王偉佳中石化江漢石油工程有限公司頁(yè)巖氣開采技術(shù)服務(wù)公司

連續(xù)油管光纖測(cè)井技術(shù)及其在頁(yè)巖氣井中的應(yīng)用

王偉佳
中石化江漢石油工程有限公司頁(yè)巖氣開采技術(shù)服務(wù)公司

水平井復(fù)合橋塞分段壓裂是國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣井的主要開發(fā)方式，由于頁(yè)巖氣井快優(yōu)鉆井造成的井眼軌跡及井深結(jié)構(gòu)的特殊性、鉆塞結(jié)束后井筒內(nèi)殘留部分橋塞碎屑、水平段多相流的復(fù)雜性等，常規(guī)產(chǎn)出剖面測(cè)井技術(shù)難以滿足頁(yè)巖氣井的測(cè)試要求。針對(duì)頁(yè)巖氣井?dāng)?shù)量眾多，鉆塞后井筒金屬碎屑較多的特性，測(cè)井前利用強(qiáng)磁打撈器進(jìn)行打撈兼通井以提高施工成功率，采用連續(xù)油管內(nèi)穿光纖并下掛流體掃描成像測(cè)井儀FSI的工藝進(jìn)行產(chǎn)氣剖面測(cè)井，能得到較真實(shí)的產(chǎn)氣產(chǎn)液剖面、各射孔簇產(chǎn)氣產(chǎn)液貢獻(xiàn)，可以有效評(píng)價(jià)各級(jí)壓裂效果。連續(xù)油管光纖測(cè)井方法在頁(yè)巖氣井中的應(yīng)用前景良好。

連續(xù)油管；光纖測(cè)井；流體掃描成像測(cè)井儀FSI；頁(yè)巖氣井；生產(chǎn)測(cè)井

目前，國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣井主要以叢式井、長(zhǎng)水平段、多級(jí)射孔、大規(guī)模拉鏈?zhǔn)郊由皦毫逊绞竭M(jìn)行完井試氣，試氣產(chǎn)量和壓力不穩(wěn)定，無(wú)法落實(shí)單井產(chǎn)能，難以正確認(rèn)識(shí)地層的實(shí)際產(chǎn)出情況，影響開發(fā)配產(chǎn)方案的制定［1］。針對(duì)頁(yè)巖氣特殊的完井方式，目前動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)沒有行之有效的手段，甄選國(guó)內(nèi)外壓后評(píng)價(jià)技術(shù)，產(chǎn)氣剖面測(cè)試技術(shù)為解決上述難題最經(jīng)濟(jì)有效的手段。

國(guó)內(nèi)常規(guī)測(cè)試所使用的井下工具多為多陣距、單轉(zhuǎn)子，測(cè)試工作繁雜、轉(zhuǎn)子需較大的啟動(dòng)速度，監(jiān)測(cè)誤差大，無(wú)法清晰判別井下流體類型。以連續(xù)油管為載體的光纖生產(chǎn)剖面測(cè)試技術(shù)，在頁(yè)巖氣井超長(zhǎng)水平段、多級(jí)壓裂開發(fā)模式下，能直觀清晰地找出主力產(chǎn)層、描述井底積液現(xiàn)狀，同時(shí)采用光纖作為數(shù)據(jù)傳輸手段，抗干擾能力強(qiáng)，井下監(jiān)測(cè)工具電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，更快、更準(zhǔn)傳遞數(shù)據(jù)，工具串中的FSI生產(chǎn)測(cè)井儀擁有多級(jí)轉(zhuǎn)子，更加清晰識(shí)別井下流體動(dòng)態(tài)，具有檢測(cè)精度高、解釋成果可靠等特點(diǎn)。

1 連續(xù)油管光纖生產(chǎn)剖面測(cè)試系統(tǒng)Test system for coiled tubing optical fiber production profile

1.1配套連續(xù)油管機(jī)組

Supporting coiled tubing unit

連續(xù)油管光纖生產(chǎn)剖面測(cè)試是將井下儀器連接在內(nèi)部穿有光纖的連續(xù)油管頂端，由連續(xù)油管上提或下放帶動(dòng)儀器完成測(cè)試，儀器輸送動(dòng)力較大、成功率高、深度控制方便。根據(jù)國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣井的實(shí)際情況，一般選用外徑?50.8 mm、長(zhǎng)度大于5 000 m的連續(xù)油管，同時(shí)要求連續(xù)油管作業(yè)機(jī)組的提升能力大于360 kN。

1.2ACTIVE光纖傳輸系統(tǒng)

ACTIVE optical fiber transmission system

ACTIVE光纖傳輸系統(tǒng)通過連續(xù)油管傳輸可實(shí)時(shí)獲得井下數(shù)據(jù)，包括井底壓力（連續(xù)油管內(nèi)外）、實(shí)際深度、井下工具受力情況、井底溫度、全井筒溫度分布曲線等，在施工過程中可隨時(shí)優(yōu)化作業(yè)方案，迅速準(zhǔn)確判斷井下情況，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。主要包括光纖、井下儀器及地面電子設(shè)備3部分。

1.2.1光纖 ACTIVE光纖傳輸系統(tǒng)是將4條光纖安置在鉻鎳鐵合金光纖載體中，光纖載體又被安放在連續(xù)油管內(nèi)。這4條光纖中有2條用于井下工具的信號(hào)傳輸，另外的1條或者2條可用來獲取井筒溫度曲線。鎳鉻鐵合金光纖載體直徑只有?1.8 mm，重量10 kg/1 000 m，比電纜更小、更輕。使用該系統(tǒng)的連續(xù)油管可以進(jìn)行正常投球、正常泵送液體、不受酸或者其他腐蝕性溶劑的腐蝕，光纖松弛度處理也相對(duì)簡(jiǎn)單。

1.2.2井下儀器 ACTIVE光纖傳輸系統(tǒng)的井下儀器主要包括3部分，可以單獨(dú)或者組合組裝：（1）光纖頭，光纖在光纖頭的終止端終止后，可以連接任何種類的傳統(tǒng)連續(xù)油管井下工具；（2）PTC-G-TC，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下溫度、井底壓力（連續(xù)油管內(nèi)外）、井下工具受力情況，可通過節(jié)箍定位器和伽馬射線確定連續(xù)油管下入深度；（3）光電信號(hào)轉(zhuǎn)化器，可連接電纜產(chǎn)量測(cè)井平臺(tái)，無(wú)需更換為帶電纜的連續(xù)油管和其他的電纜測(cè)井設(shè)備。

1.2.3地面電子設(shè)備 使用地面電子設(shè)備，數(shù)據(jù)會(huì)通過無(wú)線傳輸方式，從連續(xù)油管傳遞到操作間的電腦上，電腦軟件會(huì)解讀和顯示井下的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。如果需要測(cè)量全井筒溫度分布曲線，需要安裝一個(gè)井下Ultra盒子并連接到連續(xù)油管里面的光纖上，進(jìn)行測(cè)量。

1.3流體掃描成像測(cè)井儀FSI

Fluid scanning imaging logging tool

斜井中井下流態(tài)復(fù)雜，包括層流、霧狀流和循環(huán)流。分異、流態(tài)和井斜微小變化都會(huì)影響流動(dòng)剖面。常規(guī)儀器測(cè)量存在井筒頂端泡狀流、重相循環(huán)流或、不適合以不同流速流動(dòng)的分層流動(dòng)斜井等問題。流動(dòng)回路實(shí)驗(yàn)也表明了常規(guī)測(cè)井儀器在多相流中無(wú)效。FSI 水平井和斜井生產(chǎn)測(cè)井系統(tǒng)是特別為大斜度井、水平井和近水平井開發(fā)的。如圖1所示，該儀器一個(gè)儀器臂上有4個(gè)微轉(zhuǎn)子流量計(jì)，測(cè)量流動(dòng)速度剖面，另一個(gè)臂上有5個(gè)電探針和5個(gè)光學(xué)探針，分別測(cè)量局部的持水率和持氣率。另外，儀器殼體上還有第五個(gè)轉(zhuǎn)子流量計(jì)和第六對(duì)電探針和光學(xué)探針，測(cè)量井筒底端的流動(dòng)。該儀器為偏心儀器，測(cè)量時(shí)儀器主體位于井筒的底端，測(cè)量臂可展開，最大可到井筒的內(nèi)直徑，像井徑儀一樣，提供計(jì)算流動(dòng)速率所需要的井筒內(nèi)全范圍測(cè)量［2］。

圖1　流動(dòng)掃描成像掃描儀Fig.1 Fluid scanning imaging scanner

如圖2所示，F(xiàn)SI 測(cè)量沿井筒直徑方向的速度剖面，可測(cè)量到單個(gè)居中轉(zhuǎn)子測(cè)不出的速度變化，測(cè)量混合和分層流態(tài)，包括多相流水平井中氣相流速的獨(dú)立測(cè)量，甚至可以探測(cè)到井下水相的循環(huán)流動(dòng)。5個(gè)微型轉(zhuǎn)子中的每個(gè)可直接測(cè)量到流經(jīng)其位置的流體速度，從而計(jì)算多相流速度剖面［3-4］。Flow Scanner通過6個(gè)低頻探針測(cè)量流體阻抗來探測(cè)水。因?yàn)樗畬?dǎo)電，但油氣不能，設(shè)定一個(gè)限值可使儀器能辨別出油、氣和水。當(dāng)連續(xù)水相中的油滴或氣泡，或連續(xù)油氣相的水滴接觸到探針針尖時(shí)，探針會(huì)產(chǎn)生一個(gè)二進(jìn)制信號(hào)。根據(jù)電路接通的時(shí)間可計(jì)算出持水率，持水率剖面精確地表現(xiàn)了井筒內(nèi)的流態(tài)。

FSI 配備了用于氣檢測(cè)的光學(xué)探針，6個(gè)持氣率光學(xué)探針對(duì)流體的光學(xué)折射系數(shù)敏感。氣的折射率接近于1，水的約為1.35，原油的是1.5。油和水具有類似的流體光學(xué)折射系數(shù)，所以光學(xué)探針用來從液體中辨別氣體。從原始數(shù)據(jù)中也可得到氣泡計(jì)數(shù)，用來確定第一個(gè)產(chǎn)氣點(diǎn)的位置。光學(xué)探針和電探針結(jié)合可提供同一深度三相持率數(shù)據(jù)。

流體掃描成像測(cè)井儀的特點(diǎn)：可與生產(chǎn)測(cè)井平臺(tái)和其他套管井測(cè)井儀器組合；因儀器長(zhǎng)度短，可在狗腿度嚴(yán)重的井中作業(yè)；在同一深度進(jìn)行完全的三相持率測(cè)量；通過傳感器掃描，更準(zhǔn)確探測(cè)各相之間的界面；測(cè)量混合和分離流態(tài)；在多相水平井中獨(dú)立測(cè)量氣相流速。

圖2　流動(dòng)掃描成像掃描儀轉(zhuǎn)子分布Fig.2 Rotor distribution on FSI

2 測(cè)井工藝Logging technology

由于連續(xù)油管光纖測(cè)井技術(shù)需要通過光纖來傳遞測(cè)井工具在井筒中采集的數(shù)據(jù)，而光纖又需要以連續(xù)油管作為輸送設(shè)備，因此必須將光纖從連續(xù)油管內(nèi)部穿越才能與下部的測(cè)井工具進(jìn)行連接。連續(xù)油管穿光纖時(shí)需要通過水力泵送（如圖3所示）：光纖從光纖滾筒中出來，通過一根內(nèi)徑很小的速度管，依靠摩擦力送入油管滾筒，進(jìn)入油管后，由于光纖內(nèi)徑外徑很小，僅依靠水力即可送達(dá)油管另一端。雖然光纖自身重量很小且外層鉻鎳鐵合金強(qiáng)度較大，發(fā)生光纖纏繞的可能性較小，但隨著光纖在使用過程中隨油管的頻繁起下及自身重力、循環(huán)時(shí)的水力等影響，光纖有可能在油管底端余量較大。因此每進(jìn)行2～3口井作業(yè)，光纖需進(jìn)行一次余量管理，即從油管尾端循環(huán)清水，使聚集在油管尾端的光纖均勻分布于油管中。

圖3　連續(xù)油管穿光纖示意Fig.3 The schematic of optical fiber through coiled tubing

由于國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣井前期對(duì)鉆塞技術(shù)認(rèn)識(shí)不足，對(duì)鉆塞完后的井筒處理不干凈，產(chǎn)生一系列問題：井筒碎屑聚集，造成部分井連續(xù)油管遇阻，未能下至目的深度，最終未能取全所有井段生產(chǎn)數(shù)據(jù)；井筒聚集的碎屑造成FSI測(cè)井工具損壞或者影響轉(zhuǎn)子和探針的正常工作；測(cè)井工具攜帶的碎屑帶到井口后，隨氣體流至地面生產(chǎn)流程，導(dǎo)致可調(diào)式針型節(jié)流閥堵塞。連續(xù)油管光纖測(cè)井技術(shù)針對(duì)頁(yè)巖氣投產(chǎn)在國(guó)內(nèi)相繼應(yīng)用了20余口井，形成了一套不影響正常開采的完整施工工藝。

（1）前期井筒處理。針對(duì)生產(chǎn)井減少泵注的要求，及井筒內(nèi)碎屑多為復(fù)合橋塞金屬卡瓦的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)產(chǎn)出剖面測(cè)試專用強(qiáng)磁打撈器。在正式測(cè)試前增加連續(xù)油管強(qiáng)磁打撈器通井及打撈碎屑作業(yè)。該打撈器由于受采氣井口限制最大外徑為?73 mm，采用凹槽式設(shè)計(jì)，瓷片在槽內(nèi)，增加了可吸附碎屑容積。該強(qiáng)磁打撈器在測(cè)試前期井筒處理上取得了良好的應(yīng)用效果，有效地降低了井筒碎屑聚集造成的連續(xù)油管遇阻及井下儀器損壞現(xiàn)象。同時(shí)該強(qiáng)磁打撈器現(xiàn)已應(yīng)用于鉆塞結(jié)束后的碎屑打撈中，在試氣過程中有效增加了橋塞碎屑的返排率。

（2）連續(xù)油管本體保護(hù)措施。為確保施工安全，建議連續(xù)油管本體所受外力不超過7 MPa，否則在井下受力情況下油管存在擠毀可能。國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣井在投產(chǎn)前期普遍存在井口壓力高的特點(diǎn)，部分井可能高達(dá)30 MPa，因此在進(jìn)行測(cè)試時(shí)建議在油管內(nèi)部用液氮進(jìn)行補(bǔ)壓，使油管內(nèi)外壓差不超過5 MPa。

（3）測(cè)試制度的選擇。為取得良好的采氣貢獻(xiàn)率分析，建議選用2種制度進(jìn)行測(cè)試，兩種制度之間產(chǎn)量間距5×104m3/d以上。由于連續(xù)油管入井后占有一定體積，套管容積有所減少，對(duì)于套管生產(chǎn)井來說具有一定的排水效果，建議在通井前就選用產(chǎn)量的較大測(cè)試制度生產(chǎn)，測(cè)試時(shí)也可先進(jìn)行產(chǎn)量較大的制度測(cè)試，效果較好。

（4）測(cè)試速度的選擇。為確保解釋成果，測(cè)試時(shí)進(jìn)行下放測(cè)量及上提測(cè)量?jī)纱螠y(cè)試，同時(shí)在保證安全的前提下盡量加快油管上提下放的速度，油管速度越快，解釋結(jié)果越準(zhǔn)確。

（5）由于氣井全程帶壓作業(yè)，確保井控安全意義重大，井口設(shè)備必須定期檢測(cè)，同時(shí)建議測(cè)井連續(xù)油管配備在線檢測(cè)裝置，防止因油管物理?yè)p傷引起油管刺漏或斷裂。

3 應(yīng)用實(shí)例Application examples

在四川盆地的一口井進(jìn)行了連續(xù)油管光纖產(chǎn)出剖面測(cè)試，該井人工井底4 214.14 m，水平段長(zhǎng)1375 m，共分16段壓裂。測(cè)試時(shí)該井井口壓力30.1 MPa，采用液氮在油管內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)壓作業(yè)，第一趟強(qiáng)磁打撈作業(yè)共從井筒中撈出橋塞卡瓦牙3.47 kg，最大卡瓦牙直徑?16 mm，有效清除了井筒內(nèi)的碎屑，測(cè)試分別在地面計(jì)量產(chǎn)量為20×104m3/d和29×104m3/d的工作制度下進(jìn)行。

測(cè)試解釋成果顯示：產(chǎn)液剖面測(cè)試結(jié)果顯示所有壓裂段均有產(chǎn)氣量貢獻(xiàn)，其中16個(gè)射孔簇（35.6%）產(chǎn)量低于平均產(chǎn)量的1/3，17個(gè)射孔簇（37.8%）產(chǎn)量高于平均產(chǎn)量，和美國(guó)頁(yè)巖氣均勻分段壓裂結(jié)果符合［5］；16段中有4段產(chǎn)氣貢獻(xiàn)值較大，8段貢獻(xiàn)值較低，4段貢獻(xiàn)值處于平均值，其中8段貢獻(xiàn)值較低的壓裂段中有3段在壓裂過程中出現(xiàn)加砂困難；2個(gè)工作制度下，產(chǎn)量變化較大的壓裂段有8段，其余壓裂段產(chǎn)氣量變化不大。29×104m3/d制度下，井筒中水持率明顯比20×104m3/d制度下水持率低；井下流態(tài)以水平層流為主，測(cè)量井段井斜的變化較小。從不同深度的井筒截面圖可得出流態(tài)分布規(guī)律：水平井筒中，水在井筒中的最下部，氣在井筒中的中上部，水滯留在井筒中，氣體流速快。在水平井井筒中，井筒中水持率隨深度增加而增加，伴隨井斜變化，經(jīng)?？梢杂^察到“回流”現(xiàn)象，影響單個(gè)轉(zhuǎn)子儀器的響應(yīng)。

4 結(jié)論Conclusions

（1）連續(xù)油管光纖產(chǎn)出剖面測(cè)試能得到真實(shí)產(chǎn)氣產(chǎn)液剖面、各射孔簇產(chǎn)氣產(chǎn)液貢獻(xiàn)，操作方便，測(cè)試精度高，解釋成果可靠，有效評(píng)價(jià)各級(jí)壓裂效果。

（2）連續(xù)油管光纖產(chǎn)出剖面測(cè)試技術(shù)可實(shí)時(shí)獲得井下數(shù)據(jù)，包括井底壓力（連續(xù)油管內(nèi)、外）、實(shí)際深度、井下工具受力情況、井底溫度、全井筒溫度分布曲線等，在施工過程中可隨時(shí)優(yōu)化作業(yè)方案，迅速準(zhǔn)確判斷井下情況，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

（3）FSI測(cè)井儀設(shè)置5個(gè)微型轉(zhuǎn)子，6對(duì)探針，可直接測(cè)量到流經(jīng)其位置的流體速度，計(jì)算多相流速度剖面，結(jié)合6對(duì)探針得來的流相，可真實(shí)得到井下流體的產(chǎn)出剖面。

（4）針對(duì)井筒碎屑聚集，增加連續(xù)油管強(qiáng)磁打撈器通井及打撈碎屑作業(yè)，可適當(dāng)緩解部分井連續(xù)油管遇阻、井下儀器損壞、井口流程堵塞的問題。可進(jìn)一步研究采用泵注氮?dú)怛?qū)動(dòng)螺桿鉆具帶動(dòng)磨鞋進(jìn)行通井的工藝可行性。

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（修改稿收到日期 2015-12-20）

〔編輯 李春燕〕

Well logging via coiled tubing fiber optic infrastructures and its application in shale gas wells

WANG Weijia
Shale Gas Mining Technology Service Company， Jianghan Petroleum Engineering Co. Ltd.， SINOPEC， Wuhan， Hubei 430074， China

Staged fracturing of horizontal wells by composite bridge plug is the main development mode of domestic shale gas wells. Due to the particularity of wellbore trajectory and well depth configuration caused by optimized fast drilling of shale gas wells，some plug debris still remaining in the wellbore after the plug is drilled out and the complexity of multiphase-flow in horizontal section，the well logging technology for conventional producing profile cannot meet the requirement of shale gas wells. In view of large numbers of shale gas wells， it is urgent to evaluate the drilled and completed wells and fracturing effectiveness in order to guide further fracturing. Gas producing profile logging was carried by FSI （fluid scanning imaging logging instrument） technique， in which optical fiber goes through the coiled tubing with fluid scanning imaging tool hanging below. This technique can obtain real gas and fluid producing profiles and gas and fluid production of all perforation clusters and effectively evaluated the effectiveness of all staged fracturing. In line with the characteristics that production logging is mostly carried out after drilling out the bridge plug in shale gas wells and there is a lot of metal debris in wellbore， so strong magnet was used to remove the debris and drift the well prior to logging， which could improve logging success rate. This method of fiber-optic well logging through coiled tubing has a good prospect of application in shale gas wells.

coiled tubing； optical fiber； FSI； shale gas wells； production logging

Wang Weijia. Well logging via coiled tubing fiber optic infrastructures and its application in shale gas wells［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（2）： 206-209.

P631.81

B

1000 -7393（ 2016 ） 02 -0206-04

10.13639/j.odpt.2016.02.015

王偉佳（1983-），2011年畢業(yè)于西南石油大學(xué)石油工程測(cè)井專業(yè)，碩士研究生，現(xiàn)主要從事連續(xù)油管技術(shù)的研究工作，工程師。通訊地址： （408014）重慶市涪陵區(qū)焦石鎮(zhèn)興焦路44號(hào)。電話：0728-6597074。E-mail： weijia07@163.com

引用格式：王偉佳.連續(xù)油管光纖測(cè)井技術(shù)及其在頁(yè)巖氣井中的應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2016，38（2）：206-209.