朱柏宇 陳恭洋 毛 敏 程樂利 楊 毅 袁勝斌
(①長(zhǎng)江大學(xué)錄井技術(shù)與工程研究院;②中法渤海地質(zhì)服務(wù)有限公司)
錄井——傳統(tǒng)上被譽(yù)為“地質(zhì)學(xué)家的眼睛”,能在隨鉆過程中實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)油氣層、建立地層剖面。近年來,隨著油氣勘探開發(fā)逐步走向非常規(guī)、走向深層、走向海洋,錄井工藝技術(shù)取得了全面、迅速的發(fā)展,同時(shí)也給錄井相關(guān)理論與技術(shù)升級(jí)帶來了新的挑戰(zhàn)[1-4]?!颁浘畬W(xué)”的源頭是石油地質(zhì)相關(guān)理論,其核心是信息技術(shù)在井筒中的應(yīng)用,即“井筒信息開發(fā)理論”,主要包括井筒信息數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)應(yīng)用及信息軟件技術(shù),涉及學(xué)科包含了地質(zhì)-物理/化學(xué)-油氣井工程基礎(chǔ)原理、測(cè)量方法和儀器、應(yīng)用方法和資料處理解釋三大部分[5-6]。長(zhǎng)期以來,錄井基礎(chǔ)理論發(fā)展受到涉及學(xué)科廣、行業(yè)定位模糊、宏觀指導(dǎo)缺乏等因素的影響,制約了錄井技術(shù)發(fā)展[7-10]。
錄井信息評(píng)價(jià)的精準(zhǔn)程度將取決于錄井采集信息還原的本真程度,而信息的還原受井筒信息演化機(jī)理、碎巖機(jī)理等基礎(chǔ)理論認(rèn)識(shí)的限制[11-13]。建立一套有效的實(shí)驗(yàn)?zāi)M平臺(tái)既是解決錄井基礎(chǔ)理論發(fā)展的支撐點(diǎn),也是錄井資料高效采集、精準(zhǔn)解釋的必由之路。長(zhǎng)江大學(xué)于2011年開設(shè)錄井技術(shù)與工程專業(yè),在2015年成立錄井技術(shù)與工程研究院,經(jīng)過十年的發(fā)展,目前形成了一套多學(xué)科交叉的地質(zhì)、工程一體化專家和學(xué)者隊(duì)伍,建立了一系列錄井技術(shù)科研平臺(tái),產(chǎn)出了大量錄井技術(shù)相關(guān)基礎(chǔ)成果[14-15]。本文將以錄井基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)與應(yīng)用為重點(diǎn),拋磚引玉,論述長(zhǎng)江大學(xué)錄井技術(shù)與工程研究院近年來的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)M方法與平臺(tái)建設(shè)成果,探討錄井基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的發(fā)展方向,供錄井界同仁參考指正。
錄井基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)作為錄井技術(shù)的一部分,其基礎(chǔ)屬性仍是要面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)需求的,這樣所做出的基礎(chǔ)理論在市場(chǎng)上才具有生命力。近年來,我國(guó)錄井技術(shù)特別是信息采集技術(shù)實(shí)現(xiàn)了由“點(diǎn)”到“面”的轉(zhuǎn)變,填補(bǔ)了多項(xiàng)檢測(cè)空白,包括鉆井液的含油性檢測(cè)(鉆井液核磁共振錄井)、巖樣的礦物成分檢測(cè)(X 射線衍射礦物錄井)、拉曼光譜技術(shù)、紅外光譜技術(shù)等采集技術(shù)[16-19]。但就采集技術(shù)而言,卻主要是其他創(chuàng)新技術(shù)的引用,主要關(guān)注地面信息處理,忽略了井下生態(tài),從而導(dǎo)致采集實(shí)時(shí)性、采集數(shù)據(jù)的可靠性仍顯不足。在錄井資料處理方面,錄井?dāng)?shù)據(jù)處理技術(shù)主要是數(shù)據(jù)校正技術(shù),由于巖屑樣品在從井下上返至井口過程中受到多種因素的共同影響,包括深度校正、井筒環(huán)境及鉆井工藝參數(shù)校正、地面異位環(huán)境導(dǎo)致的精度損失、儀器校正等。然而,目前錄井?dāng)?shù)據(jù)處理仍主要集中在儀器校正,忽略了井筒環(huán)境、鉆井工藝等因素的影響,導(dǎo)致樣品的代表性變差,采集數(shù)據(jù)的可靠性、準(zhǔn)確性降低,因而需要進(jìn)行復(fù)雜的處理后才能還原地層的真相(圖1)。在錄井?dāng)?shù)據(jù)應(yīng)用上,這一方面一直是國(guó)內(nèi)錄井行業(yè)的短板,常有錄井采集參數(shù)多而可用性差、定量化差的問題,說到底還是由于數(shù)據(jù)采集與處理分辨率差、多解性強(qiáng)導(dǎo)致的。
要強(qiáng)化錄井基礎(chǔ)理論研究,首先需要還原井筒環(huán)境,即需要先建立井筒信息模擬系統(tǒng),這是后續(xù)地層油氣和巖性定量精細(xì)檢測(cè)、錄井相關(guān)設(shè)備校正與改進(jìn)、錄井資料解釋與應(yīng)用規(guī)范化和智能化的基礎(chǔ)。然而,現(xiàn)有的錄井實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法與平臺(tái)仍處于空白階段。基于此,長(zhǎng)江大學(xué)錄井技術(shù)與工程研究院近年來投入大量精力與成本,與中法渤海地質(zhì)服務(wù)有限公司合作,建立了一套井筒信息模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(圖2),并建立了相關(guān)的理論分析、實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬方法,助力錄井基礎(chǔ)理論研究上升到更高水平。
圖1 井筒信息從地層到錄井儀器的演化過程
圖2 井筒環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)景(一期)
實(shí)驗(yàn)室定位于“智能型地面-井筒-地下全過程環(huán)境模擬”錄井基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)體系,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分為地層系統(tǒng)模擬單元、井筒環(huán)境模擬單元、地面數(shù)據(jù)采集與處理單元。實(shí)驗(yàn)室分兩期進(jìn)行建設(shè),第一期為連續(xù)油管模擬井筒環(huán)境模擬系統(tǒng)(目前已完成);第二期為高溫高壓井筒環(huán)境模擬系統(tǒng)(目前已完成設(shè)計(jì))。
井筒環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在地面進(jìn)行建設(shè),如圖3、圖4所示。從鉆井液池將加熱的模擬鉆井液、模擬地層流體(多重氣源充注)、模擬地層巖屑泵入地面管匯中,在不同模擬井深(管線長(zhǎng)度處)安裝流量計(jì)、溫度計(jì)、壓力計(jì)等數(shù)據(jù)采集裝置,獲取該階段管內(nèi)流體信息(溫度、壓力、流速及流量等),在模擬井口采集鉆井液、巖屑、油氣樣品并開展分析化驗(yàn),此時(shí)便可獲取不同井深的井筒流體信息(密度、成分、狀態(tài)等);然后,調(diào)整溫度、泵入壓力,再次獲取不同階段的流體信息,依此類推,最終獲得從井底到井口井筒內(nèi)流體變化的所有信息數(shù)據(jù),并基于該數(shù)據(jù)對(duì)錄井信息采集系統(tǒng)、錄井信息處理系統(tǒng)進(jìn)行校正。
2.1.1 連續(xù)油管模擬井筒環(huán)境模擬系統(tǒng)(一期)
目前已經(jīng)完成一期建設(shè),該期采用連續(xù)油管模擬井筒(圖3),已完成的井筒環(huán)境模擬部分的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)為:井筒工作壓力6 MPa,盤管長(zhǎng)度包括500 m、1 000 m、1 500 m、2 000 m多段組合,管徑42 mm,滾筒直徑2 200 mm。該實(shí)驗(yàn)室能夠模擬500~5 000 m井深的全過程井筒環(huán)境,是長(zhǎng)江大學(xué)聯(lián)合中法渤海地質(zhì)有限公司創(chuàng)新自主設(shè)計(jì)、研發(fā)的標(biāo)志性實(shí)驗(yàn)室。
圖3 連續(xù)油管模擬井筒環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖(一期)
2.1.2 高溫高壓井筒環(huán)境模擬系統(tǒng)(二期)
第二期實(shí)驗(yàn)室建設(shè)平臺(tái)將采用高溫、高壓模擬試驗(yàn)井筒設(shè)計(jì),井筒壓力環(huán)境達(dá)140 MPa,井筒溫度環(huán)境達(dá)200℃,井筒長(zhǎng)度達(dá)12 m,采用27 SiMn無縫鋼管垂直擺放,井身結(jié)構(gòu)完全還原井筒真實(shí)環(huán)境,包括鉆桿內(nèi)部-環(huán)空鉆井液循環(huán)系統(tǒng)(圖4)。二期實(shí)驗(yàn)室建設(shè)平臺(tái)彌補(bǔ)了一期實(shí)驗(yàn)室在環(huán)境、壓力、井身結(jié)構(gòu)模擬上的不足,可以滿足國(guó)內(nèi)大部分深井、超深井的井筒環(huán)境模擬要求。
圖4 高溫高壓井筒環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖(二期)
結(jié)合錄井系統(tǒng)基本運(yùn)行流程及實(shí)驗(yàn)室的主體功能,井筒環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)流程的設(shè)計(jì)思路為:
(1)相似原型:現(xiàn)今國(guó)內(nèi)鉆井逐步走向深層、超深層,塔里木盆地輪探1井井深達(dá)8 882 m,管路長(zhǎng)徑比太大,現(xiàn)有條件下通過一次相似實(shí)驗(yàn)不可能完成。因此,通過連續(xù)油管盤管、多次循環(huán)、多次調(diào)控、多次換熱升溫,綜合每組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來完成全過程管流模擬,在滿足井控安全的前提條件下盡量放大實(shí)驗(yàn)流動(dòng)參數(shù)以保證安全高效輸送。同時(shí),在相似模擬的前提下,應(yīng)首先進(jìn)行模擬井筒與真實(shí)井筒環(huán)境參數(shù)校正,包括:重力參數(shù)校正、盤管流和直管流多相流-井筒-溫度-壓力耦合校正、模擬井筒管徑比對(duì)井筒環(huán)境的影響校正等。校正方法包括對(duì)比實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬、理論分析等。
(2)根據(jù)地層流體、巖屑、鉆井液的組分,模擬預(yù)制井筒流體(含巖屑)樣品,然后根據(jù)鉆頭破巖參數(shù)、水動(dòng)力參數(shù)泵入模擬井筒。
(3)將模擬流體泵入模擬井筒并進(jìn)行循環(huán),模擬實(shí)際鉆井過程中的氣、液、固多相管道輸送流動(dòng)狀況。
(4)連續(xù)油管盤管、高溫高壓垂直井筒能夠分別獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn):連續(xù)油管盤管著力解決隨鉆油氣、巖屑檢測(cè)與標(biāo)定問題,高溫高壓垂直井筒著重解決氣-液-固多相流動(dòng)特征參數(shù)預(yù)測(cè)、測(cè)量、壓力演變規(guī)律及調(diào)控技術(shù)。
(5)管輸結(jié)束之后,將模擬流體按照錄井流程與規(guī)范進(jìn)行分離、采集、分析與計(jì)量,最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化、系統(tǒng)化、高分辨率處理。
(6)實(shí)現(xiàn)模擬井筒多相輸送過程中的運(yùn)行控制和測(cè)試數(shù)據(jù)及圖像采集,并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、處理、分析、顯示和存儲(chǔ)。在油藏地質(zhì)研究的基礎(chǔ)上,探索錄井信息形成及演化機(jī)理,從地質(zhì)成因與工程成因的角度,對(duì)影響錄井信息的各項(xiàng)因素進(jìn)行定量分析與機(jī)理評(píng)價(jià)。
(7)通過實(shí)驗(yàn)室研究,對(duì)錄井資料進(jìn)行預(yù)處理(環(huán)境校正還原信息),旨在形成、完善錄井評(píng)價(jià)與解釋基礎(chǔ)理論。
實(shí)驗(yàn)室定位于“智能型地面-井筒-地下全過程環(huán)境模擬”錄井基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)體系,通過環(huán)境校正還原信息本真,以解決錄井過程中的巖屑、油氣、地層壓力檢測(cè)問題。實(shí)驗(yàn)的主體功能包括:隨鉆巖性檢測(cè)開發(fā)系統(tǒng)、隨鉆油氣檢測(cè)開發(fā)系統(tǒng)、隨鉆井底-地層壓力檢測(cè)系統(tǒng)、井下工具高溫高壓模擬試驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)室配套功能包括:錄井巖屑運(yùn)移的計(jì)算流體力學(xué)-離散元數(shù)值模擬方法、井筒內(nèi)多相流體運(yùn)移數(shù)值模擬方法、井筒環(huán)境模擬系統(tǒng)管柱內(nèi)流體力學(xué)特性分析。
3.1.1 隨鉆巖性檢測(cè)開發(fā)系統(tǒng)
巖性檢測(cè)是錄井技術(shù)的傳統(tǒng)技能,也是錄井技術(shù)的根本之一,但是近年來發(fā)展受限嚴(yán)重,傳統(tǒng)巖屑錄井觀顏色、看成分、繪草圖、看實(shí)物的方式已不能適應(yīng)先進(jìn)鉆井工藝快速發(fā)展的需要。近幾年,面對(duì)復(fù)雜鉆井條件對(duì)錄井的影響及油田勘探開發(fā)的需求,巖屑錄井技術(shù)也逐步走向數(shù)字化、微觀化、定量化。比如:自然伽馬能譜錄井、X射線熒光/元素錄井、熱解色譜錄井技術(shù)等。然而,這些技術(shù)主要停留在引進(jìn)其他行業(yè)先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用層面,在巖性檢測(cè)與處理的標(biāo)準(zhǔn)化、一體化、智能化上仍顯不足。
隨鉆巖性檢測(cè)開發(fā)系統(tǒng)以井筒環(huán)境模擬、鉆頭破巖模擬為基礎(chǔ),移植和借鑒相關(guān)專業(yè)成果,首先分析巖屑的形成機(jī)理,明確鉆頭破巖參數(shù)、水動(dòng)力參數(shù)對(duì)地層巖屑形成與改造的影響因素;然后,通過井筒環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn),明確巖屑在井筒中的運(yùn)移規(guī)律,包括巖屑沉降、上返時(shí)間差異、分異等;進(jìn)一步建立一套巖屑自動(dòng)采集與處理系統(tǒng),形成巖屑自動(dòng)采集與處理標(biāo)準(zhǔn),減小人為主觀因素對(duì)巖性檢測(cè)的影響,同時(shí)為錄井行業(yè)“降本增效”做出貢獻(xiàn);最后,通過巖屑高分辨率掃描成像、X射線巖屑熒光分析系統(tǒng)、巖屑自然伽馬測(cè)量系統(tǒng)、巖屑核磁共振分析系統(tǒng)、三維熒光光譜成像分析系統(tǒng)、巖屑熱解色譜分析系統(tǒng)等對(duì)巖屑檢測(cè)實(shí)現(xiàn)規(guī)范化、一體化、自動(dòng)化、智能化、實(shí)時(shí)化、數(shù)字化、可視化、精細(xì)化處理。隨著巖屑錄井技術(shù)的發(fā)展,將所有巖屑檢測(cè)資料標(biāo)準(zhǔn)化校正后將能與地球物理測(cè)井資料一樣以連續(xù)曲線成圖及數(shù)字形式顯現(xiàn)及保存,不同人員、不同地區(qū)、不同層位、不同時(shí)間、不同鉆井條件下采集的巖屑資料,包括與測(cè)井、地震資料將具有可比性。
3.1.2 隨鉆油氣檢測(cè)開發(fā)系統(tǒng)
氣測(cè)錄井曾給錄井行業(yè)帶來了強(qiáng)大的生命力,通過對(duì)鉆井液中含氣量的連續(xù)檢測(cè)和全脫分析獲得氣測(cè)數(shù)據(jù),但隨著油氣勘探走向復(fù)雜化,也給氣測(cè)錄井帶來挑戰(zhàn)。在氣測(cè)錄井過程中,多種影響因素,包括鉆井工程影響、鉆井液性能影響、檢測(cè)條件(如井口脫氣設(shè)備導(dǎo)致的逸散)影響等,導(dǎo)致氣測(cè)顯示偏高或偏低,給單井資料的縱向?qū)Ρ群途g對(duì)比帶來困難。
在鉆井施工過程中,鉆頭、鉆壓、排量、鉆速、起下鉆(如地層氣體吞吐效應(yīng))等作業(yè)參數(shù)發(fā)生變化時(shí),氣體產(chǎn)生與運(yùn)移規(guī)律也會(huì)發(fā)生變化,進(jìn)而影響錄井氣測(cè)對(duì)地層油氣顯示的評(píng)價(jià)。鉆井液是地層流體的攜帶體,鉆井液本身的流變性、固相物含量、溫壓特性變化會(huì)導(dǎo)致地層實(shí)際流體與井口流體的不匹配,在當(dāng)今油基鉆井液、欠平衡鉆井、氣體鉆井逐步廣泛應(yīng)用的背景下,給氣測(cè)錄井帶來了巨大的挑戰(zhàn)。最后是檢測(cè)條件的影響,這里檢測(cè)條件關(guān)鍵是脫氣設(shè)備和氣測(cè)基值的影響,現(xiàn)有脫氣設(shè)備仍主要采用攪拌脫氣的方式,對(duì)鉆井液中地層流體逸散效應(yīng)缺乏定量化校正,同時(shí)不同地層環(huán)境、鉆井液與鉆井工程環(huán)境下的氣測(cè)基值也需要校正,這是油氣發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)。
基于上述問題,首先,明確鉆頭、鉆壓、破巖效率、鉆井液密度等參數(shù)對(duì)地層流體溢出到井筒的影響;然后,以井筒環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),評(píng)價(jià)多相氣源混注在不同鉆井液性能(密度、流變性)、排量、溫壓系統(tǒng)下的運(yùn)移與演化規(guī)律,實(shí)現(xiàn)地層流體從地層到地面的全過程監(jiān)控;進(jìn)一步對(duì)傳統(tǒng)脫氣設(shè)備的氣體逸散值進(jìn)行校正或者發(fā)展新的全自動(dòng)脫氣系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)地層流體從井口到綜合錄井儀的有效運(yùn)輸;最后,通過氣測(cè)錄井系統(tǒng)、氣相色譜、離子色譜等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)烴類檢測(cè)的自動(dòng)化、規(guī)范化處理,并利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能化處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)油氣層智能評(píng)價(jià),避免氣測(cè)基值單一化判斷的影響。通過該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)地層流體從地層-井筒-井口-綜合錄井儀的全過程全生命周期監(jiān)測(cè)與檢測(cè),通過標(biāo)準(zhǔn)化單因素控制實(shí)驗(yàn),最終實(shí)現(xiàn)氣測(cè)錄井綜合校正。
3.1.3 隨鉆井底-地層壓力檢測(cè)系統(tǒng)
地層壓力預(yù)測(cè)是一個(gè)世界性難題,目前存在兩點(diǎn)明顯的不足:一是沒有把異常壓力的成因與地層壓力的評(píng)價(jià)方法有機(jī)結(jié)合;二是偏重于地球物理方法的鉆前預(yù)測(cè),而忽略了工程錄井方法的隨鉆監(jiān)測(cè)。在地層壓力隨鉆監(jiān)測(cè)方面,目前主要通過可鉆性參數(shù),如鉆時(shí)、dc指數(shù)、Sigma指數(shù)、孔隙度、巖石密度,孔隙流體檢測(cè)參數(shù)和不尋常自生礦物參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。但是,工程錄井隨鉆地層壓力監(jiān)測(cè)方法存在三個(gè)明顯欠缺,即多解性強(qiáng)、對(duì)解釋人員專業(yè)水平要求高、實(shí)時(shí)性仍不足。
井底壓力監(jiān)測(cè)是鉆井工程異常預(yù)報(bào)的重要內(nèi)容,在鉆井現(xiàn)場(chǎng)發(fā)揮信息情報(bào)、監(jiān)控監(jiān)督和參謀指導(dǎo)的職能,同時(shí)也是對(duì)地層壓力預(yù)測(cè)的重要補(bǔ)充。目前,工程錄井中的井底壓力監(jiān)測(cè)技術(shù)仍以地面信息監(jiān)測(cè)為主,較差的實(shí)時(shí)性導(dǎo)致異常預(yù)報(bào)反應(yīng)遲鈍,不足以滿足工程要求。
基于上述問題,本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)首先在理論上做了充分的研究,建立了一套異常壓力錄井監(jiān)測(cè)方法與軟件,并在中海油開發(fā)的中國(guó)南海北部白云凹陷得到了廣泛應(yīng)用(圖5)。在實(shí)驗(yàn)室二期建設(shè)過程中,高溫高壓井筒環(huán)境模擬系統(tǒng)增加了地層壓力模擬與井底壓力監(jiān)測(cè)模塊,可實(shí)現(xiàn)地層壓力-井筒壓力-井口壓力傳導(dǎo)與監(jiān)測(cè)的全過程模擬。其原理是:在井底環(huán)境中采用地層壓力模擬模塊產(chǎn)生不同的地層壓力,分析不同地層壓力在錄井工程參數(shù)、地質(zhì)參數(shù)、流體參數(shù)檢測(cè)上的響應(yīng),盡可能地提高地面檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)異常地層壓力監(jiān)測(cè)的時(shí)效性。然后,在井底高溫高壓環(huán)境中置入井底壓力監(jiān)測(cè)模塊,通過電磁傳輸代替鉆井流體等傳輸,降低井底壓力監(jiān)測(cè)的滯后性。
3.1.4 井下工具高溫高壓模擬試驗(yàn)系統(tǒng)
近年來,油氣勘探逐步走向高溫高壓儲(chǔ)層,比如在塔里木盆地,井深普遍達(dá)到5 000 m以上,井下壓力可達(dá)50 MPa 以上,施工壓力可達(dá) 80 MPa以上,這樣的高溫高壓環(huán)境對(duì)井下工具耐溫耐壓指標(biāo)提出了更高的要求。在高溫高壓環(huán)境下,鉆桿、鉆具及井下工具組合的失效形式和在常溫常壓環(huán)境下的失效形式會(huì)有較大的差別,材料的性質(zhì)和強(qiáng)度也會(huì)隨之發(fā)生改變,常規(guī)油氣井用的井下工具很難達(dá)到高溫高壓的性能要求,因此需要研制能夠適應(yīng)高溫高壓環(huán)境的井下工具。目前,研制新型井下工具大多采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法,試驗(yàn)所需費(fèi)用高、時(shí)間長(zhǎng)、效果差。
高溫高壓模擬試驗(yàn)系統(tǒng)可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬井下高溫高壓環(huán)境,能夠?qū)Ψ謱幼⒉晒ぞ呒胺謱訅毫淹昃镁路飧羝飨鹉z密封圈、橡膠筒等部件進(jìn)行老化試驗(yàn),并且能夠?qū)軆?nèi)封隔器座封后耐壓差性能進(jìn)行試驗(yàn)、疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)及受力特性試驗(yàn)。同時(shí),還可對(duì)注水工具和其他壓裂完井用井下工具進(jìn)行性能測(cè)試、疲勞特性分析及高溫高壓強(qiáng)度試驗(yàn)。
圖5 中海油某井壓力監(jiān)測(cè)示意
3.2.1 巖屑運(yùn)移的流體力學(xué)-離散元數(shù)值模擬方法
鉆井液中巖屑顆粒在鉆井液循環(huán)過程中被攜帶出井口,巖屑顆粒、鉆井液、井筒之間的動(dòng)力學(xué)行為屬于液固耦合的范疇。CFD-DEM耦合算法考慮了巖屑顆粒之間以及巖屑顆粒與鉆井液、巖屑顆粒與井筒、鉆井液與井筒之間的耦合作用,能夠捕捉顆粒運(yùn)移、沉淀的細(xì)觀機(jī)理(圖6)。對(duì)巖屑顆粒運(yùn)移求解采用拉格朗日框架下的離散元方法進(jìn)行,巖屑顆粒遵循其第二定律。巖屑顆粒隨鉆井液在井筒中運(yùn)移時(shí),每個(gè)顆粒受到周圍鉆井液、鄰近顆粒、鄰近井筒/環(huán)空壁面的作用,因此巖屑顆粒運(yùn)移中受到的外力包括自身重力、曳力、浮力、接觸力等,其運(yùn)動(dòng)過程主要包括平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng),控制方程為:
(1)
式中:Fp,n和Fp,t分別為法向接觸力和切向接觸力;Fp,g為重力;Fp,e為顆粒周圍流體施加顆粒的力,如曳力、壓力梯度力和浮力;rp,c為顆粒矢量半徑;Tp,r為顆粒的額外扭矩;μp和ωp分別為平動(dòng)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度;mp為顆粒質(zhì)量;Ip為顆粒慣性矩。
圖6 固相顆粒-鉆井液-井筒壁面受力關(guān)系[20]
通過以上運(yùn)動(dòng)方程的循環(huán)求解,獲得每個(gè)時(shí)間單位的位移增量和接觸力增量,在接觸檢測(cè)的基礎(chǔ)上顯式更新固相顆粒位置及速度。除了考慮顆粒間、顆粒-井筒的相互作用以外,還需要考慮鉆井液與巖屑顆粒間的相互作用(圖7)。在顆粒非解析的CFD-DEM耦合算法中,假設(shè)流體是連續(xù)不可壓縮的,可由局部平均的N-S方程描述:
(2)
(3)
式中:αf為鉆井液體積分?jǐn)?shù);ρf為鉆井液密度;μf為鉆井液速度;▽p為鉆井過程中的壓力梯度;τ為鉆井液應(yīng)力張量;t為時(shí)間步;S為動(dòng)量交換源項(xiàng)。
上式中顆粒-鉆井液動(dòng)量交換項(xiàng)與顆粒所受曳力及滑移速度有關(guān),可以表達(dá)為:
S=Kpf(μf-〈μp〉)
(4)
式中:Fd為曳力,Kpf為中間系數(shù);Vcell為CFD網(wǎng)格體積;μp為顆粒速度。
曳力計(jì)算的經(jīng)典模型較多,本文中采用Di Felice曳力模型,可以表達(dá)為:
(5)
式中:Cd為曳力系數(shù),該系數(shù)為顆粒流的雷諾數(shù)Re的函數(shù);Dp為巖屑顆粒直徑;χ為中間系數(shù)。
圖7 水平管柱內(nèi)巖屑顆粒運(yùn)移過程模擬結(jié)果[21]
3.2.2 井筒內(nèi)多相流體運(yùn)移數(shù)值模擬方法
井筒中氣液兩相在上升過程中,兩相之間存在相互作用力,可以采用歐拉模型進(jìn)行求解,其控制方程組包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程:
(6)
(7)
(8)
式中:k為相的角碼;μk為各相速度;pk為各相壓力標(biāo)量;I為剪切力張量;gk為重力加速度向量;ek為比熱力學(xué)能;t為時(shí)間;Tk為各相剪切力張量;qk為體積熱源。
井筒中氣液兩相流場(chǎng)為湍流,流場(chǎng)具有各向異性,采用雷諾應(yīng)力模型進(jìn)行模擬具有良好的精度。雷諾應(yīng)力模型的運(yùn)輸方程為:
(9)
然后,對(duì)井底壓力、井口壓力、井筒溫度、氣液比、液滴直徑等邊界參數(shù)進(jìn)行定義,采用VOF算法,便可對(duì)井筒中多相流體運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行計(jì)算,分析不同相流體在井筒中的運(yùn)移規(guī)律、地層流體侵入井筒情況等,輔助井筒環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定(圖8)。
圖8 水平管柱內(nèi)氣液兩相流體運(yùn)移過程模擬[22]
3.2.3 井筒環(huán)境模擬平臺(tái)管柱內(nèi)流體力學(xué)特性分析
目前一期井筒環(huán)境模擬平臺(tái)采用連續(xù)油管盤管式的模擬方式,具有井眼井徑小、液體流動(dòng)空間小等特點(diǎn),需要與鉆井現(xiàn)場(chǎng)井筒環(huán)境參數(shù)進(jìn)行校正,故首先需要分析實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的流體力學(xué)特性。假定實(shí)驗(yàn)流體為清水的情況下,排量(Q)按照1 000 L/min流過泵出口(泵出口內(nèi)徑R=100 mm)估算流速(Vf)及雷諾數(shù)為:
(10)
(11)
實(shí)驗(yàn)流型應(yīng)選擇湍流模型,流過連續(xù)油管卷筒時(shí)對(duì)壓降的影響,根據(jù)范寧摩擦系數(shù)公式:
(12)
根據(jù)流體為清水的參數(shù),a取0.078 6,b取0.25,計(jì)算得到的摩擦阻力系數(shù)f=0.0 075。
壓力降低值Δp可以表示為:
式中:L為管柱長(zhǎng)度;R為管柱內(nèi)徑;D為盤管直徑。
錄井基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主體功能及其配套功能填補(bǔ)了我國(guó)錄井學(xué)科方面大型井筒環(huán)境模擬基礎(chǔ)設(shè)施上的空白。本文設(shè)計(jì)的井筒環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以模擬井下高溫高壓環(huán)境,模擬過程簡(jiǎn)單且成本相對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)較低、物理過程控制系統(tǒng)精密、模擬參數(shù)多樣、主體功能及配套功能齊全成熟,使該模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在支撐錄井學(xué)科理論研究方面,甚至在其他井筒實(shí)驗(yàn),包括井下工具測(cè)試、測(cè)井參數(shù)校正上均能夠發(fā)揮重要作用。
實(shí)物樣品、地層信息在從井下上返至井口過程中受到多種因素的共同影響,包括深度校正、井筒環(huán)境及鉆井工藝參數(shù)校正、地面異位環(huán)境導(dǎo)致的精度損失等。井筒環(huán)境模擬平臺(tái)可以模擬實(shí)物樣品、地層信息從井底到井口的演化過程,從而建立地面采集系統(tǒng)與地下儲(chǔ)層之間的定量關(guān)系。
傳統(tǒng)錄井設(shè)備的參數(shù)校正,如氣測(cè)基值校正等,是針對(duì)儀器的校正,盡管能夠提高錄井監(jiān)測(cè)設(shè)備的精度,但是在反映地下黑箱系統(tǒng)方面卻是治標(biāo)不治本。井筒環(huán)境模擬平臺(tái)能夠全生命周期模擬信息、實(shí)物樣品從地層到錄井設(shè)備的演化過程,通過輸入不同地層信息-監(jiān)測(cè)地層信息的正演-反演相結(jié)合的方式進(jìn)行地面錄井設(shè)備參數(shù)校正,校正不僅停留在儀器的表象,更能進(jìn)一步反映深層的內(nèi)在聯(lián)系。
為開發(fā)新型耐高溫高壓工況下的井下工具,有必要建設(shè)一套模擬試驗(yàn)裝置,模擬現(xiàn)場(chǎng)工藝及井下高溫高壓工況來檢測(cè)井下工具的性能。高溫高壓井筒模擬實(shí)驗(yàn)裝置能夠解決目前現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)、試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)性較大、試驗(yàn)參數(shù)改變不靈活、試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取不科學(xué)等問題,對(duì)于研制新型高溫高壓井所用井下工具具有重要意義。
本文所建立的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)則是“搭臺(tái)子”,對(duì)錄井設(shè)備評(píng)價(jià)、校正才是真正的“大戲開場(chǎng)”。所以,該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)要做的前期工作不是僅僅局限于對(duì)某個(gè)錄井設(shè)備進(jìn)行校正。錄井設(shè)備多而雜,我們要做的是基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)——建立地層-井筒-地面全過程全生命周期的錄井相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)庫。
(1)支撐了油基鉆井液烴類氣體損失評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)研究。井筒環(huán)境模擬平臺(tái)建立以來,已經(jīng)在油基鉆井液烴類氣體損失評(píng)價(jià)、油基鉆井液氣測(cè)校正等方面發(fā)揮了重要作用,支撐了國(guó)家重大科技專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”子課題的完成。利用一期井筒環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)探索了油基鉆井液中不同地層流體注入情況下的氣測(cè)值損失(圖9),結(jié)合不同注入氣體-鉆井液多相流數(shù)值模擬技術(shù)揭示烴類氣體損失機(jī)理(圖8)。
(2)吸引了多個(gè)研究項(xiàng)目落地。例如:非連續(xù)油相在多孔介質(zhì)中的啟動(dòng)與運(yùn)移機(jī)理研究、海相浪控砂質(zhì)臨濱壩沉積構(gòu)型差異性及沉積動(dòng)力學(xué)機(jī)制研究等多個(gè)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目,因該井筒環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)支撐獲得資助。
圖9 不同地層氣體注入情況下的氣測(cè)值顯示
(1)在錄井基礎(chǔ)理論研究中開展一系列關(guān)鍵過程模擬實(shí)驗(yàn)。開展烴類氣體在油基鉆井液、水基鉆井液中的運(yùn)輸過程模擬,通過對(duì)不同含氣量及含氣類型、不同循環(huán)壓差下的損失機(jī)理及損失強(qiáng)度進(jìn)行模擬,結(jié)合錄井氣測(cè)檢測(cè),參考多相流數(shù)值模擬結(jié)果,建立油基鉆井液、水基鉆井液烴類檢測(cè)校正圖板。開展不同巖性、粒度巖性的巖屑運(yùn)移過程模擬,明確不同巖性、粒度的巖屑在井筒循環(huán)過程中的分異、沉降,建立不同粒度、不同巖性巖屑的遲到時(shí)間圖板。
(2)在地層壓力預(yù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制、研發(fā)中發(fā)揮重要作用。利用二期高溫高壓井筒環(huán)境模擬系統(tǒng),開展不同模擬地層壓力下的錄井信息監(jiān)測(cè),建立一套快速、準(zhǔn)確的地層壓力監(jiān)測(cè)方法與圖板。
(3)在井下工具高溫高壓模擬測(cè)試中發(fā)揮重要支撐作用。該井筒環(huán)境模擬系統(tǒng)不僅在錄井學(xué)科中有重要作用,在井下工具測(cè)試、測(cè)井儀器測(cè)試及校正上也能發(fā)揮重要作用,未來將在錄井相關(guān)井筒信息演化模擬的基礎(chǔ)上,逐步拓展石油工程其他有關(guān)井筒環(huán)境模擬方面的應(yīng)用。
(1)資產(chǎn)管理方面。平臺(tái)由長(zhǎng)江大學(xué)與中法渤海地質(zhì)服務(wù)有限公司統(tǒng)一管理,制定相關(guān)的崗位責(zé)任制,儀器設(shè)備負(fù)責(zé)人負(fù)責(zé)維護(hù)、運(yùn)行大型儀器及發(fā)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)。
(2)運(yùn)行管理方面。出臺(tái)了平臺(tái)的管理辦法,制訂了平臺(tái)的操作流程,全面記錄平臺(tái)、保養(yǎng)、維修等相關(guān)運(yùn)行痕跡。
(3) 數(shù)據(jù)管理方面。平臺(tái)的使用者是數(shù)據(jù)的第一產(chǎn)權(quán)人,擁有平臺(tái)數(shù)據(jù)的全部權(quán)利,長(zhǎng)江大學(xué)錄井技術(shù)與工程研究院對(duì)所有平臺(tái)產(chǎn)生數(shù)據(jù)及運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行整理保存,征得產(chǎn)權(quán)人同意的情況下定期開放。
井筒環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行后,將面向國(guó)內(nèi)外錄井及石油行業(yè)研究人員開放。平臺(tái)使用和預(yù)約系統(tǒng)掛靠在長(zhǎng)江大學(xué)大型設(shè)備管理平臺(tái),研究人員注冊(cè)申請(qǐng)后即可上網(wǎng)查看預(yù)約時(shí)間,根據(jù)項(xiàng)目需求預(yù)約。