气体钻井气藏CO2体积分数实时监测方法

刘金龙，孟英峰，李永杰，魏纳，刘显彬

（1.中国石油塔里木油田公司油气工程研究院，新疆 库尔勒841000；2.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都610500；3.中国石油集团川庆钻探长庆石油工程监督公司，陕西 西安710000）

1 气体钻井的CO2 腐蚀问题

CO2为气藏中非烃类气体的重要组分，体积分数一般小于5%。国内把流体组分中CO2体积分数大于10%的气藏称为高含CO2气藏［1-2］。由于CO2遇水后对固井水泥石、钻采管具具有腐蚀性，开发高含CO2气藏对钻完井、测试工艺、开采措施与地面集输工程都提出了新的要求。对于液基钻井液钻井，可通过向钻井液和固井水泥浆中掺入特殊材料、采用抗腐蚀管材及物理和化学防腐等方法减弱CO2气体的腐蚀破坏作用［3-7］。

气体钻井为避免不压井起钻风险与压井对储层的伤害，通常在钻井设计中明确规定，在地层产气量达到一定标准时直接采用钻杆完井［8-9］。虽然钻杆完井避免了部分风险并保护了储层，但对于高含CO2气藏，该完井方法限制一些防CO2腐蚀措施的使用，如永久式封隔器保护上部管柱、环空注入保护液、采用抗腐蚀生产管柱等［2，10］。另外，气体钻井常采用的S135 钢级钻杆，具备一定的抗CO2腐蚀性能，但是在钻进过程中，由于磨损及气流的冲蚀作用，钻柱耐腐蚀能力降低［11-12］；因此，气体钻井在最终选取完井方式时应考虑到后期采气过程中气藏CO2的腐蚀问题。

由De Waard 公式，CO2腐蚀速率为［13］

式中：vcorr为腐蚀速率，mm/a；T 为温度，K；p（CO2）为CO2分压，bar（1 bar=0.1 MPa）。

由式（1）可知，在一定环境条件下，CO2腐蚀速率与其分压相关，即与CO2体积分数和气体总压相关，因此，可将气藏中的CO2体积分数作为辅助评价CO2腐蚀能力的指标。由于地质条件的复杂性，不同井位的气测数据不同；另外，邻井数据多在液基钻井液钻井条件下获取，由于钻井液基液为碱性，且CO2在水中的溶解度高，直接采用邻井的CO2组分数据亦具有不确定性。

2 气藏CO2 体积分数的随钻监测

由于邻井数据应用于本井的准确性有待考证，而气体钻井安全风险大，需较高的决策效率，这就要求在储层气体钻进过程中，须现场随钻快速确定所揭开气藏的CO2体积分数。储层气体钻井时，消除了井筒液体对CO2气体的溶解与化学反应的影响，基于物质守恒定律，若井筒内可燃气体未发生燃爆反应，排砂管线返出的CO2量为注入气体中的CO2量与气藏产出的CO2量之和，物理模型如图1所示。

图1 储层气体钻井井筒内CO2 守恒物理模型

排砂管线返出气体的全烃体积分数为

排砂管线返出气体的CO2体积分数为

注入气体的CO2体积分数为

式中：Qnr为储层产出全烃量，m3/min；Qgi为注入气体量（不 含CO2），m3/min；Qi（CO2）为 注 入CO2量，m3/min；Qr（CO2）为储层产出CO2量，m3/min；cno为返出全烃体积分数，%；ci（CO2），co（CO2）分别为注入、返出CO2体积分数，%。

由式（2）—（4）可知，若已知Qgi，cno，ci（CO2），co（CO2），则气藏中CO2的产出量为

气藏的CO2体积分数为

3 相关参数的采集

储层气体钻井时，为了随钻计算出气藏中的CO2体积分数，须对立管注入气体流量、注入气体CO2体积分数与排砂管线返出气体全烃体积分数、返出气体CO2体积分数等参数进行在线采集，设计各传感器的井场布局如图2所示。

图2 相关参数采集传感器井场布置

注入气体流量计与CO2体积分数传感器布局于膜制氮机组和增压机组之间的连接管线上； 返出气体全烃与CO2体积分数传感器布局于排砂管线上，取样气由阀门节流后经净化、干燥装置除去其中混合的岩屑，输送至气体传感器检测； 所有传感器就近安装于采样点，避免因长距离输送导致检测滞后。注入气体流量数据采集使用孔板式气体流量计。

由于综合录井气测存在地层产气后响应不及时，以及初期产气检测结果不准确的问题［14］，返出气体的全烃参数采集由一只半导体表面电阻控制型传感器与一只热导率变化式传感器完成。半导体传感器用于低全烃体积分数（0～1%）检测，对返出气流中的微量可燃气体有反应； 热导式传感器克服了半导体型检测体积分数范围小的缺点，其检测体积分数可达100%，但其在微量全烃时没有半导体型精度高。因此，将2 只不同类型的传感器配合使用，在不同全烃体积分数下，通过编写控制程序激活单只传感器工作。

综合录井的氢火焰离子检测器不能使CO2气体离子化，还须测量注入气体中的CO2体积分数，可使用红外型CO2传感器测量注入与返出端的CO2体积分数，其具有选择性强、精度高、非接触反应的特点［15］。

4 应用实例

A 井是国内西部某油田为探索深层致密砂岩气藏的一口重点探井，采用储层气体钻井以及时发现、保护储层，为评价储层产能提供依据。设计在钻穿储层后，若显示较好，则直接采用钻杆完井。为了避免出现完井钻杆腐蚀失效事故，须评价气藏CO2的腐蚀能力，以保证气井的安全稳产。

采用前述方法，储层揭开后一段钻进时间内按式（6）计算气藏的CO2体积分数（见图3）。由于消除了注入气体的稀释作用，计算的气藏实际CO2体积分数略高于排砂管线测量值。在揭开新储层后，全烃体积分数由64%快速上升至91%，后逐渐衰减并稳定在75%，同时，排砂管线测量到的CO2体积分数变化趋势与全烃类似。

图3 A 井储层气体钻井气藏CO2 体积分数随钻测量

由计算的气藏CO2体积分数曲线，可见产气前后气藏的CO2体积分数都持续在2．1%左右，为非高含CO2气藏。邻井开采的天然气中，CO2体积分数为2．1%～3．5%，计算结果与其相符。同时，气体钻井前后揭开的虽非同一储层段，但处于同一构造内且相邻的井，两者产出的天然气中CO2体积分数相当。

5 结论

1）CO2腐蚀速率与气藏CO2体积分数、环境温度、压力、pH 值、含水等条件相关，但在环境条件一定时，决定其腐蚀能力的关键因素为产出气体的CO2体积分数。因此，可将气藏CO2体积分数作为辅助评价其腐蚀能力的指标。

2）储层气体钻井消除了液基钻井液同CO2气体的溶解与化学反应，基于物质守恒定律，得出气藏CO2体积分数与注入气体量、注入气体CO2体积分数、返出气体全烃体积分数、返出气体CO2体积分数的关系。将该方法应用于现场实例，其计算结果准确，能够满足现场工程需求。

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