蔡澤訓(xùn) 王崇敬 唐 誠

(中國石化集團(tuán)西南石油局地質(zhì)錄井公司)

0 引言

四川盆地蘊(yùn)藏著豐富的天然氣資源，但是地層埋藏深，研磨性高、可鉆性差，壓力系統(tǒng)復(fù)雜，鉆井速度慢、周期長?？碧介_發(fā)對鉆井工藝提出提高鉆速和保護(hù)儲層的要求。氣體鉆井工藝能夠適應(yīng)勘探開發(fā)形勢的需要，是保護(hù)儲層、提高鉆井速度的有效途徑之一。近年來，川西和川東地區(qū)先后采用氮氣、空氣、天然氣鉆井?dāng)?shù)十口。氣體鉆井工藝的推廣卻給錄井施工帶來工程異常監(jiān)測預(yù)報難、循環(huán)遲到時間確定難、細(xì)小巖屑樣品鑒定難、氣樣采集與油氣層發(fā)現(xiàn)難等問題[1-3]，常規(guī)錄井方法不能有效解決，迫切需要開展錄井新技術(shù)應(yīng)用研究。

1 氣體鉆井條件下的錄井現(xiàn)狀

(1)氣體鉆井對工程參數(shù)錄井影響大

氣體鉆井過程中易發(fā)生燃爆、卡鉆、斷鉆具工程事故，且具有事故過程短、工程參數(shù)變化不明顯的特點，工程異常不易被發(fā)現(xiàn)。國內(nèi)自主研發(fā)的空氣鉆井安全燃爆監(jiān)測系統(tǒng)，多數(shù)存在氣體分離技術(shù)不過關(guān)，監(jiān)測軟件功能不完善，與錄井異常預(yù)報技術(shù)結(jié)合不緊密，不能進(jìn)行綜合的智能監(jiān)測預(yù)報的缺點[4]。

(2)遲到時間測量誤差大

氣體鉆井條件下遲到時間的理論計算公式復(fù)雜，現(xiàn)場缺乏專業(yè)的遲到時間計算軟件[5-6]，實測方法誤差大，一般采用平均速度法確定遲到時間，沒有考慮井筒內(nèi)各點的循環(huán)流體密度和流動速度變化，計算的結(jié)果不準(zhǔn)確。

(3)巖屑識別難度高

在氣體鉆井條件下巖屑一般為粉末、粉塵狀，常規(guī)巖屑鑒定方法幾乎無能為力。近年來的新技術(shù)，如巖屑顯微數(shù)碼成像分析對粉塵狀巖屑的識別效果不太理想，地面自然伽馬測量技術(shù)對海相碳酸鹽巖地層的巖性識別效果差[7-9]。

(4)氣測解釋評價符合率低

氣體鉆井過程中所返出的氣體是巖屑、粉塵混合體，現(xiàn)場大多使用以入水除塵的氣樣凈化裝置，導(dǎo)致由于氣體流速降低和被稀釋，氣測值普遍偏低，常規(guī)鉆井的氣測異常解釋標(biāo)準(zhǔn)與解釋圖板不適用于氣體鉆井，給氣層評價帶來一定困難[10-11]。

2 錄井配套技術(shù)

2.1 安全監(jiān)測技術(shù)

(1)建立異常診斷標(biāo)準(zhǔn)及預(yù)報模型

收集工區(qū)內(nèi)12口井氣體鉆井時間和井段、氣體鉆井類型、發(fā)生異常原因及綜合錄井實時數(shù)據(jù)，對所發(fā)生的16次異常事件進(jìn)行分析，篩選出氣體鉆井常見的10類井下復(fù)雜情況，包括地層出水、井壁失穩(wěn)、井下燃爆、硫化氫溢出、斷鉆具、卡鉆、遇阻等。結(jié)合綜合錄井異常判別方法，優(yōu)選出20種需要檢測的參數(shù)，包括鉆壓、懸重、扭矩、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、立壓、出口管壓力、O2、CO、CO2、H2S、CH4、氣體溫度、濕度等。結(jié)合參數(shù)基值和出現(xiàn)復(fù)雜情況時對應(yīng)的參數(shù)變化特征，建立單指標(biāo)預(yù)警模型和復(fù)雜事故預(yù)警模型。

(2)引進(jìn)旋風(fēng)除塵脫氣裝置

氣體鉆井中由于出口氣樣粉塵多，傳統(tǒng)的過水除塵脫氣裝置會導(dǎo)致氣體流速降低，被稀釋，氣測異常滯后，H2S、CO2等有毒有害氣體不能被及時檢出。因此引進(jìn)了旋風(fēng)除塵脫氣裝置，采用“干除塵”方式，氣體經(jīng)過“三重凈化”，有效實現(xiàn)氣體采樣中氣、液、固的三態(tài)分離。

(3)鉆井安全異常預(yù)報軟硬件系統(tǒng)開發(fā)

在氣體鉆井中，綜合錄井儀原有的出口參數(shù)如密度、電導(dǎo)率、溫度、出口流量等都無法檢測。因此需要新增傳感器組合，增加氣體壓力、溫度、濕度以及H2S、O2、CO2等氣體檢測傳感器。因此設(shè)計了傳感器組合，包括氣體傳感器(H2S、CO、O2、CO2、CH4)、溫度、濕度傳感器和傳感器接線箱等，統(tǒng)一安裝在安全監(jiān)測裝置機(jī)柜內(nèi)。并通過軟件同步采集新增傳感器組合和綜合錄井儀實時參數(shù)，實現(xiàn)單指標(biāo)預(yù)警和復(fù)雜事故預(yù)警功能。

2.2 優(yōu)化遲到時間計算方法

在氣體鉆井條件下的遲到時間計算主要涉及攜巖理論，目前應(yīng)用最普遍的是ANGEL公式。假設(shè)環(huán)空中巖屑與空氣的上返速度相同，把氣體、固體顆粒的兩相流動看成混合流體的單相流動[12]，這種計算存在理論缺陷。因此結(jié)合四川地區(qū)天然氣特點，利用多相流的理論和方法，在ANGEL公式的基礎(chǔ)上，從干氣鉆井?dāng)y巖基礎(chǔ)理論、地層產(chǎn)氣、產(chǎn)液及井徑擴(kuò)大等影響因素方面進(jìn)行了理論分析。采用最小動能法作為攜巖計算的基礎(chǔ)，考慮不同循環(huán)介質(zhì)(空氣、氮氣、柴油機(jī)尾氣)對環(huán)空流動的影響，不同大小顆粒對巖屑運(yùn)移的影響，地層對環(huán)空流動的影響等，根據(jù)不同井身結(jié)構(gòu)和施工參數(shù)，建立環(huán)空氣體、巖屑運(yùn)移方程及數(shù)學(xué)模型。由于這些數(shù)學(xué)模型難以直接求得解析值，因此進(jìn)行了最優(yōu)化求解的算法研究，開發(fā)了專用計算軟件，運(yùn)用迭代計算求解遲到時間。

2.3 巖屑元素錄井技術(shù)

巖屑元素錄井技術(shù)建立在X射線熒光分析基礎(chǔ)上，結(jié)合了巖石地球化學(xué)理論，該項技術(shù)不受樣品大小和形態(tài)的影響，因此非常適合粉末狀巖屑的識別[13]。在工區(qū)內(nèi)6口井18696件巖屑、巖心樣品中開展了XRF分析實驗，進(jìn)行了適應(yīng)性研究。雖然標(biāo)準(zhǔn)譜巖性判別方法操作簡單，但識別的準(zhǔn)確度與標(biāo)準(zhǔn)譜圖庫的大小息息相關(guān)，并存在較強(qiáng)的區(qū)域性，而曲線解釋法利用各種元素變化曲線進(jìn)行巖性解釋，較為直觀便于現(xiàn)場推廣。

曲線解釋方法具體又可細(xì)分為曲線交匯、元素比值、定量解釋等。不同的解釋方法在巖性識別過程中都有一定的優(yōu)勢和缺點。元素含量變化曲線在判斷一些富含特征元素的巖性中應(yīng)用較廣，如煤含大量S、P、Cl，但觀察每個元素的含量變化較為繁瑣；Fe、Si含量隨井深交匯曲線對于砂泥巖的判斷較為快速直觀，但難以識別砂泥巖以外的巖性；Ca/Si元素比值曲線對于判別灰?guī)r較為準(zhǔn)確，但是否為灰?guī)r礫石需要結(jié)合組段沉積環(huán)境分析；Fe/Si含量曲線(XGR)與砂泥巖地層的GR曲線較為吻合；定量解釋曲線(泥質(zhì)含量XSH、砂質(zhì)含量Xsand)最為直觀，但砂、泥質(zhì)含量在各時代地層中波動較大，不能代表絕對含量，判別時依然要觀察其他含量的相對變化。通過統(tǒng)計分析，初步建立起工區(qū)主要巖性的元素含量曲線解釋判別方法，見表1。圖1為工區(qū)內(nèi)DY*井元素錄井實驗效果，不同厚度砂巖、頁巖的錄井元素、電測GR曲線響應(yīng)特征吻合。

表1 工區(qū)主要巖性的元素含量曲線解釋判別方法

2.4 氣測解釋評價技術(shù)

(1)定性解釋模型

系統(tǒng)接收并篩選出工區(qū)內(nèi)9口氣體鉆井共19層油氣水顯示，分別按照統(tǒng)一制圖規(guī)定繪制出油氣水顯示井段剖面圖，進(jìn)行氣測全烴曲線形態(tài)分析。通過總結(jié)歸納出與中幅鈍角-直角形、低幅漏斗形、低幅齒形、高幅尖峰狀、近直線狀下降五種典型全烴曲線形態(tài)，見表2。在全烴曲線形態(tài)基礎(chǔ)上，結(jié)合各井顯示層段的巖性、測井、測試等資料，研究全烴曲線形態(tài)的形成與產(chǎn)層壓力、產(chǎn)層性質(zhì)的相關(guān)性。建立起氣體鉆井氣測全烴曲線形態(tài)解釋模型，作為氣測定性解釋評價的依據(jù)。

圖1 DY*井元素錄井成果圖

表2 氣體鉆井氣測全烴曲線形態(tài)法的解釋模型

注：繪制標(biāo)準(zhǔn)為縱向比例尺1︰1000，曲線欄寬5 cm，氣測曲線欄繪制標(biāo)尺0～100 %。

(2)氣測定量評價技術(shù)

氣體鉆進(jìn)過程中，井底處于負(fù)壓狀態(tài)，產(chǎn)能釋放充分，因此氣測資料能真實的反映地層含氣性，在錄井現(xiàn)場全烴檢測儀測定的結(jié)果能直接反映排沙管線中天然氣的濃度，結(jié)合排沙管線的流體參數(shù)，就可以計算出排沙管線中天然氣的流量。據(jù)流體力學(xué)理論，當(dāng)氣層全烴峰值達(dá)到近平穩(wěn)狀態(tài)，就可以認(rèn)為該井在一定生產(chǎn)壓差下穩(wěn)定生產(chǎn)，求出的排沙管線天然氣排量就是該狀態(tài)下地層的產(chǎn)氣量[14]。目前氣體鉆井監(jiān)測系統(tǒng)還不能對排沙管線的流體參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，現(xiàn)場只能采用壓縮機(jī)的排量替代排沙管線流量來計算天然氣產(chǎn)量(需忽略進(jìn)出口氣體壓力、溫度影響)。

計算公式：地層產(chǎn)量qg=壓縮機(jī)排量×全烴含量/(1-全烴含量)

根據(jù)工區(qū)內(nèi)氣體鉆井多口井錄井資料，注氣壓力小于4 MPa，排沙管線壓力多小于0.6 MPa，利用遞推法計算井底壓力為1 MPa左右。鉆遇產(chǎn)層后立壓上升1～2 MPa，推測井底流壓不超過6 MPa，根據(jù)測試經(jīng)驗數(shù)據(jù)，主力產(chǎn)層壓力一般大于30 MPa，借助陳千元推導(dǎo)的利用地層壓降計算氣井絕對無阻流量的公式計算地層無阻流量：

式中：

qAOF—氣井的絕對無阻流量，104m3/d；

PR—地層壓力，MPa；

Pwf—井底流動壓力，MPa。

由于PR2>>Pwf2，PR2-Pwf2≈PR2，因此對計算公式可以進(jìn)行簡化得出：

qAOF=qg

即氣體鉆井中氣層的絕對無阻流量與根據(jù)全烴計算的天然氣產(chǎn)量相等。

目前工區(qū)已施工的12口氣體鉆井，見油氣顯示9口。其中4口見良好油氣顯示的井進(jìn)行了測試，將無阻流量計算結(jié)果與測試成果對比，數(shù)據(jù)基本吻合(表3)，因此，認(rèn)為利用氣測資料計算的無阻流量能夠為氣層的解釋評價提供重要參考。

(3)氣測綜合解釋評價方法

在氣測全烴曲線形態(tài)與無阻流量計算的基礎(chǔ)上，結(jié)合各井氣體鉆井地層出水情況，將定性解釋模型與定量計算技術(shù)結(jié)合，形成綜合解釋評價方法，并開發(fā)了相應(yīng)的解釋軟件。

3 應(yīng)用效果

3.1 安全監(jiān)測技術(shù)

通過在YB*H井、M*井和LZ*井3口井的上井試驗，安全監(jiān)測軟硬件系統(tǒng)共成功監(jiān)測地層出水2次，氣測異常3次。其中在M*井的上井試驗中，準(zhǔn)確的監(jiān)測到氣測異常，及時放噴點火，結(jié)束氣體鉆進(jìn)，防止了井下燃爆，避免了井下復(fù)雜情況的產(chǎn)生,還監(jiān)測到地層出水1次(濕度參數(shù)值增加，且?guī)r屑潮濕，見少量泥塊)，立壓、扭矩也出現(xiàn)異常，井隊停鉆烘干井壁3h，濕度、扭矩、立壓均正常后鉆進(jìn),見圖2。從上井試驗效果看，該系統(tǒng)能夠有效識別氣體鉆井過程中出現(xiàn)的氣測異常、地層出水，防止進(jìn)一步發(fā)生井下燃爆、井下復(fù)雜情況。

表3 工區(qū)氣體鉆井各井氣測計算的無阻流量與測試成果對比表

圖2 M*井1688 m濕度增加判斷地層出水引起扭矩異常

3.2 遲到時間測定技術(shù)

分別在YB*H井、M*井2口井進(jìn)行了上井試驗，計算35次，實測7次，通過數(shù)據(jù)對比分析，計算與實測誤差在-0.75～0.53 min之間。而試驗井段的鉆時一般為3～10 min/m，因此計算誤差在巖屑錄井允許范圍內(nèi)。

3.3 巖屑元素錄井技術(shù)

通過對4口試驗井進(jìn)行統(tǒng)計，解釋符合率均大于90%，有效地提升錄井質(zhì)量。圖3為YB*H井空氣鉆粉末狀巖屑巖性鑒定成果，從圖中可以看出元素錄井Fe/Si與測井解釋GR曲線較吻合，該井2700 m以淺厚度大于2 m砂體32層，元素解釋30層，符合率93.8%。

圖3 YB*H井空氣鉆粉末狀巖屑巖性鑒定成果圖

3.4 氣體鉆井條件下氣測錄井技術(shù)

在2次上井試驗中共解釋油氣顯示3層。其中M*井解釋1層氣層，通過定量計算該層顯示產(chǎn)氣量為1.1241×104m3/d，與鉆井過程中放噴點火顯示情況吻合。LZ*井解釋2層氣水同層，定量計算天然氣產(chǎn)量分別為0.652×104m3/d，1.375×104m3/d，測井綜合解釋為氣水同層，解釋結(jié)論較吻合。

4 結(jié)論

本研究建立了氣體鉆井異常預(yù)報模型，研制了氣體鉆井安全監(jiān)測系統(tǒng)，開發(fā)了氣體鉆井遲到時間計算軟件，形成了元素錄井巖性解釋方法，研究了氣體鉆井氣測解釋評價方法并開發(fā)了解釋軟件，最終建立起了氣體鉆井條件下的錄井配套技術(shù)。在多口井開展了現(xiàn)場試驗，巖屑錄井剖面符合率、油氣顯示層發(fā)現(xiàn)率、解釋符合率、異常預(yù)報及時準(zhǔn)確率均較高，保障了鉆井安全，提升了錄井質(zhì)量。但是由于試驗時間短，試驗井少，未能在試驗中監(jiān)測到井下燃爆、井壁失穩(wěn)、硫化氫溢出等異常情況，工程異常預(yù)報模型的有效性需要進(jìn)一步驗證和完善，另外，氣體流量是安全監(jiān)測、氣層的發(fā)現(xiàn)與評價的關(guān)鍵參數(shù)，目前還不能監(jiān)測氣液固三項流的流量。該項技術(shù)具有較高的推廣應(yīng)用價值，非常值得在推廣應(yīng)用中進(jìn)一步完善。

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