引用本文
马青春, 胡丰波, 陈勇, 曹现军, 张会民, 祝九洲. 压缩空气储能注采井录井技术评价方法[J]. 录井工程, 2024,35(3): 75-81.
MA Qingchun, HU Fengbo, CHEN Yong, CAO Xianjun, ZHANG Huimin, ZHU Jiuzhou. Mud logging technology evaluation method of compressed air energy storage injection-production wells[J]. Mud Logging Engineering, 2024,35(3): 75-81.
Doi:10.3969/j.issn.1672-9803.2024.03.011  
Permissions
Copyright©2024, 《录井工程》杂志社
《录井工程》杂志社 所有
压缩空气储能注采井录井技术评价方法
马青春①, 胡丰波①, 陈勇①, 曹现军①, 张会民①, 祝九洲②
①中国石油渤海钻探第一录井公司
②中国石油渤海钻探泥浆技术服务公司

作者简介：马青春 工程师,1975年生,2014年毕业于中国石油大学（北京）石油工程专业,现在中国石油渤海钻探第一录井公司从事录井综合解释评价工作。通信地址：300280 天津市滨海新区海滨街团结东路8号。电话：（022）25925104。E-mail：476526422@qq.com

收稿日期: 2024-07-05
摘要

针对压缩空气储能注采井地质特征、工程特征以及钻探过程中的技术难点,确定了录井技术评价方向,从3个方面开展了录井技术研究。依托XRD和XRF技术,经过饱和盐水实验,建立了石盐、石膏、芒硝的评价方法;依托综合录井工程参数,结合注采井在入腔卡层过程中的5个阶段,建立了工程异常状况预警标准;依托地质资料,结合工程要求,建立了压缩空气储能注采井卡层方法。经过现场施工7口井验证,工程异常预警18次,准确率为100%,中完卡准盐腔顶部准确率为100%,充分验证了上述评价方法的有效性,为后期压缩空气储能注采井钻探提供了可借鉴的方法和标准。

关键词: 压缩空气储能; 新能源; 录井技术; 岩性识别; 评价方法; 卡层; 工程预警
中图分类号:TE132.1 文献标志码:A
Mud logging technology evaluation method of compressed air energy storage injection-production wells
MA Qingchun①, HU Fengbo①, CHEN Yong①, CAO Xianjun①, ZHANG Huimin①, ZHU Jiuzhou②
①No.1 Mud Logging Company, BHDC, CNPC, Tianjin 300280, China
②Mud Service Company, BHDC, CNPC, Tianjin 300280, China
Abstract

Mud logging technology evaluation is determined in this paper from 3 aspects to solve geological and engineering characteristics and technical difficulties in drilling and exploration process of compressed air energy storage injection-production wells. The evaluation method for halite, gypsum and mirabilite has been established by saturated brine experiment based on XRD & XRF technology. Based on comprehensive mud logging engineering parameters, the forecasting standards for abnormal engineering situation have been built with the combination of 5 stages in determining horizons of entering cavity of injection-production wells. Relying on geological data and combining with engineering requirements, the horizon determination method of compressed air energy storage injection-production wells has been set up. There are 18 abnormal situation alarms in the verification of 7 wells on the site, the accuracy rate is 100%, and the accuracy rate of finding the top of the salt cavity is 100% after midway completion, which fully verifies the effectiveness of the above evaluation methods, and provides reference methods and standards for the later drilling of compressed air energy storage injection-production wells.

Keyword: compressed air energy storage; new energy; mud logging technology; lithology identification; evaluation method; horizon determination; engineering early warning
0 引言

为了解决能源需求量持续增长与传统能源日益匮乏的矛盾, 许多国家投入力量开展新能源的开发与利用。中国石油为贯彻落实国家“ 双碳” 战略, 提出“ 清洁替代、战略接替、绿色转型” 三步走总体部署, 致力于打造“ 油、气、热、电、氢” 五大智慧供能平台, 推进绿色低碳转型发展。压缩空气储能是现在最热门和新兴的低碳产业, 具有大规模、长时间、低成本、高效率、安全和环境友好等优点, 是最具发展潜力的大规模储能技术之一。我国借鉴国外压缩空气储能的成功经验, 最终设立了湖北应城压缩空气储能工程, 国内录井技术在该领域的服务尚属首次。

笔者依据压缩空气储能注采井地质设计和工程设计, 确立了录井技术评价方向, 并从3个方面开展了技术研究工作。

一是工程预警, 依据注采井的地质特征和工程设计, 采用综合录井仪传感器预警技术, 建立了工程预警方法。

二是特殊岩性识别, 依据注采井的地层岩性特征, 采用XRF和XRD技术, 建立了硬石膏（CaSO4）、钙芒硝[CaNa2（SO4）2]、无水芒硝（Na2SO4）和石盐（NaCl）的岩性定名方法。

三是地层卡层, 依据工程设计要求, 采用地层精细对比技术, 建立了注采井的地层对比方法。

从现场钻探情况来看, 上述3个研究方向满足了地质、工程需求, 岩性定名方法规律明显, 工程预警及时, 地层卡层准确率达到100%, 为后期压缩空气储能注采井钻探提供了可借鉴的基础资料。

1 压缩空气储能注采井地质工程概况

压缩空气储能库主体是地下盐穴, 前期需要进行钻完井作业连通地面与地下储气空间, 储能时将电能转化为压缩空气注入储能库, 发电时将压缩空气储能采出转化为电能。本文以湖北应城压缩空气储能电站示范工程项目的实施为依托, 针对该地区的地质特征和工程特征进行了详细分析。

1.1 地质特征

压缩空气储能注采井位于云应盆地, 为白垩系至古近系时期形成的一个内陆盐湖断陷盆地, 地层自下而上分别为：中生界白垩系上统公安寨组（砂岩层）, 新生界古近系云台山组、白砂口组、膏盐组（盐岩层）、文峰塔组（泥灰岩）、掇刀石组（局部缺失）, 第四系（地表地层）。从邻井钻遇的地层岩性来看, 膏盐组以硬石膏、钙芒硝、盐岩3类岩性为主。

（1）硬石膏段岩性特征为灰绿色含硬石膏泥岩、泥质硬石膏岩与红褐色粉砂岩、泥岩互层。硬石膏呈团块状、似层状、星点状、肠状, 石膏由下而上逐渐减少, 并夹有数十层纤维石膏。

（2）钙芒硝段岩性特征为灰绿色、灰色含钙芒硝泥岩、泥质硬石膏岩与红褐色含硬石膏泥质粉砂岩、粉砂质泥岩互层。钙芒硝均以单个晶体出现而密集成层, 石膏多呈星点状、团块状、薄层状, 下部钙芒硝岩中常含粒状和条纹状石盐。

（3）盐岩段岩性特征为灰绿、灰色泥质硬石膏岩、泥质钙芒硝岩、石盐与红褐色粉砂岩、泥岩互层, 硬石膏、钙芒硝、石盐三者互层又构成盐群。

1.2 工程特征

井身结构设计为三开井。

一开用直径711.2 mm钻头钻至井深110 m, 下入直径609.6 mm表层套管至井深108 m, 环空水泥返至地面, 封隔浅层水及上部易漏层段。

二开用直径558.8 mm钻头钻达井深490 m, 下直径473.08 mm生产套管至井深489 m, 环空水泥返至地面, 裸眼完井。

三开用直径444.5 mm钻头钻达设计井深, 下入339.7 mm注采管。

完钻原则：盐腔顶部以上20 m完钻（图1）。

图1 三开井身结构示意

钻井液体系设计：一开采用聚合物钻井液; 二开上部井段为聚合物钻井液向饱和盐水钻井液的转化阶段, 通过循环周连续缓慢地加入NaCl, 逐步达到饱和盐水钻井液的各项性能; 二开中、下部井段采用能够防止盐岩地层溶蚀及蠕变的饱和盐水钻井液（表1）。

表1 钻井液类型设计方案
2 压缩空气储能注采井评价方向

录井是应用地球化学、地球物理、岩矿分析等方法, 观察、采集、收集、记录、分析随钻过程中固体、液体、气体等井筒返出物的信息, 以此建立录井地质剖面、发现油气显示、评价油气层, 并为石油工程（投资方、钻井工程、其他工程）提供钻井信息服务的技术。

录井技术是油气勘探开发中最基本的技术, 是发现、评估油气藏最及时、最直接的手段, 具有获取地下信息及时、多样, 分析解释快捷的特点。由于新能源领域的勘探区块、勘探目的、工程技术、施工要求均发生变化, 也改变了以往以找油、找气为主要目的的勘探方向, 因而录井技术在新能源领域的服务方向也要有针对性地变化[1]。

压缩空气储能[2]注采井, 从地质设计上可以看出, 膏盐组岩性主要为灰绿色、灰色泥岩、硬石膏岩与紫红色砂质泥岩、粉砂岩互层, 富含石膏、钙芒硝、盐岩。盐系的矿物类型主要有石盐、钙芒硝、硬石膏、无水芒硝、碎屑物, 这些盐系矿物很难用眼睛准确判别, 因此运用录井技术对井筒岩样进行准确判别是首要工作。从注采井钻井工程设计可以看出, 目的层位均在古近系膏盐组盐岩段, 完钻原则是进入溶腔完钻, 钻探目的是完成储能生产井建井任务。二开完钻原则是钻至盐腔顶部以上20 m完钻, 预留足够长的三开井段, 保证二开固井质量, 防止提前入腔。钻井液类型在二开上部为聚合物钻井液向饱和盐水钻井液的转化阶段, 二开中、下部及三开井段, 采用能够防止盐岩地层溶蚀及蠕变的饱和盐水钻井液。

综合分析地质工程特征和地质工程设计, 在压缩空气储能注采井录井过程中, 除了完成常规地质录井工作外, 还要开展以下3方面工作：一是井筒岩样的岩性准确定名, 同时考虑饱和盐水钻井液对岩样数据的影响; 二是工程预警, 对注采井在钻井过程中发生的渗漏、放空、井漏、放空探底等异常工程状况进行及时预警; 三是地层卡层, 针对压缩空气储能注采井的地层, 做好地层对比, 确保二开完钻井深卡在盐腔顶部20 m。

3 压缩空气储能注采井评价方法

围绕盐穴压缩空气储能注采井的地质特征、钻探目的、工程结构等需求, 进行了特殊岩性识别方法、工程预警方法、地层卡层方法的研究, 并形成了相应的评价标准。

3.1 特殊岩性识别方法

3.1.1 饱和盐水条件下岩样数据的对比实验

在压缩空气储能注采井目的层段采用的是饱和盐水钻井液体系, 为了验证这种钻井液体系是否对XRF和XRD技术分析数据产生影响, 在进行注采井录井技术服务前, 开展了饱和盐水条件下的数据对比实验。实验步骤：（1）挑选不同层位的砂岩、泥岩岩屑样品18个, 将每个样品平均分成3等份; （2）分别取其中的2等份样品放到不同器皿里, 进行饱和盐水的浸泡; （3）将这3份岩样（1份是原始样品、1份是泡过盐水的样品、1份是泡过盐水后清洗的样品）进行XRF和XRD技术分析。

从实验对比数据可以看出, 这3种状态下的XRF分析, 只有浸泡过盐水不清洗的样品直接分析, Na和Cl元素会升高, 其他元素不受饱和盐水的影响（图2）; XRD技术分析, 常见矿物在这3种状态下, 数据基本一致（图3）。这表明, 饱和盐水钻井液体系下, 岩屑经过清洗之后进行XRF和XRD技术检测, 数据不受钻井液体系的影响。

图2 Na、Cl、Mg、Ca元素含量对比

图3 黏土矿物、斜长石、石英、方解石含量对比

3.1.2 XRD三角图板法识别岩性

XRD技术能够分析出岩样中的黏土矿物、石英、钾长石、斜长石、方解石、白云石、石盐、石膏、黄铁矿、重晶石、芒硝等34种岩石矿物含量[3, 4, 5]。注采井的地层特殊岩性是石盐、芒硝、石膏, 因此采用检测到的这3个特征矿物参数进行三角图板交会。从图4可以看出, 石盐、芒硝、石膏3种岩性矿物存在明显界限。依据分析数据建立了注采井特殊岩性矿物划分标准（表2）。

图4 XRD三角图板法识别岩性

表2 注采井特殊岩性矿物划分标准

3.1.3 XRF岩性识别方法

XRF技术能够分析出样品中的Na、Mg、Al、Si、P、S、Cl、K、Ca等82种岩石矿物百分含量[6, 7, 8]。注采井的地层钻遇石盐（NaCl）、芒硝（Na2SO4· 10H2O）、石膏（CaSO4· 2H2O）、砂岩、泥岩5种岩性, 因此采用Na、Cl、Ca、S、P、Al、Si这7项元素数据组合进行三角图板交会, 对这5种岩性进行定名。

从图5可以看出, 这7种岩性元素存在明显界限：石盐的（Na+Cl）含量在20.5%~60.3%、（Ca+S+P）含量在3.8%~19.2%、（Al+Si）含量在2.0%~12.5%; 芒硝的（Na+Cl）含量在7.6%~14.5%、（Ca+S+P）含量在9.9%~17.0%、（Al+Si）含量在10.7%~19.0%; 石膏的（Na+Cl）含量在2.0%~4.5%、（Ca+S+P）含量在26.9%~39.7%、（Al+Si）含量在0.5%~9.5%; 砂岩的（Na+Cl）含量在1.4%~10.3%、（Ca+S+P）含量在3.5%~4.8%、（Al+Si）含量在35.8%~39.9%; 泥岩的（Na+Cl）含量在0~1.3%, （Ca+S+P）含量在12.2%~18.0%、（Al+Si）含量在19.0%~26.2%。依据以上数据可以对地层岩性进行定名。

图5 XRF岩性识别图板

3.2 工程预警方法

3.2.1 工程异常状况技术表征

压缩空气储能注采井在入腔卡层过程中有5个阶段, 工程异常情况下综合录井参数中钻时、钻压、大钩负荷、出口流量、漏失量变化较明显。这5个阶段对应综合录井参数变化特征分别如下：

（1）正常钻进。入腔之前综合录井参数钻时保持在25 min/m左右、钻压67 kN左右、大钩负荷240 kN左右、出口流量45 L/s、漏失量为0。

（2）渗漏钻进。当快要入腔时, 因地层溶蚀不均性, 腔体顶部某些位置存在溶蚀缝隙, 综合录井参数钻时、钻压、大钩负荷变化不大, 出口流量由45 L/s下降至41 L/s、漏失量开始增加至2.7 m3。

（3）入腔放空。当钻头完全进入腔体时, 因钻头以下是空的, 钻井液完全漏失, 高架槽中见不到钻井液返出, 钻具处于悬空状态[9, 10]。综合录井参数钻时瞬间变小、钻压由67 kN下降至10 kN左右、大钩负荷由240 kN左右增大至296 kN左右、出口流量由45 L/s下降至0、漏失量开始增加至3.2 m3。

（4）腔体穿行。当钻头在腔体中穿行时, 钻具处于悬空状态, 完全没有阻力。综合录井参数钻时由25 min/m左右下降至0.71 min/m、钻压由入腔时的10 kN左右下降至0、大钩负荷基本保持不变、出口流量为0、漏失量开始增加至3.7 m3。

（5）探底成功。当钻头接触到腔底时, 阻力出现。综合录井参数钻时瞬间变大、钻压由0瞬间升至75 kN左右、大钩负荷由296 kN左右减小至226 kN左右、出口流量为0、漏失量稍微增加至3.9 m3。

3.2.2 工程异常判断标准

依据压缩空气储能注采井工程异常的表现特征, 建立了工程异常判断标准。以正常钻进的工程参数为标准, 发生渗漏标准为钻压略微降低, 大钩负荷无变化, 出口流量由45 L/s下降至41 L/s, 钻井液漏失量为2.7 m3; 腔体放空, 钻时无变化, 钻压由67 kN下降至13.2 kN, 大钩负荷由239.8 kN上升至296.7 kN, 出口流量降为0, 钻井液漏失量为3.2 m3; 腔体穿行, 钻时下降至0.71 min/m, 钻压为0, 大钩负荷升高至298.4 kN, 出口流量降为0 , 钻井液漏失量为3.7 m3; 腔体探底, 钻时0.44 min/m, 钻压由0上升到75.2 kN, 大钩负荷下降到226.3 kN, 出口流量降为0, 钻井液漏失量为3.9 m3（表3）。

表3 工程异常判断标准
3.3 地层卡层方法

压缩空气储能注采井, 进入盐岩层段前, 经历文峰塔组、上硬石膏段、上钙芒硝段3个地质层系。文峰塔组岩性以泥岩为主, 含灰质, 底部为粉砂岩; 进入上硬石膏段, 岩性以泥岩为主, 含石膏质, 能见到团块石膏夹棕红色薄层粉砂岩, 底部为3 m厚棕红色粉砂岩; 进入上钙芒硝段, 岩性以泥岩为主, 含芒硝质, 能见到大量芒硝夹3层棕红色薄层粉砂岩, 底部出现盐岩, Cl、Na元素含量明显升高, 标志已进入盐顶。卡准盐岩层顶部, 为后续卡准盐腔顶部打下坚实基础。

进入盐岩层段, 从岩性变化规律上分为5段：第1段顶部为两薄层盐岩层, 中间有一薄层棕红色泥岩, 底部为厚层盐岩; 第2段顶部为5 m棕红色泥岩, 底部

为含盐泥岩; 第3段以盐岩为主, 夹薄层硬石膏、芒硝; 第4段以硬石膏为主, 少量含盐泥岩、含泥盐岩; 第5段以盐岩为主, 夹薄层硬石膏、芒硝。第4段硬石膏结束后, Cl、Na元素含量再次升高, 标志进入中完井深。

4 效果分析

依据上述3个评价方向和评价方法, 对7口压缩空气储能注采井进行了随钻跟踪解释评价工作, 根据岩性评价标准, 及时判断进入盐岩层, 为工程调整钻井液体系提供了依据。

钻进过程中工程异常预警共18次, 准确率为100%。中完卡准盐腔顶部准确率为100%。通过这7口井的顺利实施, 充分验证了本文研究方法的有效性（表4）。

表4 7口注采井施工数据统计
5 结论

本文从特殊岩性识别方法、工程预警方法、地层卡层方法3方面开展了压缩空气储能注采井的评价, 依托研究成果和标准, 准确识别肉眼难以辨别的石膏、芒硝、盐岩等特殊岩性; 精细进行地层对比, 准确卡准层位; 及时准确预报各种工程异常情况, 成功入腔, 录井质量合格率达100%, 为地下盐穴工程安全、顺利钻进奠定了坚实基础。同时也证明, 录井技术在新能源领域, 紧密围绕勘探需求、工程难点、地质难题, 找准技术定位和评价方向, 同在传统的油气能源领域一样具有独特的专业技术优势。

编辑 孔宪青

参考文献
[1] 马青春, 何月慧, 张学军, 等. 南堡凹陷中深层储集层气测参数特征及解释评价[J]. 录井工程, 2019, 30(3): 86-91.
MA Qingchun, HE Yuehui, ZHANG Xuejun, et al. Characteristics of gas logging parameters and interpretation and evaluation of middle-deep reservoirs in Nanpu Depression[J]. Mud Logging Engineering, 2019, 30(3): 86-91. [本文引用:1]
[2] 刘海龙, 张蔚, 蒋建华, 等. 增压试验装置的研制与应用[J]. 新疆石油天然气, 2019, 15(3): 91-93.
LIU Hailong, ZHANG Wei, JIANG Jianhua, et al. Development and application of supercharging test device[J]. Xinjiang Oil & Gas, 2019, 15(3): 91-93. [本文引用:1]
[3] 马青春, 魏宝明, 薛明侠, 等. X射线衍射全岩录井在过渡岩类储集层评价中的应用[J]. 录井工程, 2016, 27(3): 59-62.
MA Qingchun, WEI Baoming, XUE Mingxia, et al. Application of X-ray diffraction whole-rock logging in evaluation of transitional rock reservoirs[J]. Mud Logging Engineering, 2016, 27(3): 59-62. [本文引用:1]
[4] 方锡贤. X射线衍射全岩矿物分析录井技术应用拓展[J]. 录井工程, 2016, 27(1): 14-18.
FANG Xixian. Expansion of application of X-ray diffraction whole-rock mineral analysis logging technology[J]. Mud Logging Engineering, 2016, 27(1): 14-18. [本文引用:1]
[5] 郑妍, 宫红, 王锐. NiO功能化修饰ZnO纳米花对二甲苯的选择性检测[J]. 石油化工高等学校学报, 2022, 35(3): 43-48.
ZHENG Yan, GONG Hong, WANG Rui. Selective detection of xylene by NiO functionalized ZnO nanoflowers[J]. Journal of Petrochemical Universities, 2022, 35(3): 43-48. [本文引用:1]
[6] 何成山. 元素录井技术在大港油田奥陶系潜山界面卡取中的应用[J]. 录井工程, 2023, 34(2): 28-33.
HE Chengshan. Application of element logging technology in interface determining of Ordovician buried hill in Dagang Oilfield[J]. Mud Logging Engineering, 2023, 34(2): 28-33. [本文引用:1]
[7] 苏伟明. 元素录井技术在塔中奥陶系碳酸盐岩地层中的应用[J]. 录井工程, 2021, 32(3): 37-45.
SU Weiming. Application of element logging technology in Ordovician carbonate formations in central Tarim[J]. Mud Logging Engineering, 2021, 32(3): 37-45. [本文引用:1]
[8] 王晓阳. X射线荧光元素录井技术在地质上的应用及新进展[J]. 录井工程, 2014, 25(2): 39-42.
WANG Xiaoyang. Application and new progress of X ray fluorescence element logging technology in geology[J]. Mud Logging Engineering, 2014, 25(2): 39-42. [本文引用:1]
[9] 宋庆彬, 王长在, 程昌茹, 等. 工程录井技术及其普遍与深化应用[J]. 录井工程, 2016, 27(3): 1-5.
SONG Qingbin, WANG Changzai, CHENG Changru, et al. Engineering logging technology and its universal and deepening application[J]. Mud Logging Engineering, 2016, 27(3): 1-5. [本文引用:1]
[10] 张世明, 张玲, 岳俊, 等. 应用综合录井参数在钻进中的溢流预报方法[J]. 录井工程, 2018, 29(1): 29-33.
ZHANG Shiming, ZHANG Ling, YUE Jun, et al. Application of comprehensive mud logging parameters to overflow prediction method in drilling[J]. Mud Logging Engineering, 2018, 29(1): 29-33. [本文引用:1]