钟恒森, 邸元, 张凯强

(北京大学工学院, 北京 100871)

0 引 言

地层测试的主要目的是及时、准确地获取地层流体高压物性、油水界面、地层压力等重要数据和信息[1],它是投入生产前的一项重要评估,能够为油气层确认和产能预测提供可靠的参考资料。地层测试技术有2种:电缆地层测试(WFT,Wireline Formation Testing)和钻杆试井(DST,Drill Stem Test)。前者为电缆下挂探测设备在指定的深度进行流体取样,主要使用的设备为模块化的动态地层测试工具(MDT,Modular Formation Dynamics Tester tool);后者为置于钻杆上的探测组件,在随钻下井的过程中进行测试。本文将着重于分析电缆地层测试中的取样问题。

MDT模块化的地层动态测试器对复杂油气藏的勘探起到了极其重要的作用,如大港油田滩海区[2]、冀东油田、新疆油田[3]、酒东油田[4]、胜利油田[5-6]等的多口预探井。为了减少钻头与地层岩石的摩擦、带出固体碎粒和稳定井壁等,钻井过程中需要注入大量钻井液。钻井液与固体碎粒混合形成的泥浆滤液在钻井过程中会渗入地层、污染原始的地层液体。采用MDT进行地层测试,如果探针抽取已被污染地层液体作为样品,必然影响地层测试所获数据和资料的准确性。如果采用MDT定点进行长时间抽取取样,随着抽取的不断进行,则能驱替大量侵入带的泥浆滤液,污染物的浓度会不断降低最终趋近于稳定(但不可能完全驱替),进而得到更纯的地层流体。但是,长时间的取样作业会耗废大量的时间和成本,机械故障和设备的损耗也会成倍增加。

MDT取样探针设计的不同,对于在短时间内获取低污染的样品有着十分重要的影响。本文分别采用几种不同的探针形状和布局,对油层测试中泥浆滤液侵入地层及探针抽取地层液体样品的过程进行数值模拟和分析,从而为MDT取样探针的选择和设计提供有参考价值的数据和建议。

1 不同类型的取样探针

MDT常用的取样探针主要有:标准探针(STDP)、大口径探针(LDP)、超大口径探针(ELDP)、快速驱替探针(QSP)、椭圆探针(EP)和土星三维探针(Saturn 3D)(见表1)。

表1 各种探针的代号及探针口面积比较

*非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

探针口位于探针中心,也称为抽取区域,是地层液体流入MDT的通道。在探针口外围有一圈橡胶质的填塞稳定圈。当MDT下降至取样点时,探针部件会横向伸出并与井壁接触。填塞稳定圈的作用有2个:①固定MDT与探针的位置;②在探针口周围的井壁上形成一个封闭区域,保证更多的流体从探针流入。

图1 标准探针和快速驱替探针[7]

大口径探针和超大口径探针在结构上与标准探针相似,只是在探针口的直径上有所扩大,其目的在于增加探针口的面积,使流量增加,在抽取同样体积液体的条件下,以更少的时间完成取样作业。

快速驱替探针的构造则比前几种探针更为精巧(见图1),它从内到外依次为中心探针口、内填塞稳定圈、保护环和外填塞稳定圈。其中,中心探针口和保护环通过分离的管道,经过一个汇流阀门分别与两套抽取泵系统相连。通过中心探针口和保护环的流体进入MDT之后,在分离的管道中流过汇流阀门:若汇流阀门开启,则2套管路汇流为1条管路,与其中1套泵连通;若汇流阀门关闭,则2套管路分别与分离的2套泵系统连通。

2 计算模型

MDT探针取样过程的计算可分为2个阶段。第1阶段为泥浆滤液渗入阶段,主要考虑泥浆滤液渗透、侵入地层的情况,实际中与之对应的就是钻井阶段。这一渗入地层的过程可基于渗流力学中径向流动问题的理论解进行计算[8],也可以采用数值模拟进行计算。值得注意的是,由于泥饼层的作用,会存在一定的超压现象[9]。第2阶段为样品抽取阶段,以第1阶段所得的流体饱和度场和压力场作为初始条件,采用数值方法模拟探针抽取地层液体时的渗流情况。

模拟计算以探井为中心建立三维径向网格,采用油藏数值模拟器ECLIPSE进行计算[10-11]。

(1) 考虑到样品抽取模型的流动特征与生产井类似,采用柱坐标描述更为方便。假设测试的定点地层均匀,根据对称性可简化为中心有井单元的二分之一圆柱形模型。

(2) 虽然水基钻井液的组成比较复杂,但其与地层原油的作用和表现出的流动性与水相有一定的相似性。本文采用三维黑油模型模拟器近似模拟泥浆滤液的渗入和驱替,用水相代表泥浆滤液,用油相代表原始地层液体,从而避免使用复杂的多组分渗流模型。

(3) 在探针所处的定点地层,通过细分井单元并控制其与周围地层单元的连通性,可以将探针的形状通过连通的单元布局模拟出来。

(4) 假设地层无限大,外边界条件为等压条件。由于对称性,模型只需包含1/2的探针及地层,模型中的对称面设置为封闭边界。

(5) 实际过程中钻头作业和地层中的不确定因素会使钻井液的温度、压强和密度发生变化,从而影响钻井液的物性[13]。本文模型中忽略此类不确定性因素的影响。

为了考虑不同探针形状和布局对样品抽取的影响,数值模拟时需要对每个类型的探针模型都建立相应的网格。以标准探针模型的网格为例。

利用对称性,标准探针模型的网格采用局部加密的二分之一圆柱形网格系统,具体为33×33×69(见图2)。为了突出探针区域,图2(b)中显示了竖直方向第35层及以下的网格。径向上,井半径为0.354 167 ft(4.25 in),井壁之外为地层网格,由密到疏共设有33个层,总长为200 ft。环向上,考虑到带有探针的圆柱形MDT为一个轴对称物体,模拟时仅针对对称面的一侧,沿180 °的环向分隔角建立模型网格,前20个等分分隔角为探针所对应的区域,后13个由密到疏的分隔角构成井壁的其他区域,在环向上的这33个分隔角一共180 °。轴向上,竖直向下为正,参考坐标的起始平面为z=7 320 ft。在探针附近、竖向上5 ft的定点区域,沿轴向分隔共69个层建立模型网格,探针中心位于从上往下第35层处,在探针中心区域网格局部加密(见图2)。

图2 标准探针模型的网格

探针定点地层为均匀地层,网格的径向、环向和竖向渗透率为Kr=Kθ=Kz=100 mD*,孔隙度的取值为φ=0.2。数值模拟计算分为2个阶段,第1阶段为渗入阶段,模拟泥浆滤液注入、渗透地层的过程;第2阶段为样品抽取阶段,模拟探针抽取过程。地层深度为7 320 ft,控制条件为定压(3 600 psi*非法定计量单位,1 mD=9.87×10-4 μm2; 1 psi=6.895 kPa,下同)注入,定压(2 600 psi)抽取。渗入阶段的持续时间为1 d,该阶段结束时的地层环境即为样品抽取阶段的初始条件,其后的样品抽取阶段,持续时间为6 d。

3 评价指标

探针取样的过程中首先需要用较长的时间排除地层液体中泥浆滤液带来的污染,这一过程所抽取的液体直接排出而不进入取样罐。当探针所抽取液体中污染物的含量低于一定比例后,再将样品注入取样罐。完成取样后,取样罐在地层条件下密封,以保证样品的压强等物性与取样点的液体物性一致。

为了比较不同类型探针的取样效率,采用的评价指标是获取达标样品所需要的总抽取体积和时间。为此,定义了原始地层液体占比λo(WOPR/WVPR)和污染物水平λc的2个指标参数。

(1)

(2)

式中,qw和qo分别为抽取的泥浆滤液和原始地层液体的流量,计算结果中分别以WWPR和WOPR表示,两者之和即是总抽取体积,以WVPR表示;qw0是取样初始时刻泥浆滤液的流量。

图3 不同形状探针驱替效果的比较

4 数值模拟及分析

4.1 不同探针形状的研究

6种不同类型的探针及其代号如表1所示,前5种探针按构造特点可以分为2类:一类是简单结构的标准探针、大口径探针与超大口径探针;另一类是带有保护环结构的快速驱替探针和椭圆探针。土星三维探针还处于未定型的基础研发阶段,在此仅对前5种探针分别建立相应的网格模型进行数值模拟计算。

取样抽取过程各探针均采用定压抽取的方式,探针口压力为2 600 psi,较地层压力低约1 000 psi,取样的流量在很大程度上决定于探针口的面积。为叙述简便,以下均使用探针代号标识其计算模型。上述5种探针的数值模拟结果见图3。

(1) 研究原始地层液体占比λo(WOPR/WVPR)同抽取作业时间的关系。指标λo与作业时间的关系曲线是判断样品达标所用时间的重要依据。根据实验室样品分析的要求,将样品达标的标准设定为λo≥95%,从图3(a)可以看出这5种探针的达标时间ts依次为

ts,EP

(3)

可见,达标时间除了与探针口面积相关之外,还与探针口的形状密切相关。探针口形状的优化能在一定程度上缩短达标时间。QSP的探针口面积比ELDP的小,但由于QSP在探针口附近设计有保护环,它的达标时间反而较ELDP的短。

(2) 考察原始地层液体占比λo和总抽取体积的关系。由图3(b)可知,对于结构相似的探针,其原始地层液体占比随总抽取体积的变化曲线也十分相似,例如简单结构的STDP、LDP和ELDP。面积与它们相近但结构不同的QSP,达标所抽取的液体总体积显然要少于上述3种探针。再观察EP的情况,虽然它的达标时间最短,但由于其探针口面积远大于其他探针,需要抽取更多的地层液体才能得到达标样品。

(3) 对污染物水平λc(Contamination)同抽取作业时间的关系曲线进行比较。污染物水平λc是评价污染驱替效果的物理量,如式(2)所示,它用描述污染驱替的程度能够从另一个侧面衡量探针的效率。与原始地层液体占比的曲线相似,相同抽取作业时间情况下,5种类型探针污染物水平的相对大小为

λc,EP<λc,QSP<λc,ELDP<λc,LDP<λc,STDP

(4)

(4) 对于污染物水平随总抽取体积的变化关系进行考察。由图3中的计算结果可以看出STDP、LDP、ELDP和QSP驱替效率的不同。现将抽取过程按时间划分为前期、中期和后期3个阶段。EP的驱替效率在抽取过程的前期和后期优于其他4种探针,而在驱替的中期,它所抽取液体的总体积多于其他4种。在抽取过程的前期,污染物水平较高,地层环境中及进入探针口的主要液体为泥浆滤液;在抽取过程的后期,污染物水平较低,地层环境中及进入探针口的主要液体为地层液体,在这2个阶段大流量地抽取会使井孔附近地层中液体的组成出现较为明显的变化。所以在抽取阶段的前期和后期,EP的污染物水平都低于其他探针。抽取过程的中间阶段其他几种探针的针口面积较小,明显驱替的区域仅局限于探针口的水平面附近,而EP的探针口面积较大,波及的区域比其他几种探针更大,所以需要抽取液体的总体积也更多。从图3(d)中可以看出,EP曲线的比其他曲线更为陡峭,这表明EP的驱替速率更快。在抽取过程的中间阶段、达到相同污染物水平的情况下,EP所需的总抽取体积最多,这表明在这一阶段它的驱替区域比其他探针的更大。

4.2 不同探针布局的研究

在同一MDT组件上安装更多的探针,不仅能够增加探针口面积,还可以从不同的方向进行取样。这样改进的优点在于,无需设计新的探针就可以在原有探针基础上成倍地增加探针口面积,这种探针布局的极端情况就是MDT探针组件在同一水平面上的四周全都布有探针口,如土星三维探针(OPN-7a,4个土星探针)和带有6个椭圆探针的MDT组件(OPN-7b)。

研究在原有的椭圆探针基础上进行布局上的改进,分别考虑探针组件在同一水平面上均匀分布1、2、4和6个相同的椭圆探针,针对这4种探针和土星三维探针建立模型并进行样品抽取过程的数值模拟。计算结果比较见图4。

图4 不同布局探针的比较

对比图4中的4种探针组件,探针口越多则样品达标时间越短,但是更多探针口也意味着更多的总抽取体积。OPN-7a和OPN-7b的达标时间几乎相同,但总抽取体积OPN-7a则相较OPN-7b更少。

4.3 不同地层状况的研究

地层测试时,定点地层的渗透率往往很难精确测得。探针的设计应当考虑能够适应不同地层中的取样。探针附近地层流体的流动主要是水平及垂直方向的流动,水平向渗透率(Kh=Kr=Kθ)和竖向渗透率(Kv=Kz)的相对关系是具有代表性的地层物性参数。现选择竖向渗透率Kv与水平渗透率Kh之比κ作为变量,研究它对取样过程的影响。

(5)

探针模型选用椭圆探针模型,分别考虑κ=0.001、0.01、0.1、0.5、1.0等6种地层状况进行数值模拟,计算结果见图5。图5中比较了不同地层条件下的污染物水平曲线和原始地层液体占比曲线。对于κ越小的地层,椭圆探针的工作效率就越高、达标时间越短、达标时的总抽取体积也越少。数值模拟揭示了这一现象发生的原因:探针取样时,与探针位置处于同一水平面的地层中一定范围内的污染物首先被驱替,之后驱替的范围才向垂直方向扩展。由于垂直方向上存在大量的被污染区域,污染物被驱替后会得到周围污染物的补给,这一过程很大程度上受地层渗透率比的影响。如果κ值比较小,说明Kv相对于Kh较小,地层液体的水平流动较垂直流动占据主导地位,污染物从竖向上得到补充的程度较小,整个抽取过程在水平方向上的驱替效果更为明显,且驱替区域向垂直方向上扩展的趋势较弱,因而与探针处于同一水平面的地层中的污染物能被更有效地驱替,即以更短的作业时间和更少的总抽取体积获得了达标样品。

图5 不同地层状况取样结果的比较

通过模拟分析还可知,在κ较小的地层环境中,如果探针口面积相同,则垂直方向尺度较小的探针能更有效率地获得达标样品。

5 结 论

(1) 分别对标准探针、大口径探针、超大口径探针、快速驱替探针、椭圆探针5种形状的探针建立了计算模型,采用油藏数值模拟器ECLIPSE对油层测试中泥浆滤液侵入地层及探针抽取地层液体样品的全过程进行了数值模拟和比较分析。

(2) 建立了带有多探针口的椭圆探针和土星三维探针的计算模型,通过数值模拟对不同探针布局进行了比较。还考虑了水平向渗透率与竖向渗透率之比对探针取样过程的影响。

(3) 为了使样品更快地达到取样标准,可采用增加探针口面积的方法增加进入探针口的地层液体流量。在探针结构相同的情况下,增加探针口面积可以缩短达标作业时间,但同时也增加了总的抽取体积。保护环的设计与使用可以有效提高中心探针口的驱替效率。

(4) 取样时,水平方向流入探针的地层液体多于垂直方向流入的地层液体,在垂直方向的污染物残留较难进入探针区域。在竖向渗透率与水平渗透率比值较小的地层环境中,如果探针口面积相同,垂直方向尺度较小的探针能更有效率地获得达标样品。探针设计时,需要在选择更大的探针口面积和保持较小的垂直尺度两者间作权衡取舍。

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