赵轩 何顺利 刘东涛 (中国石油大学 (北京)石油工程学院)

美国页岩气藏水平井生产测井技术

赵轩 何顺利 刘东涛 (中国石油大学 (北京)石油工程学院)

美国页岩气藏的开发、测井技术相对成熟,使用连续油管输送测井仪器为其一大特色。Barnett组页岩气藏水平井生产测井中主要采用11/4in油管输送和过27/8in油管井牵引器输送测量仪器的两种测井方法。分析其仪器部署和测量实践表明,两种方法各具优势,在气、水层与裂缝的识别、持率测量等方面精度更高;降低了仪器在油管中发生阻塞的机率;增强了抵抗井内流体流动干扰的能力,使测得的数据能更好地反映储层实际情况。目前,我国多用钻杆传输的测井方式,而连续油管输送的测井技术涉及尚浅,因此,美国页岩气藏生产测井实践不仅对我国水平井测井技术的发展有指导作用,更可为我国处于起步阶段的页岩油气藏开发提供借鉴。

页岩气藏 水平井生产测井连续油管输送测量 牵引器输送测量

1 引言

页岩油气作为非常规能源之一,正在全球能源结构中扮演着重要角色。水平井开采方式在页岩油气藏开发中优势明显,精准的水平井生产测井技术无疑会为高效开发提供可靠依据。但与常规测井方式相比,水平井施工过程中对接设计长度大、旁通外电缆长、仪器井下工作时间久,对原始数据获取和井下仪器稳定都产生了一定难度,目前在测井工艺中还属于技术难度较大的测井项目[1]。

世界上的水平井测井技术一般可分为五大类:随钻测井、钻杆传输测井、连续油管传输测井、管泵送和爬行器测井。而目前最常用的是钻杆传输测井,也是我国在现场操作中的主要方法。本文详细介绍美国FortWorth盆地Barnett组页岩气藏水平井开采中,使用连续油管输送生产井测量技术。该技术在我国目前使用较少,理论和实践相对薄弱。

美国是目前唯一实现页岩气商业开采的国家,截至2008年底累计生产页岩气3 316×108m3。美国FortWorth盆地Barnett组页岩气藏中的水平井生产,是继N2压裂、泡沫压裂、凝胶压裂、清水压裂等增产措施之后发展起来的开采技术。这些水平井钻井深度约1 500～2 500 m,倾斜度大;水平生产段600～1 600 m,通常配41/2in(1 in= 25.4 mm)或51/2in套管和23/8in油管,油管装有气举心轴用以辅助排水[2]。压裂处理后的页岩气层会有一个压力瞬变现象,能够使致密地层的微达西流动气体保留在页岩中。裂缝和断层这样的天然地质构造可以通过地震测量定位,但精确度低。生产测井对水平井段与水夹层物质交换的裂缝测量精确度更高。本文将阐述如何准确部署和测量水平生产井段,图1所示为水平井中多相生产状况。

图1 水平井生产图示

2 水平井生产测井组件

生产测井的目的是为油气藏工程分析提供基础信息,通常通过测量流动井段来辨别流入水或烃类的分布区域。还能够辅助辨别存在水窜、漏失、窜流、吸水段和边界效应等问题井段[3]。

水平井生产测井传感器组件包含以下部分 (图2):

伽马射线发射器——用以深度校正;

套管接箍定位器——用以深度校正;

压力 (探头)——确定PTA分析用的底压力和油藏压力;

温度 (探头)——测量流入或窜进液体或气的温度;

流量计——测量井段之间的流量变化;

流体辨别感应器应用于两相或三相流动条件下;

流体电容 (探头)——测量辨别水和烃类;

流体密度 (探头)——测量辨别水、液态烃和气态烃;

持率测量 (探头)——直接测量井筒横截面上的流体和烃类持率。

流体密度和电容的测量结果可用于持率 (气体与液体在管柱中所占比率)计算,这些测量对于直井中混合液体的测量是理想的,而持率测量适用于水平井中两相或三相的测量。

图2 水平井生产测井传感器组件

3 连续油管输送测井

在不同井况条件下,使用连续油管输送测井工具是一种有效且多功能的方法。它将输送过程中可能出现的意外情况 (斜井段聚集“意外的”砂岩和支撑剂的堵塞)都充分考虑到了。连续油管抽出来的流体或硝化流体可冲洗这些固态物,从而保证井眼中的仪器输送顺利进行。

在水平井中,完成一次成功测井首先要满足的条件是测量仪器到达理想的深度。在下井过程中由于连续油管与套管之间摩擦力的存在,往往会阻碍生产测井工具到达理想深度[4]。图3显示水平井中的连续油管和完井的操作状况。

图3 连续油管图例说明

通常使用11/4in的连续油管输送生产井测井仪器下入井中,这比大口径的连续油管循环产生更少的疲劳。环绕模拟中推荐使用较大口径的连续油管,来预测在达到最大理想测井深度之前局部钻具组合是否会摩擦锁死井,因此,通常选择较长的水平段或较短的垂直段。在较短的垂直段,油管中与摩擦力相反的连续油管悬重力较小。较大口径的套管 (13/4in和2 in)每米质量相对较大,因此有更大的推力。

4 Barnett组页岩气藏测井输送方式的水平井生产测井

目前,美国页岩气藏的水平井开采中,多数井产气率与产水率都很低。测井传感器的输送技术对于产气、水层的测量具有非常重要的作用。Barnett组页岩气藏中典型生产测井方式有以下两种:

◇过 23/8in油管的 11/4in连续油管输送测井(生产在油管之上,气举在套管之下);

◇过27/8in油管的井牵引器输送测井 (生产在油管之上,气举在套管之下)。

4.1 过23/8in油管的11/4in连续油管输送

标准非常规页岩天然气藏的井中使用23/8in油管[5]。如果在修井时没有使用修井机来清洗横截面区域,测井采用过23/8in油管的11/4in连续油管输送,若修井时没有清洗横截面,气举则是最经济的装配方案。

井场上,为保证高质量的生产测井,井在测量之前至少放流3天,在井口安装顶部测井阀以防止在测井过程中发生意外。生产测井测量之前和期间要安装一个合适的气流率和水流率测量系统。

第一天,在井中安装并输送11/4in连续油管,输送过程中进行清洗并确定流量。

几乎所有井中都有含油碎屑物,如砂、管塞零件等,因此,很有必要在安装测井传感器之前先下连续油管。若连续油管标示在碎物以上,设计安装在底部钻具组合下部的连续油管可清洗出含砂碎屑。

为保证成功测量,有必要在输送连续油管后进行流量监测。11/4in连续油管占据了超过一半的油管容积,从而可能在井中形成阻塞。高速分离器和井压力降的线性压力组合实际上也可能造成井阻塞。如果井产水,油管内会形成水栓,引起水流和气流的循环效应,导致产气量减少。现场技术人员需要及时调整回流的最低恢复压力,以保证井中流体持续流动。

第二天操作与第一天相同,但需要注意井中输送时的回流速率和气举注入量。测井人员需利用适合的流通量来测量横截面流速。

图4为过23/8in油管的11/4in连续油管输送的测量结果。井中流体大约为6.4 m3/h的水和850 ×104m3/d的天然气。限制在该区域的地震数据并不能确定横截面上哪里产水,生产测井曲线则可将流入井中的水流速变化清楚地显示出来。图中曲线显示水和气都来自于趾部,持率图显示井中水相部分占横截面的80%;温度升高指示进水量,温度降低的钉状证实进气量。

4.2 过27/8in油管的井牵引器输送

电缆井牵引为不需要连续油管或钻杆作推力的输送方法,可使测井仪器到达水平横截面的末端。井牵引通过电子电缆来输送和启动,开启并牵引测井仪器到达横截面的末端。

生产测井牵引器的最小外径为21/8in,因此,非常规的页岩气井需要安装27/8in的生产油管。若需要偏心气举工作筒,则带工作筒的油管径为5 in或更大。

图4 过23/8in油管11/4in连续油管水平井生产井测井图

过油管牵引输送的生产测井方法优点在于:该方法很少受阻塞或井内流体流动干扰的影响。这意味着在生产测井同时,井实际上处于正常生产状态,因此测得的数据更能反映储层实际情况。

井牵引通过外径为5/16in的电子电缆输送,生产测井传感器安装在井牵引器的下面。一旦牵引器离开油管底部进入套管,可通过连接地面的电缆来执行牵引卷轴臂和轮的启动命令。仅需要控制牵引的电压,就可使牵引输送以40～60 ft/min(1 ft=30.48 cm)的速度穿过横截面[5]。用于校正的测井传感器可安装在电缆上 (实时记录数据模式)或在存储模式中程序化。图5为在井中运行的井牵引器。

图5 井牵引器

在一口标准的页岩气井中,这种输送方法需使用修井机牵引现有的23/8in生产油管,下仪器到趾部洗井,然后使用27/8in生产油管替代23/8in油管。尤其要注意残留在井中的碎屑物质和井趾段角度的影响。

同连续油管输送的测井方式一样,在生产测井开始之前要安装一个合适的气流率和水流率的测量系统。牵引行动像运行在井中的开关,为了防止牵引在井中运行时井停喷,在输送阶段要留意。

一旦牵引和生产测井组件移出油管,应等待一段时间,让井恢复到稳定流量后再开始测量。通过横截面目标点的测量,可得到横截面上相对流速剖面、持率图、密度、容量和温度的变化情况。

图6为带井牵引的水平井生产测井曲线图。采用31/3in油管和51/2in套管,水窜槽改变产气量至850×104m3/d和产水159 m3/d。操作人员多次尝试用连续油管输送的测井方法来确定见水层位,但连续油管的阻塞效应使井内无流体流动,需5～7天的抽吸作业使井恢复运行。带井牵引器输送的水平井生产测井系统,使得井内流体在测井同时以自然速率流动,从而避免了油管阻塞现象。

图6 带井牵引输送生产测井曲线图

5 总结与启示

5.1 两种测量方式的对比

美国页岩气藏水平井生产测井实践表明,这两种不同的输送技术关键在于如何使测井传感器发挥最大效果,以达到精确、可靠的水平井生产测井结果。两种方式特点总结如下:

(1)过21/8in油管的11/4in连续油管输送测井方法

◇充分考虑到测量仪器输送过程中可能出现的意外情况 (斜井段聚集“意外的”砂岩和支撑剂的堵塞),连续油管抽出来的流体或硝化流体可冲洗这些固态物,从而保证井眼中的仪器输送顺利进行。

◇选用小口径的11/4in的连续油管输送生产井测井仪器下入井中,将油管中与摩擦力相反的连续油管悬重力降到最小,减少生产测井工具到达理想深度的阻碍。

◇在安装采油传感器之前先下连续油管,若连续油管标示在碎物以上,设计安装在底部钻具组合的下部连续油管可清洗出含砂碎屑,但油管内仍较易发生阻塞。

(2)过27/8in油管井牵引器输送测井方法

◇不需要连续油管或钻杆作推力,而以电子电缆输送和启动测井仪器到达测量横截面末端。

◇很少受阻塞或井内流体流动干扰的影响。井在生产测井同时处于正常生产状态,因此测得的数据更能反映储层实际情况。

5.2 对我国页岩气藏水平井开采及测井的启示

我国页岩油气资源十分丰富,页岩油探明储量20×108t,页岩气资源量可达100×1012m3,相当于常规天然气量的2倍。在近60年的常规油气勘探开发历程中,多个含油气盆地在页岩段见页岩气显示,如松辽古龙、柴达木、渤海湾歧口、四川等地。其中在四川盆地的威远、阳高寺等地区钻探158口常规天然气井中,均发现有页岩气显示。有些地区在页岩段气测异常高达80%。1996年完钻的威5井,钻遇九老洞组页岩段发生气浸与井喷,裸眼测试日产气量达到24 600 m3。目前正处于资源全面勘探、评价阶段的页岩油气藏,需要通过全岩样分析,声、电等成像测井技术展开详细研究[6]。为了提高勘探开发的综合效益,近年来我国油田采用一些水平井、大斜度定向井、老井开窗侧钻井等技术,测井面临如何作业的新问题。

页岩气水平井测井技术目前在国内已具备了一定的技术基础,但还未投入实践,需要开展试验性的工作来验证,并从中摸索经验。在开发初期,可先选择较浅 (深度2 000 m左右)的页岩储层钻直井进行试验,了解目的层特性,获得钻井、测井、压裂等技术经验,获取一定数据资料和施工经验后再向深井 (深度3 000～4 000 m)和水平井发展。同时,借鉴国外,尤其是美国对页岩气藏水平井的钻探、测井等实践经验,提高我国水平井等测井的技术水平,逐渐缩小中国测井设备和世界先进测井设备的差距,为我国非常规油气藏测井技术的国际化发展打下坚实基础。

[1]闰存章,黄玉珍,葛春梅,等.页岩气是潜力巨大的非常规天然气资源[J].天然气工业,2009,29(5):1-6.

[2]Mavor M.Barnett shale gas-in-place volume including sorbed and free gas volume[R].Fort Worth,Texas: AAPG Southwest Section Metting,2003.

[3]Montgomery S.Barnett shale:a new gas play in the FortWorth basin[J].Petroleum Frontiers Excerpt, 2004,20(1):1-76.

[4]Hill A D.Production logging-theoretical and interpretive elements[J].SPE Monographs Series,V14,December,1990.

[5]BJServices C.Coiled tubing production logging deployment manual,2008.

[6]李厚裕,刘皇冰.水平井测井解释原理与应用[M].东营:石油大学出版社,1993.

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.12.018

2010-04-11)