離子色譜錄井在蘇里格氣田地層含水判別中的應(yīng)用研究

付 甜 田 宏 廖宇春 張 杰 王 穎 陳 名

(①中國石油渤海鉆探油氣合作分公司；②中國石油南方石油勘探開發(fā)有限責(zé)任公司)

0 引 言

在油氣田勘探開發(fā)過程中，地層含水性識(shí)別問題一直是困擾各方的難題。隨著蘇里格氣田蘇20區(qū)塊開發(fā)的不斷深入，產(chǎn)建井出水情況日益嚴(yán)重，目前在現(xiàn)場對(duì)地層含水的識(shí)別評(píng)價(jià)技術(shù)少、含水層評(píng)價(jià)難度大，嚴(yán)重制約產(chǎn)能建設(shè)進(jìn)度。為精準(zhǔn)識(shí)別水層，在蘇里格氣田蘇20區(qū)塊隨鉆分析了7口井的離子色譜錄井?dāng)?shù)據(jù)，再結(jié)合其他測錄井資料對(duì)儲(chǔ)層流體性質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，與試氣結(jié)果相比解釋成效顯著，對(duì)于提高產(chǎn)建效果意義重大。

1 國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

離子色譜法是測定水中無機(jī)離子的重要分析手段，因其具有操作簡單、分析快速、檢出限低、靈敏度高、重現(xiàn)性好、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。離子色譜技術(shù)主要應(yīng)用于環(huán)境、化工、半導(dǎo)體、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、電力、制藥、食品等領(lǐng)域。中石化勝利地質(zhì)錄井公司自1997年開始將離子色譜技術(shù)先后在新疆和田地區(qū)的HC 1井和 SHH 1井的錄井現(xiàn)場試用，主要用于了解鉆井液性能的變化、預(yù)防井壁失穩(wěn)情況發(fā)生、預(yù)告標(biāo)志層和判斷鉆遇地層、結(jié)合dc指數(shù)和測井聲波時(shí)差曲線評(píng)價(jià)壓力異常地層、指導(dǎo)鉆井液的配制與維護(hù)等[1-2]； 王志戰(zhàn)等[3]提出應(yīng)用離子色譜判斷地層水類型以及確定油水、氣水界面的位置；劉彩霞等[4-5]提出結(jié)合蘇林分類法成因系數(shù)公式，根據(jù)地層水中陰、陽離子的質(zhì)量濃度變化判斷地層是否含水及地層水類型；胡元等[6-7]提出離子色譜識(shí)別水層的方法(離子數(shù)值法、離子比值法、離子權(quán)重交會(huì)法)；李磊等[8]運(yùn)用聚類分析、概率分布統(tǒng)計(jì)方法，挖掘Na+、Cl-增長率區(qū)間分布規(guī)律，分析地層含水程度。

2 離子色譜技術(shù)原理

離子色譜法是高效液相色譜法的一種，離子色譜技術(shù)檢測基于離子交換原理，即離子交換樹脂上可離解的離子與流動(dòng)相中具有相同電荷的溶質(zhì)離子之間進(jìn)行的可逆交換，離子因?qū)粨Q劑有不同的親和力被分離而實(shí)現(xiàn)陰、陽離子的分離及定量檢測。

鉆井液離子液相色譜錄井是通過隨鉆過程中對(duì)鉆井液內(nèi)多種陰、陽離子的實(shí)時(shí)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)在鉆井中及時(shí)評(píng)價(jià)鉆遇地層的可溶性礦物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)、評(píng)價(jià)地層水，識(shí)別油氣水界面、評(píng)價(jià)含水儲(chǔ)層。

3 蘇20區(qū)塊地層水參數(shù)特征及判別標(biāo)準(zhǔn)

3.1 蘇20區(qū)塊地層水參數(shù)特征研究

蘇20區(qū)塊已發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)水井主要分布在西北部和西南部。西北部和西南部含氣規(guī)模較小，含氣飽和度低，含水飽和度高。

采集蘇20區(qū)塊23口出水井目的層盒8、山1段水樣分析，實(shí)驗(yàn)室采用離子色譜法分析出F-、Cl-、Br-、NO3-、PO43-、SO42-、Li+、Na+、NH4+、K+、Mg2+、Ca2+共12種離子礦化度含量。本次統(tǒng)計(jì)了與隨鉆離子色譜分析相同的6種離子礦化度含量，即Cl-、 SO42-、Na+、K+、Ca2+、Mg2+(圖1)。

圖1 離子色譜分析譜圖

蘇20區(qū)塊盒8、山1段的地層水礦化度較高，盒8段總礦化度為19 000～73 000 mg/L，山西組總礦化度為27 000～75 000 mg/L；Cl-濃度與總礦化度呈線性關(guān)系，幾乎同步變化(圖2)。

圖2 Cl-與總礦化度關(guān)系

從表1中的分析數(shù)據(jù)可以看出，Cl-濃度分布于11 100～46 600 mg/L之間，平均值為17 500 mg/L；實(shí)驗(yàn)室測定總礦化度為19 000～75 400 mg/L，平均值為29 500 mg/L；返排率為60%～188%；Ca2+濃度介于2 300～11 800 mg/L之間，平均值為4 550 mg/L；Na++K+濃度介于4 300～19 700 mg/L之間，平均值為6 200 mg/L；SO42-濃度平均值為345 mg/L，Mg2+濃度平均值為220 mg/L，含量均較低。試氣結(jié)論為水層或含氣水層。地層水中Na+、K+、Ca2+、Mg2+等陽離子含量差異懸殊，Na+、Ca2+占絕對(duì)優(yōu)勢。

表1 蘇20區(qū)塊出水井氯化鈣型地層水離子濃度情況統(tǒng)計(jì)

按照蘇林水型分類標(biāo)準(zhǔn)，將地下水劃分為重碳酸鈉型、硫酸鈉型、氯化鎂型和氯化鈣型。重碳酸鈉型水和氯化鈣型水在油氣田中廣泛分布，而硫酸鈉型水和氯化鎂型水較少見。蘇20區(qū)塊盒8、山1段的地層水均為氯化鈣型。有學(xué)者進(jìn)一步研究，將氯化鈣型地下水根據(jù)變質(zhì)系數(shù)(Na+/Cl-)大小劃分為 5 類，以相應(yīng)的類型指示油氣保存條件：當(dāng)變質(zhì)系數(shù)>0.85時(shí)，表明地下水活躍，受地表淺層水滲透影響大，保存油氣藏的前景不大；當(dāng)變質(zhì)系數(shù)介于0.75～0.85之間，表明比較活躍的水環(huán)境，受地表水影響，對(duì)烴類的保存較差；當(dāng)變質(zhì)系數(shù)介于0.65～0.75之間，表明封閉條件好，有充分的水動(dòng)力場，具有較好的烴類保存環(huán)境；當(dāng)變質(zhì)系數(shù)介于0.5～0.65之間，表明封閉條件良好，與地表隔絕環(huán)境，是很好的烴類保存地帶；當(dāng)變質(zhì)系數(shù)<0.5時(shí)，表明封存的古代殘余海水，水流慢或靜止環(huán)境，是烴類聚集的極佳地帶[9]。

蘇20區(qū)塊地層水的變質(zhì)系數(shù)主要集中在0.25～0.56之間，平均值0.36,表明該區(qū)塊處于還原環(huán)境，反映儲(chǔ)層封閉的良好條件，有利于烴類聚集成藏與賦存。

3.2 鉆井液的影響

生產(chǎn)實(shí)踐中，考慮鉆井液體系差異的影響，鉆井液離子色譜分析的離子數(shù)值法有時(shí)不能反映地層流體真實(shí)狀況，從而影響地層流體識(shí)別。蘇20區(qū)塊離子色譜分析井均采用低固相鉆井液，總離子濃度相對(duì)較小，地層進(jìn)入馬家溝組后，鉆井液體系性能基本穩(wěn)定。為了防止濾失造成鉆井液性能下降，需要通過不定期修正鉆井液添加劑來保證鉆井液性能穩(wěn)定，鉆井液添加劑往往含有各種離子，從而出現(xiàn)鉆井液離子濃度增大現(xiàn)象。一般情況下，鉆井液引起的離子濃度增加或減少具有協(xié)同性(圖3)，各種離子濃度具有共同增大的現(xiàn)象，此變化不是受地層流體影響引起的。加之每口井添加劑不固定，人為添加技法、時(shí)間均不統(tǒng)一，所以如何排除鉆井液干擾是儲(chǔ)層流體性質(zhì)解釋評(píng)價(jià)的一大難點(diǎn)。因此，蘇20區(qū)塊直接采用數(shù)值法分析很難判斷出儲(chǔ)層含水性質(zhì)。

圖3 SX-1井離子色譜數(shù)值法分析圖

3.3 離子色譜錄井地層含水判別標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)蘇20區(qū)塊7口井隨鉆離子色譜分析數(shù)據(jù)進(jìn)行了回顧性統(tǒng)計(jì)(表2)。蘇20區(qū)塊7口井二開井段均采用低固相鉆井液，鉆井液密度1.09～1.12 g/cm3，粘度36～45 s。從表2可以看出，蘇20區(qū)塊隨鉆鉆井液Cl-濃度最低為720 mg/L、最高為8 300 mg/L、平均值為1 380 mg/L,地層水Cl-濃度為11 000～46 000 mg/L、平均值19 000 mg/L，所以鉆井液中Cl-濃度遠(yuǎn)小于地層水中Cl-濃度；鉆井液SO42-濃度最低為360 mg/L、最高為2 500 mg/L、平均值為1 295 mg/L,地層水SO42-濃度為0～3 142 mg/L、平均值為345 mg/L，地層水中只有個(gè)別井SO42-濃度高，其余值均低于鉆井液中SO42-的最低濃度；鉆井液中6種總離子濃度為5 000～23 000 mg/L、平均值為10 000 mg/L左右，地層水總離子濃度為19 000～55 000 mg/L、平均值為32 000 mg/L，鉆井液總離子濃度遠(yuǎn)低于地層水中總離子濃度。Ca2+、Na+、K+、Mg2+在地層水中的濃度與在鉆井液中的濃度相差不大。

表2 隨鉆離子色譜濃度統(tǒng)計(jì) mg/L

地層水與井筒鉆井液之間存在濃度差，必定會(huì)造成離子交換，離子從高濃度向低濃度擴(kuò)散。當(dāng)鉆開含水地層時(shí)，鉆井液中Cl-濃度會(huì)增加、SO42-濃度會(huì)減小、總離子濃度會(huì)增加，Ca2+、Na+、K+、Mg2+在地層水中濃度范圍與鉆井液中濃度范圍均有重疊部分，所以不容易對(duì)濃度變化趨勢做出判斷。在離子色譜分析儀按井深連續(xù)測量情況下為了快速識(shí)別濃度變化點(diǎn)，我們采用離子濃度變化率(I離子變化率，無量綱)法：

I離子變化率=(Xi-Xi-1)/Xi-1×100%

式中：Xi為某離子測量濃度，mg/L；Xi-1為該離子上一個(gè)測量點(diǎn)濃度，mg/L。

通過計(jì)算找到 Cl-濃度變化率(ICl-)增加、SO42-濃度變化率(ISO42-)減小、總離子濃度變化率(I總離子)增加的井段來判斷地層出水情況。一般情況下，鉆井液添加劑會(huì)造成I總離子和大部分離子變化率協(xié)同增加，井筒鉆井液因?yàn)V失造成的損耗會(huì)造成I總離子和大部分離子變化率協(xié)同減小的現(xiàn)象。而鉆遇地層水造成ICl-增加、ISO42-減小、I總離子增加的情況具有其獨(dú)特規(guī)律性，能排除因鉆井液變化引起的干擾。

將SO42-濃度變化率減去Cl-濃度變化率定義為含水變化率(ΔW含水變化率)，即：

ΔW含水變化率=ISO42--ICl-

將Cl-濃度變化率除以SO42-濃度變化率定義為含水系數(shù)(W含水系數(shù))，即：

W含水系數(shù)=ICl-/ISO42-

根據(jù)計(jì)算得出判別標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)?shù)貙映霈F(xiàn)ICl-增加、ISO42-減小、I總離子增加且ΔW含水變化率<-30%、-100

4 離子色譜分析應(yīng)用

本次蘇20區(qū)塊7口井離子色譜錄井技術(shù)應(yīng)用效果對(duì)比如表3所示，其中離子色譜解釋結(jié)論與試氣結(jié)論符合的6口，不符合1口?，F(xiàn)以SX-1井(圖4)、SX-3井(圖5)為例進(jìn)行說明驗(yàn)證。

表3 離子色譜錄井技術(shù)應(yīng)用效果對(duì)比

4.1 SX-1井

SX-1井離子色譜圖分析如圖4所示。3 345.00 m離子色譜分析有地層出水顯示，對(duì)應(yīng)的26號(hào)層，深側(cè)向電阻率為10.90～31.39 Ω·m、聲波時(shí)差為211.01～245.61 μs/m、補(bǔ)償密度為2.53～2.59 g/cm3、補(bǔ)償中子為10.20%～18.82%，測井解釋為干層。對(duì)應(yīng)的27號(hào)層，深側(cè)向電阻率為48.26～120.40 Ω·m、聲波時(shí)差為198.04～238.64 μs/m、補(bǔ)償密度為2.42～2.54 g/cm3、補(bǔ)償中子為6.24%～9.56%，測井解釋為差氣層。該層離子色譜錄井ICl-為48.11%、ISO42-為-8.5%、I總離子為5.92%、ΔW含水變化率為-56.60%、W含水系數(shù)為-5.66，全烴值為15% ，依據(jù)離子色譜含水判別標(biāo)準(zhǔn)及氣測顯示，綜合解釋為含水氣層。

圖4 SX-1井離子色譜錄井解釋圖

3 418.00 m離子色譜分析有地層出水顯示，對(duì)應(yīng)的30號(hào)層，深側(cè)向電阻率為12.14～44.96 Ω·m、聲波時(shí)差為208.09～243.68 μs/m、補(bǔ)償密度為2.42～2.58 g/cm3、補(bǔ)償中子為5.32%～12.93%，測井解釋為氣水同層。該層離子色譜錄井ICl-為86.64%、ISO42-為-7.79%、I總離子為50.3%、 ΔW含水變化率為-94.43%、W含水系數(shù)為-11.12，全烴值為6.8%，依據(jù)離子色譜含水判別標(biāo)準(zhǔn)及氣測顯示，綜合解釋為氣水同層。

3 549.00 m離子色譜分析有地層出水顯示，對(duì)應(yīng)的45號(hào)層，深側(cè)向電阻率為45.03～143.91 Ω·m、聲波時(shí)差為200.26～211.32 μs/m、補(bǔ)償密度為2.52～2.58 g/cm3、補(bǔ)償中子為9.41%～12.54%，測井解釋為差氣層。該層離子色譜錄井ICl-為265.97%、ISO42-為-50%、I總離子為34%、ΔW含水變化率為-315.97%、W含水系數(shù)為-5.32，全烴值為2.43%，依據(jù)離子色譜含水判別標(biāo)準(zhǔn)及氣測顯示，綜合解釋為含氣水層。該井試氣為3層分壓合試，第1層為測井解釋的45號(hào)層，第2層為測井解釋的41號(hào)層，第3層為測井解釋的35、38號(hào)層。井口壓力：油壓17.4 MPa，套壓19.6 MPa。該井產(chǎn)氣量為1.171 4×104m3/d，計(jì)算無阻流量為6.176 5×104m3/d，根據(jù)關(guān)放排液累計(jì)出液518.1 m3，返排率78.9%。現(xiàn)場水分析Cl-濃度為21 270 mg/L，且測流壓時(shí)壓力梯度值在0.20～0.26 MPa/100 m之間，井筒內(nèi)為氣液混相，試氣結(jié)論為含水氣層。從試氣結(jié)論分析，離子色譜解釋結(jié)論能更好輔助測錄井評(píng)價(jià)地層是否含水。

4.2 SX-3井

SX-3井離子色譜圖分析如圖5所示，離子色譜運(yùn)用井段無含水顯示。

圖5 SX-3井離子色譜錄井解釋圖

該井3層分壓合試，第1層為測井解釋的50、51號(hào)層，第2層為測井解釋的46、47號(hào)層，第3層為測井解釋的40號(hào)層。井口壓力：油壓9.7 MPa，套壓10.1 MPa。該井產(chǎn)氣量為0.844 5×104m3/d，計(jì)算無阻流量為6.712 2×104m3/d，累計(jì)出液437.4 m3，返排率70.10%，試氣井段離子色譜解釋?duì)含水變化率范圍為-29.1%～33.5%、W含水系數(shù)范圍為-0.7～1.29，無含水顯示?，F(xiàn)場水分析Cl-濃度為11 344 mg/L，試氣結(jié)論為氣層。離子色譜解釋結(jié)論與試氣結(jié)論相符。

7口井研究表明，當(dāng)實(shí)驗(yàn)樣品采樣間隔在5 m左右時(shí)，符合率較高，間隔米數(shù)較大時(shí)容易漏失水層，目前已試氣井結(jié)論與本次隨鉆離子色譜分析解釋符合率為85.7%。

5 結(jié)束語

現(xiàn)場采用離子濃度變化率法，應(yīng)用參數(shù)ICl-、ISO42-、I總離子結(jié)合ΔW含水變化率、W含水系數(shù)，很好地排除了鉆井液的干擾，建立了蘇20區(qū)塊離子色譜隨鉆地層含水判別標(biāo)準(zhǔn)，提高了測錄井水層識(shí)別精度，對(duì)于產(chǎn)建效果的提高具有重要的意義。