FASTrak HD随钻测压取样技术在低渗透率储层中的应用

吴进波,陈鸣,孙殿强,杜超,周基恒

(1.中海石油(中国)有限公司湛江分公司,广东湛江524057;2.贝克休斯(中国)油田技术服务有限公司,四川成都610011)

0 引 言

电缆测压取样技术早在20世纪中期便投入使用,随着几十年的发展技术日渐成熟[1]。近年来中国南海海上勘探开发难度不断加大,为实现多层位兼探和优快钻井的目标,大量采用大斜度井且裸眼段越来越长,同时为了抑制井壁垮塌的现象增大钻井液比重,造成井筒差压过大等复杂井况,使电缆测压取样测井越来越困难。为应对这一难题,总结南海各油田不同井况的测井经验,选择引入随钻测压取样技术以提高地层流体资料取得率,降低测井风险。

随钻测压取样技术在21世纪初推出,其能够同其他钻具一起下井即钻即测,实时提供地层压力和流体性质识别信息,节约平台成本,降低井控风险[2]。如今的随钻测压取样技术在全球已得到广泛应用,其优势和可靠性得到普遍认同。本次随钻测压取样技术在南海W区块低渗透率储层的成功应用,也印证了该项技术在中国南海低渗透率储层定制开发方案的可行性。

该次作业对象W-2井,部署于W区块S构造北块较高部位。S构造位于乌石凹陷东区鼻状反转带向洼中的倾没端,为一大型断块圈闭群,主要目的层为L-1层。围区钻井证实该区段发育北物源大型辫状河三角洲和南物源扇三角洲沉积,湖盆水体交替震荡,储盖组合优质,但因埋深较大,物性多为高孔隙度低渗透率。

W区块数年前已完钻的W-1井同样位于S构造北块较高部位,距W-2井约为1.57 km,该井测压取样测井由电缆测压取样工具完成。测井记录显示该井L-1层段环空压力为7 300 psi(1)非法定计量单位,1 psi=6 894.76 Pa;1 mD=9.87×10-4 μm2;1 cP=1 mPa·s,下同左右,地层压力为5 100 psi左右,压差超过2 000 psi;加之电缆测压取样测井准备时间较长、测压前裸眼地层长时间浸泡在钻井液之中,造成了钻井液滤液侵入地层较深;同时井眼因长时间浸泡,存在井壁垮塌致使探针座封困难。这些不利因素,导致W-1井电缆测压结果不理想,17个点均未测得地层真实压力,超过一半的测压点无法座封,其余测压点因为钻井液侵入太深形成超压现象,短时间无法恢复到地层真实压力值。取样记录显示,在泵抽点的泵抽时间超过4.5 h,最终只取得了的样品纯度为60%的地层油。

W-1井的测井记录可以反映出W区块的测压取样测井难点:①井底压差较高、钻井液侵入较深,易造成超压现象,影响测压准确性;②井壁易垮塌,影响探针座封的成功率;③储层段地层流度较低,普遍在10 mD/cP*左右,使得泵抽过程中的泵速不会太高,从而增加测井时长以及测井风险。为了避免W-1井测量效率低的情况再次出现,决定采用随钻测压取样技术对W-2井地层信息进行采集。

1 随钻测压取样工具介绍

选用的随钻测压取样工具为贝克休斯FASTrak HD,该工具于2014年起在贝克休斯公司随钻测井中使用,与贝克休斯公司早期TesTrak随钻测压工具相比,FASTrak HD工具能够实时监测井下流体折射系数、密度、黏度、声速、压缩系数和动态地层流度等参数的变化,识别泵抽流体样品纯度,最终得到杂质含量最低的流体样品。工具配置包括4个主要模块(见图1):①供电模块,为工具提供必要的动力,例如为伸出和收回探针、打开和关闭工具内的阀门、流体识别传感器以及为电泵供电;②流体分析模块,是整套工具的核心模块,探针、压力探头、流体分析探头、压降泵等元件均集成在该模块中;③样桶模块,样桶固定在该模块内,通过阀门与内部管线连通,单根模块最多可容纳4个样桶,1次下井最多可串联4根样桶模块;④终端模块,当工具正常泵抽清洗侵入带时,通过该模块将泵抽出的液体由仪器内部排出到环空区域。

图1 工具组合示意图

共有3种不同规格的探针可供选装在流体分析模块,以应对不同的地层特征(见图2):①标准探针,座封面为1 in(2)非法定计量单位,1 in=2.54 cm,下同,适用于中高流度地层和井眼不规则地层;②大脸探针,座封面同样为1 in,但相较标准探针其座封胶皮面积更大,适用于未压实、易垮塌的疏松地层;③加长椭圆探针,它的特点在于其拥有等效内径为2 in的座封面,是普通探针内径的4倍,适用于低流度地层。每次下井流体分析模块只能安装1个探针。

图2 探针示意图

2 随钻测压取样数据采集

2.1 压力测试

不同于电缆测压取样测井,随钻测压取样测井时工程师与井下工具沟通的方式为钻井液压力脉冲传输,指令下达和数据上传在钻井液中只能单向通信,且随着井深的增加,数据传输所需的时间也将增加。但测压取样测井需要实时根据地层响应调整测量方案。在电缆测压取样测井过程中,伸臂座封、增减压降量、增加测压次数、收臂解封等指令,均是由工程师根据数据质量评估实时下达;但随钻测压取样测井受限于随钻工具指令发送的时效性,无法照搬电缆测压取样测井的工作模式,而是针对地层类型定制测压模式,通过钻井液脉冲向井下工具下达测压模式指令,工具接收到指令后自动完成所有测压步骤。

FASTrak HD工具内置的测压模式以3种压降控制类型为基础(见表1),通过5种不同的组合方式形成5种测压模式(见表2),工程师可预估地层物性选择测压模式,最大限度提高地层真实压力的测得率。FASTrak HD工具收到测压指令后,会自动完成该测压模式流程:伸腿座封,执行3次降压—恢复,自动解封并恢复至仪器测压前的初始状态。若需在该点复测,则再次下达测压指令,工具将进入下一个完整的测压模式流程,直到取得可靠结果[4]。

表1 3种压降控制类型

表2 5种测压模式

2.2 流体识别

由于钻井液对近井区的污染,流体取样前需要通过泵抽清理地层的滤液污染[5]。借助贝克休斯公司随钻测压取样工具的智能座封系统(Smart Pad)以及智能泵抽系统(Intelligent Pump),泵抽过程中能够自动调节探针座封压力和泵速,降低探针失封和管线堵塞的风险[2,6]。流体分析模块内的探头能够实时测量并上传流体的各类参数,判断流体性质。

泵抽时的折射系数、密度、黏度、声速、压缩系数和动态地层流度等数据通过钻井液脉冲实时传输至地面,供工程师决策最终灌样时间。各种探头有其各自的适用性,如果其中一个或多个探头的读数均在该流体的预期范围内,则可以初步判断该类流体的存在。表3为各类流体的标准响应值。

表3 各相流体标准响应参数

折射系数即折射率,由于井下各类液体的折射率不同,根据其数值变化来鉴别液体类型。折光系数探测系统由蓝宝石棱镜、单色光源和感光探头组成。光在通过棱镜和流体接触面时,一部分光被反射,一部分光能够穿透界面。被反射的光会被感光探头接收并计算反射比,从而计算折射率。

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R=(1-nf/nl)2/(1+nf/nl)2

(1)

式中,R为光反射比;nf为流体的折射率;nl为棱镜的折射率。

密度和黏度通过共振叉探头测量。泵抽时共振叉探头侵泡在流体中,在受交流电压驱动共振时,其轴向共振运动会因流体附着产生2个应力而衰减:法向应力和切向应力。法向应力与流体密度成正比,代表了附加到叉臂上的附加质量。切向应力是由黏性流体中的挠性共振器产生的横波引起的,它的大小与流体密度和流体黏度乘积的平方根成比例[7]。通过测得共振叉运动衰减的规律,得到流体密度和黏度。

声速通过超声波换能器测量。超声波从换能器发出,穿过泵抽流体到达测量远端并被反射回来,最终回到换能器。通过采集该传播过程所用的时间,即可计算流体的声速[8]。

压缩系数通过牛顿-莱布尼茨公式,用声速和密度计算得到。计算压缩系数需要超声波换能器和共振叉探头均工作正常。当流体中烃类增加或含气时,可压缩性会明显增加[8]。

FASTrak HD工具实时记录活塞位置计算实时泵速;同时根据泵抽压力和地层压力计算泵抽压差。根据流度计算公式,可以得到地层的实时流度(K/μ)。在地层渗透率变化不大的情况下,流度数据直接受到流体黏度的影响,即当流体由低黏度钻井液滤液变为高黏度地层油时,流度会降低。故地层流度的变化也能判别泵抽流体变化。

(2)

式中,K为渗透率,mD;μ为流体黏度,cP;C为探针常数(基于探针类型选择);q为实时泵速,mL/s;Δp为实时压差,psi。

3 测前分析与施工设计

3.1 测前分析

该次测井的目标为W-2井L-1层,计划于215.9 mm井眼段钻遇。储层物性特征为高孔隙度低渗透率。为满足地层钻进、井控安全,同时兼顾油气层保护的需求,故选用的钻井液密度较高,达1.45 g/mL。预测L-1层地层压力系数为1.0,可估算该层地层压力约为4 600 psi;钻井液密度为1.45 g/mL,可估算L-1层的井内环空压力约为6 700 psi。由此可推算井筒内压差高达2 100 psi,钻井液侵入较深,故地层可能存在超压现象。

在施工设计时,针对本井储层流度低、侵入深的特点,应尽量提高地层压力测得率,缩短泵抽取样时间。

3.2 施工设计

在测量低渗透率地层的地层压力时,等待压力恢复所需时间较长,且首次压降的测压值可信度低。为了尽可能在1个测压周期内测得地层压力,选用综合地层强制多次压降模式对各点进行测压,并且将测压时间设定为最长的20 min/测压点。同时为了增加测压取样时的泵速,选用与井壁接触面积最大的加长椭圆探针,尽可能缩短测压的压降时间和泵抽取样时间,增加测得率,减小测井风险。

在选择测压点时,工程师将根据随钻井径数据以及常规测井的处理结果,选取目的层内井径最规则、物性最好的深度点进行测压,以保证座封的成功率和地层压力的测得率。测压完成后,再根据各测压点的流度结果,结合地质需求,选择流度最高的深度点进行泵抽。泵抽时综合利用各类探头实时判断流体的含油纯度,含油纯度达80%以上,即可灌取地层样品。

4 应用效果分析

4.1 测压

基于随钻测压取样工具FASTrak HD的应用,使得地层浸泡时间较短,地层超压现象不明显。10个测压点,仅有2个点表现超压现象,其他点均测得有效地层压力,测压点座封成功率达100%。结果显示L-1层压力系数在1.01～1.02,属于正常压力系统;L-1层内所有测试点流度均低于10 mD/cP,判断属于超低渗透率储层。测压数据见表4。

表4 W-2井FASTrak HD工具随钻测压结果

4.2 取样

L-1层49号层气测显示较好,电阻率值较高,测井常规解释为油层,故计划在该油层取样。根据测压结果和井径数据综合考虑,最终决定选择在地层流度显示相对较高(8.3 mD/cP)、且井径规则的X X63.80 m深度点进行泵抽取样(见图3)。

图3 W-2井L-1层X X63.80 m综合解释图

泵抽过程质控图见图4。最右边3道为FASTrak HD工具根据当前参数智能预测的流体类别(蓝色为水,绿色为油,红色为气,灰色为低概率存在,白色为不存在)。从图4的第1道泵抽压力(红色曲线)可以看出,工程师分别在15 min、35 min和60 min,向仪器发出了提高泵速的指令,FASTrak HD工具通过增加压差以提高泵速,故泵抽压力阶梯式降低,泵速从1 mL/s逐步增加至9 mL/s。泵抽初期实时流度一直保持在10～12 mD/cP,从105 min开始,实时流度逐渐下降,最终稳定在4.4 mD/cP。故判定在这个过程中,泵抽液体由水逐步过渡到地层油。

图4 W-2井L-1层X X63.80 m泵抽过程质控图

表5为各时间节点的泵抽参数变化和对应的流体性质判断。最终在X X63.80 m深度点取样2罐后,解封结束该点泵抽。

表5 W-2井L-1层X X63.80 m泵抽关键时间节点及流体判断

工具回到地面后,工程师卸下样桶并进行现场放样测试。测试结果显示,样桶内的地层油纯度高达95%。相较于W-1井电缆取样记录(泵抽270 min,取得样品纯度为60%的地层油),取样效率有了明显提升。

5 结 论

(1)通过对井下实时测量的折射系数、密度、黏度、声速、压缩系数和动态地层流度等数据的分析,能够指导地面工程师取得纯度较高的地层油样品。

(2)在低渗透率地层测压取样时,应选用较大流通面积的探针类型以提高压降效率;测压模式选择综合地层强制多次压降模式,能够提高地层真实压力的测得率。

(3)随钻测压取样测井能够缩短测前地层浸泡时间,降低钻井液侵入,在提高地层压力的测得率的同时,也降低了清理地层所需时间,在更短的泵抽时间内取得更高纯度的样品。同时随钻测压取样测井过程支持钻井液循环,有效降低了测井工具的黏卡风险。