气体钻井条件下的录井配套技术研究.pdf

天 然 气 勘 探 与 开 发 2 0 1 3年 4月 出版 气体钻 井条件 下的录井配套技术研 究 * 蔡泽训 王崇敬唐诚 中国石化集 团西南石油局地质录井公 司 摘要气体钻井与传统钻井工艺相 比， 在提高钻速 、 保护和发现储层等方面具 有 明显优 势 ， 同时也给 录井 工 作 带来 了工程异 常预报难 、 岩屑鉴定困难 、 油气水 层判 断符 合率不高等难 题。针 对新工艺带 来的技术 挑战 ， 通 过建 立 气体 钻井 异常预报模 型 ， 开发安全监测系统 ， 编制迟 到时间计算软件 ， 研究元素 录井 岩性解释及 气测解释评 价方 法 ， 形成气体钻井条件下 的录井配套技术 。在川东北地 区多 口井 的现场试验后 ， 证 实该技术 在保 障钻 井安全 ， 提高 油气发现率 ， 提升 录井质量等方面发挥 了较大 的作用 。图 3表 4参 1 4 关键词 气体钻井 录井安全监测 迟到时 间 元素录井气测解释技术配套 0 引 言 四J l I 盆地蕴藏着丰富的天然气资源， 但是地层埋 藏深， 研磨性高、 可钻性差， 压力系统复杂 ， 钻井速度 慢 、 周期长 。勘探开发对钻井工艺提出提高钻速和保 护储层 的要 求 。气 体 钻 井 工艺 能够 适 应勘 探 开发 形 势 的需要 ， 是保护 储 层 、 提 高 钻井 速度 的有 效 途径 之 一 。近年来 ， 川西和川东地区先后采用氮气、 空气、 天 然气钻井数十口。气体钻井工艺 的推广却给录井施 工带来工程异常监测预报难 、 循环迟 到时间确定难 、 细小 岩屑样 品鉴定 难 、 气样采 集 与油气 层发 现难 等 问 题 口 _ 3 ] ， 常规 录井 方 法不能 有效 解决 ， 迫切 需要 开展 录 井 新 技术应 用研 究 。 1 气体钻 井条件下的录井现状 1 气体 钻井对 工程 参数 录井 影响 大 气 体 钻井 过 程 中易 发 生燃 爆 、 卡 钻 、 断钻 具 工 程 事 故 ， 且具 有事故 过 程 短 、 工程 参 数 变 化 不 明显 的特 点 ， 工程 异常 不易被 发现 。国内 自主研 发 的空气 钻井 安 全燃 爆监测 系 统 ， 多数 存 在 气体 分 离 技 术 不过 关 ， 监测软件功能不完善 ， 与录井异常预报技术结合不紧 密， 不能进行综合的智能监测预报的缺点 ] 。 2 迟 到时 间测量 误差 大 气体 钻井 条件下 迟到 时 间的理论计 算公 式 复杂 ， 现场缺乏专业 的迟到时间计算软件_ 5 ] ， 实测方法误 差 大 ， 一 般采 用平 均 速度 法 确 定 迟 到 时 间 ， 没有 考 虑 井筒内各点的循环流体密度和流动速度变化， 计算 的 结 果不 准确 。 3 岩屑识 别难 度高 在气体钻井条件下岩屑一般为粉末 、 粉尘状 ， 常 规 岩屑 鉴定方 法 几乎无 能 为力 。近年 来 的新技术 ， 如 岩屑显微数码成像分析对粉尘状岩屑 的识别效果不 太理 想 ， 地 面 自然伽 马测 量技术 对海 相碳酸 盐 岩地层 的岩 性识别 效果 差 ] 。 4 气测解释评价符合率低 气体钻井过程中所返出的气体是岩屑、 粉尘混合 体 ， 现场 大 多使用 以入水 除 尘 的气样 净 化 装 置 ， 导 致 由于气 体流 速降低 和被 稀 释 ， 气 测值 普 遍 偏 低 ， 常规 钻井 的气测 异 常解 释标 准 与解 释 图板 不 适 用 于气 体 钻井 ， 给气 层评 价带 来一定 困难 口 u ] 。 2 录井配套技术 2 ． 1 安 全 监测技 术 1 建立 异 常诊断标 准及 预报 模 型 收集 工 区 内 1 2口井 气体 钻 井 时 间和 井 段 、 气体 钻井 类型 、 发生 异 常原 因及综 合 录井 实 时 数 据 ， 对所 发生的 1 6次异常事件进行分析 ， 筛选 出气体钻井 常 见的 1 O 类井下复杂情况， 包括地层 出水、 井壁失稳 、 井 下燃 爆 、 硫 化 氢溢 出、 断 钻具 、 卡 钻 、 遇 阻 等 。结 合 综 合 录井 异 常判别 方法 ， 优选 出 2 0种需 要检测 的参 *基金项 目 中国石化集团公 司项 目S G 0 9 6 5 “ 气体 钻井 、 雾化钻井及充气钻井等快速钻井条件下录井 新技术先导试验” 作者简介蔡泽训 ， 男， 1 9 6 2年出生，工程 师；1 9 8 3年毕业于成都地质学院石油地质专业， 现在 中国石化集团西南石 油局地质 录井公 司从事 录井科研 生产 管理与研发工作。地 址 6 2 1 0 0 0 四川省绵阳市沿江西街 7号。 电话 0 8 1 6 2 6 8 3 8 6 5 。E - ma i l 3 4 6 6 8 1 4 8 7 q q ． c o rn 3 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 6卷第 2 期 天 然 气 勘 探 与 开 发 数 ， 包 括 钻 压 、 悬重 、 扭矩 、 转 盘 转 速 、 立 压 、 出 口管压 力 、 O 、 C O、 C O 、 H S 、 CH 、 气 体 温 度 、 湿 度 等 。结 合参数基值和出现复杂情况时对应 的参数变化特征 ， 建立单指标预警模型和复杂事故预警模型 。 2 引进旋风除尘脱气装置 气体钻井中由于出口气样粉尘多 ， 传统的过水除 尘 脱气 装置 会导 致 气 体 流速 降低 ， 被 稀 释 ， 气测 异 常 滞 后 ， H S 、 C O 等 有 毒 有 害 气 体 不 能 被 及 时 检 出。 因此 引进 了旋风 除尘 脱 气 装 置 ， 采 用 “ 干 除尘 ” 方 式 ， 气体经过“ 三重净化” ， 有效实现气体采样 中气 、 液 、 固 的三态 分离 。 3 钻井 安全 异 常预报 软硬 件系 统开 发 在气体钻井中， 综合录井仪原有的出口参数如密 度 、 电导 率 、 温度 、 出 口流量 等都无 法 检测 。因此需要 新增 传 感 器组 合， 增 加气 体 压力 、 温度 、 湿度 以及 H。 s 、 O 、 C O。 等气体检测传感器。因此设计了传感 器组合 ， 包括气体传感器 H。 S 、 C O、 Oz 、 C Oz 、 C H 、 温度、 湿度传感器和传感器接线箱等 ， 统一安装在安 全监测装置机柜 内。并通过软件同步采集新增传感 器组 合 和综合 录井 仪实 时参 数 ， 实现 单指标 预警 和 复 杂事 故预 警功 能 。 2 ． 2 优化迟到时间计算方法 在气体钻井条件下的迟到时间计算主要涉及携 岩理论 ， 目前应 用最普遍 的是 ANGE L公式 。假设 环空 中岩屑与空气 的上返速度相 同， 把气体 、 固体颗 粒的两相流动看 成混合 流体 的单相 流动[ 1 引， 这种计 算 存 在理 论缺 陷 。因此 结合 四川 地 区天然 气特点 ， 利 用多相流的理论和方法 ， 在 ANGE L公 式的基础上 ， 从干气钻井携岩基础理论、 地层产气、 产液及井径扩 大等影响因素方面进行 了理论分析。采用最小动能 法作为携岩计算的基础 ， 考虑不同循环介质 空气 、 氮 气 、 柴 油机 尾气 对 环空 流动 的影 响 ， 不 同大 小颗粒 对 岩 屑运 移 的影 响 ， 地 层 对 环 空 流 动 的影 响等 ， 根 据 不 同井 身 结构 和施 工参 数 ， 建立 环 空气 体 、 岩 屑运 移 方 程及数学模型。由于这些数学模型难 以直接求得解 析值 ， 因此进行了最优化求解 的算法研究 ， 开发 了专 用计算软件 ， 运用迭代计算求解迟到时问。 2 ． 3岩 屑元 素录 井技 术 岩 屑元素 录井 技术 建立 在 x射 线荧 光 分 析 基 础 上 ， 结合了岩石地球化学理论 ， 该项技术不受样品大 小 和 形 态 的 影 响 ， 因此 非 常 适 合 粉 末 状 岩 屑 的 识 别[ 1 。在工 区内 6口井 1 8 6 9 6件岩屑 、 岩心样 品中 开展 了 XR F分 析 实 验 ， 进 行 了 适应 性 研 究 。虽 然 标 准谱岩性判别方法操作简单 ， 但识别的准确度与标准 谱图库 的大小息息相关 ， 并存 在较强 的区域性 ， 而 曲 线解 释 法利 用各 种元 素变 化 曲线 进 行岩性 解 释 ， 较 为 直观便于现场推广。 曲线 解释 方法 具体 又可 细分 为 曲线交 汇 、 元 素 比 值、 定量解释等。不 同的解释方法在岩性识别过程中 都 有 一定 的优 势和 缺 点 。元 素 含 量 变 化 曲线 在 判 断 一 些富含特征元 素 的岩性 中应用较 广， 如煤含 大量 S 、 P、 C 1 ， 但观 察 每个元 素 的含量 变化 较为 繁琐 ； F e 、 S i 含量 随井 深交 汇 曲线 对 于 砂 泥 岩 的判 断 较 为 快速 直 观 ， 但难以识别砂 泥岩以外 的岩性 ； C a ／ S i 元素 比值 曲线对于判别灰岩较为准确 ， 但是否为灰岩砾石需要 结合组段沉积环境分析 ； F e ／ S i 含量 曲线 xG R 与砂 泥岩地层的 GR曲线较为 吻合 ； 定量解释曲线 泥质 含量 XS H、 砂质含量 Xs a n d 最为直观 ， 但砂 、 泥质含 量在各时代地层中波动较大， 不能代表绝对含量 ， 判 别 时 依然要 观察 其 他 含 量 的相对 变 化 。通过 统 计 分 析， 初步建立起工区主要岩性的元素含量 曲线解释判 别方法 ， 见表 1 。图 1为工 区内 DY*井元 素录井实 验效果 ， 不同厚度砂岩、 页岩的录井元素 、 电测 GR曲 线响应特征吻合 。 表 1 工区主要岩 性的元素含量 曲线解释判别方法 2 ． 4 气 测解 释评 价技 术 1 定性解释模型 系统接 收并筛 选 出工 区 内 9口气 体钻 井共 1 9 层 油 气水 显示 ， 分别 按 照统一 制 图规定 绘制 出油气 水显 示井段剖面图， 进行气测全烃曲线形态分析。通过总 结归纳出与中幅钝角一直角形 、 低 幅漏斗形、 低幅齿 形 、 高幅尖 峰状 、 近 直线 状 下 降 五 种 典 型全 烃 曲线 形 态 ， 见表 2 。在 全烃 曲线 形 态 基 础 上 ， 结 合 各 井 显 示 3 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 天 然 气 勘 探 与 开 发 2 0 1 3年 4月出版 层段 的岩性、 测井 、 测试等资料 ， 研究全烃曲线形态的 形成与产层压力 、 产层性质的相关性。建立起气体钻 井 气测 全烃 曲线形 态解 释模 型 ， 作 为气 测定 性解 释评 价 的依 据 。 S Mn 探 F e GR AP 1 地 A 1 K u n n n 解释 泥质 u 4 u P V u Ba 虚 V f u ⋯ 1 n 1 r 屡 Mg u C a u 、 S i X GR 剖面 G I T i m n n Ql * u l n 口 n ⋯⋯一 ● 一m m 51 50 季 ⋯ x 60 7 0“ 8 5- 一 工 ．上 三j 90 - 一 量 5200 10 2 三 30- 40- 段 ‘ S 5 G 6 0 - 70 8 0 9 0 5 0 0 0 ， 图 1 D Y*井元素录井成 果图 表 2气体钻井气测全烃 曲线形态法的解释模型 中帽 钝角 一 近 直挑状 模 型名称 低幅■斗形 低幅齿形 高 ● l 尖蜂状 直角形 下降 ～ 、 、 、 二 特征 图形 ／ ∈ 一 I i 一 t 怔 _ 二 音 一 车 二 二 二 膏 _ ■释评价 气层 食气层 徽含气层 气水同层 地层出水 注 绘 制 标 准 为 纵 向 比 例尺 1 1 0 0 0， 曲线 栏 霓 5 c m ， 气测 曲 线栏绘制标尺 0 i 0 0 。 2 气 测定 量评 价技术 气体 钻 进 过程 中 ， 井 底处 于 负 压状 态 ， 产 能 释放 充分 ， 因此气测资料能真实的反映地层含气性， 在录 井现场全烃检测仪测定的结果能直接反映排沙管线 中天然气 的浓度 ， 结 合 排沙 管 线 的流体 参 数 ， 就 可 以 计算出排沙管线 中天然气的流量 。据流体力学理论， 当气层 全烃 峰值 达 到近平稳 状态 ， 就 可 以认 为该井 在 一 定生产压差下稳定生产 ， 求出的排沙管线天然气排 量就是该状态下地层的产气量_ 1 。 目前气体钻井监 测系统还不能对排沙管线 的流体参数进行实时监测 ， 现 场 只能采 用压 缩机 的排 量 替代 排 沙 管 线 流量 来 计 算 天 然气产 量 需忽 略进 出 口气 体压力 、 温 度影 响 。 计算公式 地层产量 q 一压缩机排量 全烃含 量 ／ 1 一 全 烃含 量 根据工区内气体钻井多 口井 录井资料 ， 注气压力 小 于 4 MP a ， 排沙管 线 压 力多 小 于 0 ． 6 MP a ， 利 用递 推 法计算 井 底压力 为 1 MP a 左 右 。钻遇 产 层后 立 压 上 升 1 ～2 MP a ， 推测井 底 流压不 超过 6 MP a ， 根据 测 试经验数据 ， 主力产层压力一般大于 3 0 MP a ， 借助陈 千元推导的利用地层压降计算气井绝对无 阻流量的 38 ‘ 公 式计 算地 层无 阻流 量 6 一 萃 式 中 q 气井的绝对无阻流量 ， 1 0 r i 1 。 ／ d ； PR 一 地 层 压 力 ， MPa ； P 一井底流动压力 ， MP a 。 由于 P R P ， PR 一 P ， ≈ P R ， 因此 对 计 算公式可以进行简化得 出 qa o F 即气体钻井 中气层 的绝对无 阻流量与根据全烃 计算的天然气产量相等。 目前工区已施工的 1 2口气体钻井 ， 见油气显示 9口 。其 中 4口见 良好 油气 显 示 的井 进 行 了测 试 ， 将 无 阻流量 计 算 结 果 与 测 试 成 果 对 比 ， 数 据 基 本 吻 合 表 3 ， 因此 ， 认 为利 用 气 测 资 料 计 算 的无 阻 流 量 能 够为气层的解释评价提供重要参考 。 3 气测 综合 解释评 价方 法 在气 测全 烃 曲线 形态 与无 阻流 量计算 的基 础上 ， 结 合各井 气体 钻井地 层 出水情 况 ， 将 定性 解 释模 型与 定量计算技术结合 ， 形成综合解 释评价方法 ， 并开发 了相应 的解释 软件 。 3 应 用效 果 3 ． 1安全 监测技 术 通 过 在 YB*H 井 、 M *井 和 L Z*井 3口井 的上 井试验 ， 安全监测软硬件系统共成功监测地层 出水 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 天 然 气 勘 探 与 开 发 2 0 1 3年 4月出版 3 ． 4 气体 钻 井条 件下 气测 录井 技术 在 2次 上 井 试 验 中共 解 释油 气 显 示 3层 。其 中 M *井解释 1层气层 ， 通过定量计算该层显示产气量 为 1 ． 1 2 4 1 1 0 m。 ／ d ， 与钻 井 过 程 中放 喷 点 火 显 示 情况吻合 。L Z*井解 释 2层气水 同层 ， 定量计算天 然气 产 量分 别 为 0 ． 6 5 2 1 0 m。 ／ d ， 1 ． 3 7 5 1 0 m ／ d ， 测井 综合 解 释为气 水 同层 ， 解 释结 论较 吻合 。 4 结 论 本研究建立了气体钻井异常预报模型 ， 研制了气 体钻井安全监测系统 ， 开发了气体钻井迟到时间计算 软件 ， 形成了元素录井岩性解 释方法 ， 研究 了气体钻 井气 测解 释评 价方 法并开 发 了解释 软件 ， 最终 建立 起 了气体钻井条件 下的录井配套技术 。在 多 口井开展 了现场试验 ， 岩屑录井剖面符合率 、 油气显示层发现 率 、 解释符合率、 异常预报及时准确率均较高 ， 保障了 钻井安全 ， 提升了录井质量。但是 由于试验时间短， 试 验井 少 ， 未 能在试 验 中监测 到井 下燃爆 、 井 壁失 稳 、 硫化 氢 溢 出等异 常情况 ， 工程 异 常预报模 型 的有效 性 需要 进 一步 验证 和完善 ， 另外 ， 气体 流量 是安 全监 测 、 气 层 的发现 与评 价 的关键 参数 ， 目前 还不能 监测 气液 固三项流的流量 。该项技术具有较高 的推广应用价 值 ， 非常值得在推广应用中进一步完善。 参 考文献 2 华学理 ， 余 明军 ， 张建立 ， 等 ．空气 钻井技术 对地 质录井 工作 的影响及对策E J 3 ．录井工程 ， 2 0 0 7 ， 1 8 1 5 8 ． 3 高春绪 ，王勇 ， 程益华 ， 等 ．空气 钻井条件 下录井 工艺方 法与技术配套探 讨[ J ] ．录井 工程 ， 2 0 0 6 ，1 7 3 1 0 1 5 ． 4 冯靓 ，陈一 健 ，张 昆 ， 等 ．空 气钻 井 井下 燃 爆 监测 系 统 [ J ] ． 石油机械 ， 2 0 0 7 ，3 5 5 3 5 3 7 ． 5 郭文才 ， 刘 绘新 ．空气钻 井计算 方法及应 用软 件E J 3 ．钻 采工艺 ，2 0 0 1 ， 2 4 1 8 ～9 6 刘涛 ， 李铭 ．气体钻井 条件下 迟到时 间的计算 [ J ] ．油 气 田地 面 工 程 ，2 0 0 6，2 5 8 1 1 1 2 ． 7 张椿华 ， 袁春华 ．岩屑显 微 图像 识别 技术 在普 光气 田的 研究与应用[ J ] ．内蒙古石油化工 ， 2 0 0 9 ， 9 1 4 9 1 5 1 ． 8 冉 飞 ， 杨鸿 宇 ，胡元 ．P D C钻井 岩屑成 像识 别分析 技术 在洛带气 田的应用与改进 E 3 3 ．录井 工程 ，2 0 0 9 ， 2 0 0 1 l 8 2 O． 9 余 明军 ，潘晓辉 ， 李力 ， 等 ．岩屑 自然伽 马录井 技术研究 及应用 E l 3 ．录井工 程 ， 2 0 0 4 ，1 5 1 4 8 ． 1 O 刘小红 ， 卢海丽 ， 魏新源 ．非 平衡钻井 条件下 气测 录井 参数校正 [ J ] ．录井工程 ，2 0 0 6 ， 1 7 1 9 1 1 ． 1 1 鲍云杰 ， 彭苏萍 ，汪玉泉 ， 等 ．欠平衡钻井条件下含气层 识别方法研究E 3 3 ．石油 实验地质 ， 2 0 0 5 ，2 7 3 3 1 2 31 4 ． 1 2 Wi l l i a m C[ 美] ．空气 和气 体钻井 手册 E M] ．北京 中国 石化 出版社 ，2 0 0 6 ． 1 3 李一超 ， 李春山 ， 何 国贤 ．x射线荧 光分 析在岩屑 录井中 的应用 E l 3 ．岩石矿物学杂志 ， 2 0 0 9 ， 2 8 1 ． 5 8 6 8 ． 1 4 赵业荣编著 ． 气 体钻井 理论 与实践E M] ．北京 石油工业 出版社 ， 2 0 0 7 ． 1 李进 空气钻井 安全监测 系统的研究 与开发 [ D ] 中国石 修改回稿E l 期2 0 1 3 0 1 2 8 编辑王晓清 油大学 ，2 0 1 0 ． 40 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m