基于水平井井筒环境的红外光谱录井全烃数据校正方法

引用本文

吴越, 段恒, 叶万松, 刘治恒, 陈石磊, 赵俊发. 基于水平井井筒环境的红外光谱录井全烃数据校正方法[J]. 录井工程, 2024,35(4): 56-61.
WU Yue, DUAN Heng, YE Wansong, LIU Zhiheng, CHEN Shilei, ZHAO Junfa. Infrared spectrum logging total hydrocarbon correction method based on wellbore environment of horizontal wells[J]. Mud Logging Engineering, 2024,35(4): 56-61.
Doi:10.3969/j.issn.1672-9803.2024.04.009 复制到剪切板

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基于水平井井筒环境的红外光谱录井全烃数据校正方法

吴越^①, 段恒^②, 叶万松^②, 刘治恒^③, 陈石磊^④, 赵俊发^②

①中国石油长庆油田公司勘探事业部

②中国石油长庆油田公司工程监督处

③中国石油长庆油田公司勘探开发研究院

④盘锦中录油气技术服务有限公司

作者简介：吴越工程师,1993年生,2015年毕业于西安石油大学矿物学、岩石学、矿床学专业,现在长庆油田公司勘探事业部从事油气勘探工作。通信地址：710018 陕西省西安市未央区长庆油田综合科研楼。电话：15114886085。E-mail：wuyy310_cq@petrochina.com

收稿日期: 2024-07-22

摘要

为深化“甜点”识别方法探究,进一步提升录井技术在页岩油勘探中的作用,根据鄂尔多斯盆地长7页岩油的地质特征,围绕覆盖率100%的气体录井技术开展研究,全面分析了井筒中可能所含烃类气体和红外光谱录井影响因素。收集近几年长7页岩油红外光谱录井采集资料,首先利用数学方法逐次对现场采集数据进行清洗;然后通过扩散气校正、冲淡系数校正公式逐步求取了井筒中破碎岩屑的油气含量,以此表征地层中真实储层的信息;最后建立了适用于长7页岩油水平井的红外光谱校正方法,完成了井筒环境校正,实现了红外光谱数据标准化处理。从应用效果看,修正后的全烃数据能够更真实地反映储层的油气信息,具有较好的实用价值。

关键词: 水平井; 红外光谱; 井筒环境; 全烃校正; 鄂尔多斯盆地; 长7页岩油

中图分类号:TE132.1 文献标志码:A

Infrared spectrum logging total hydrocarbon correction method based on wellbore environment of horizontal wells

WU Yue^①, DUAN Heng^②, YE Wansong^②, LIU Zhiheng^③, CHEN Shilei^④, ZHAO Junfa^②

①Exploration Enterprise of PetroChina Changqing Oilfield Company, Xi'an, Shaanxi 710018, China

②Engineering Supervision Office of PetroChina Changqing Oilfield Company, Xi'an, Shaanxi 710018, China

③Exploration and Development Research Institute of PetroChina Changqing Oilfield Company, Xi'an, Shaanxi 710018,China

④Panjin Zhonglu Oil & Gas Technology Service Co., Ltd., Panjin, Liaoning 124013, China

Abstract

In order to deepen the exploration of sweet spot identification methods and further improve the role of mud logging technology in shale oil exploration, according to the geological characteristics of Chang 7 shale oil in the Ordos Basin, research is carried out on the 100% coverage rate of gas logging technology, the hydrocarbon gases in the wellbore and the influencing factors of infrared spectrum logging are fully analyzed. On the basis of statistics on infrared spectrum logging data collected of Chang 7 shale oil in recent years, first, mathematical methods are used to clean the on-site collected data one after another, and then the oil and gas content in the broken debris in the wellbore is gradually calculated through diffusion gas correction and dilution coefficient correction formulas to represent the information of the real reservoir in the formation. Finally, an infrared spectral correction method suitable for Chang 7 shale oil horizontal wells is established, the wellbore environment correction is completed, and the infrared spectral data is standardized. From the perspective of application results, the revised total hydrocarbon data can more truly reflect the oil and gas information of the reservoirs and has good practical value.

Keyword: horizontal well; infrared spectrum; wellbore environment; total hydrocarbon correction; Ordos Basin; Chang 7 shale oil

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0 引言

鄂尔多斯盆地长7页岩油资源丰富, 勘探潜量巨大, 已成为长庆油田“ 二次加快” 发展的重要资源保障^[1]。为此以解决问题为导向, 坚持录井技术“ 实用、适用” 的原则, 优选红外光谱录井、元素录井、地化录井3项录井技术, 围绕页岩油“ 甜点段/区” 的评价思路对页岩油水平井优质储层进行了综合分析。相比其他两项录井技术, 红外光谱录井技术依靠的载体是钻井液, 其影响因素更多, 在解释评价中经常会遇到同一储层气测异常与地化录井含油性评价结论相背离的情况, 制约了储层油、气、水随钻解释评价的准确度^{[2, 3]}, 因此提高气体录井资料采集质量是提高解释成功率的关键。利用红外光谱进行有机化合物定量分析已经逐渐成为一种常规的分析手段, 它是利用物质对红外光电磁幅射的选择性吸收特性来测定有机化合物的结构、性质和含量的一种方法。近年来, 傅里叶变换红外光谱技术迅速发展, 由于其扫描速度快、分辨率高、灵敏度高、信噪比高以及精确度高等优点, 已被快速应用于各种气体分析和气体研究的领域^{[4, 5]}。

为发挥气体录井在水平井油气层快速发现与优质储层精准评价等方面的优势, 实现红外光谱数据标准化处理, 笔者开展了井筒环境校正方法研究, 在收集13口长7页岩油水平井地质资料、工程资料、测井资料并归类分析总结的基础上, 通过扩散气校正、冲淡系数校正公式逐步还原了井筒中破碎岩屑所含油气信息, 建立了长7页岩油水平井红外光谱校正方法。应用前后对比分析可知, 校正后全烃数据更能真实反映地层中的油气信息, 气测值的高低与优质储层具有较好的对应关系, 也提高了红外光谱气体录井采集数据的质量。

1 红外光谱录井数据校正方法

在钻井过程中, 既有来自破碎岩屑中的油气进入钻井液, 也有钻穿的油气层中的油气经渗滤和扩散作用而进入钻井液。气体录井的最终目的是油气高效识别, 既不漏掉油气显示, 又不误判假显示, 即理想气测结果就是要根据井筒条件及时抓住破碎气、认真分析扩散气、正确排除外源气, 现有的气测校正方法多以不考虑扩散气为基础进行校正^{[4, 5, 6, 7, 8]}, 但实际录井过程中的确存在扩散气导致气体含量增大的情况, 为此, 首先对录井数据进行清洗, 然后开展井筒环境校正, 校正后的数据能够更加真实地反映地层油气信息。

1.1 井筒气测中可能出现的烃类气体

井筒气测除可检测到破碎岩屑中的油气（破碎气）外, 还可检测到已钻开油气层中渗透和扩散到井筒的油气（扩散气）, 以及由于钻井液除气系统未将钻井液中气体排除干净出现的二次循环气。此外, 也可能检测到人为导入钻井液中的外源气, 如钻井液添加剂在井下复杂化学环境中可能产生的烃类气体（图1）。受上述多种因素干扰, 气测结果不能真实反映储层含气量, 制约了储层油、气、水随钻解释评价的准确度。

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	图1 井筒中烃类气体指示图

1.2 数据清洗

受钻井工艺、测试方法和测试设备的影响, 录井过程中常常存在数据异常点, 例如, 取心段钻时, 下钻、接单根、停泵等工况造成的数据异常和数据缺失问题^{[9, 10]}。原始钻时和红外光谱数据质量会影响后续数据校正与标准化, 以及模型解释预测的效果, 因此需要对其加以清洗, 以降低缺失值和异常值对数据质量的影响。笔者采用3种数学方法逐次对异常值进行判断并校正。首先利用均值± 3倍标准差方法进行一次异常值判定; 然后进行异常点与其相邻点数据对比, 发现个别异常点存在误判, 再利用孤立森林算法对异常点进行二次判定; 最后进行异常值修正, 先对异常点进行删除处理, 再利用异常点相邻的上下6组数据的平均值进行异常值填充修正解决数据缺失问题。水平井钻时数据清洗前后对比见图2, 能够实现异常值有效剔除与修正。

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	图2 水平井钻时数据清洗前后对比

1.3 红外光谱数据校正方法

前文中详细分析了井筒中可能出现的烃类气体, 实际能够真正代表钻达地层油气信息的为破碎气。外源气、二次循环气（未使用油基或二次钻井液）检测相对较少, 可忽略不计, 但已钻开油气层中渗透和扩散到井筒的油气（扩散气）较多, 且会参与到全烃值计算中, 因其不能代表钻开储层的油气信息而应予去除。所以光谱校正的准确性主要在于准确计算破碎气, 利用脱气器脱出的气体减去扩散气, 即为目标层岩石的破碎气。破碎气部分会受钻进过程中井径、钻时、钻井液排量等因素的影响, 全烃值也需要进行冲淡系数校正, 因此本校正方法由两部分组成：扩散气校正与冲淡系数校正。

1.3.1 扩散气校正

假设总烃由破碎气与扩散气两部分组成, 即：

$T_{g} = T_{g 1} + T_{g 2}$

式中： $T_{g}$ 为原始总烃, %; $T_{g 1}$ 为破碎气总烃, %; $T_{g 2}$ 为扩散气总烃, %。

扩散气井底压差可由当量密度和钻井液密度计算得到：

$Δp = （ ρ_{s} - ρ_{l} ） g h_{0}$

式中： $Δp$ 为井底压差, MPa; $ρ_{s}$ 为当量钻井液密度（即与地层压力相当的液柱密度）, g/cm³; $ρ_{l}$ 为钻井液密度, g/cm³; $g$ 为重力加速度, m/s²; $h_{0}$ 为水平井入窗深度, m。

计算筒状平均渗透率（K）公式如下^[11]：

$\frac{1}{K} \ln \frac{r_{e}}{r_{w}} = \frac{1}{K_{w}} \ln \frac{r_{e}}{r_{w} + 1.5} + \frac{1}{K_{1}} \ln \frac{r_{w} + 1.5}{r_{w}}$

式中： $K$ 为平均渗透率, mD; $r_{e}$ 为泄油半径, m; $r_{w}$ 为钻头半径（井筒半径）, m; $K_{w}$ 为地层渗透率（由测井得到）, mD; $K_{1}$ 为滤饼渗透率, mD; 1.5为估计滤饼厚度1.5 mm。

计算每米扩散气的流量^[12]如下：

$T_{g 2}^{0} = \frac{2 π KhΔp}{μ_{o} （ \ln \frac{r_{e}}{r_{w}} - \frac{3}{4} ）} A T_{g}$

式中： $T_{g 2}^{0}$ 为每米扩散气流量, %; $h$ 为扩散气流厚度, 取值为1 m; $μ_{o}$ 为原油粘度, mPa $∙$ s; $A$ 为经验系数。

进而可求得已钻开油气层扩散气部分的全烃值为对 $T_{g 2}^{0}$ 进行积分得到的值：

$T_{g 2} = \int \frac{2 π KΔpA T_{g}}{μ_{o} （ \ln \frac{r_{e}}{r_{w}} - \frac{3}{4} ）} d h$

从总烃T_g中减去扩散气 $T_{g 2}$ , 即未校正的破碎气 $T_{g 1}$ 为：

$T_{g 1} = T_{g} - T_{g 2}$

1.3.2 冲淡系数校正

当地层被钻开, 钻头破碎的单位体积岩石中气体被释放, 单位体积破碎岩石释放的地层气体, 即地层单位体积岩层含烃量 $I$ , 其与破碎气 $T_{g 1}$ 关系如下：

$\frac{π d^{2}}{4} hI = Qt T_{g 1}$

式中： $d$ 为钻头尺寸, mm; $I$ 为地层单位体积岩层含烃量, 即最终校正后的全烃, %; Q为排量, m³/min; t为钻时, min/m。

经变换则有：

$I = \frac{4 Qt}{π d^{2} h} T_{g 1}$

其中, $\frac{4 Qt}{π d^{2} h}$ 为冲淡系数。

汇总扩散气校正与冲淡系数校正, 最终校正公式为：

$I = \frac{4 Qt}{π d^{2} h} （ T_{g} - \int \frac{2 π KΔpA T_{g}}{μ_{o} （ \ln \frac{r_{e}}{r_{w}} - \frac{3}{4} ）} d h ）$

2 应用实例

根据鄂尔多斯盆地长7页岩油实际钻遇情况, 使用经验参数或估计取值如下：滤饼厚度1.5 mm, 滤饼渗透率0.001 mD, 经验系数0.5, 泄油半径0.5 m, 原油粘度1.5 mPa $∙$ s。统计13口井水平段红外光谱数据, 进行数据校正, 校正前后数据对比如图3所示, 图3中数据从左至右分类为油斑、油迹与非显示段。综合分析表明, 校正后的全烃值含油显示段储层明显高于非显示段储层, 两者差异较大, 校正前油迹组与非显示段全烃值稍有接近, 均值相差不大, 校正后油迹组全烃值明显高于非显示段储层。在后期资料解释评价中, 利用红外光谱录井全烃数据校正方法可以避免在油迹显示中优质储层的漏判。下面以页岩油重点水平井H-1、H-2井的验证为例进行分析。

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	图3 红外光谱全烃校正前后数据统计图

2.1 H-1井

H-1井位于合水地区中部, 目的层为长7₁¹段, 井型为水平井, 设计目的为提高单井产量和产建效益。完钻原则为钻穿末靶点后预留35 m口袋。录井项目为红外光谱气体录井、元素录井、地化录井, 录井共发现含油气显示19层, 精细解释179层, 总厚度1 580.1 m, 其中：油层95层, 厚度1 036.1 m; 差油层63层, 厚度461.3 m; 含油水层2层, 厚度7.1 m; 干层19层, 厚度75.6 m。

首先对H-1井数据进行清洗, 去除异常点后进行全烃值校正, H-1井校正前后录井综合图如图4所示。2 400.00~3 300.00 m井段全烃校正前与校正后曲线大部分差异性较小, 近乎重合, 但在2 800.00~2 950.00 m井段处（蓝色虚线框）, 地化录井P_g值显示含油性较好, 录井解释为油层, 然而未校正前全烃值偏低, 校正后气测异常明显; 3 300.00~3 430.00 m井段（黑色虚线框）未校正前数据与2 800.00~2 950.00 m井段数据相似, 气测值偏低, 校正前后全烃值稍有差异, 但校正后全烃值数据要小于2 800.00~2 950.00 m井段数据, 录井综合解释为差油层; 3 430.00~3 600.00 m井段（粉红色虚线框）, 录井解释为油层, 全烃值校正前分析值为15%~20%之间, 经校正后, 曲线剧烈起伏, 校正值达到42%~53%, 油层特征更趋明显。

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	图4 H-1井红外光谱全烃校正前后对比

2.2 H-2井

H-2井为H-1井邻井, 目的层为长7₁¹段, 井型为水平井, 设计目的为提高单井产量和产建效益。完钻原则为钻穿末靶点后预留35 m口袋。录井井段为959.00~3 875.00 m。录井项目为红外光谱气体录井、元素录井, 该井录井共发现含油气显示31层, 录井精细解释117层, 总厚度1 911.5 m, 其中：油层50层, 厚度1 198.2 m; 差油层33层, 厚度489.9 m; 干层32层, 厚度220.0 m; 水层2层, 厚度3.4 m。

首先对H-2井数据进行清洗, 去除异常点后进行全烃值校正, H-2井校正前后录井综合图如图5所示。2 600.00~2 830.00 m井段（黑色虚线框）原始全烃与校正后全烃值曲线稍有差异, 有变大趋势, 校正后气测值局部异常明显, 较好储层厚度较薄, 但达不到油层标准, 录井解释为差油层。3 100.00~3 300.00 m井段（蓝色虚线框）岩性大多为非显示段储层, 校正后全烃值与原始全烃值基本重合, 录井解释为干层, 为不含油特征。

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	图5 H-2井红外光谱全烃校正前后对比

2.3 全烃值量程统一

H-1、H-2两口水平井为邻井, 进行井间横向对比。H-1井校正前全烃值主要为2%~40%, H-2井校正前全烃值主要为2%~50%, 经校正后两井全烃值范围均为2%~50%, 实现了量程统一, 增强了井间数据的可对比性。校正后数据显著提高了红外光谱气体录井解释评价精度, 也再次印证了该校正方法的可行性。

3 结论

气体录井是油气钻探过程中直接录取的第一手资料, 是发现油气藏、评价油气藏和科学优化钻井的重要手段。近些年由于影响因素较多, 削减了其在录井工作中的重要性, 因此开展井筒环境校正及红外光谱数据标准化处理研究尤显重要。根据已钻开油气层烃类向井筒运移规律, 通过扩散气校正、冲淡系数校正方法, 建立了一套适用于长7页岩油水平井红外光谱校正方法。经多口完钻井验证, 利用公式进行标准化处理后, 对比校正前后全烃数据, 校正后全烃数据能更准确识别储层含油气性好与坏。该方法在长庆油田水平井的创新应用, 取得较好应用效果, 具有较高推广价值。

编辑陈娟

参考文献

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2023

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... 发展的重要资源保障^[1] ...

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... 相比其他两项录井技术,红外光谱录井技术依靠的载体是钻井液,其影响因素更多,在解释评价中经常会遇到同一储层气测异常与地化录井含油性评价结论相背离的情况,制约了储层油、气、水随钻解释评价的准确度^[2,3],因此提高气体录井资料采集质量是提高解释成功率的关键 ...

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... 近年来,傅里叶变换红外光谱技术迅速发展,由于其扫描速度快、分辨率高、灵敏度高、信噪比高以及精确度高等优点,已被快速应用于各种气体分析和气体研究的领域^[4,5] ...

... 气体录井的最终目的是油气高效识别,既不漏掉油气显示,又不误判假显示,即理想气测结果就是要根据井筒条件及时抓住破碎气、认真分析扩散气、正确排除外源气,现有的气测校正方法多以不考虑扩散气为基础进行校正^[4,5,6,7,8],但实际录井过程中的确存在扩散气导致气体含量增大的情况,为此,首先对录井数据进行清洗,然后开展井筒环境校正,校正后的数据能够更加真实地反映地层油气信息 ...

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... 2 数据清洗受钻井工艺、测试方法和测试设备的影响,录井过程中常常存在数据异常点,例如,取心段钻时,下钻、接单根、停泵等工况造成的数据异常和数据缺失问题^[9,10] ...

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... 计算筒状平均渗透率（K）公式如下^[11]： ...

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... 计算每米扩散气的流量^[12]如下： ...