Chunshang Qiao, Kezheng Du, Yong Wang, Pengfei Cao

CNOOC EnerTech-Drilling & Production Co. Shenzhen Branch, Shenzhen Guangdong

Abstract

Keywords

1. 引言

隨著勘探程度的提高，珠江口盆地白云凹陷鉆遇極高溫超壓地層，深部甜點(diǎn)地層溫度達(dá)200℃以上，最高可達(dá)250℃，這給勘探作業(yè)施工帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。目前國(guó)內(nèi)外常規(guī)的測(cè)井和DST 測(cè)試設(shè)備耐溫約在150℃~220℃，已經(jīng)很難滿足該區(qū)塊的作業(yè)需求；即使協(xié)調(diào)到全球數(shù)量有限的高溫工具(耐溫200℃~250℃)，也幾乎沒(méi)有作業(yè)余量，對(duì)作業(yè)人員的整體水平要求極高[1]。在工具耐溫短期內(nèi)無(wú)法提升的情況下，攻克高溫作業(yè)難題需要精細(xì)的作業(yè)方案設(shè)計(jì)和作業(yè)跟蹤決策。作業(yè)方案設(shè)計(jì)包括隨鉆工具的選型、取舍，高溫環(huán)境下的作業(yè)流程及循環(huán)降溫方法設(shè)計(jì)等；作業(yè)跟蹤決策的內(nèi)容包括根據(jù)實(shí)鉆地溫情況的測(cè)試井段選取、作業(yè)方案設(shè)計(jì)、工具準(zhǔn)備、資源協(xié)調(diào)等；而這些的基礎(chǔ)就是準(zhǔn)確的地層溫度測(cè)算。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)地層壓力預(yù)測(cè)的研究較多，而對(duì)溫度測(cè)算的研究卻相對(duì)較少，且主要集中在對(duì)盆地整體地溫場(chǎng)的趨勢(shì)研究[2] [3]，尤其對(duì)單井、單構(gòu)造的地溫梯度的預(yù)測(cè)十分鮮見(jiàn)，這對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)施工指導(dǎo)意義有限。

從經(jīng)濟(jì)、快速的角度出發(fā)，單井預(yù)測(cè)方法的研究應(yīng)從鉆井過(guò)程中獲取的溫度數(shù)據(jù)入手。通常海上鉆井作業(yè)時(shí)可以測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)均為井筒內(nèi)流體的溫度，常見(jiàn)有三種：第一種是循環(huán)泥漿溫度，即鉆進(jìn)時(shí)隨鉆工具測(cè)得的井筒泥漿溫度，由于有循環(huán)降溫作用，該溫度數(shù)值上遠(yuǎn)小于真實(shí)地層溫度；第二種是電纜測(cè)井時(shí)，測(cè)井儀器測(cè)得的靜止泥漿溫度，其中滿貫測(cè)井的可以得到連續(xù)深度點(diǎn)溫度，測(cè)壓取樣可以得到單深度點(diǎn)溫度，該溫度數(shù)據(jù)相比循環(huán)溫度更接近地層溫度，但因靜止時(shí)間短，仍處于升溫過(guò)程中，因此也無(wú)法代表地層溫度；第三種是DST 測(cè)試時(shí)獲得的溫度，因射孔后地層流體大量進(jìn)入井筒且流動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，該溫度可近似認(rèn)為是地層溫度。然而DST 溫度數(shù)據(jù)在新區(qū)塊鉆井時(shí)卻較難應(yīng)用，首先DST 測(cè)試作業(yè)相對(duì)較少且數(shù)據(jù)很難借鑒，其次在整個(gè)單井建井周期中，DST 測(cè)試作業(yè)是最后階段進(jìn)行的，已經(jīng)錯(cuò)過(guò)了決策時(shí)間。

綜上所述，利用前兩種溫度(泥漿溫度)數(shù)據(jù)，建立一套參數(shù)簡(jiǎn)單、應(yīng)用方便的單井地溫梯度預(yù)測(cè)方法，是解決當(dāng)前作業(yè)難題經(jīng)濟(jì)有效的途徑。

2. 傳統(tǒng)計(jì)算方法(Hornor 圖版法)

運(yùn)用泥漿溫度測(cè)算地層溫度，國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)已經(jīng)提出了一些方法[4]-[10]，目前運(yùn)用較為廣泛的方法為Hornor 圖版法[11]，應(yīng)用公式原理如下(1)式。

式中： Tf為地層溫度，℃； To為測(cè)得的泥漿溫度，℃； tc為停泵前的連續(xù)循環(huán)時(shí)間，h； ts為停泵后的泥漿靜止時(shí)間，h；? 為巖石熱導(dǎo)率，W/(mK)；H 為熱供應(yīng)率。

但是該方法中? 和H 的值較難獲得，在新區(qū)塊已鉆井?dāng)?shù)據(jù)較少的情況下，Hornor 圖版法難以直接應(yīng)用。此外，不同井間由于地層條件、泥漿性能、作業(yè)情況、井身結(jié)構(gòu)等因素不同，熱導(dǎo)相關(guān)參數(shù)勢(shì)必存在差異；求取單井的熱導(dǎo)相關(guān)參數(shù)既費(fèi)周章、時(shí)效性較差，且普適性也不好。

總之，Hornor 圖版法更適用于區(qū)域研究性質(zhì)的鉆后總結(jié)分析，其成果應(yīng)用周期性較長(zhǎng)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)作業(yè)缺乏指導(dǎo)性和借鑒性。

3. 兩種單井預(yù)測(cè)地溫的新方法

為滿足一線作業(yè)決策及時(shí)性的需求，以適用性強(qiáng)為導(dǎo)向，溫度預(yù)測(cè)方法可考慮適當(dāng)降低精度、簡(jiǎn)化模型。基于此，設(shè)計(jì)2 種運(yùn)用單井?dāng)?shù)據(jù)測(cè)算地溫梯度方法，可以在作業(yè)過(guò)程中實(shí)時(shí)推算地溫梯度，相比傳統(tǒng)方法具有應(yīng)用性強(qiáng)、時(shí)效性高的特點(diǎn)，對(duì)作業(yè)跟蹤及下步快速?zèng)Q策有良好的指導(dǎo)意義。

3.1. 井底單點(diǎn)靜止泥漿溫度回歸法(方法1)

方法1 采用的溫度數(shù)據(jù)來(lái)源于馬龍頭上的水銀溫度計(jì)，每進(jìn)行一次電纜測(cè)井可以記錄1 個(gè)溫度最大值，通常默認(rèn)儀器下深最深時(shí)讀得該溫度，再根據(jù)作業(yè)日?qǐng)?bào)可計(jì)算得到泥漿靜止時(shí)間。一組數(shù)據(jù)記錄3個(gè)值 ts、 ho、 To，代表在 ts時(shí)刻，井深 ho處的泥漿溫度為 To。

3.1.1. 方法思路及計(jì)算步驟

前人針對(duì)井筒溫度場(chǎng)的模擬研究做了很多工作[12]，眾多學(xué)者在建立數(shù)值模型時(shí)為了滿足工程快速計(jì)算的要求，假設(shè)井筒內(nèi)各控制單元間以對(duì)流換熱方式交換熱量，而對(duì)于地層則以熱傳導(dǎo)形式發(fā)生熱交換。因此，忽略了井下鉆柱內(nèi)和環(huán)空流體層間在徑向與軸向上熱量傳遞作用，從而建立了目前廣泛應(yīng)用的井筒一維與地層二維空間上的井下傳熱數(shù)值簡(jiǎn)化模型，該簡(jiǎn)化模型已被論證滿足實(shí)際作業(yè)的誤差要求[13]?；诖?，根據(jù)井筒與地層間熱量交換機(jī)理，可推知當(dāng)循環(huán)結(jié)束，某深度點(diǎn)泥漿溫度與靜止時(shí)間關(guān)系的曲線有幾個(gè)特點(diǎn)：① 單調(diào)遞增；② 增速由快到慢逐漸降低；③ 當(dāng)靜止時(shí)間無(wú)限大時(shí)，泥漿溫度趨近于一個(gè)極大值。根據(jù)這3 個(gè)特點(diǎn)，可知符合S 型曲線特點(diǎn)，選用S 型曲線作為升溫曲線方程，見(jiàn)(2)式。將作業(yè)中記錄得到的溫度數(shù)據(jù)，按照升溫方程進(jìn)行回歸，求得溫度極大值即為所在深度的地層溫度。因?qū)嶋H作業(yè)過(guò)程中測(cè)得溫度數(shù)據(jù)的井深略有不同，還需根據(jù)地溫梯度的計(jì)算方法進(jìn)行一個(gè)校正，見(jiàn)(3)、(4)式。

計(jì)算步驟如下：

3.1.2. 應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)及影響因素分析

1) 至少3 個(gè)可靠數(shù)據(jù)點(diǎn)回歸出來(lái)的方程才具有可參考性?？芍摲匠瘫举|(zhì)是S 型曲線，在實(shí)際應(yīng)用中，主要關(guān)注當(dāng) ts泥漿靜止時(shí)間趨向于無(wú)窮大時(shí)的溫度極限值，即曲線的右半部分形態(tài)，當(dāng) ts趨向于0時(shí)，方程并沒(méi)有對(duì)應(yīng)的實(shí)際意義；因此，需要3 個(gè)以上的數(shù)據(jù)點(diǎn)才可以較好的刻畫(huà)出曲線右半部分的形態(tài)。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，3 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)可以提供較為可靠的預(yù)測(cè)結(jié)果，4 個(gè)及以上的數(shù)據(jù)點(diǎn)則計(jì)算結(jié)果精度較高。

2) 油基泥漿運(yùn)用該方法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，所得計(jì)算結(jié)果可能會(huì)明顯小于地層真實(shí)溫度。油基泥漿比熱容相對(duì)水基泥漿小，鉆進(jìn)時(shí)油基泥漿的溫度會(huì)更高，因此停泵時(shí)的起始泥漿溫度更高。導(dǎo)致擬合出來(lái)的曲線方程右半部分較水基斜率更緩，從而得到相對(duì)較低的溫度值。通過(guò)統(tǒng)計(jì)2 次油基泥漿井的計(jì)算結(jié)果，最終計(jì)算溫度較實(shí)際地層溫度低了3.2%和4.5%。

3.2. 不同井眼的循環(huán)泥漿溫度梯度回歸法(方法2)

方法2 采用的溫度數(shù)據(jù)來(lái)源于隨鉆測(cè)井工具，記錄的是正常鉆進(jìn)條件下不同井深對(duì)應(yīng)的循環(huán)泥漿溫度。每個(gè)井眼可記錄若干數(shù)據(jù)點(diǎn)，數(shù)據(jù)密度與隨鉆測(cè)井曲線質(zhì)量相關(guān)。將測(cè)得的循環(huán)泥漿溫度與井深分別作為縱橫坐標(biāo)，投點(diǎn)成圖并觀察成圖規(guī)律，從中設(shè)計(jì)地溫梯度測(cè)算方法。

3.2.1. 循環(huán)泥漿溫度的2 個(gè)特點(diǎn)

1) 每個(gè)井眼的循環(huán)泥漿溫度與井深呈線性關(guān)系。

隨機(jī)選取南海東部15 口井的隨鉆數(shù)據(jù)，將井深作為橫坐標(biāo)、循環(huán)泥漿溫度作為縱坐標(biāo)。觀察其成圖規(guī)律，發(fā)現(xiàn)有良好的正相關(guān)關(guān)系，對(duì)兩者進(jìn)行線性方程擬合，R2普遍大于0.95，擬合效果好。仍有小部分井次擬合效果較差或溫度曲線不平滑、突變較多。根據(jù)相應(yīng)的井次井深，查找該井的工程日?qǐng)?bào)，分析可知為均出現(xiàn)了鉆進(jìn)停止的情況(下鉆循環(huán)不充分、起鉆、井漏等，見(jiàn)圖1)。

Figure 1. Temperature gradient diagram of circulating mud under different working conditions 圖1. 不同工況下的循環(huán)泥漿溫度梯度圖

綜合分析可知，當(dāng)鉆進(jìn)穩(wěn)定、循環(huán)充分時(shí)，隨鉆溫度會(huì)隨深度進(jìn)入一個(gè)逐步上升的穩(wěn)態(tài)；當(dāng)出現(xiàn)短起、長(zhǎng)起或者各種工程情況停鉆，曲線擬合效果將比較差。 2) 不同井眼擬合出來(lái)的直線斜率(即循環(huán)泥漿溫度梯度)不同；且呈現(xiàn)井眼越小，梯度越大的規(guī)律。 對(duì)同一口井、不同井眼的循環(huán)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，剔除無(wú)效數(shù)據(jù)后成圖(圖2)，可知小井眼的溫度梯度要高一些。從導(dǎo)熱原理也可印證這樣的結(jié)論，井眼越小，井筒中泥漿的降溫效果就越差。

Figure 2. Comparison of temperature gradients of circulating mud in different holes at the same well 圖2. 同一井次不同井眼的循環(huán)泥漿溫度梯度對(duì)比圖

3.2.2. 方法思路及計(jì)算步驟

在海上鉆井作業(yè)中，只考慮溫度升降的情況，整個(gè)泥漿循環(huán)可以分成兩個(gè)部分；一部分是升溫系統(tǒng)，即泥面到地層的管線；一部分是降溫系統(tǒng)，即泥面到鉆井平臺(tái)的管線，海水起到了最主要的降溫作用。再結(jié)合上述2 項(xiàng)特征，可作如下推論：在同一井眼中，當(dāng)鉆進(jìn)穩(wěn)定、循環(huán)充分時(shí)，泥漿循環(huán)系統(tǒng)在不斷的升溫和降溫過(guò)程中達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，形成恒定的泥漿溫度梯度；當(dāng)井眼越小，泥漿溫度梯度越接近地溫梯度。

據(jù)此，可以建立井眼面積與泥漿溫度梯度的關(guān)聯(lián)方程，根據(jù)熱傳導(dǎo)原理和已知數(shù)據(jù)推導(dǎo)，該關(guān)聯(lián)方程可類比液體降溫模型[14] [15]，為單調(diào)減的指數(shù)函數(shù)，如(6)式。

3.2.3. 應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)及影響因素分析

1) 回歸出來(lái)的曲線方程，R2應(yīng)至少大于0.95，如R2< 0.95，則應(yīng)根據(jù)工程日?qǐng)?bào)剔除去無(wú)效點(diǎn)之后，再進(jìn)行擬合。當(dāng)數(shù)據(jù)樣本較好且篩選得當(dāng)，多數(shù)情況下得到的R2> 0.98，此時(shí)計(jì)算結(jié)果較準(zhǔn)確。

2) 當(dāng)水深超過(guò)300 m，泥漿池升溫梯度與循環(huán)泥漿溫度梯度之比小于0.4 時(shí)，可直接應(yīng)用該方法進(jìn)行計(jì)算；否則，則應(yīng)考慮對(duì)排量、ROP 變量進(jìn)行校正。該模型選取井眼截面積作為影響降溫效果的決定性因素，隱含了一個(gè)前提條件即泥漿循環(huán)中降溫系統(tǒng)能力遠(yuǎn)大于升溫系統(tǒng)，只有滿足上述條件，排量、ROP 和井深的影響因素才可以忽略；如降溫能力沒(méi)有遠(yuǎn)大于升溫能力，隨著井深變深，升溫系統(tǒng)的能力逐步增大，那么方法2 模型中動(dòng)態(tài)平衡的基礎(chǔ)就沒(méi)有了。因此水深越深，該方法的應(yīng)用效果越好；換言之，方法2 在深水區(qū)鉆井有良好的應(yīng)用效果。

4. 測(cè)壓取樣溫度數(shù)據(jù)的局限性

以上2 種計(jì)算方法，均沒(méi)有用到電纜測(cè)壓取樣作業(yè)時(shí)測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)(下文簡(jiǎn)稱“測(cè)取溫度”)；因?yàn)闇y(cè)取溫度有較大的局限性，往往只能用于定性參考，無(wú)法應(yīng)用于定量計(jì)算，有如下幾個(gè)原因：

1) 理論上，測(cè)壓取樣作業(yè)是要求從淺層至深層依次進(jìn)行；而實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，由于各深度點(diǎn)物性和井眼規(guī)則程度不同，測(cè)壓取樣所需的時(shí)間和成功率是不同的。在爭(zhēng)分奪秒的測(cè)壓取樣作業(yè)中，跳過(guò)作業(yè)相對(duì)復(fù)雜的深度點(diǎn)，優(yōu)先完成流度大、井眼規(guī)則的深度點(diǎn)是降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)、提高作業(yè)時(shí)效的有效手段。這樣的作業(yè)方式，勢(shì)必?zé)o法保證測(cè)取溫度記錄時(shí)由淺至深的規(guī)律性，儀器上提下放、降溫升溫的過(guò)程中測(cè)得的溫度準(zhǔn)確性會(huì)大大降低。

2) 儀器上的溫度計(jì)由于是升溫調(diào)校，由低溫環(huán)境變換到高溫環(huán)境得到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高；而從高溫到低溫時(shí)，溫度計(jì)則非常不敏感。

3) 電子電路的溫漂和線圈系的溫度形變也會(huì)在不規(guī)律的升降溫中產(chǎn)生更多的影響[16]。

總之，測(cè)取溫度受影響因素較多，在實(shí)際作業(yè)中不推薦使用該溫度進(jìn)行計(jì)算。

5. BY2-F 井實(shí)例應(yīng)用

BY2-F 井是白云凹陷鉆探的一口深水井，該井水深814.8 m，泥面深度844.1 m，海底溫度5.9℃。實(shí)鉆過(guò)程中嘗試運(yùn)用方法1 和方法2 測(cè)算地溫梯度，為后續(xù)電纜測(cè)井、DST 測(cè)試作業(yè)準(zhǔn)備提供決策數(shù)據(jù)。

BY2-F 井為一口五開(kāi)井，三開(kāi)、四開(kāi)、五開(kāi)井眼分別為12-1/4"井眼、8-1/2"井眼和6"井眼。

5.1. 方法1 應(yīng)用

本井在8-1/2"井眼(4383 m)和6"井眼(5073 m)都進(jìn)行了電纜測(cè)井，根據(jù)3.1 要求記錄得數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

Table 1. Temperature data sheet of static mud in each hole 表1. 各井眼靜止泥漿溫度數(shù)據(jù)表

取初始地溫梯度為4.2℃/100m，最終迭代計(jì)算得4383 m 處地層溫度為174.7℃ (圖3(a))，5073 m 處地層溫度208.0℃ (圖3(b))，折算成3 個(gè)地溫梯度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

Figure 3. Last iteration equation diagram of method 1 圖3. 方法1 最后一次迭代方程圖

Table 2. Summary of calculated geothermal gradient data 表2. 計(jì)算地溫梯度數(shù)據(jù)匯總表

5.2. 方法2 應(yīng)用

本井在12-1/4"井眼、8-1/2"井眼和6"井眼均有隨鉆溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)3.2 要求，剔除無(wú)效數(shù)據(jù)后計(jì)算得各井眼的循環(huán)泥漿溫度梯度見(jiàn)表3。

Table 3. Temperature gradient data of circulating mud in each hole 表3. 各井眼循環(huán)泥漿溫度梯度數(shù)據(jù)表

根據(jù)數(shù)據(jù)回歸計(jì)算得地溫梯度4.74℃/100m (圖4)。

Figure 4. Regression equation chart of method 2 圖4. 方法2 回歸方程圖

5.3. DST 作業(yè)實(shí)測(cè)溫度

最終在DST 測(cè)試作業(yè)中，實(shí)測(cè)計(jì)算得地層溫度4.70℃/100m，與上述2 個(gè)方法計(jì)算結(jié)果接近，誤差在0.85%~2.77%，證實(shí)了2 種方法在測(cè)算地溫梯度方面切實(shí)可用。

6. 結(jié)論

1) 從快速指導(dǎo)作業(yè)的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了2 種利用泥漿溫度測(cè)算地層溫度的新方法，可以在鉆井期間運(yùn)用泥漿溫度快速推算地層真實(shí)溫度，為作業(yè)即時(shí)決策提供依據(jù)；在BY2-F 井中進(jìn)行運(yùn)用，取得了良好的效果。

2) 從公式原理可以推論，方法1 采用電纜測(cè)井期間測(cè)量得到的靜止泥漿溫度，影響溫度變化的主要因素為靜止起始溫度和地層傳熱，受影響因素較少，因此可應(yīng)用場(chǎng)景較多，無(wú)論在深水井和淺水井都有較高的準(zhǔn)確率。

3) 方法2 采用鉆進(jìn)期間的循環(huán)泥漿溫度，該溫度受鉆井參數(shù)、海水深度、地層傳熱等較多復(fù)雜因素影響，簡(jiǎn)化模型的成立更依賴足夠的海水降溫能力，因此更適合在深水鉆井中應(yīng)用。如將方法2 模型應(yīng)用于淺水井的計(jì)算，需在原模型基礎(chǔ)上，考慮用排量和ROP 數(shù)據(jù)對(duì)原始溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。