0 引 言

地质录井担负着油气发现与规避工程风险两大任务^[1]。随着我国海上勘探作业逐步突破深水、超深水,录井作业也面临众多挑战^[2,3,4,5,6],主要表现在:一是半潜式钻井平台受环境影响更大,平台升沉导致绝对井深无法精准确定,影响钻井取心的准确深度。平台摇摆导致钻井液池体积测量不准确,钻井液出口流量的细微变化难以监测,影响早期井涌、井漏的判断;二是大厚度低温海水环境导致隔水管内钻井液粘度与切力大幅上升,导致脱气器脱气困难,影响油气的发现;三是钻井液上返过程中隔水管环空较钻杆环空更大,增压泵的使用改变了钻井液在隔水管中的排量,导致迟到时间难以准确计算,影响岩屑的稳定返出;四是海水密度小,上覆压力低,作业压力窗口降低,准确监测地层压力、破裂压力以及循环钻井液当量密度是一大难题。针对以上技术难点,通过采用新一代录井系统GeoNEXT系统、FLAIR地层流体识别技术、PreVue地层压力监测技术等新型录井技术^[7,8],辅以X射线衍射全岩矿物分析录井、三维定量荧光录井等常规录井技术,形成了适合中国南海自营深水录井技术组合,有力支撑了琼东南盆地深水区陵水17-2气田等多个深水气田的油气发现与评价。

1 GeoNEXT录井系统

GeoNEXT系统较传统综合录井系统具有更大的优势:一是利用新一代传感器高频率采集数据,测量数据精确度大幅提高;二是数据处理方面增加了系统异常自动报警、钻井液返出流量自动记录、精确的水力学计算、钻井液替换与固井状态显示等功能;三是数据整合方面形成了独特的THEMA^TM数据分析系统,通过实时数据与理论模型的对比进行工程预警,发现并判断工程异常,提高钻井安全和效益;四是针对突发工程事故原因查找与分析更为及时准确。

1.1 绝对深度测量技术

深水钻井采用了光编码传感器、绞车传感器及潮汐传感器3种深度传感器^[9]互补来准确测量绝对深度(图1)。光编码传感器测量深度的精确度较高,但只适用于顶驱低速运动,当顶驱快速运动时采用绞车传感器来测量深度。潮汐传感器用来记录升沉补偿器由潮汐作用导致的升降幅度。正常钻进时采用光编码传感器与潮汐补偿传感器组合,起、下钻时则采用绞车传感器与潮汐补偿传感器组合,利用记录的钻具长度与平台升降数值相加或相减,进而求得准确的绝对深度。

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图1   3种深度传感器

   

1.2 早期井涌、井漏监测技术

深水钻井期间井涌、井漏监测主要是通过监测钻井液体积、进出口流量以及回流量来综合判断。体积监测主要采用升级的微波传感器(图2),其较传统的声波传感器具有更好的补偿效果,在恶劣天气下监测钻井液池体积与正常天气下监测体积相比几乎无变化^[10]。

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图2   体积监测传感器

   

流量监测采用基于科里奥利质量流量计的早期井涌探测系统(EKD系统),使用科里奥利质量流量计能监测到钻井液出口瞬时流量,通过对比出口流量和入口流量的变化,监测是否发生溢流并及时报警。EKD系统发现井涌、井漏所需时间为25 s,而通过钻井液池变化发现井涌则需要至少135 s。

1.3 THEMA^TM数据分析系统

GeoNEXT系统中THEMA^TM数据分析系统可实现监测钻头功效、钻具振动、井眼清洁情况等功能。钻头功效主要是通过计算机械比能来实现:当机械比能增大时,如果到达某一固定值而趋势没有变化,则基本可以判断为地层岩性强度变大所造成,需要选择适合当前岩性的钻井参数; 如果同时出现机械比能变大趋势加剧,则有可能为钻头磨损造成,需要更换钻头。钻井过程中由于钻压与转速的不匹配会导致钻具产生异常振动,钻具振动监测系统根据测得的横向或纵向上的振动能量和振动频率可计算得到横向或纵向振动能量值,依据该参数将钻具正常情况下振动作为基值,以基值的20%内变化为正常情况,根据超过基值的百分数来评定警报级别,分别为20%、30%和40%3个级别,实时钻具振动监测图中正常状态以绿色显示,出现异常振动情况会以橙色(20%)、红色(30%)显示,在超过40%时会以紫色显示。井眼清洁监测系统利用接立柱时得到的上提下放悬重数据与理论模型对比,得到PUSO 图,以钻进、起下钻、下套管和倒划眼4 种模型实时监测异常扭矩并发现可能遇阻遇卡点。

2 FLAIR地层流体识别技术

FLAIR流体录井是一种全新的井场实时流体检测技术,其硬件由FLEX萃取器(图3)、气体传送组件、电路控制设备和气体检测设备4个部分组成,软件由数据质量控制软件与资料分析解释软件(INFACT)组成。影响气测数据质量的因素主要包括脱气时所用钻井液量、钻井液温度以及传送气体的气管线内压力,FLAIR系统实现了恒流、恒温和恒压控制, 即引流时采用恒流技术, 脱气时采用恒温加热技术,传送过程中采用恒压技术,作业时通过安装在FLEX上的传感器监测得到的流量、温度和压力参数对相应气体检测数据质量进行评判, 只有3 个参数都满足预设评判值时, FLAIR系统才认为数据质量合格。该系统将现场气体检测范围扩大到C₅-C₈,并可选择性地检测苯、甲苯、乙酸、二氧化碳和硫化氢等非烃类组分。自带的INFACT软件能够对录取的流体数据进行校正,在低气油比油层识别、油气水界面识别、低电阻率油层识别等方面具有显著优势。

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图3   FLAIR流体录井流体萃取器

   

3 PreVue地层压力监测技术

深水、超深水条件下地层上覆压力变小,地层破裂压力降低且接近地层压力,较小的压力窗口导致钻井液密度选择窗口很窄,钻进过程中易导致井漏风险。因此,深水钻井中地层压力变化的实时分析对于钻井工程的顺利进行具有重要意义。PreVue系统是一套用于评价地层压力梯度、破裂压力梯度的录井系统,主要应用于钻井现场三压力梯度的监测与计算,其步骤包括邻井或邻区块压力等钻前资料收集、钻井过程实时监测及钻后分析等。对于孔隙压力梯度和破裂压力梯度的计算,PreVue系统内置了诸如伊顿法、等效深度法等方法,在实钻监测过程中可参考邻井压力信息,选择合理的参数对本井进行设置,并利用地漏实验、随钻测压以及井况观察等信息对实时监测结果进行修正,实现地层压力的综合评价。

4 深水综合录井技术组合与应用

单一的某项录井技术并不能实现对地质信息全面、准确的判断,结合海域地质特点,探索出适合中国南海自营深水录井作业的技术组合,如表1所示,通过多个录井技术的组合来实现对储集层地质信息的准确评价。

4.1 岩屑鉴定

岩屑是钻井作业过程中较为直观、实时的第一手资料,反映地下某一深度的岩性、矿物成分及含量、流体性质等信息。对严格按照岩屑捞样、洗样操作规程获取的岩屑借助显微镜、荧光灯、盐酸及X射线衍射仪等工具或试剂能直观辨识岩屑,确定地层岩石的名称^[11,12,13]。岩屑描述时按照井深自上而下将岩屑连续多包顺序摊放,通过对比其中各类成分的相对含量变化及是否有新成分出现进行岩屑定名和地层分层。由于钻井新工艺的发展和PDC钻头大量应用,岩屑在井底被磨得十分细碎,甚至被磨成粉末状,导致直接观察难以识别、定名岩屑,现场采用X射线衍射矿物录井技术辅助岩性识别定名。该录井技术利用岩屑中各种矿物晶胞参数d值的唯一性,将实测晶胞参数d值与标准模板对比进而识别不同的矿物(如黏土矿物、石英、钾长石、斜长石、方解石、白云石、黄铁矿等),根据各种矿物的相对含量最终确定岩屑的名称。如LSX-N-1井3 300~3 302 m井段岩屑现场X射线衍射分析,得出石英含量44%、斜长石含量14%、方解石含量9%、石盐5%、非晶质9%、黏土矿物19%,最终确定该井段岩性为砂岩。LSX-N-1井所有岩屑均采用了X射线衍射矿物录井技术辅以岩屑鉴别、定名。

4.2 地层流体识别

气测录井与荧光录井在区分地层油气类别上具有重要作用。色谱气测技术可将C₁-C₅的各种组分含量连续记录,使用图板法(皮克斯勒图板、烃三角形图板、烃比值图板、湿度法图板、星型图等)及数理统计法(R型因子分析、模糊模式识别、BP神经网络法等)可对地层流体进行判断。深水钻井由于大厚度低温海水的作用导致重组分难以脱出,限制了以上方法的使用,FLAIR录井技术则有效解决了上述问题。LSX-N-1井气测异常段的FLAIR气测录井数据见表2,可以看出C₁-C₈的含量,运用星型图法对主力层段3 320~3 351 m数据进行分析^[10],判断标准如图4所示,计算结果如图5所示,可看出该段表现出典型气层特征。运用气测数据定量计算气油比,计算公式如下:

SaSb= C1C2C1C3+C1C3C2C3C2C3C2iC4+C2iC4C3iC4+C3iC4iC4nC4+iC4nC4iC5nC5+iC5nC5C1C2

则GOR=3.044 5(S_a/S_b)^{4.300 5}

式中:GOR为气油比,m³/m³;S_a为气体组分星型图以C₁/C₂、C₁/C₃、C₂/C₃及原点所围成的四边形面积,m²;S_b为以C₂/C₃、C₂/iC₄、C₃/iC₄、iC₄/nC₄、iC₅/nC₅、C₁/C₂及原点构成的七边形面积,m²。

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图4   气体组分星型图区分油气^[10]

   

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图5   LSX-N-1井产层段FLAIR气测星型图

   

由常规气测录井数据计算得到3 320~3 330 m井段GOR为62 820 m³/m³,3 331~3 353 m井段GOR为79 299 m³/m³,均为干气气藏。由FLAIR数据计算得到3 320~3 330 m井段GOR为17 074 m³/m³,3 331~3 353 m井段GOR为21 417 m³/m³,均为低气油比的凝析气藏。该段DST测试4个油嘴下测试气油比为15 561~22 024 m³/m³,运用三维荧光录井技术在3 320 m岩屑发现轻质油指纹图谱(图6),说明FLAIR能够有效分析钻井液中的重质组分,对地层流体进行正确评价。此外,结合FLAIR录井、三维荧光录井可指导识别地层流体类型,为下步作业提供借鉴和参考。

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图6   LSX-N-1井3 320 m岩屑三维荧光录井指纹图

   

4.3 随钻地层压力监测

钻前地层压力预测是井身结构、钻井液及固井设计的重要依据,实时的随钻地层压力监测可有效指导套管程序优化、钻井液密度及ECD优化,从而避免复杂事故的发生,提高作业安全与效率。该技术对于欠压实及正常压实条件下的地层压力监测较为准确,目前钻探的深水油气井多为自源型压力系统,压力监测较为准确。

图7为LSX-N-1井PreVue地层压力监测图,井深3 000 m处地漏实验计算破裂压力系数为1.43,监测得到的破裂压力系数为1.437~1.442,两者对比相对误差仅为0.55%~0.85%,准确度较高。随钻预测地层压力在3 200 m后会大幅上升,后经MDT测压资料验证(表3),多点预测结果与MDT测压实测值最大误差仅为0.86%,有力指导了后续的安全钻进。

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图7   LSX-N-1井PreVue地层压力监测图

   

4.4 THEMA^TM监测

在LSX-N-1井钻进施工过程中,GeoNEXT中的THEMA^TM数据分析系统发挥了实时监测钻头功效、钻具振动、井眼清洁情况等功能^[2,5]。当钻头功效反映出地层岩性强度变化时,实时调整钻井参数可以保证正常钻进,在整个施工过程中钻具监测图显示均正常;当PUSO图监测出扭矩异常时,及时调整参数,保证了钻进、起下钻、下套管和倒划眼作业的正常进行。THEMA^TM监测在整口井的施工过程中,为保证正常施工作业及施工质量提供了有力的支持。

5 结 论

通过琼东南盆地多个深水气田录井作业实践,形成了深水综合录井技术组合方案,有效解决了南海深水气田钻探中的工程监测及油气发现难题。

(1)通过采用新型传感器,以及新一代录井系统GeoNEXT中的EKD系统和THEMA^TM数据分析系统,能够有效解决深水作业中绝对深度测量、井涌井漏、钻头功效、井眼状况等工程监测难题。

(2)以岩屑录井和 LWD 测井为基础,结合 X 射线衍射全岩矿物分析,能够准确获取地层岩性和成岩矿物信息。

(3)运用FLAIR地层流体识别技术有效识别低温钻井液中的轻烃组分,运用星型图面积法可对气油比进行准确评价,结合三维定量荧光录井技术可有效判断地层流体类型。

(4)运用PreVue地层压力监测技术有效监测钻头下方地层压力情况,指导后续的安全钻进。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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