枯竭砂巖氣藏型儲氣庫錄井關(guān)鍵技術(shù)研究—以文23儲氣庫為例

王志戰(zhàn)

（1.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，北京 100101；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101）

地下儲氣庫是將長輸管道輸送的天然氣重新注入地下空間而形成的一種人工氣田或氣藏[1]，在天然氣供應(yīng)鏈中發(fā)揮著天然氣調(diào)峰、安全保供、管網(wǎng)平衡優(yōu)化等重要作用[2-3]。地下儲氣庫主要有氣藏型[4-5]、含水層型[6]、鹽穴型[7-8]、油藏型[9]、巖洞及廢棄礦井型[10]等類型，其中枯竭氣藏型數(shù)量最多。例如，中國石化在建的全國最大儲氣庫—文23儲氣庫便是枯竭砂巖氣藏型儲氣庫[11]，該儲氣庫以沙三段鹽膏層為封閉層，以沙四段砂巖為儲氣層。文23氣田經(jīng)過30余年的開發(fā)，已處于枯竭狀態(tài)，主塊地層壓力由原始狀態(tài)的38.6～39.2 MPa降至3.0～4.0 MPa，壓力系數(shù)由1.30～1.35降至0.10～0.60。而儲氣庫注采氣井多為大斜度井，低壓易漏[12]、鹽膏層段固井質(zhì)量難以保證[13]是面臨的主要鉆井難題[14]。因此，儲氣庫建設(shè)的關(guān)鍵是，要具有完整的封閉系統(tǒng)，主要包括蓋層封閉性、斷層封閉性和井筒封閉完整性3方面。與之相關(guān)的問題，國內(nèi)已有學(xué)者做了一些研究：孟祥杰等人[15]采取靜態(tài)評價與動態(tài)評價相結(jié)合的方法，確定冀中坳陷大5目標含水層構(gòu)造改建地下儲氣庫的蓋層封閉能力良好；馬小明等人[16]采用定性與定量相結(jié)合的判別方法，確定板南地下儲氣庫的斷層具有良好的封閉性；彭平等人[17]從蓋層、斷層、裂縫、溢出點、儲層底板和井筒完整性等方面，建立了完整的儲氣庫封閉性評價體系，并認為克拉2氣田改建儲氣庫可行。這些研究主要是從儲氣庫選址的角度進行封閉性評價，沒有充分利用前期勘探開發(fā)井的鉆井井漏、油氣顯示等資料。儲氣庫的封閉性評價包括鉆前選址和鉆井完井過程2大環(huán)節(jié)，錄井主要是在注采氣井的鉆井過程中，充分利用鉆井錄井資料及前期勘探開發(fā)資料，全面評價蓋層封閉性、斷層及裂縫封閉性，并為井筒封閉完整性提供強有力的技術(shù)支持。因此，筆者以文23儲氣庫為例，建立了沙三段鹽膏層斷缺條件下的蓋層識別與評價方法，形成了基于鉆井液出口流量曲線變化形態(tài)的井漏原因判別模式和斷層封閉性評價方法，并建立了在沙三段鹽膏層發(fā)育和斷缺2種條件下鉆穿蓋層底界5.00～10.00 m卡準中完井深的方法，這些方法構(gòu)成了枯竭砂巖氣藏型儲氣庫錄井關(guān)鍵技術(shù)。

1 枯竭砂巖氣藏型儲氣庫的錄井需求

儲氣庫庫址評價與優(yōu)選是儲氣庫建設(shè)面臨的首要問題[18-19]，儲氣庫體系通常包括地下油氣藏、注采氣井、觀察井、集輸系統(tǒng)、壓縮機、計量設(shè)備、脫水裝置以及外輸管道[20]。錄井是在選定儲氣庫庫址后，注采氣井鉆井過程中的一項石油工程技術(shù)?？萁邭獠匦蛢鈳旖ㄔO(shè)利用的是油氣開發(fā)程度較高、地層孔隙壓力已大幅度降低的地層，相比于油氣勘探開發(fā)井，錄井的核心任務(wù)發(fā)生了重大變化，建立地層柱狀剖面、發(fā)現(xiàn)油氣顯示、進行地層壓力隨鉆預(yù)監(jiān)測及溢流預(yù)警已不再是錄井的主要任務(wù)。

我國的第一座地下儲氣庫始建于1996年[21]，迄今在建和已建成的儲氣庫至少有26座[11-22]，但已發(fā)表的關(guān)于錄井的論文僅見1篇，且是研究中完卡層的[13]。文23儲氣庫錄井主要包括巖屑錄井、元素錄井和綜合錄井，其中綜合錄井包括鉆時錄井、氣測錄井、工程參數(shù)及鉆井液參數(shù)錄井3項。可見，儲氣庫錄井的主要任務(wù)有2項：一是為鉆井完井工程服務(wù)，二是為儲氣庫密封完整性服務(wù)，二者相輔相成。

2 儲氣庫錄井關(guān)鍵技術(shù)

儲氣庫錄井的技術(shù)關(guān)鍵是：1）充分利用注采氣井的鉆井錄井資料及前期的勘探開發(fā)資料，準確識別蓋層的巖性和厚度，評價蓋層封閉的有效性；2）準確發(fā)現(xiàn)井漏，判別井漏原因，評價蓋層中的斷層、裂縫封閉性；3）及時卡準中完井深，為優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)及提高井筒封閉完整性提供技術(shù)支撐。其中，蓋層、斷層及裂縫的封閉性已經(jīng)在儲氣庫選址階段進行了論證，因此，錄井的作用是在鉆井過程中進行更為細致的評價或驗證，避免出現(xiàn)不封閉的情況。

2.1 蓋層封閉性評價

文23儲氣庫蓋層的巖性主要為鹽巖、膏巖、泥巖及過渡巖性。通過錄井現(xiàn)場識別蓋層巖性的主要手段有3種：1）巖屑錄井，基于肉眼的觀察與描述；2）X射線熒光（XRF）元素錄井或X射線衍射（XRD）礦物錄井；3）出、入口電導(dǎo)率錄井[23]。鹽巖的主要成分是NaCl、KCl，鹽巖被鉆頭破碎后，在井筒條件下常常會溶解在鉆井液中，通過巖屑錄井難以發(fā)現(xiàn)，XRF的Na、Cl等元素特征也不明顯，只能以出、入口電導(dǎo)率急劇升高作為識別鹽膏層的主要特征。對于膏質(zhì)巖類，巖屑錄井能夠見到白色的石膏，XRF錄井S元素的含量明顯高于基值。

用巖屑XRF元素錄井中的Cl代表鹽巖類，S代表膏巖類，Al代表泥巖類，在鹽膏層發(fā)育段，三者含量之和（記為ω(Cl+S+Al)）占元素含量總和（記為Σω(Ei)）的百分數(shù)連續(xù)10.00 m以上大于25%為有效蓋層；在鹽膏層欠發(fā)育（斷缺）段，三者含量之和占元素含量總和的百分數(shù)連續(xù)25.00 m以上大于20%為有效蓋層[24]，結(jié)果見表1。如儲3-6井，沙三段鹽膏層斷缺，測井解釋為不含膏，難以確定該井是否存在蓋層，但通過巖屑錄井及XRF錄井測得的S元素含量得知，2 700.00～2 780.00 m井段具有明顯的含膏特征（見圖1），2 676.50～2 725.00 m和2 734.00～2 779.00 m井段Cl，S和Al元素含量之和占元素含量總和的百分數(shù)均超過20%，表明存在有效蓋層。同樣沙三段鹽膏層斷缺的鄰井Xw103井，通過錄井在沙四段2 756.00～2 991.40 m井段發(fā)現(xiàn)51層（總厚度1 33.00 m）有含氣顯示，通過測井解釋沙四段2 754.10～3 030.30 m井段存在82層氣層（總厚度189.90 m），表明存在蓋層，且具有很好的封閉性。因此，蓋層封閉性評價需要將巖性錄井（巖屑+XRF）與鄰井鉆井時的油氣顯示情況結(jié)合起來分析，尤其是在溢出點、斷層帶附近的井，鄰井油氣顯示等資料是評價蓋層封閉性的有力證據(jù)。

表1 基于元素錄井的文23儲氣庫有效蓋層評價標準Table 1 Elemental mud logging-based effective caprock evaluation criteria for Wen 23 Gas Storage

圖1 儲3-6井蓋層評價結(jié)果Fig.1 Evaluation results of the caprock in Well Chu 3-6

2.2 斷層封閉性評價

對于枯竭氣藏型儲氣庫，通過錄井識別斷層時主要從3方面判別：1）非工程因素（雙泵變單泵、變閥門數(shù)）導(dǎo)致的鉆井液出口流量、鉆井液池液面等工程參數(shù)突然降低，指示鉆遇斷層、張裂縫或不整合面而發(fā)生井漏，將發(fā)生井漏的層位、深度與井區(qū)頂面構(gòu)造圖、油藏剖面圖、地層剖面圖相結(jié)合可進一步做出準確判別；2）氣測全烴、甲烷含量突然降低，意味著鉆遇斷層或裂縫，這是因為鉆井液返出量降低或失返，且裂縫中的氣體在前期開發(fā)過程中更容易被采出；3）特征元素曲線形態(tài)重復(fù)出現(xiàn)，指示鉆遇逆斷層，并可根據(jù)重復(fù)間距計算斷層斷距。對封閉性有影響的主要是正斷層。

2.2.1 井漏原因判別

根據(jù)鉆井液出口流量曲線的變化形態(tài)，可以將井漏原因判別模式分為天然張裂縫、誘導(dǎo)縫、基質(zhì)滲透性漏失和失返性漏失4種，如圖2所示[25]。文23儲氣庫注采井在鉆進沙三段鹽膏層上部地層、鹽間地層和下部地層時井漏較為頻繁，由于文23儲氣庫是枯竭氣藏型儲氣庫，容易憑感覺將井漏原因歸結(jié)為地層壓力虧空，但其為砂巖儲層，孔隙度為8.80%～13.86%，滲透率為0.27～17.10 mD，壓力虧空導(dǎo)致的漏失應(yīng)該為基質(zhì)滲透性漏失，鉆井液出口流量曲線具有先緩慢下降、過了漏失層后再緩慢抬升的形態(tài)特征（見圖2（c））；沙三段鹽膏層上部地層和下部地層發(fā)生井漏時，其出口流量曲線主要為天然張裂縫模式（見圖2（a））或失返性漏失（見圖2（d））模式，說明是鉆遇張裂縫或斷層所致；而且，文23氣田開發(fā)初期氣井鉆井過程中也常常發(fā)生井漏，儲氣庫注采井與鄰井井漏發(fā)生的深度具有較好的一致性，且都分布在斷層附近。

2.2.2 斷層封閉性判別

圖2 基于出口流量曲線的井漏原因判別模式Fig.2 Outlet flowrate curve-based well leakage discrimination modes

斷層是影響儲氣庫封閉性的重要因素[16]。沙四段氣藏是在基巖隆起背景上繼承性發(fā)育并被斷層復(fù)雜化的背斜構(gòu)造。文23氣田斷層按其級別大小及所起的作用可分為邊界斷層、分塊斷層和斷塊區(qū)內(nèi)部小斷層3大類。各級斷層的封閉性不一致，邊界斷層和分塊斷層封閉性均較好，內(nèi)部小斷層中有少數(shù)也具有封閉性。沙三段鹽膏層的上部及下部斷層，大多沒有斷穿沙三段鹽膏層，對蓋層的封閉性沒有影響，所以在鉆井過程中需要高度重視沙三段鹽膏層鉆進過程中發(fā)生的井漏。如儲4-4井，現(xiàn)場描述為“自從轉(zhuǎn)為密度1.42 kg/L的飽和鹽水鉆井液鉆進后，2 040.00 m～2 810.00 m（中完井深）井段，一直存在滲漏現(xiàn)象，下鉆到底開泵初期比較嚴重，最大漏速10 m3/h”，并將漏失原因歸結(jié)為鉆遇“斷層、地層交界面”，但出口流量曲線與泵沖有較好的對應(yīng)關(guān)系（見圖3（a）），說明曲線形態(tài)的變化是由工程因素引起的，而非地層因素引發(fā)井漏產(chǎn)生的；儲4-4井的鄰井W23-1井，于2 766.10～3 017.10 m井段累計采氣11.351 46 × 108m3（見圖3（b）），證明其蓋層具有良好的封閉性。

圖3 儲4-4井的錄井剖面與油藏剖面Fig.3 Mud logging profile and reservoir profile of Well Chu 4-4

2.3 提高井筒完整性

井筒完整性的主要影響因素是蓋層及蓋層井段的固井質(zhì)量，而固井質(zhì)量與井身結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。文23儲氣庫注采井采用三開井身結(jié)構(gòu)，要求二開鉆至沙三段鹽膏層底界以深50.00 m。很多井鉆穿沙三段鹽膏層即進入沙四段砂層，沙四段砂層自上而下分為8個砂層組，其中1—2砂層組物性相對較差，3—8砂層組作為儲氣庫的主要儲層，由于二開固井質(zhì)量不理想[13]，鉆井工程人員希望二開鉆穿鹽膏層底界的井段越短越好，最好能控制在5.00 m或10.00 m以內(nèi)。文23儲氣庫的蓋層分為沙三段鹽膏層發(fā)育與斷缺2種類型，從XRF元素特征來看，沙三段鹽膏層發(fā)育段的鹽間地層具有明顯的高含S（≥8.0%）、低含Al（≤5.5%）、低含Si（≤14.0%）的特征，而鹽下地層則具有相反的特征（見圖4）。沙三段鹽膏層斷缺井段，鹽間地層與鹽下地層的Si、Al特征并不明顯，在刻度相同的情況下，通過S元素含量降低與Si元素含量增高的曲線交叉點，可以有效識別沙三段鹽膏層的底界。如儲3-6井，其典型特征是S元素含量驟降，在4.00 m范圍內(nèi)從11.16%降至4.97%；而Si元素含量陡升，在4.00 m范圍內(nèi)從9.31%升至16.66%，由此可以確定沙三段鹽膏層的底界為2 772.00 m（見圖1（b））。因此，無論沙三段鹽膏層發(fā)育還是斷缺，均可在沙三段鹽膏層底界以深4.00～10.00 m范圍內(nèi)卡準中完井深，若將巖屑取樣間距由2.00 m改為1.00 m，則可進一步縮短鉆出沙三段鹽膏層底界的距離。

圖4 沙三段鹽膏層發(fā)育段鹽間與鹽下地層的元素特征Fig.4 Elemental characteristics of the inter-salt and presalt strata in the salt-gypsum interval of Es3 Member

3 應(yīng)用實例

文23儲氣庫一期工程部署了66口注采氣井，在取全取準錄井資料的同時，全面評價了蓋層封閉及斷層、裂縫封閉的有效性，并卡準鹽膏層底界，為提高井筒封閉完整性提供了有力的技術(shù)支撐。如儲2-11井，沙三段鹽膏層較為發(fā)育，通過S和Si元素曲線的交叉點，確定沙三段鹽膏層的底界深度為2 772.00 m，該深度位于現(xiàn)場錄井描述的最后一個鹽層底界（2 662.00 m）之下10.00 m，由于留的口袋較短，中完測井探不出鹽膏層的底界。根據(jù)沙三段鹽膏層發(fā)育的蓋層評價標準（見表1），確定具有封閉性的蓋層為2 550.00～2 777.00 m井段（見圖5（a）），厚度達227.00 m。該井北偏東方向的文23-22井附近（見圖6），沙三段鹽膏層斷缺，擔心存在溢出點，但文23-22井2 738.00～2 939.00 m井段累計產(chǎn)氣8 788.7×108m3，證明存在有效蓋層，側(cè)向也是封堵的。該井出口流量曲線發(fā)生3次顯著變化（見圖5（b）），井深2 712.00 m處的突降是閥門數(shù)量變化引起的，井深2 806.00 m處的突降是雙泵變單泵引起的，井深2 956.00 m處發(fā)生了漏失，共漏失100 m3密度0.96 kg/L的鉆井液，根據(jù)出口流量曲線形態(tài)，判斷為鉆遇砂體內(nèi)的斷層或張裂縫所致（見圖2（a）），對蓋層的封閉性沒有影響。因此，該井沙四段儲氣層的頂部、側(cè)向都是封閉的，準確的中完井深卡取也為提高井筒封閉性提供了有力支撐。

圖5 儲2-11井錄井剖面Fig.5 Mud logging profile of Well Chu 2-11

4 結(jié) 論

1）枯竭砂巖氣藏儲氣庫錄井的技術(shù)關(guān)鍵是在保障鉆井安全的同時，從蓋層封閉性、斷層封閉性及井筒完整性3個角度全面評價儲氣庫的井筒封閉性，并提供相應(yīng)的技術(shù)支持。

2）高度重視井漏，準確判別井漏原因，并結(jié)合早期鄰井的鉆井工程異常、油氣顯示等資料，可有效評價蓋層段斷層、裂縫的封閉性。

3）通過XRF錄井的特征元素及元素比值并結(jié)合巖屑實物錄井，可有效識別蓋層的巖性，并準確卡準蓋層的底界深度，為井筒完整性評價提供有力的技術(shù)支撐。

圖6 儲2-11井油藏剖面Fig.6 Reservoir profile of Well Chu 2-11

致謝：在論文撰寫過程中，得到了中國石化石油工程技術(shù)研究院劉江濤、吳海燕及中石化中原石油工程有限公司陳棟、孟韶彬等人的大力支持，在此一并致謝！