris still remaining in the wellbore after the plug is drilled out and the complexity of multiphase-flow in horizontal section，the well logging technology for conventional producing profile cannot meet the requirement of shale gas wells. In view of large numbers of shale gas wells， it is urgent to evaluate the drilled and completed wells and fracturing effectiveness in order to guide further fracturing. Gas producing profile logging was carried by FSI （fluid scanning imaging logging instrument） technique， in which optical fiber goes through the coiled tubing with fluid scanning imaging tool hanging below. This technique can obtain real gas and fluid producing profiles and gas and fluid production of all perforation clusters and effectively evaluated the effectiveness of all staged fracturing. In line with the characteristics that production logging is mostly carried out after drilling out the bridge plug in shale gas wells and there is a lot of metal debris in wellbore， so strong magnet was used to remove the debris and drift the well prior to logging， which could improve logging success rate. This method of fiber-optic well logging through coiled tubing has a good prospect of application in shale gas wells.

coiled tubing； optical fiber； FSI； shale gas wells； production logging

Wang Weijia. Well logging via coiled tubing fiber optic infrastructures and its application in shale gas wells［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（2）： 206-209.

P631.81

B

1000 -7393（ 2016 ） 02 -0206-04

10.13639/j.odpt.2016.02.015

王偉佳（1983-），2011年畢業(yè)于西南石油大學石油工程測井專業(yè)，碩士研究生，現(xiàn)主要從事連續(xù)油管技術(shù)的研究工作，工程師。通訊地址： （408014）重慶市涪陵區(qū)焦石鎮(zhèn)興焦路44號。電話：0728-6597074。E-mail： weijia07@163.com

引用格式：王偉佳.連續(xù)油管光纖測井技術(shù)及其在頁巖氣井中的應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2016，38（2）：206-209.