利用录井和随钻测井资料快速识别CO₂气层

0 引 言

CO₂气层识别一直是录井行业的一个难题,录井技术人员对此从CO₂气体检测仪的选择以及检测设备信号采集方法都进行了研究和改进^[1,2],但在录井过程中,很多储集层CO₂测量值偏低,达不到解释气层的标准,甚至存在有些储集层在录井过程无CO₂出现,但电测取样或者测试证实为CO₂气藏的情况。从南海东部有CO₂气层的6口井段的录井数据来看,仅使用录井手段,对CO₂的识别存在较大的困难,很多分析都是根据区域地质情况和邻井已钻储集层情况进行对比推断,存在一定的不确定性。

目前,南海东部油田勘探中随钻测井技术(LWD)已经成为探井的标准配置,将录井数据和随钻测井数据相结合,提高了解释精度,同时还有助于了解储集层特征,便于识别一些复杂的油气藏,为甲方快速决策提供了全面、准确的数据和理论支持。随钻测井气层的参数特征是高电阻率、低中子密度,对于气层该识别方法成熟,但对于储集层流体类型是CO₂还是烃类气体尚存在一定的模糊性^[3,4]。通过对南海东部油田勘探过程中6口井的CO₂储集层进行研究分析,将录井和随钻测井资料结合起来,形成了南海东部油田综合利用随钻测井、录井资料识别CO₂气层的新方法。

1 录井CO₂测量影响因素

影响CO₂的测量因素较多,根据目前分析研究认为,造成CO₂检测不到或绝对值较低的主要因素是CO₂的现场物理性质和钻井液体系的影响,同时受到井筒压差、钻头直径、钻时、排量等工程因素的影响,在深水钻井过程中,还会受到海水温度、增压泵、隔水导管等因素的影响。

1.1 CO₂物理性质

CO₂是大气中常见的碳氧化合物,在大气中其浓度约为0.03%。CO₂相对于烃类气体更易溶于水,在水中的溶解度要比烃类气体高出很多。常温常压下,1 mL的蒸馏水能溶解0.878 mL的CO₂,而1 mL的蒸馏水仅能溶解0.033 1 mL的C₁。

CO₂在水中的溶解度主要受温度、压力和矿化度的影响。从CO₂在水中溶解度随温度、压力变化关系图(图1)可以看出^[5],当温度恒定时,压力越大,CO₂溶解度越大;当压力恒定时,温度越低(高于0°C),溶解度越高。由于CO₂具有高溶解度,在钻井过程中,其在钻井液中也有高扩散性,岩石破碎后CO₂在钻井液中溶解和扩散,导致钻井液中气态CO₂浓度降低,不易被检测仪检测到。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图1   CO₂在水中溶解度随温度、压力变化关系

   

1.2 钻井液体系影响

水基钻井液和复合聚合物钻井液都含有大量的水,CO₂在水中,大部分以水合物形式存在,少部分为填隙式。CO₂与水反应生成碳酸(H₂CO₃),碳酸是无机二元弱酸。水基钻井液和复合聚合物钻井液体系为碱性,pH值通常保持在8.510.0之间。正常钻井条件下,钻遇CO₂气层时,碳酸在碱性的环境下会发生较为复杂的化学反应,其中对CO₂测量影响较大的反应如下:

CO₂+H₂O=H₂CO₃(1)

CO₂+OH^-=HC O3-(2)

C O32-+CO₂+H₂O=2HC O3-(3)

由上面的反应可以看出,钻井液所含OH^-要吸收大量的CO₂,钻井液本身要溶解一部分CO₂,同时碳酸在碱的作用下,能生成酸式残酸盐M(HCO₃)₂和碳酸盐MCO₃(M代表二价金属),这些因素最终使得CO₂测量值不能准确反映地层的真实情况。

在钻井过程中,为了保持钻井液为碱性,需要持续加入碱性钻井液添加剂来维持其pH值。窦辉等做了关于加碱对CO₂测量值影响的实验,实验的结论是水基钻井液和复合聚合物钻井液都随着碱加入量的增加,CO₂测量值降低^[6]。从图2可以看出,实验初期加入0.5 g碱,CO₂分析值下降了1.3%,随着碱用量的增加,CO₂分析值下降速率趋慢。这个实验也表明钻井过程中即使加入少量的碱性添加剂,对于CO₂测量值的影响也是很大的。以LW 6X1井为例,钻穿第一个CO₂储集层后,为了保持pH值,钻井液中加入75 kg苏打,同时加入了大量碱性泥浆材料,导致在后面CO₂储集层都没有检测到CO₂的异常值。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图2   CO₂全脱分析值随加碱量变化^[6](修改)

   

1.3 工程因素影响

和烃类气体一样,CO₂测量值还会受到井筒压差、钻头直径、钻时、排量等工程因素的影响^[7,8],这些影响因素本文不再赘述。南海东部油田在超深水井钻探过程中,由于海水温度、增压泵、隔水导管等因素和浅水井的不同,进一步导致CO₂不易被检测到,从而增大了识别难度。

海底温度都很低,一般低于5℃。以超深水井LW 2X1井为例,水深2 451.43 m,根据井场调查报告,该处海底温度2.37℃。钻井过程中,钻井液进入隔水导管,经海水冷却后,到达钻井液返出口的位置时温度仍较低,LW 2X1井钻井液返出口温度实际测量范围为1012℃。海水低温对CO₂检测也产生了不利的影响。

超深水钻井使用的隔水导管内径较大,以海洋石油981钻井平台为例,使用的隔水导管规格为外径21 in(1 in=25.4 cm)、内径19.0 in,作业中持续使用增压泵,其作用是使隔水导管底部的岩屑快速返回至井口,避免岩屑在隔水导管底部堆积。在LW 2X1井钻探过程中,海洋石油981钻井平台使用两台增压泵作业,增压泵总排量为2 700 L/min左右,增压泵注入的钻井液对CO₂浓度起到了稀释作用。

2 测录井结合识别CO₂方法

在南海东部油田6口有CO₂气层井的统计中,所使用的钻井液体系为水基钻井液,主要为PF-PLUS/KCL,CO₂储集层井段的pH值变化范围为8.5~10.0,对CO₂气层识别造成了较大困难,主要是测量值偏低,利用现有模型无法解释为气层。由表1可以看出,经过取样证实为CO₂的储集层中,录井过程中实测CO₂数值非常不明显,最大值为2.52%,且有2口深水井(BY 16X1井和LW 6X1井)录井过程中CO₂的检测值为0,没有发现CO₂的信息,大多数层CO₂测量值都小于全烃值,并且变化幅度很小,以致解释人员往往忽略CO₂的变化。

在南海东部油田随钻电测的参数主要包括电阻率、自然伽马、中子和密度,可满足解释评价的需要。随钻测井CO₂参数变化特征为高电阻率,中子、密度数值减少,中子、密度曲线表现出“挖掘效应”。但就经过取样证实的13层数据统计效果来看,当储集层厚度≥4 m时,电阻率绝对值高,相对于围岩变化明显,且中子和密度“挖掘效应”明显;但当储集层厚度<4 m时,中子密度出现交会不明显,电阻率出现绝对值低、相对于围岩变化不明显的情况,这时使用随钻测井数据容易错误解释为油层。

通过对表1中6口井13层录井、随钻测井资料进行分析、总结,提出了综合识别CO₂气层新思路和方法。

(1)钻前准备工作。保证CO₂检测设备稳定性,增加低浓度的调校点,保证能捕捉到CO₂变化信息;收集邻井资料,掌握邻井是否存在CO₂储集层的情况;熟悉区域地质,了解地层层序。文献资料表明^[9,10],当前发现绝大多数CO₂气(藏)田的形成都与岩浆的活动有关系,且与其具有成因联系的火山岩多数在空间上邻近或具有输运通道沟通,应特别注意基底为火成岩的井。

(2)关注后效气CO₂值的变化。通过对上面6口井的分析,其中有3口井在后效检测中发现了较高的CO₂值,最高值可达10%。停泵期间,钻井液处于静止状态,储集层中CO₂气体进入井筒,经过长期浸泡,储集层附近的钻井液和CO₂溶解化学反应达到超饱和,就会吸附气态CO₂,钻井液返至地面,就会被CO₂检测仪检测到。

(3)利用录井与随钻测井资料的矛盾。通过气测全烃值与随钻电测参数之间的对比,如果出现随钻测井参数为气层,而录井参数全烃值低的情况,则储集层为非烃气层,并根据邻井资料、后效气等数据来进行分析储集层是否为CO₂气层。

(4)薄层的判断需要结合层间对比分析。一般情况下,薄层随钻电测也不具备明显气层的特征,但通过统计分析发现部分储集层CO₂数值有增加,但增幅不明显。一般情况下CO₂绝对值超过2.0%,但异常为基值的4倍,就有可能是CO₂气层。

(5)pH值和钻井液添加剂变化。作业期间,关注碱性添加剂和钻井液pH值变化情况并做好记录,特别是接近目的层,要根据实际情况,适当加密测量钻井液pH值。在LW 6X1井CO₂气层段,因为pH值的变低,添加了大量的碱性添加剂和碱,这为识别CO₂气层提供了帮助。

3 应用分析

3.1 录测井资料矛盾分析CO₂气层

PY 27A1井是位于番禺27-3构造上的第一口探井,番禺27-3构造位于番禺27控洼断裂下降盘,此构造主体受两条北倾断裂夹持形成半背斜,番禺27洼是番禺低隆起之上最大的残洼之一。研究及勘探实践表明该洼陷发育较厚的文昌组中深湖相沉积,周边钻井揭示了大量的油气显示,番禺27洼周边已钻井PY 27X1井、PY 27X2井以及PY 28X1井,油气显示非常丰富,油气显示级别高。尽管该井地质设计没有提及CO₂气层的可能性,但在钻井过程中,通过对比录测井资料的差异性,准确解释发现了CO₂气层。

图3为PY 27A1井录测井综合解释成果图,井段3 927~3 961 m,岩性为浅灰色细砂岩夹薄层褐灰色泥岩。气体组分齐全,其中C₁、C₂、C₃、iC₄、nC₄、iC₅、nC₅分别为0.867 7%、0.096 4%、0.040 6%、0.008 9%、0.009 2%、0.003 5%、0.002 3%,C₁相对含量为84.51%。全烃值由0.33%上升至2.13%,峰基比6.4,全烃变化幅度明显,但是绝对值低,烃类气体资料达不到该地区气层解释标准。CO₂由1.02%上升至2.52%,平均值为1.91%,CO₂最高峰值为背景值的2.5倍,但仍达不到CO₂气层解释标准。随钻电测曲线显示,中子、密度曲线发生交会,呈现“挖掘效应”,39″深电阻率值最高为128.2 Ω·m,随钻电测资料为气层特征。考虑到录井资料和随钻资料的差异,判断储集层流体性质为CO₂,综合解释为CO₂气层。该井3 939.5 m电测取样为气,CO₂占87.2%,采样结果证实了综合解释判断储集层流体为CO₂的准确性。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图3   PY 27A1井录测井综合解释成果图

   

3.2 层间对比分析CO₂气层

EP 15A2井是恩平凹陷西部古隆起断裂构造带恩平15-1构造B高点上的一口探井,在邻井EP 15A1井的钻探过程中发现了CO₂气层,这口井对CO₂气层的解释非常重视,在解释过程中综合分析录测井资料和层间对比资料,准确解释了薄层CO₂气层。

图4为EP 15A2井录测井综合解释成果图,井段2 777~2 781 m,岩性为浅灰色细砂岩,气体组分以C₁ 为主,C₂少量,其中C₁、C₂分别为0.008%、0.000 3%,C₁ 相对含量90.9%。全烃值由0.24%上升至0.26%,峰基比1.1,全烃基本无变化,录井气体资料不具有烃类气层特征。CO₂由0.37%上升至2.19%,平均值为2.05%,CO₂最高峰值为背景值的5.9倍,存在明显的CO₂异常。随钻电测曲线显示,中子、密度曲线2 781 m处有小幅交会,39″深电阻率值为7.3 Ω·m,电测资料不具有气层特征。在2 794 m进入火山花岗岩基底,在本井段存在CO₂ 充注的可能。利用录井CO₂的变化值,结合邻井判断储集层流体性质为CO₂,综合解释为CO₂气层。2 780.8 m电测取样CO₂占97.9%,证实综合解释判断储集层流体为CO₂准确无误。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图4   EP 15A2井录测井综合图

   

4 结论和建议

(1)针对单独使用录井资料识别CO₂困难的情况,对比录井资料和随钻测井资料解释的差异,提出了综合识别CO₂气层解释评价方法,解决了南海东部油田CO₂气层评价难的问题。该方法适用于较厚层的储集层,对于厚度小于4 m的储集层,通过层间对比,取得了一定效果,但精确定量评价仍有待进一步完善。

(2)后效气、钻井液添加剂和pH值变化,都对CO₂气层识别提供一定帮助,在资料运用分析过程中,要综合分析,抓住细节。

(3)CO₂定量化评价对于录井和测井都是一个难题,很多储集层需要MDT取样或者测试来证实。因为目前南海油田对CO₂的开发利用没有形成商业规模,所以快速识别CO₂储集层对勘探开发决策有着非常重要的意义。从目前技术来看,发展井下CO₂测量工具应该是解决CO₂气层及时发现评价的有效途径。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

文献选项

• 原文顺序
• 文献年度倒序
• 文中引用次数倒序
• 被引期刊影响因子