井下烃类气体溶入系数求取的实验模拟及其在储层评价中的应用

杨明清，李三国，王成彪

(1.中国地质大学(北京) 工程技术学院，北京 100083；2.中国石油化工集团公司 石油工程技术服务有限公司 测录井事业部，北京 100101；3.中国石油化工股份有限公司 石油工程技术研究院，北京 100101)

井下烃类气体溶入系数求取的实验模拟及其在储层评价中的应用

杨明清1,2，李三国3，王成彪1

(1.中国地质大学(北京) 工程技术学院，北京 100083；2.中国石油化工集团公司 石油工程技术服务有限公司 测录井事业部，北京 100101；3.中国石油化工股份有限公司 石油工程技术研究院，北京 100101)

钻头破碎地层后，地层中的烃类气体组分由钻井液携带至地面，一部分随即散失在空气中，一部分溶解在钻井液内，检测溶解在钻井液内烃类气体组分的体积及体积分数是发现和评价油气显示的重要方式之一。不同的烃类气体组分溶入钻井液的能力是不同的，只检测溶解在钻井液内烃类气体组分，不能及时发现和准确评价井下油气藏。为此，首次提出“溶入系数”概念及求取方法，借助钻井液高温高压旋转模拟装置，进行了不同烃类气体组分在井下高温高压流动状态下溶入钻井液能力实验，得出不同体积烃类气体组分在井下状态下的“溶入系数”。根据不同烃类气体组分的“溶入系数”，可计算出地下岩层某种烃类组分真实含量，更加客观地反映地层含油气信息，有利于油气显示的及时发现和准确评价。

钻井液；烃类气体组分；溶入系数；校正；实验模拟

在钻井过程中，近井壁地层内的液体和气体会侵入井眼而被钻井液携带至地面，测量侵入钻井液内烃类气体组分的体积分数，可用来发现及评价井下油气藏[1-3]。烃类气体组分一般包括甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷、正丁烷、异戊烷、正戊烷[4]，侵入钻井液的烃类气体，大部分以游离的状态存在[5]。目前，在钻井现场，钻井液到达地面后，现有的技术手段只能检测溶入钻井液内的烃类气体体积及体积分数，钻井液内的游离态烃类气体迅速散失而无法检测[6-8]，无法得知钻井液携带井下烃类气体的真实含量，不能准确评价地层含油气信息。为此，提出“溶入系数”的概念，溶入钻井液内的烃类气体组分体积占烃类气体总体积的比值，定义为“溶入系数”[9]，只有测量出“溶入系数”，才能得知钻井液携带的烃类气体总量。考虑到地面、地下温度、压力不同，结合钻井参数，根据气体方程，可将其换算成在井下地层单位体积岩石的含气量[10-11]，对发现、评价地层油气储量具有重要的意义[12]。到目前为止，没有人系统地测量钻井液“溶入系数”，为此，笔者采用室内实验的方法，对“溶入系数”进行了研究。

1 实验方法

1.1实验思路

创造一个井下高温、高压、动态环境，将配置好的钻井液置入该环境中，人为向钻井液内注入已知体积及体积分数的烃类气体，模拟井下条件使钻井液在动态条件下升温—降温、升压—降压。该过程中，部分烃类气体会溶入钻井液内，将降温、降压后的钻井液暴露在空气中，使钻井液内游离态气体自然散失，收集一定体积游离态气体已经散失的钻井液，测量钻井液内烃类气体的含量，该含量与注入钻井液内烃类气体含量的比值即为“溶入系数”。 获得“溶入系数”后，根据实际测得的钻井液内游离态气体自然散失后烃类气体的含量，即可得出钻井液从井下携带烃类气体的总量。

1.2实验设备

实验设备由3部分组成：高温高压旋转反应釜[13](图1)、热真空定量全脱分析仪[14]和气相色谱仪[15]。反应釜是一个耐高温、耐高压、可旋转搅拌的容器，用于模拟钻井液在井下高温、高压、钻柱旋转等状态。反应釜内可容纳钻井液2 400 mL，可加热至150 ℃，加压至70 MPa，旋转转速可达200 r/min。热真空定量全脱分析仪用于脱出钻井液内的气体，可在近乎真空的状态下对一定体积的钻井液加热，并进行搅拌，使钻井液内的气体充分解析出来，并收集起来进行分析，即可获得钻井液内气体的成分及体积分数。热真空定量全脱分析仪是目前脱气效率最高的脱气器，可近似认为脱出了钻井液内所有的气体[16]。气相色谱仪用于测量混合气体中烃类气体的成分及体积分数，可在30 s内测出不同烃类气体的体积分数，分析精度高[17]。

图1 高温高压旋转反应釜结构

1.3实验步骤

1)配置一定数量钻井液，钻井液性能应尽可能接近现场实际，将钻井液注入反应釜，将反应釜注满，排出反应釜内的空气；2)将不同体积的烃类气体混合样注入反应釜，使烃类气体与反应釜内的钻井液混合，用以模拟近井壁地层内的烃类气体侵入钻井液，烃类气体混合样由甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷、正丁烷、异戊烷、正戊烷按一定比例组成；3)关闭反应釜，加温、加压、旋转搅拌，用于模拟钻井液在井内循环过程；4)经过一定时间后，打开反应釜，使未溶入钻井液的游离态气体散失，用热真空定量全脱分析仪的反应容器收集游离态气体已经散失的钻井液，做热真空定量全脱分析，以获取钻井液内气体体积及不同烃类气体组分的体积分数，该体积与体积分数的乘积即为溶入钻井液内的烃类气体的真实含量。

1.4“溶入系数”计算

根据上面实验过程，“溶入系数”可由下式计算得出：

(1)

式中：ηi为某种烃类气体组分的“溶入系数”；Va为注入反应釜的烃类气体体积；Vb为热真空定量全脱分析获取的气体体积；Cai为注入反应釜的某种烃类气体组分的体积分数；Cbi为热真空定量全脱分析获取的某种烃类气体组分的体积分数；i表示甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷、正丁烷、异戊烷、正戊烷中的某种烃类气体组分；V1为反应釜内钻井液体积；V2为热真空定量全脱分析仪所分析的钻井液体积。

2 实验参数的选择及控制

2.1实验温度的控制

在实际钻井过程中，钻井液在下行过程中温度逐渐增加，在井底达到最高温度，在上行过程中温度逐渐降低。根据某油田实钻信息，实验中起始温度设定为40 ℃，终了温度设定为60 ℃，最高温度设定为110 ℃，为了尽可能模拟钻井液在井下运动过程中温度的变化，设定实验温度变化如图2所示。

2.2实验压力的控制

在实际钻井过程中，压力的变化规律与温度类似，也是先增后减的过程，在钻井液到达井底时压力达到最大值。由于钻井液在地面上暴露在空气中，所以实验中，设定起始和终了压力为大气压。根据某油田实钻信息，最大压力设定为40 MPa，本实验设定压力变化如图3所示。

2.3其他参数的控制

在本实验中，为了避免钻井液中混入过多的空气，将钻井液充满反应釜，排出反应釜内的空气，所以实验钻井液体积即为反应釜容积。在实际钻井中，根据钻头使用及地层情况，转盘转速一般在60～120 r/min之间，本实验设定反应釜内搅拌转速为100 r/min；注入反应釜的烃类气体组分尽可能接近地层气体[18-19]，其成分及体积分数为：甲烷68.32%、乙烷10.00%、丙烷9.772%、异丁烷5.032%、正丁烷4.962%、异戊烷0.960%、正戊烷0.950%。

图2 温度参数控制曲线

图3 压力参数控制曲线

3 实验结果分析

为了探讨地层中不同含油气量的“溶入系数”，设定注入反应釜的烃类气体体积分别为50,100,150,200,250 mL，不同烃类气体不同浓度下的“溶入系数”如图4所示。

由图4 可以看出：1)在相同注入体积条件下，随着烃类气体碳原子数增加，“溶入系数”整体呈下降趋势，甲烷的“溶入系数”一般在20%左右，而异丁烷的“溶入系数”只有8%左右，由此说明，烃类气体组分的碳原子数越大，溶入钻井液的能力越弱；2)随着注入体积的增加，各烃类气体组分“溶入系数”同时减小，如注入50 mL烃类气体时，甲烷的“溶入系数”为22.61%，注入250 mL烃类气体时，甲烷的“溶入系数”为17.39%，这说明，侵入钻井液的烃类气体体积越大，其“溶入系数”越低。

4 钻井液及地层烃类气体组分真实含量的求取

4.1钻井液烃类气体真实含量的求取

在实际钻井施工中，借助于热真空全脱分析仪，随时可以测量得出游离态气体散失后单位体积钻井液内的气体体积及不同烃类气体组分的体积分数，二者乘积即为单位体积钻井液内烃类组分的含量，根据本实验所获取的不同烃类气体组分的“溶入系数”，就可计算出游离态气体散失之前单位体积钻井液携带井下某种烃类气体的真实含量。

图4 不同组分“溶入系数”

(2)

式中：Qi为游离态气体散失之前单位体积钻井液携带井下某种烃类气体的真实含量；该参数的意义相当于公式(1)中的VaCai；其他参数意义同公式(1)。

4.2地层烃类气体组分真实含量的求取

在现有的工作中，单位体积井下地层所含的烃类气体组分含量一般由下式求取[20]

(3)

式中：Gi为井下条件下单位体积岩石某种烃类气体的真实含量；τ为钻时；S为钻井液排量；D为钻头直径；Ts,Tf为地面、地层开氏温度；Pf,Ps为地面、地层压力。

从公式(3)可以看出，单位体积井下地层所含的烃类气体组分含量的传统计算方法，没有考虑从钻井液散失的游离态气体，可用Qi代替Cbi，可得到新的单位体积井下地层所含的烃类气体组分含量的计算方法：

(4)

公式(4)充分考虑了从钻井液散失的游离态气体，计算所得的地层烃类气体组分含量更加真实，为准确评价地层油气储量提供科学的依据。

5 结论及建议

1)不同的烃类气体组分，溶解在钻井液中的能力是不同的。为此提出了“溶入系数”这一概念，并通过实验，得出不同烃类气体组分的“溶入系数”。

2)根据测得的“溶入系数”，对现有方法测得的钻井液内烃类气体含量进行校正，计算所得的地层烃类气体组分含量更加真实，有利于油气藏的解释及评价，对油气储量的评估具有重要的参考价值。

3)本实验中，温度、压力、搅拌转速等参数的设置相对固定，而在实际钻井过程中，不同井的不同井段，其温度、压力、搅拌转速等参数是变化的，在以后的实验中，应充分考虑有关参数的匹配与影响。

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(编辑黄 娟)

Experimentalsimulationofcalculationoncoefficientofdownholehydrocarbongasdissolvedintodrillingfluidsanditsapplicationonformationevaluation

Yang Mingqing1,2, Li Sanguo3, Wang Chengbiao1

(1.ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China; 2.LoggingDivision,SINOPECOilfieldServiceCorporation,Beijing100101,China; 3.SINOPECResearchInstituteofPetroleumEngineering,Beijing100101,China)

When drilling bit has cut through strata, crushed rocks and gases are carried to ground by drilling fluid. Some of them are dissipated in the air immediately, and some are dissolved in drilling fluid. To detect the dissolved volume and volume fraction of hydrocarbon gas components is one of the most important methods to discover and evaluate oil-and-gas shows. Different hydrocarbon gas components have different dissolving capacities. And reservoir cannot be discovered and evaluated timely and accurately if the dissolving test of various hydrocarbon gases is just done. For this reason, a “dissolving coefficient” and its solving method are proposed for the first time. Through the dissolving test of various hydrocarbon gases with a rotary simulation device of drilling fluid in high temperature and high pressure, we recognize the dissolving coefficient in these circumstances. According to the dissolving coefficient, the true content of a certain hydrocarbon composition is calculated. This will be advantageous to discover and evaluate oil-and-gas shows timely and accurately.

drilling fluid; hydrocarbon gas component; dissolving coefficient; correction; experimental simulation

1001-6112(2013)05-0579-04

10.11781/sysydz201305579

TE135

A

2012-07-22；

2013-07-22。

杨明清(1972—)，男，高级工程师，硕士生导师，从事测录井工艺方法研究。E-mail: yangmq.os@sinopec.com。

中国石油化工集团公司科技部项目“录井油气信息在线检测系统与分析技术研究”(P12066)资助。