DST試井技術(shù)在煤系非常規(guī)天然氣儲層應用研究

程維平，李 健，程 鳴

(1.山西省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院，太原 030001； 2.中國礦業(yè)大學資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

在“氣化山西”的背景下，山西省大力發(fā)展煤系非常規(guī)天然氣資源的勘探開發(fā)工作。煤系非常規(guī)天然氣包括賦存于煤層中的煤層氣、賦存于煤系頁巖中的頁巖氣和賦存于煤系致密砂巖中的致密砂巖氣。煤系“三氣”資源潛力的綜合評價與共探共采方式是當前研究的熱點課題，其中，煤系非常規(guī)氣的儲層評價與賦存規(guī)律是其研究的一項重要內(nèi)容。試井測試技術(shù)是認識儲層、進行儲層評價和生產(chǎn)動態(tài)監(jiān)測的重要手段，通過試井可得到儲層的滲透率、儲層壓力等儲層參數(shù)[1-2]，是煤系非常規(guī)氣儲層評價重要指標，是對其有效開發(fā)利用的重要保障。

目前，對于煤層氣井，多采用注入/壓降法進行測試，注入/壓降法是以一定排量將水注入地層一段時間，然后關(guān)井進行壓降測試。注入/壓降法的優(yōu)勢在于流體的注入提高了地層壓力，保證了測試過程中為單相流，可以用標準試井方法來分析，結(jié)果比較可靠，但其缺點是對于低滲透率地層測試很難進行，因為需要保持極低的注入排量，探測半徑有限，且容易壓開地層和造成地層傷害[3-5]。對于低滲透率地層，尤其是煤系中含氣砂泥巖或砂泥巖與煤互層的儲層，其有效滲透率等儲層參數(shù)的測試采用DST試井法進行了嘗試。DST測試即鉆桿測試(Drill Stem Testing)，是一種壓力恢復測試，依靠地層流體的流動、產(chǎn)出和壓力恢復的過程求取地層參數(shù)，是認識測試層段流體性質(zhì)、產(chǎn)能大小、壓力變化和井底附近有效滲透率，以及目的層段被污染狀況的常用手段[3]。

1 DST試井基本原理及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 基本原理

DST測試即鉆桿測試(Drill Stem Testing)，是一種壓力恢復測試，它遵循不穩(wěn)定試井的基本原理：

當儲層中流體的流動處于平衡狀態(tài)時，通過改變井的工作制度即改變壓力，則在井底將造成一個壓力擾動，此擾動隨著時間的推移不斷向井壁四周儲層徑向擴展，最后達到一個新的平衡狀態(tài)。這種壓力擾動的不穩(wěn)定過程與地層、流體的性質(zhì)有關(guān)。因此，用測試儀器將井底壓力隨時間的變化規(guī)律記錄下來，通過分析，可以判斷和確定儲層的性質(zhì)[6-9]。DST試井采用兩次流動、兩次關(guān)井即二開二關(guān)的工作制度。初流動、初關(guān)井，當封隔器坐封過程引起局部超壓，需在初流動通過流體釋放，初流動時間短，地層能量消耗少，可獲取較可靠的地層壓力；終流動、終關(guān)井，目的是獲得壓力恢復曲線，這個過程所需時間長，壓力恢復曲線更好，可用于試井分析來求取儲層滲透率等儲層參數(shù),DST試井測試管柱狀圖見圖1。

1.2 DST技術(shù)關(guān)鍵

1.2.1 封隔器坐封工藝

根據(jù)DST試井工藝需要，封隔器坐封方式通常采用膨脹式封隔器坐封和支撐式重力壓縮BT封隔器坐封方式。膨脹式坐封是將膨脹管連接封隔器隨油管從地面下入井底，然后在地面通過膨脹管對封隔器注入液體加壓進行坐封，該坐封方式成功率高，效果好，但操作復雜且在下井過程中膨脹管易磨損損壞，在淺井測試時適用性較好。對于較深的參數(shù)井，管柱重量大，采用靠重力壓縮的BT封隔器進行坐封，從實際操作效果來看，操作簡便，效果較好。

1.2.2 開關(guān)井工藝

DST試井宜采用井下關(guān)井方式，可以有效減小井筒儲集效應對測試的影響，井下開關(guān)井工藝主要有兩種：電磁閥開關(guān)井和MFE測試閥開關(guān)井。在淺井作業(yè)中操作MFE測試閥開關(guān)井時，由于環(huán)空液柱壓力小，容易造成封隔器瞬時解封[7,10]。實際測試中，淺井采用電磁閥開關(guān)井操作更容易，無需地面動管柱只需設定程序即可實現(xiàn)測試井下無限次自動開關(guān)井任務，程序設定按每4個循環(huán)動作完成一次開關(guān)井即等待-打開-等待-關(guān)閉，二開二關(guān)工作制度按二次開關(guān)井程序設定，時間可精確到秒。在較深的測試井作業(yè)中可采用電磁閥組開關(guān)井，也可采用MFE測試閥開關(guān)井。當采用MFE測試閥時需與BT封隔器配合使用，由于BT封隔器靠管柱的重力坐封，操作MFE測試閥開關(guān)井需進行上提、下放懸重管柱會造成BT封隔器的坐封力消失，為保證操作MFE測試閥開關(guān)井時仍然使BT封隔器保持良好的封隔作用，必須在BT封隔器上方連接安全密封，通過安全密封液壓安全裝置所產(chǎn)生鎖緊膠筒的的作用力保證BT封隔器坐封力。

圖1 裸眼井DST試井測試管柱圖Figure 1 Uncased well DST string

1.3 循環(huán)閥結(jié)構(gòu)及工作原理

圖2為改進后的封隔器循環(huán)閥結(jié)構(gòu)，由1-外筒、2-花鍵心軸、3-花鍵外筒、4-下接頭、5-剪切銷釘、6、7-密封圈、泄流孔、泄流通道等組成。該閥在下鉆或提鉆過程中，能對孔內(nèi)的鉆井液進行有效泄流，消除起、下管柱時的背壓及抽吸作用，減少對孔壁的破壞，避免孔內(nèi)事故發(fā)生[11]，同時又能保證下井、測試過程中整個管柱沒有鉆井液進入，解除鉆井液柱壓力影響，使測試層內(nèi)的流體進入測試器，進行取樣、測壓，甚至到達地面進行監(jiān)測。

當管柱及測試工具下入井內(nèi)，連接封隔器的支撐桿抵達井底后，封隔器在管柱自重壓力下開始膨脹，管柱重量達到6t時，封隔器循環(huán)閥剪切銷釘5(見圖2)被剪斷，內(nèi)筒滑動使鉆孔內(nèi)封隔器膠筒上下水或鉆井液隔離，同時封隔器循環(huán)閥泄流孔關(guān)閉，鉆孔內(nèi)介質(zhì)不再串通，當管柱重力達到8～9t時，封隔器完全坐封，一開井，內(nèi)外筒通過循環(huán)閥泄流孔導通卸壓(見圖3)，鉆孔封隔器下段鉆井液承壓狀態(tài)解除，一關(guān)井，測試層流體作用到測試閥下部電子壓力計上，按二開二關(guān)工作制度完成測試，井下電子壓力計自動記錄流體壓力和溫度隨時間變化的曲線。測試結(jié)束后，提升鉆具，封隔器膠筒又恢復到原始狀態(tài)，循環(huán)閥泄流孔再次打開，提升管柱后，取出壓力計，便可得到所測層段的壓力和溫度數(shù)據(jù)。

1—外筒，2—花鍵心軸，3—花鍵外筒，4—下接頭，5—剪切銷釘，6、7-密封圈圖2 封隔器循環(huán)閥坐封前Figure 2 Packer circulation valve before packer setting

圖3 封隔器循環(huán)閥坐封后Figure 3 Packer circulation valve after packer setting

2 DST試井應用

WY1井位于位于山西省沁水煤田中部，是一口煤系非常規(guī)天然氣參數(shù)井。該井井深為1 480.04m，測試目標層位為砂泥頁巖與煤混層II和砂泥頁巖層IV，測試段巖層數(shù)據(jù)見表1。

表1 測試層段數(shù)據(jù)簡表Table 1 Testing sector data statement

圖4 WY1-II測試層段地層柱狀圖Figure 4 Well WY1-II testing sector stratigraphic column

圖5 WY1-IV測試層段地層柱狀圖Figure 5 Well WY1-IV testing sector stratigraphic column

按照該井測試目的，對該井目標層進行DST測試，以獲取滲透率(K)、儲層壓力(Pi)、表皮系數(shù)(S)、及井儲系數(shù)(Cs)等儲層參數(shù)。

2.1 試井設備

測試所采用的試井設備包括以下幾部分。

地面設備：由井口裝置、壓力表、流量計、泡泡頭等組成。

電子壓力計：DDI-T-150系列存儲式電子壓力計。溫度量程：-25～150℃；壓力量程：0～70 MPa。

電子壓力計托筒

BT封隔器：長度：2.90 m；外徑：Φ200 mm。

震擊器：外徑Φ146 mm。

取樣器：外徑Φ127mm。

安全接頭：外徑Φ127mm。

安全密封：外徑Φ127mm。

MFE測試閥：外徑Φ127.0 mm。

鉆桿：外徑Φ127.0 mm。

分析軟件：PanSystem V3.3.0。

2.2 測試分析

2.2.1 WY1-Ⅱ數(shù)據(jù)分析

本測試層段深度1 305.48～1 336.20m，厚度30.72m。初開井5min，初關(guān)井3h，初關(guān)井靜壓為0.618MPa；二開井30分鐘，二關(guān)井5h結(jié)束，二次關(guān)井靜壓為0.606MPa，產(chǎn)量0.194 7m3/d，現(xiàn)場測試地層最高溫度為32.33℃，折算到測試層中部地層溫度為32.81℃。采用雙對數(shù)擬合和半對數(shù)擬合方法對二次關(guān)井數(shù)據(jù)進行試井分析，分析結(jié)果見表2，WY1-II層段DST測試壓力、溫度曲線如圖6所示。

圖6 WY1-II層段DST試井實測壓力、溫度曲線Figure 6 Well WY1-II sector DST testing measured pressure-temperature curve

2.2.2 WY1-Ⅳ數(shù)據(jù)分析

本測試層段深度1 394.12～1 410.04m，厚度15.92m。初開井5min，初關(guān)井3h，初關(guān)井靜壓為0.112MPa；二開井30min，二關(guān)井5h結(jié)束，二次關(guān)井靜壓為0.116MPa，現(xiàn)場測試地層最高溫度為34.09℃，折算到測試層中部地層溫度為34.38℃，產(chǎn)量極低，無法計算儲層滲透率，建議使用實驗室手段或其他測試手段測試滲透性，WY1-Ⅳ層段DST測試壓力、溫度曲線如圖7所示。

圖7 WY1-IV層段DST試井實測壓力、溫度曲線Figure 7 Well WY1-IV sector DST testing measured pressure-temperature curve

名稱滲透率k/10-3μm2儲層壓力Pi/MPa井筒儲集系數(shù)Cs/m3·MPa-1表皮系數(shù)S地層系數(shù)kh/10-3μm2·m流動系數(shù)/10-3μm2·m·mPa-1·s-1探測半徑Ri/m數(shù)值0.06150.6215.633e-41.09321.88901.92762.42

2.3 結(jié)果分析與討論

將DST試井測試成果與氣測錄井、采樣化驗成果進行分析比對，WY1-II層段試井測試成果如表2所示；WY1-IV層段，由于關(guān)井靜壓較小，產(chǎn)量極低，滲透率等儲層參數(shù)無法采用該法計算，測試結(jié)果表明WY1-II層段含氣性、滲透性較好，WY1-IV層段含氣量較低、滲透性較差。

從氣測錄井分析：WY1-II層段(圖4)，由全烴曲線可見該層段含煤地層氣測顯示活躍，屬富氣層，其它巖層有不同程度氣測顯示，屬含氣層，層段整體含氣性較好；WY1-IV層段(圖5)，巖性為泥頁巖、砂巖，有氣測顯示，但不明顯，屬含氣層，層段整體含氣量較低。

煤巖心采樣化驗結(jié)果顯示(據(jù)山西省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院測試)：WY1-II層段，煤心裂隙發(fā)育，平均含氣量21.03m3/t，泥頁巖、砂巖等巖心樣，裂隙不發(fā)育，巖心致密，平均含氣量0.25m3/t；WY1-IV層段，不含煤，泥頁巖、砂巖等巖心樣，裂隙不發(fā)育，巖心致密，平均含氣量0.26m3/t。

經(jīng)分析比對，該井WY1-II層段與WY1-IV層段DST試井測試結(jié)果與氣測錄井、煤巖心采樣化驗結(jié)果所反映的儲層特征具有一致性，同時，DST試井求取的儲層參數(shù)綜合了整個測試層段中煤、致密砂巖、泥頁巖等各含氣層的影響因素，是儲層整體滲流特征的真實表現(xiàn)。目前，利用該法所獲取儲層參數(shù)已應用于本井煤系“三氣”開發(fā)有利層段優(yōu)選，壓裂、排采方案設計，從排采情況看，WY1-II層段產(chǎn)氣效果較好。

3 結(jié)論

技術(shù)改進后的 DST試井方法具有操作方便，實用性強，試井設備、工具性能穩(wěn)定可靠，封隔器座封及解封、井下開關(guān)井等關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)易于控制等特點，適合煤系非常規(guī)天然氣儲層參數(shù)測試。

DST試井獲取的儲層參數(shù)能夠反映煤系非常規(guī)天然氣儲層真實滲流特征，可為煤系“三氣”資源選區(qū)評價、壓裂排采方案設計提供依據(jù)。

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