红外光谱录井技术在长庆油田的创新应用

0 引 言

气测录井技术是油气勘探中发现和判断油气显示的有效手段。该技术对钻遇地层流体中所蕴含的烷烃类气体、非烃类气体的含量进行检测和分析,为钻井现场发现判断油气资源属性提供依据。气体检测常用的方法主要有三类:一是气相色谱法,采用热导、氢火焰鉴定器等方式;二是光谱法,采用红外光谱和激光拉曼光谱等方式;三是其他方法,如半导体气体传感器、电化学气体传感器等。

国内外油气勘探气测录井普遍采用气相色谱法,随着钻井工程“提速提效提质”的不断推进,对油气资源勘探开发技术要求越来越高,也对传统的色谱气测录井技术提出了挑战。PDC加螺杆、空气钻井等钻井技术发展迅猛,机械钻速大幅提高,钻时小于30 s/m的现象极为普遍,同时,岩屑颗粒细碎粉末化,岩屑录井识别油气显示困难,现场依赖快速气测技术的需求越来越强。目前国内外快速色谱气测录井仪的分析周期最短时间为30 s,且依旧存在管线长、重烃难检测的现象,另外,虽然气相色谱法检测精度高,但其线路复杂,辅助设备多,运行成本偏高。

为实现油气田现场低成本、快速、准确发现油气显示,录井专业人员从气体分子光谱技术入手,开展了光谱气体录井技术研究和应用^[1,2,3]。近年来,红外光谱录井技术在油气勘探中也得到了较为广泛的应用,尤其在长庆油田勘探大开发中应用效果突出,证明该技术在提高油气异常显示的及时发现率、快速分析钻遇层气体属性方面具有明显的优势^[4,5]。

1 光谱气测录井技术发展现状

近十多年来,国内外的光谱气测录井技术快速发展,已开发出了多种光谱气测录井技术,并在油田勘探开发中试验和应用。

(1)红外全烃录井技术。基于电调制非分光红外吸收光谱原理,实现对样品气中轻烃、重烃组分含量的连续检测。由于钻井现场样品气中气体成分复杂,烷烃组分气体吸收光谱存在相互干扰、叠加等因素,红外全烃录井技术难以做到准确定量检测全烃含量。

(2)拉曼光谱录井技术。基于拉曼散射效应,借助于不同气体特征拉曼光谱存在差异性的特点开发的拉曼光谱气测录井技术,实现了对烷烃组分气体、二氧化碳、氢气等气体快速、简单、无损伤的定性与定量分析。

(3)红外光谱录井技术。基于比尔-朗伯特定律,甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷、正丁烷、异戊烷、正戊烷等烷烃组分气体对波长为1.6~1.8 μm的红外光源具有吸收作用,气体的吸收强度与烷烃组分气体的浓度之间满足朗伯-比尔定律,据此原理,开发了红外光谱录井技术。

本文着重阐述红外光谱录井技术及其在长庆油田的应用。

2 红外光谱录井技术简介

2.1 基本原理

物理学证明,一定波长的光被吸收的介质量正比于光程中产生光吸收的介质分子数目,即比尔-朗伯特定律:当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时,其吸光度A与吸光物质浓度C及吸收层厚度L成正比,而与透光度T负相关:

C= AσL= lg(1T)σL= lg(IoIt)σL

式中:C为气体浓度;T为透光度;A为吸光度;I_o为发射光强度;I_t为透射光强度;L为气室长度;σ为气体分子吸收系数。

从上式可知,如果L与σ已知,那么通过检测I_t和I_o就可得到气体浓度C,利用上述原理就可以开发光谱气测录井设备实现现场随钻气体光谱录井。

目前,国内有多家依据遥感傅立叶变换红外光谱技术(FTIR)、差分吸收光谱技术(DOAS)、非分散红外吸收光谱法(NDIR)等生产红外光谱录井设备,实现在钻井现场对钻井液中的储集层混合气体的连续测量。红外光谱录井设备多采用傅立叶变换红外光谱分析技术,经过严格的实验室测试与现场测试,其技术指标可满足现场气测录井需要,并在多年的现场实际应用中得到了验证。基本的检测单元原理如图1所示。

待测气体经过处理后进入样品池,经红外光照射和检测器检测,在光谱分析工作站内计算得到样品的红外光谱及各组分的含量。红外光谱录井技术不单是检测单种组分,而是要检测混合样品中的多种组分。不同类的气体分子,结构不同,因此具有唯一的吸收光谱图;相同类气体分子,结构接近,吸收光谱谱线位置接近,谱图外形接近,但总是存在差别。天然气中各个组分气体的红外吸收谱线特征及吸收峰图谱见图2、图3,可以看出不同物质具有各自不同的特征吸收峰。

红外光谱数据处理与分析系统是该仪器的重要组成部分,在组分定性、定量模式识别中起到关键性作用。通过建立标定模型、采用支持向量机和神经网络等数据挖掘技术,完成特征变量提取、光谱畸变修正、吸光度计算等,实现了快速、高效地对天然气组分进行在线定性和定量分析。

2.2 技术特点

红外光谱录井技术与传统的气相色谱录井技术对比,具有如下显著特点:

(1)录井仪器体积小、功耗低、无辅助设备。该仪器集成在一个标准机箱内,结构简单,体积小,功耗低,反应速度快,精度高。与常规色谱气测录井仪对比,节省了空气压缩机、氢气发生器等辅助性设备,制造成本和使用成本低,可便携近井口安装。

(2)录井成果快速、直观、准确。红外光谱录井技术基本实现样品气体含量信息的连续检测,油气异常显示发现及时准确,对于薄层、裂缝型油气资源的勘探开发具有独到优势。

(3)能测量多种气体。可检测大部分在红外区都有特征吸收波长的有机和无机多原子分子物质,拉曼光谱技术还可以对O₂、N₂、H₂、Ne、He、Ar等进行分析。

(4)灵敏度高。傅立叶变换红外分析仪能分辨出0.001%的浓度变化。如果增大其样品池内光程的长度,灵敏度还会更高。

(5)响应时间短。一般在10 s左右即可得到分辨清晰的红外光谱图,使全烃与组分变化基本同步,有效地提高地层显示分辨能力,在储集层的非均质性识别、薄油气层勘探、裂缝分析、电性对比、指导岩性描述等方面具有重要作用。

(6)稳定性好。红外光谱气体分析技术预置了定量分析模型,在使用过程中不需要进行“工作曲线标定”的工作;通过适时采集背景光谱,消除仪器本身状态包括光源、检测器和环境因素等对检测数据的影响,提高了分析结果的准确度,多台仪器之间与多井之间分析结果可比性强。

(7)抗污染能力强。红外光谱由于气路非常简单,无需附属设备,具有非接触式测量、非破坏性的特点,且分析过程不需要色谱分离,不容易受污染,同时也减少了日常维护工作。

(8)利于质量控制和追溯。通过光谱图、定量解析等方式显示、保存天然气组分浓度分析结果,光谱数据样本可保存到数据库中,为历史数据分析提供方便;同时数字化的光谱数据,也便于数据的质量追溯与解析。

(9)可进行无人值守和远程控制。具有环境温度压力自动校正功能,自动分析、计算、保存结果;完全自动运行,全程无需人工干预,满足在线分析要求;仪器连接网络后可通过远程控制和数据处理,真正实现无人值守。

3 红外光谱录井技术在长庆油田的应用

长庆油田是国内新崛起的大型油气田企业,在油气田勘探开发领域具有先进的管理与技术创新经验。近年来,在创新应用新技术,积极解决勘探开发中遇到的新问题方面成效显著,通过创新应用红外光谱录井技术,解决了钻井过程中油气显示发现的诸多问题^[6,7,8]。

3.1 应用背景

长庆油田属于典型的低渗、低压、低丰度“三低”油气田。在地质条件复杂、自然条件艰苦、市场化运作的现实条件下,长庆油田努力建成中国第二个大庆,上产油气当量6 000×10⁴ t,为实现油田全面的“提速、提效、提质、提产”目标,尤其注重创新应用新技术解决遇到的新问题。为了缩短建井周期,压缩钻井成本,提高经济效益,长庆油田通常采用螺杆加PDC钻井技术,提高钻井生产时效。采用复合钻井技术后,由于机械钻速的提高,钻时普遍降低,浅层砂泥岩钻时一般在1~2 min/m之间,有些地层钻时甚至低于0.5 min/m,传统气相色谱录井技术遇到了新困难。

光谱录井技术单位时间的采样数量是常规色谱录井仪的20倍,是快速色谱的2.5倍,这意味着在小钻时情况下,快速色谱每分钟采集2点,红外光谱每分钟至少采集5点,红外光谱确保了现场采集数据不缺失,可有效识别薄差储集层和含油气非均质性储集层,提高储集层油气显示发现能力。

2007年,在钻探过程中油气显示发现技术方面,长庆油田率先规模化创新应用了红外光谱录井技术,与传统录井技术相结合,形成了适用于鄂尔多斯盆地油气藏特点的录井技术系列。红外光谱录井技术在长庆油田应用以来,相继在鄂尔多斯盆地苏里格东部、苏里格西部、苏里格南部、姬塬、陕北、盐池、环江、镇北、合水、华庆、彭阳油区成功录井656口,气测资料齐全,很好地解决了快钻速、低压、低丰度条件下油气发现的问题,有效提高了油气层识别准确率和符合率,提升了气测录井质量,在长庆油田勘探开发中发挥了较好的作用并取得了较好的效果,是基于传统的气相色谱分析方法的气测录井技术的重要补充,成为长庆油田油气发现录井质量控制新模式。

3.2 现场应用效果

通过红外气测录井仪(如Gasboard-3230)的实际应用,显示出其安装操作简单、应用成本低、更具实时性等优点,提升了现场油气发现的能力和录井服务质量。通过该技术的创新应用,尤其是在一般生产井现场配置的单一地质录井作业中,为地质录井技术人员在应对PDC钻头及复合钻井新工艺、地层结构复杂多变等给地质录井工作带来的不利影响方面提供了有效的帮助,为录井地质剖面符合率的进一步提高奠定了坚实的基础。

红外光谱录井技术在长庆油田率先进行的创新应用,展现了该技术的适用性、有效性和准确性,得到了建设方的认可和高度评价,红外光谱录井技术具有广阔的发展空间。

(1)解决钻井新技术应用给录井工作带来的新问题。在开发井的钻井施工过程中,钻井工艺大多采用PDC钻头加螺杆等复合钻井新技术,造成钻时录井曲线相对变化幅度降低,岩屑颗粒直径变小,难以识别油气显示,影响岩屑录井的可靠性。红外光谱录井技术采样密度大,分析速度快,可以有效地克服其不足,从而提升油气显示的发现率。

(2)有利于薄层油气异常显示的发现。对薄储集层,在钻时曲线上难以体现出变化趋势,由于岩屑量少也难于在砂样中发现油气显示,用常规气测录井技术,难以检测到薄层油气异常显示。红外光谱录井技术有效克服了管线延时的影响,利于跟踪全烃曲线的变化趋势,及时发现薄层异常显示。

(3)解决钻井液中混入原油后难以确定显示的问题。在大斜度、大位移井及水平井的录井中,由于多方面因素的影响,常会在钻井液中混入原油,使气测值偏高,污染岩屑,导致荧光录井结果失真,难以区分真假显示。为常规地质录井配备便携式红外光谱气测仪,在钻井液烃类基值稳定情况下,红外光谱气测录井遇到储集层油气显示时,气测曲线变化十分明显,利于现场地质录井人员确定异常显示层。

(4)提升了钻井安全施工和保护油气层的能力。便携式红外光谱气测仪可以检测气体后效,依据气体后效情况,确定油气上窜速度,为钻井提供井筒钻井液平衡情况,一方面可以确保安全钻井,另一方面可以进行油气层保护。

(5)提升油气水解释符合率。通过解释评价方法研究,建立低渗透油气层红外光谱录井解释方法和标准,实现了红外光谱录井技术在钻井作业现场快速识别和准确评价各类油气层的目标,提高了油水层解释精度,使录井综合解释符合率由2012年的79.6%提高至83.5%(含油气探井)。

3.3 案例分析

3.3.1 油气显示快速识别

防爆型光谱录井仪直接部署在井口附近,解决了传输管线导致的信息延迟和气体相互扩散问题,第一时间反映出油气异常显示,使检测结果更加真实可信;通过无线控制和传输,实现对井场数据快速实时分析和远程决策。与传统色谱录井技术相比,可提前3 min左右发现异常,对保证油气层井段揭开不超过2 m的取心原则也起到了重要的作用。

Lx 19井:井段1 809~1 840 m(图4)。2010年5月6 日23:15:03,钻至长2段1 814 m时,红外光谱烃组分及CO₂均见明显异常,钻时变化不明显。现场人员及时通知循环观察,23:18:44后,色谱见异常,经循环观察后决定起钻取心。本次取心进尺14 m,见油斑砂岩11.9 m,收获率100%。这说明红外光谱录井技术能够较好提前发现薄层油气异常显示,准确卡取油气层顶界。

3.3.2 PDC钻井条件下薄差油气层识别

由于光谱分析快速,单位时间的采样数量多,在分辨更薄的储集层方面,对薄层油气层的发现、大套油层中夹层的判断、储集层非均质性识别以及裂缝型油气藏的勘探有着重要意义。

Gx 14井:长6段2 279.1~2 281.8 m(图5),岩性为浅灰色油迹细砂岩,无油味,无原油浸染色,荧光颜色黄白色,产状星点状,现场定级油迹。电测解释井段2 280.0~2 281.8 m,厚度1.8 m,平均电阻率16.43 Ω·m,平均自然电位43.09 mV,平均孔隙度7.62%,平均含油饱和度14.95%,平均渗透率0.10 mD,平均声波时差227.23 μs/m,测井显示该井段电阻率较低、物性较差,解释为含油水层。

该井段红外光谱录井显示顶部全烃曲线饱满,呈明显的高异常特征,轻中烃比率及轻重烃比率呈左向峰变化,重中烃比率呈右向峰变化,且变化幅度大,依据全烃曲线高低与气体比率变化定性识别标准,符合油水同层特征。

依据红外光谱曲线趋势分析识别法综合分析,红外光谱录井最终解释结论为油水同层,试油结果产油5.0 t/d,产水6.8 m³/d,红外光谱录井解释结论与试油结果相符。

3.3.3 油水特征的识别

近井口红外光谱录井技术能在几秒钟内,仅通过对样品红外光谱的一次简单测量,就可同时得到随钻分析样品中的C₁-C₅、C₅₊(环戊烷、甲基环戊烷、异己烷、正己烷、环己烷和甲基环己烷)、CO和CO₂等气体组分含量。通过组分构成关系,可指示储集层流体性质。当钻入含油地层时,地层中的油向井筒中侵入,气体组分齐全且含量高,尤其是重组分C₅₊含量明显增大,一般指示储集层为不含水的特征,进而有效判识储集层流体性质。

Bx 6井:钻入井段1 940~1 948 m后,全烃最大为21.35%,组分齐全,C₅₊明显增大,红外光谱录井解释为油层(图6),试油结果产油11.06 t/d,不产水。

3.4 应用创新性分析

红外光谱录井技术具有分析速度快、检测参数丰富、延迟时间短、稳定性好、抗污染能力强、自动化与智能化程度高等特点,极大提高了现场发现油气层的及时性和评价的准确性,尤其是在长庆油田低渗、低压、低丰度储集层的发现与评价方面意义重大。在勘探对象地质条件日趋复杂,低、 深、难及新区新层问题突出的新形势下,红外光谱录井技术高精度快速数据采集、多指标精细解释、多信息综合评价的优势逐渐显现,推动了录井技术的发展与进步。长庆油田应用该技术的创新性体现在如下3方面:

(1)创新资料采集方法。便携、近井口部署,消除管路延时影响,检测结果更加及时、真实可信,确保油气显示不漏失,对现场取心准确卡取油层顶界也具有重要的意义。

(2)创新录井解释方法。根据长庆油田低渗透储集层特点,基于红外光谱录井资料特征,确立了储集层基本解释评价新思路,创新复杂油气水层评价新模式;以剖面图的形式建立气体比率法、烃比值为主的红外光谱气体解释方法,能够直观地指示不同的储集层流体性质,甚至可以辨认出油水或气水界面,其基本研究思路及解释模型不受具体区块限制,具有广泛的适用性;根据油藏化学理论以及储集层水体改造特点,形成了储集层含油气性的识别方法;通过红外光谱谱图及计算参数,建立了低渗透油气层含水直观判识方法。

(3)提升了油气发现的能力。通过红外光谱参数储集层精细解释图板的建立,综合解释符合率达到了80%以上,该技术适合长庆油田低渗透油气层的识别与评价。

红外光谱录井技术在长庆油田的创新应用,凸显出其对低渗透油气层的发现、识别与解释评价的优势,为制定合理的射孔方案,判断试油压裂效果提供了可靠依据,减少了勘探风险,提高了勘探效益,实现了从定性解释到定量评价。

随着红外光谱录井技术性能的不断完善和提高,红外光谱录井技术已成为长庆油田重要的油气发现技术手段之一,切实提高了长庆油田低渗透含油气层系的发现率和评价效果。

4 结论与展望

红外光谱录井技术具有扫描速度快、分辨率高、灵敏度高、信噪比高等优点,在录井行业中具有较明显的技术优势。通过在长庆油田的率先创新应用,在油气层准确发现、油气水层精细评价、钻井取心卡层以及对储集层的非均质性识别方面取得了重要成效,充分发挥了红外光谱录井技术在随钻气体快速检测中的技术优势,提高了低渗透含油气层系的发现率和评价效果,有力支撑了长庆油田勘探开发油气发现与油气保护,有效控制了成本,提升了增储上产能力。实践证明,红外光谱录井技术可以满足录井过程气体分析需要,并在录井技术创新发展、提高质量和效益中起到了重要作用,具有较高的应用价值和推广前景。

红外光谱录井属于录井新技术。在油田勘探、开发技术不断更新的历史时期,红外光谱录井以其特有的技术优势,可满足油田勘探、开发“低成本、高速度、精细评价”的技术需求,并在低渗透油气层识别评价中显示了较好的应用效果。为了更好地发挥红外光谱气测录井技术在低渗透油气层识别和评价中的作用,针对长庆油田录井技术现状,要在以下6方面加大研发力度:

(1)研究随钻实时重烃分析技术。 在推广过程中,进一步加强红外光谱录井技术在检测重烃组分方面的能力,逐步建立各含油区块的资料信息库,不断完善单项技术识别油气水层解释方法和标准,完善各区块油气水层解释标准。

(2)建立综合评价方法。重点研究钻遇地层流体中不同气体组分与地层流体性质之间关系特征。低渗透油气层解释评价研究是一项复杂的系统工程,利用红外光谱录井技术检测资料,综合其他多种技术,形成综合解释新方法。当单一的录井方法对油气层评价效果不够理想时,应综合运用录井、测井等多种技术,从不同角度揭示储集层的含油气特征,相互印证,才能达到更好的评价效果,增强低渗透油气层识别的可信度。

(3)扩充气体检测种类开展硫化氢等非烃气体的光谱连续检测技术研究,扩充光谱气体检测种类,完善光谱气测录井技术,提高光谱气测录井检测钻遇地层流体信息的全面性。

(4)提高光谱气测录井设备性能。开展光谱气测录井设备优化设计,提高性能指标,降低制造成本;提高集成程度,增加防爆功能,满足脱气器一体化安装要求,减少管路延时,进一步提高光谱气测录井及时性。

(5)编制技术规范。光谱气测录井技术是一种新的气测录井技术,具有显著特点。需要结合光谱气体检测特点及实际应用经验,制订光谱气测录井技术规范,指导光谱气测录井技术快速发展。

(6)探索光谱随钻气测录井技术。研究随钻测量技术、地质导向技术快速发展为光谱随钻气测录井技术发展指出了方向,开展光谱气测录井设备微型化研究,满足随钻测量要求,形成光谱随钻气测录井技术。

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参考文献

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