氣測錄井在南方頁巖氣黔綏地1井中的應用

王志剛， 薛倩冰， 吳紀修， 李 寬， 李鑫淼， 尹 浩， 李小洋

(中國地質科學院勘探技術研究所，河北 廊坊 065000)

隨著各國環(huán)保意識的不斷增強，對天然氣這種清潔能源的需求與日俱增，頁巖氣作為非常規(guī)新型清潔能源，受到了人們的廣泛關注。頁巖氣以賦存和游離狀態(tài)儲存于頁巖當中，在中國資源儲量巨大，但勘探開發(fā)卻遠落后于美國，仍處于起步階段，未實現(xiàn)完全的工業(yè)化開采。頁巖氣屬于致密氣，具有低孔隙度、低滲透率的特點，開采時須進行壓裂改造[1-7]?；陧搸r氣賦存及開采的特點，南方頁巖氣基礎地質調查雖為全井取心鉆探，但仍將氣測錄井作為重要錄井方式來幫助地質工作者劃分儲層，為南方頁巖氣評價提供基礎地質依據(jù)。氣測錄井是利用氣體檢測系統(tǒng)按一定的周期檢測分析通過鉆井液脫氣器從鉆井液中脫離出的烴類氣體含量的一種錄井方式，它能及時發(fā)現(xiàn)油氣顯示、預報井涌、井噴、氣侵，綜合評價儲集層，已經(jīng)在常規(guī)油氣勘探開發(fā)中得到了廣泛的應用[8]。

1 項目概況

黔北地區(qū)黔綏地1井由中國地質科學院勘探技術研究所承擔，井位位于貴州省遵義市綏陽縣太白鎮(zhèn)，目的是探明黔北桐梓地區(qū)地層結構，落實地層層序，標定物探資料地層界面，查明目標層(上奧陶統(tǒng)寶塔組、五峰組和下志留統(tǒng)龍馬溪組)特征，獲得目標層頁巖氣評價參數(shù)，力爭取得頁巖氣突破，為參數(shù)井部署提供真實可靠的地質資料。

在綜合考慮了鉆進取心工藝要求、施工成本以及交通運輸條件的基礎上，黔綏地1井對鉆探設備和器具進行了最優(yōu)化的配置。最終黔綏地1井選擇的鉆探設備如表1所示。

2 錄井傳感器安裝存在的問題及解決方法

2.1 錄井傳感器安裝存在的問題

表1 黔綏地1井配套的主要鉆探設備及其技術參數(shù)

黔綏地1井使用的鉆探設備為常用的地質巖心鉆探設備，與石油鉆井所使用的設備存在著很大的不同，而目前市場上主流的錄井傳感器主要適用于石油鉆井設備，還沒有一套專門適用于地質取心鉆探設備的錄井傳感器。黔綏地1井所使用的錄井傳感器在石油鉆井過程中已經(jīng)使用過多次，具有可靠的穩(wěn)定性，但在地質巖心鉆探設備上安裝時卻出現(xiàn)了很大的問題。

2.1.1 絞車傳感器安裝存在的問題

絞車傳感器在石油鉆井中安裝在大鉤鋼絲繩的絞車軸上，大鉤上下移動時，絞車軸也隨著轉動，傳感器根據(jù)自身內部的光電開關來獲的電脈沖信號，再經(jīng)過計算確定大鉤的高度變化，得到當前的鉆井深度。而黔綏地1井所使用的巖心鉆機沒有絞車，只有卷揚機且為橫向布置，左右都沒有外露的轉動軸，絞車傳感器沒有位置進行安裝，且大鉤鋼絲繩在卷揚機上的分布為不規(guī)律分布，無法準確確定卷揚機上鋼絲繩纏繞的圈數(shù)，所以現(xiàn)場所使用的巖心鉆機不具備安裝絞車傳感器的必要條件。

2.1.2 懸重傳感器安裝存在的問題

懸重傳感器也是壓力傳感器，主要用來測量大鉤負荷，根據(jù)大鉤的負荷來判斷解卡還是坐卡，解卡意味著正在下鉆或者鉆進，坐卡意味著提鉆或者不再鉆進，配合絞車傳感器來準確確定某一時刻的鉆井井深。在石油鉆井設備上安裝時是將懸重傳感器的快速接頭與井架死繩固定器的快速接頭進行對接即可。但是黔綏地1井使用的巖心鉆機的大鉤鋼絲繩固定端無死繩固定器，且?guī)r心鉆機上無其它壓力接口可以安裝懸重傳感器。

2.1.3 泵沖傳感器安裝存在的問題

泵沖傳感器在石油鉆井中安裝在泥漿泵頭拉桿上，在安裝時用卡子將傳感器固定在合適的位置，然后調整傳感器的固定螺母使傳感器的端面與被測拉桿的感應面接近。接通電源后，當感應體與傳感器端面接近后，指示燈亮；遠離時，指使燈滅。這兩種信號經(jīng)過計算分析后轉變?yōu)楸脹_數(shù)。黔綏地1井使用的泥漿泵為臥式三缸單作用活塞往復式泥漿泵，如果按照石油泥漿泵安裝要求進行安裝將無法進行安裝。

2.2 解決方法

2.2.1 絞車傳感器安裝的解決方法

巖心鉆機自身的卷揚機不具備安裝絞車傳感器的條件，但井深是氣測錄井不可或缺的重要參數(shù)，為了解決氣測錄井中的井深問題，首先想到解決辦法是用手擰動絞車傳感器，在機臺上安裝攝像頭，對準鉆機立軸，巖心鉆機立軸每次鉆進進尺是50 cm，通過攝像頭觀察立軸鉆進進度，每鉆進50 cm，對應的擰動絞車傳感器使錄井軟件顯示井深加深50 cm，這種解決方案雖然解決了井深問題，但是全是人工在進行操作，錄井時需值班人員一絲不茍，準確無誤地轉動絞車傳感器，否則就會出現(xiàn)連續(xù)幾米的錄井數(shù)據(jù)都相同的問題，大大增加了值班人員的工作量，且在采用這種方法錄井幾十米后發(fā)現(xiàn)，誤差很大，不適宜采用。經(jīng)過仔細分析巖心鉆機鉆進工藝后，決定制作模擬絞車(見圖1)來安裝絞車傳感器。

圖1 模擬絞車

模擬絞車的結構主要包括鋼絲繩部分、轉動軸部分、滾筒部分和彈簧部分。鋼絲繩懸掛到立軸鉆機主動鉆桿上接的提引器上，在鉆進的過程中，主動鉆桿連接提引器下行，鋼絲繩也跟著下行，從而拉動滾筒轉動，滾筒轉動后會帶動絞車傳感器轉動，絞車傳感器根據(jù)自身獲得的脈沖信號來計算井深。采用模擬絞車可以實現(xiàn)絞車傳感器的自動化識別，減輕錄井值班人員的工作量和壓力，使錄井存盤數(shù)據(jù)更加準確。不過在應用過程中發(fā)現(xiàn)，采用模擬絞車雖然實現(xiàn)了絞車傳感器識別的自動化，但是巖心鉆機在接單桿時使用的是另外的提引器來接單桿，在接單桿并下放3 m的這個過程中，由于模擬絞車彈簧彈性范圍的限制，鋼絲繩還一直懸掛在主動鉆桿的提引器上，也就是說接單桿下放這3 m絞車傳感器識別不到，因此必須采用人為的在鉆頭位置處加3 m才能跟上實時井深，所以該方法也不能完全實現(xiàn)自動化錄井。該解決方法雖然存在一定的缺陷，但是目前地質巖心鉆探氣測錄井解決井深最好的辦法。

2.2.2 懸重傳感器安裝的解決方法

懸重傳感器是配合絞車傳感器一起使用的，使用懸重傳感器的目的是確定坐卡還是解卡，巖心鉆機不具備安裝懸重傳感器的位置，經(jīng)過研究采取的解決方法是采用開關來代替懸重傳感器，開關打開代表已經(jīng)解卡，開關關閉代表已經(jīng)坐卡，開關通過信號線連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過開關的狀態(tài)來判斷坐卡還是解卡，一旦坐卡，機臺工作人員就將開關關閉，數(shù)據(jù)系統(tǒng)就會認為已經(jīng)坐卡，這時絞車怎么轉動井深都不會再增加，一旦解卡，機臺工作人員就將開關打開。

2.2.3 泵沖傳感器安裝的解決方法

泵沖傳感器只能安裝在臥式三缸單作用活塞往復式泥漿泵皮帶輪保護罩上，在保護罩上焊接一塊鐵塊用來固定泵沖傳感器，在皮帶輪上的螺絲上固定一根較長的鐵絲，調節(jié)泵沖傳感器使傳感器端面與鐵絲的距離在不影響轉動的情況下盡可能的接近，當鐵絲轉動一圈從傳感器端面經(jīng)過時，傳感器指示燈亮，當鐵絲轉動離開時，傳感器指示燈滅。泵沖傳感器安裝好以后，手持秒表站在泵旁數(shù)活塞來回1 min運動次數(shù)對泵沖傳感器進行標定。

3 儲集層對氣測錄井的影響

儲集層的厚度、含氣飽和度、滲透率和地層壓力等因素都是氣測顯示的重要影響因素[9-10]。儲集層厚度的大小，決定了經(jīng)過鉆頭破碎地層后釋放出來氣體的多少，在色譜儀上表現(xiàn)為氣體的“充裕”與否，厚度越大的含氣層越容易被識別；含氣飽和度決定了儲層中氣量的多少，這直接關系到氣測色譜儀測得的氣體百分含量的多少；滲透率代表著流體在地層中的流動性，滲透率越好，氣體越容易進入鉆井液當中，氣測顯示越好，滲透率越低氣體不容易流動，難以進入鉆井液，則氣測顯示越差；地層壓力決定了氣體進入鉆井液中的速度和流量，通常情況下地層壓力越大，氣測顯示越好。

黔綏地1井全井氣測顯示較好的層段有兩段，分別是1095～1101 m志留系新灘組泥質粉砂巖和1131～1141 m龍馬溪組炭質頁巖。第一段儲層的厚度為6 m，第二段儲層的厚度為10 m，在氣測顯示的持續(xù)時間上第二段要比第一段長，如圖2和圖3所示。兩段儲層的含氣飽和度和地層壓力基本一致，所以這兩個因素對氣測顯示的影響基本沒有區(qū)別。而頁巖氣儲集在致密的頁巖當中，地層滲透率極低，在一定程度上也影響了黔綏地1井的氣測顯示。

圖2井深1095～1101 m氣測特征曲線

4 鉆井液性能對氣測錄井的影響

鉆井液對氣測錄井的影響主要有3個方面，分別是鉆井液柱壓力、鉆井液粘度和鉆井液混油。黔綏地1井為了保證錄井的質量采取的是近平衡鉆井液工藝技術，鉆井液液柱壓力和地層壓力基本平衡，保證了鉆井液中的進氣量。黔綏地1井各開次鉆井液性能表如表2所示。鉆井液為水基鉆井液，以清水為主，添加了膨潤土、聚丙烯酰胺(PAM)、純堿、高粘羧甲基纖維素、磺化瀝青防塌護壁劑、多元共聚物、腐植酸鉀和褐煤樹。該鉆井液配方具有防滲漏、抑制頁巖水化、護壁、潤滑以及攜砂能力強的特點。

表2 各開次鉆井液性能參數(shù)

圖3 井深1131～1141 m氣測特征曲線

鉆井液中加入的聚丙烯酰胺(PAM)和高粘羧甲基纖維素具有很強的增粘性及聚合性，加入這兩種物質后，鉆井液粘度上升很快，流動性逐漸變差，出現(xiàn)絮凝狀態(tài)，但不會形成沉淀，使用工具對鉆井液進行攪拌、挑動時，會有很長的絲狀物形成。脫氣器很難對這樣的鉆井液進行液氣分離，導致了氣測甲烷含量較低。同時鉆井液中形成的絲狀物質很容易進入到氣管當中，造成管線的堵塞，影響氣測結果。

同時，黔綏地1井使用的XY-6N立軸鉆機在鉆進過程中發(fā)現(xiàn)有潤滑油滲漏，滲漏的潤滑油與鉆井液混合后，經(jīng)過脫氣器進入到進氣管線中，使得黔綏地1井氣測錄井重烴含量上升。后經(jīng)過維修，鉆機不再漏油，氣測重烴含量幾乎為零。

5 鉆井工程對氣測錄井的影響

5.1 鉆頭的影響

頁巖氣儲集在致密的頁巖當中，在開采的過程需要大規(guī)模的水力壓裂才能進行開采，石油鉆井采用的是全面鉆井工藝，使用的鉆頭為牙輪鉆頭等全面鉆頭，破碎巖石的面積大，產生的破碎氣相對比較多，而黔綏地1井為全孔取心，使用的是金剛石取心鉆頭，鉆進時保留巖石的中心部分，巖石破碎面積只有鉆頭內外表面面積之差大小，碎巖面積非常小，頁巖氣開采尚需要壓裂才能將氣體釋放出來，何況如此小的破巖面積，釋放出來的氣體極少，這也是造成黔綏地1井氣測數(shù)值較低的一個重要原因。同時采用金剛石取心鉆頭及配套鉆具還給黔綏地1井的氣測錄井帶來了另一個困擾，無法測量遲到時間。如果投入較大的碎塊標志物進行遲到時間測量，則很容易造成卡鉆，發(fā)生鉆井事故。

5.2 取心工藝的影響

黔綏地1井采取的是繩索取心鉆進工藝，為全孔取心。這與常規(guī)的油氣鉆井工藝有很大區(qū)別，常規(guī)油氣井鉆進過程中，如無特殊情況，在鉆進過程中需要停泵的時間，只有接單根的這一段時間，而繩索取心鉆進除了接單桿需要停泵外，投擲打撈器、上提巖心管以及投入內管的過程都需要停泵，并且隨著井深的加深所花費的取心時間也會不斷增加。所以在黔綏地1井氣測錄井當中出現(xiàn)了許多的時間斷點。同時停泵時間越長，進入孔內靜止鉆井液中的氣體越多，重新開泵循環(huán)鉆井液后會出現(xiàn)后效氣測假異?，F(xiàn)象。再加上打撈和投入巖心管時，會產生抽汲和“激動”壓力，造成環(huán)空鉆井液涌出井口，在氣測錄井數(shù)據(jù)上出現(xiàn)新的時間斷點。由于繩索取心工藝因素所引起的時間斷點和后效氣測假異?，F(xiàn)象給后期的氣測解釋帶來了很大的難度。

5.3 鉆時的影響

鉆時越小，鉆進速度越快，意味著單位時間內破碎的巖石越多，在目的層進入鉆井液的氣體就越多，反映在錄井軟件上則為氣測錄井值較高。如果鉆時越大則氣測錄井值越小。黔綏地1井在鉆進到900 m后出現(xiàn)了較大井斜，經(jīng)過糾斜以后正常鉆進，但是在該位置產生了一個“大肚子”，容易產生斷鉆桿、粘附卡鉆等井內事故，因此對900 m以深井段的鉆進速度產生了較大影響，使得鉆時增大，對氣測錄井值產生了一定的影響。

5.4 鉆井液排量的影響

鉆井液排量越大，單位體積鉆井液所攜帶的氣體多，鉆井液上返速度快，氣測錄井全烴值就越高；相反，如果鉆井液排量越小，單位體積鉆井液所攜帶的氣體就越少，上返速度慢，氣測錄井全烴值越低。鉆井液排量的大小直接由泵的排量來決定。黔綏地1井設計井深為1700 m，終孔直徑為95 mm，由于井徑較小，且全孔取心碎巖所產生的巖屑非常少，所以采用的泥漿泵型號為NBB-260/7A，該泥漿泵有3個擋位，流量范圍：35～260 L/min；壓力：7/10 MPa。

在繩索取心鉆進過程中，由于泥漿泵的排量低，鉆井液上返速度低，所以泥漿泵對氣測錄井的影響主要體現(xiàn)在鉆井液遲到時間上。黔綏地1井進入目的層以后，受井深和井斜的影響，每鉆進3 m花費時間平均都在50 min以上，而鉆井液遲到時間最小不低于30 min，最大甚至達到了50 min。所以在進行回次鉆進時采集的氣測錄井數(shù)據(jù)只是回次上部不到1.2 m的數(shù)據(jù)，而剩余的其他鉆井液仍然停留在井內沒有上返出來，這樣的錄井數(shù)據(jù)是不能準確反應地層含氣量的。

6 脫氣器對氣測錄井的影響

氣體主要是通過脫氣器的分離，才進入到氣體輸送管線當中[11]。黔綏地1井選用的脫氣器是非恒量脫氣器，主要的影響因素是槽內鉆井液液面高度的變化。黔綏地1井有多井段是漏失性上返，所以槽內鉆井液在正常井段時較多，在漏失性井段時較少，雖然現(xiàn)場錄井人員在錄井過程中發(fā)現(xiàn)了這個情況，對脫氣器高度進行了調節(jié)，但是由于調節(jié)不及時，使得在漏失性井段脫氣器距離液面高度較高，脫氣器分離氣體較少，氣測值較低，而在正常井段，由于槽內鉆井液液面較高，錄井人員沒有及時調高脫氣器，使得鉆井液被抽進進氣管線使管線堵塞，氣測值降低。同時黔綏地1井采用的脫氣器在高度調節(jié)上采用的是調節(jié)螺絲柱的高低來實現(xiàn)，由于脫氣器一直在不斷的震動，很容易產生下滑，而錄井人員沒有及時發(fā)現(xiàn)也出現(xiàn)了鉆井液堵塞進氣管線的情況，對氣測值產生了很大的影響。

7 結論

(1)氣測錄井已經(jīng)在常規(guī)油氣鉆井中得到了廣泛的應用，取得了非常不錯的效果。在最近幾年作為一門輔助手段應用到了巖心鉆探當中。多一門成熟的技術應用到巖心鉆探對于巖心鉆探事業(yè)的發(fā)展十分有利，但是氣測錄井在巖心鉆探中的應用有一個很大的問題一直沒有得到解決，那就是如何進行傳感器安裝。地質巖心鉆探設備目前最常采用的設備是立軸鉆機，與石油鉆探設備有很大的區(qū)別，目前所有市場上應用的錄井傳感器針對的主要為石油鉆井設備，還沒有一套專門針對地質取心鉆探設備的傳感器，因此限制了氣測錄井在地質巖心鉆探中的推廣和應用。

(2)氣測錄井在黔綏地1井得到了成功應用，雖然在錄井過程中還沒有完全實現(xiàn)自動控制，但是通過加工模擬絞車來實現(xiàn)絞車傳感器的安裝，安裝開關來代替懸重傳感器的安裝，將泵沖傳感器安裝到皮帶輪保護罩上等解決方法，基本實現(xiàn)了自動控制，解決了一直困擾錄井傳感器安裝到地質巖心鉆探設備上的一個大難題，提高了氣測錄井在地質巖心鉆探中使用的準確度，為地質層序和地層界面的劃定提供了有利的技術支撐。

(3)在黔綏地1井錄井過程中，我們發(fā)現(xiàn)了許多對氣測結果產生影響的因素，既有儲集層因素的影響，也有鉆井液、鉆井工程和脫氣器的影響。其中儲集層因素是不可改變的；鉆井液因素主要是因為地質鉆探缺乏專業(yè)的泥漿工程師，再加上氣測錄井才開始應用到地質鉆探當中，現(xiàn)場工作人員認識不足，通過后期引進泥漿工程師，可以在一定程度上消除該因素的影響；地質鉆探鉆井工程具有很大的特殊性，在短時間內不能夠消除該因素對氣測錄井的影響；脫氣器對氣測錄井的影響，與現(xiàn)場錄井人員能否及時進行高度調節(jié)有關，所以通過對現(xiàn)場工作人員的培訓可以很大程度上消除該因素的影響。