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)

0 引言

四川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[1-3]，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[4]。

(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[5-6]，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[7-9]。

(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[10-11]。

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12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16次异常事件进行分析，筛选出气体钻井常见的10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20种需要检测的参数，包括钻压、悬重、扭矩、转盘转速、立压、出口管压力、O2、CO、CO2、H2S、CH4、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，H2S、CO2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H2S、O2、CO2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(H2S、CO、O2、CO2、CH4)、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ANGEL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[12]，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ANGEL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间。

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[13]。在工区内6口井18696件岩屑、岩心样品中开展了XRF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、Cl，但观察每个元素的含量变化较为繁琐；Fe、Si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；Ca/Si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；Fe/Si含量曲线(XGR)与砂泥岩地层的GR曲线较为吻合；定量解释曲线(泥质含量XSH、砂质含量Xsand)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19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-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。

图1 DY*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

注：绘制标准为纵向比例尺1︰1000，曲线栏宽5 cm，气测曲线栏绘制标尺0～100 %。

(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[14]。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qg=压缩机排量×全烃含量/(1-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 MPa，排沙管线压力多小于0.6 MPa，利用递推法计算井底压力为1 MPa左右。钻遇产层后立压上升1～2 MPa，推测井底流压不超过6 MPa，根据测试经验数据，主力产层压力一般大于30 MPa，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公式计算地层无阻流量：

式中：

qAOF—气井的绝对无阻流量，104m3/d；

PR—地层压力，MPa；

Pwf—井底流动压力，MPa。

由于PR2>>Pwf2，PR2-Pwf2≈PR2，因此对计算公式可以进行简化得出：

qAOF=qg

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12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LZ*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次，气测异常3次。其中在M*井的上井试验中，准确的监测到气测异常，及时放喷点火，结束气体钻进，防止了井下燃爆，避免了井下复杂情况的产生,还监测到地层出水1次(湿度参数值增加，且岩屑潮湿，见少量泥块)，立压、扭矩也出现异常，井队停钻烘干井壁3h，湿度、扭矩、立压均正常后钻进,见图2。从上井试验效果看，该系统能够有效识别气体钻井过程中出现的气测异常、地层出水，防止进一步发生井下燃爆、井下复杂情况。

表3 工区气体钻井各井气测计算的无阻流量与测试成果对比表

图2 M*井1688 m湿度增加判断地层出水引起扭矩异常

3.2 迟到时间测定技术

分别在YB*H井、M*井2口井进行了上井试验，计算35次，实测7次，通过数据对比分析，计算与实测误差在-0.75～0.53 min之间。而试验井段的钻时一般为3～10 min/m，因此计算误差在岩屑录井允许范围内。

3.3 岩屑元素录井技术

通过对4口试验井进行统计，解释符合率均大于90%，有效地提升录井质量。图3为YB*H井空气钻粉末状岩屑岩性鉴定成果，从图中可以看出元素录井Fe/Si与测井解释GR曲线较吻合，该井2700 m以浅厚度大于2 m砂体32层，元素解释30层，符合率93.8%。

图3 YB*H井空气钻粉末状岩屑岩性鉴定成果图

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1.1241×104m3/d，与钻井过程中放喷点火显示情况吻合。LZ*井解释2层气水同层，定量计算天然气产量分别为0.652×104m3/d，1.375×104m3/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。

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