引用本文
谢献辉, 陈鸣, 孙殿强, 崔书姮, 吴进波, 王锋. 油基钻井液对电缆地层测试样品污染影响的定量分析[J]. 录井工程, 2025,36(2): 42-49.
XIE Xianhui, CHEN Ming, SUN Dianqiang, CUI Shuheng, WU Jinbo, WANG Feng. Quantitative analysis of the contamination effects of oil-based drilling fluids on wireline formation test samples[J]. Mud Logging Engineering, 2025,36(2): 42-49.
Doi:10.3969/j.issn.1672-9803.2025.02.007  
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油基钻井液对电缆地层测试样品污染影响的定量分析
谢献辉①, 陈鸣②, 孙殿强②, 崔书姮①, 吴进波②, 王锋①
①中海油能源发展股份有限公司工程技术湛江分公司
②中海石油（中国）有限公司湛江分公司

作者简介：谢献辉 工程师,1995年生,2018年毕业于中国石油大学（华东）勘查技术与工程专业,现在中海油能源发展股份有限公司工程技术湛江分公司从事现场测井作业及测井资料解释评价工作。通信地址：527054 广东省湛江市坡头区南调街道南油一区档案楼412。E-mail：xiexh9@cnooc.com.cn

收稿日期: 2025-04-25
基金: 国家科技重大专项“南海西部海域低渗油藏勘探开发关键技术”（编号：2016ZX05024 006）; 中国海洋石油集团有限公司重大专项“南海中南部勘探新领域及开发技术研究”（编号：CNOOC-KJ 135 ZDXM 38 ZJ 04ZJ）
摘要

针对油基钻井液环境下,电缆地层测试样品中原油与钻井液混溶导致污染程度难以定量分析的技术难题,提出了基于常规流体物理对比分析和饱和烃气相色谱组分对比分析的综合定量评价方法。通过建立样品密度分析图板和气相色谱分析图板,开发地层原油钻井液污染比例计算软件,实现了油基钻井液对电缆地层测试样品污染程度影响的定量评价。该方法在北部湾盆地涠西南凹陷14口井进行应用,其分析结果与实验室样品分析结果及试油产能分析数据对比表明,最大绝对误差在5%以内。现场应用结果表明,该方法具备较高的分析精度和现场实用性,能够实现电缆地层测试样品油基钻井液污染率的快速、精准评价。

关键词: 电缆地层测试; 油基钻井液; 样品污染; 原油密度; 饱和烃气相色谱; 涠西南凹陷; 北部湾盆地
中图分类号:TE132.1 文献标志码:A
Quantitative analysis of the contamination effects of oil-based drilling fluids on wireline formation test samples
XIE Xianhui①, CHEN Ming②, SUN Dianqiang②, CUI Shuheng①, WU Jinbo②, WANG Feng①
①Zhanjiang Branch, CNOOC Ener Tech-Drilling & Production Co., Zhanjiang, Guangdong 527054, China
②CNOOC China Limited Zhanjiang Company, Zhanjiang, Guangdong 527054, China
Abstract

Aiming at the technical problem that it is difficult to quantitatively analyze the contamination degree of wireline formation test samples in oil-based drilling fluid environment due to the miscibility of crude oil and drilling fluid, this paper proposes a comprehensive quantitative evaluation method based on conventional fluid physical comparative analysis and saturated hydrocarbon gas chromatography component comparative analysis. Through the establishment of the sample density analysis chart and the gas chromatographic analysis chart, the calculation software of formation crude oil drilling fluid contamination proportion was developed, and the quantitative evaluation of the effects of oil-based drilling fluid on the contamination degree of the wireline formation test samples was realized. The method has been applied to 14 wells in Weixinan Sag of Beibu Gulf Basin. The analysis results show that the maximum absolute errors are within 5% compared with the laboratory sample analysis results and oil testing productivity analysis data. The field application results show that the method has high analytical accuracy and practicability, and can realize the rapid and accurate evaluation of oil-based drilling fluid contamination rate in wireline formation test samples.

Keyword: wireline formation test; oil-based drilling fluid; sample contamination; crude oil density; saturated hydrocarbon gas chromatography; Weixinan Sag; Beibu Gulf Basin
0 引言

油基钻井液是以白油、柴油、气制油等为分散介质的特殊钻井流体体系。凭借其优异的抑制性和润滑性能, 有效解决了泥岩水化膨胀、应力剥落等复杂地层难题, 显著提升了井壁稳定性与机械钻速, 但也给勘探作业带来了一些技术难题[1, 2, 3, 4, 5]。在南海北部湾盆地涠西南凹陷的勘探实践中发现, 油基钻井液的应用引发了新的技术难题：在电缆地层测试作业过程中, 钻井液与地层原油发生混溶, 导致取样样品受到污染, 难以定量分析污染程度, 影响储层流体性质判断和勘探开发决策。电缆地层测试样品主要由钻井液滤液和储层原油组成, 在常规水基钻井液环境下样品静置后因油水密度差异自然分层, 可通过直观计量实现污染率快速测算; 而油基钻井液与地层原油具有良好的互溶性, 混溶后样品无明显界面, 且在颜色、透光性等宏观物理性质上难以区分, 致使传统目视判别方法完全失效。

针对油基钻井液环境下电缆地层测试样品污染程度定量分析问题, 传统研究多聚焦于荧光光谱特征分析, 通过解析烃类物质荧光强度随激发-发射波长的变化规律进行定性判断[6, 7, 8, 9]。此外, 杨培强等[10, 11]基于核磁共振技术, 建立了全油基钻井液体系下地层含油率的相关性分析模型; 何玉春等[12, 13]则通过气相色谱单组分谱峰面积参数, 实现了钻井液滤液污染程度的定量评价。但这些方法普遍存在操作流程繁琐、仪器依赖性强、分析成本高等局限性, 难以满足钻井现场实时检测与快速决策的需求。为此, 本研究综合常规流体物理对比分析与饱和烃气相色谱组分对比分析方法, 建立了综合分析图板并开发了专用计算软件。现场作业时, 仅需获取混合样品的密度数据与气相色谱分析数据, 即可通过密度特征对比及气相色谱标样区间组分对比分析, 实现油基钻井液环境下电缆地层测试样品污染程度的现场快速、准确定量分析。

1 区域概况

涠西南凹陷地处南海海域北部湾盆地北部坳陷带, 呈 NE 向延伸, 覆盖面积约3 800 km² 。该区块北临涠西南断裂与万山隆起, 西南毗邻涠西南低凸起, 东南接壤企西隆起。受3条断裂带的控制, 涠西南凹陷内形成3个次级洼陷, 呈现出“ 北断南超” 的典型构造格局, 是我国近海油气资源的重要富集区[14, 15, 16]。其构造演化历经古近系裂陷与新近系-第四系坳陷两大阶段, 地层序列自下而上依次发育前古近系石灰岩与变质岩基底, 古近系长流组、流沙港组、涠洲组, 新近系下洋组、角尾组、灯楼角组、望楼港组, 以及第四系地层。沉积环境由早期河流相、湖泊相逐步演变为开阔滨浅海相, 记录了复杂的地质变迁过程[17, 18]。经过40余年的系统勘探, 该区块已探明多个大中型油田与含油气构造, 证实其为富烃凹陷, 也是北部湾盆地当前唯一的商业化油气产区[19]。

然而, 涠西南凹陷特殊的地质条件给钻井作业带来巨大挑战, 断层密集发育、断块破碎且规模较小, 导致井壁稳定性差, 钻井施工难度显著增加。为有效应对复杂地质环境, 自2020年起, 油基钻井液在该区块勘探作业中得到广泛应用。通过油基钻井液增强井壁支撑能力、提升机械钻速、降低井下事故风险, 该技术成为保障高效勘探的关键技术手段。

2 电缆地层测试样品污染程度定量分析方法

本研究针对油基钻井液环境下电缆地层测试样品污染程度定量分析技术难题, 综合常规流体物理对比分析和饱和烃气相色谱组分对比分析方法, 通过建立分析图板与开发应用软件, 实现电缆地层测试样品污染程度的定量分析（图1）。

图1 电缆地层测试样品污染程度定量分析方法

2.1 常规流体物理对比分析方法

电缆地层测试泵抽取样时, 污染主要来自不含固相的油基钻井液滤液。因此, 常规流体物理对比分析主要利用油基钻井液滤液密度、地层原油密度及电缆地层测试被污染样品密度数据开展分析。

2.1.1 常规流体物理数据分析

北部湾盆地涠西南凹陷主要产出层位包括角尾组二段、涠洲组二段、涠洲组三段、流沙港组一/二段、流沙港组三段。统计各层位原油样品检测数据表明：角尾组二段原油密度主要分布在0.92~0.94 g/cm3; 涠洲组二段原油密度主要分布在0.86~0.88 g/cm3; 涠洲组三段、流沙港组一/二段原油密度主要分布在0.84~0.86 g/cm3; 流沙港组三段原油密度主要分布在0.82~0.84 g/cm3。

2.1.2 常规流体物理对比分析图板

选择涠西南凹陷各层位的代表性纯净原油样品和代表性油基钻井液滤液, 将其以不同比例混合, 配制出油基钻井液滤液体积分数分别为0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%的11种混合样品。对这些混合样品进行常规流体物理分析, 测定其密度数据, 建立角尾组二段、涠洲组二段、涠洲组三段、流沙港组一/二段、流沙港组三段5组不同层位的密度图板（图2）。

图2 不同层位原油与油基钻井液滤液混合样品密度图板

油基钻井液滤液与不同层位原油样品混合后, 随着混合比例的变化, 样品密度呈现出明显的线性变化关系。当油样含量逐渐减少时, 混合样品的密度会逐渐趋近于油基钻井液滤液的密度值。由于混合样品的密度随混合比例呈线性变化, 可依据该线性关系得出油基钻井液滤液污染率的定量计算公式：

Cm=（ρ m-ρ o）/（ρ w-ρ o）× 100%

式中：Cm为样品油基钻井液滤液污染率, %; ρ m为电缆地层测试混合液样品密度, g/cm3; ρ o为原油样品密度, g/cm3; ρ w为油基钻井液滤液密度, g/cm3。

在图板中, 不同层位的原油密度ρ o和典型油基钻井液滤液密度ρ w均为已知参数, 因此在现场只需测量得到混合液样品密度ρ m的数据, 即可快速计算出油基钻井液滤液污染率。需要注意的是, 这种方法适用于油基钻井液滤液与原油密度差异较大的情况。如果二者的密度较为接近, 测量误差可能相对较大。

2.2 饱和烃气相色谱组分对比分析方法

为了进一步完善分析方法, 丰富评价体系, 获取更准确的定量分析数据, 开展了饱和烃气相色谱组分对比分析方法的研究。

以涠西南凹陷流沙港组三段为例, 选择代表性的原油样品和油基钻井液滤液样品, 配制油基钻井液滤液体积分数分别为 0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%的11种混合样品, 并对其进行气相色谱分析。从图3可以看出, 当原油与油基钻井液滤液混合后, 饱和烃气相色谱组分数据中 C14、C15 组分的变化较为剧烈, 但其变化规律性不强, 不适合作为核心观测指标。而C7-C11、C17-C20、C24-C28这3个标样区间展现出了较为明显的组分变化规律, 呈现出规律性的变化趋势。C7-C11区间各组分质量分数随钻井液滤液体积分数增多呈现下降趋势（图4）; C17-C20区间各组分质量分数随钻井液滤液体积分数增多呈现增大趋势（图5）; C24-C28区间各组分质量分数随钻井液滤液体积分数增多呈现下降趋势（图6）。

图3 流沙港组三段原油与油基钻井液滤液混合样品气相色谱分析图板

图4 钻井液滤液与原油混合样品C7-C11组分变化情况

图5 钻井液滤液与原油混合样品C17-C20组分变化情况

图6 钻井液滤液与原油混合样品C24-C28组分变化情况

3个标样区间内的各组分质量分数与油基钻井液滤液体积分数均可见明显的变化趋势, 因此可以根据此变化趋势计算油基钻井液滤液污染率。以流沙港组三段气相色谱分析图板中的C11曲线为例：C11组分在油基钻井液滤液体积分数为0%时质量分数为3.215 5%; 在油基钻井液滤液体积分数为100%时质量分数降为0%, 呈现持续下降趋势。若现场测得C11组分的质量分数为2.35%, 该值处于油基钻井液滤液体积分数30%~40%的区间内（30%时, C11质量分数为2.425 0%; 40%时, C11质量分数为2.288 5%）。具体来看, 2.35%与2.425 0%的差值为-0.075%, 与2.288 5%的差值为0.061 5%, 说明该值更接近油基钻井液滤液体积分数40%对应的质量分数, 由此通过C11曲线可估算油基钻井液滤液污染率为36%。其他曲线也可按照该方法进行图板比对, 估算油基钻井液滤液污染率。综合3个标样区间的污染率计算结果, 即可确定油基钻井液滤液污染率, 计算方法如图7所示。在验证计算方法可行后, 完成了角尾组二段、涠洲组二段、涠洲组三段、流沙港组一/二段、流沙港组三段共5组不同层位的气相色谱分析图板的测定, 为后续方法研究奠定了数据基础。

图7 气相色谱油基钻井液滤液污染率计算方法

2.3 电缆地层测试样品污染程度定量分析方法

综合常规流体物理对比分析与饱和烃气相色谱组分对比分析方法, 建立了油基钻井液环境下电缆地层测试样品污染程度的定量分析方法。该方法结合密度图板与气相色谱组分图板, 通过钻井液滤液密度以及3个气相色谱组分标样区间所计算的钻井液滤液污染率, 经权重系数精细化调配, 最终计算得出电缆地层测试样品中油基钻井液污染率, 从而提升分析结果的可靠性。

基于上述定量分析方法, 采用C#语言开发了地层原油钻井液污染比例计算软件, 旨在实现现场对油基钻井液污染率的快速、准确检测, 相关界面见图8。该软件的具体使用步骤如下。

图8 计算软件界面

（1）输入井号、层位及其他备注信息。

（2）选择计算方法。可根据密度或气相色谱组分数据单独计算, 也可综合两者数据进行计算。

（3）设置计算权重。根据样品数据分布与图板对应情况, 灵活调整密度以及C7-C11、C17-C20、C24-C28标样区间的指标权重参数, 以降低实验数据误差对油基钻井液污染程度预测的干扰, 从而提高软件计算精度。

（4）输入钻井液/原油密度数据（单位：g/cm³ ）, 即实测油基钻井液滤液密度和被测样品的实验数据。

（5）输入钻井液滤液、地面原油以及被污染原油组分气相色谱实验数据（单位：%）, 即实测油基钻井液滤液、地面原油与被污染油样的组分数据。

（6）计算原油污染程度。点击“ 计算原油污染程度” 按钮查看结果。

3 校验与现场应用
3.1 校验

3.1.1 方法校验

通过常规流体物理对比分析和饱和烃气相色谱组分定量检测对比分析方法, 对不同油基钻井液滤液体积分数的混合样品进行分析, 结果如表1、表2所示。其中, 基于密度数据计算出的不同比例混合样品油基钻井液滤液污染比例的平均绝对误差值分布范围为0.085%~0.522%, 最大值可达2.090%; 基于色谱组分数据计算出的不同比例混合样品油基钻井液滤液污染比例的平均绝对误差值分布范围为1.69%~4.01%, 最大值可达9.534%。总体来看, 两种方法的平均绝对误差均低于5%, 能够满足现场应用的要求。

表1 基于密度数据油基钻井液滤液污染程度实验结果 %
表2 基于色谱组分数据油基钻井液滤液污染程度实验结果 %

3.1.2 盲样检测

为验证研究成果的准确性, 配置了3个不同比例的电缆地层测试样品开展盲样检测, 对各样品进行密度测量及气相色谱组分数据测量。随后, 利用地层原油油基钻井液污染比例计算软件, 采用密度与色谱组分综合计算方式进行分析。

结果显示, 1号、2号、3号样品油基钻井液滤液污染比例的绝对误差分别为1.49%、0.27%、1.27%, 平均绝对误差为1.01%, 具体数据见表3。盲样测试表明, 该定量分析方法计算结果的准确性较高, 平均绝对误差小于5%, 能够满足现场对电缆地层测试样品油基钻井液滤液污染程度进行定量分析的需求。

表3 盲样测试分析结果
3.2 现场应用

在2023-2024年的油气勘探实践中, 本研究提出的常规流体物理对比分析与饱和烃气相色谱组分定量检测相结合的综合评价方法, 在北部湾盆地涠西南凹陷14 口井中实现规模化应用。通过对现场实时计算结果与钻后精细研究数据的系统性对比分析, 验证了该研究方法的可靠性与实用性。从定量分析精度来看, 14口井的现场检测数据与实验室PVT（压力-体积-温度）分析及试油产能分析数据对比显示, 定量分析方法计算的污染率平均绝对误差为3.8%, 最大绝对误差在5%以内, 显著优于传统荧光光谱法8%~12%的误差水平。从现场应用效率角度来看, 本研究开发的分析软件可在电缆地层测试作业结束后2 h内完成样品油基钻井液污染率分析工作, 较传统分析周期7 d（从海上运输至基地实验室2 d+实验室实验分析5 d）大幅缩短。该方法在涠西南凹陷不同层位、不同原油性质的作业环境中均表现出良好的普适性, 通过密度图板与气相色谱组分分析的双重验证机制, 实现油基钻井液污染程度的可靠评价。

以南海西部北部湾盆地涠西南凹陷A井勘探实践为例, 通过对比电缆地层测试样品油基钻井液污染率定量分析结果与试油产能分析数据, 从现场实际应用角度验证油基钻井液污染程度定量分析方法的可靠性与有效性。A井电缆地层测试作业在3 501 m低渗储层取样成功（流度为0.18 mD/cP）, 取得气样16 000 cm3, 液样130 cm3。液样被油基钻井液污染, 仪器井下流体分析模块仅能区分油、气、水, 不能区分地层原油和油基钻井液滤液, 该模块以C1-C6气化部分以及非烃气体作为气相, 而不能气化的 C6+部分作为液相, 计算气油比为81, 这一数值未能剔除油基钻井液滤液影响, 缺乏参考价值。同时, 现场也无法像处理水基钻井液取样样品那样, 借助样品静置分层来判断液样的钻井液污染率, 进而计算气油比数据。在A井现场作业中, 井下流体分析模块分析方法与样品静置分层判断法均失效。

采用油基钻井液环境下电缆地层测试样品污染程度定量分析方法对样品进行分析。该井油基钻井液滤液密度为0.799 8 g/cm³ , 电缆地层测试样品密度为0.805 8 g/cm³ , 地层原油密度为0.823 4 g/cm³ 。将密度数据与气相色谱组分数据输入地层原油钻井液污染比例计算软件, 结果显示：基于密度计算的油基钻井液滤液污染率为 74.576%; 基于C7-C11气相色谱标样区间计算的钻井液污染率为72.237%; 基于C17-C20气相色谱标样区间计算的钻井液污染率为75.525%; 基于C24-C28气相色谱标样区间计算的钻井液污染率为72.507%。通过权重优化, 最终确定油基钻井液滤液污染率为73.644%。据此反算A井3 501 m处样品的气油比为16 000 cm³ /[（1-73.644%）× 130 cm³ ]=466.98。该结果为A井勘探开发决策及后续井位部署提供了数据支持。电缆地层测试作业结束后, A井进行了试油作业, 产出原油60 m³ /d, 天然气29 563 m³ /d, 计算气油比为493。定量分析方法计算结果466.98与试油气油比493接近, 进一步验证了油基钻井液滤液污染率计算方法的准确性。

4 结束语

针对油基钻井液环境下电缆地层测试样品的油基钻井液滤液污染难题, 通过混合样品密度测试和气相色谱组分测试, 建立了不同层位油样与油基钻井液滤液混合样品定量分析密度、气相色谱图板和计算模型。融合常规流体物理数据分析方法和饱和烃气相色谱组分对比分析方法, 开发了计算软件, 实现现场快速、准确地确定测试样品污染率的目的。通过研究区域测试样品对该方法进行方法校验与盲样检测, 计算油基钻井液滤液污染率平均绝对误差小于5%, 满足现场应用要求。在北部湾盆地涠西南凹陷14口井电缆地层测试样品油基钻井液污染率计算结果的平均绝对误差为3.8%, 最大绝对误差在5%以内, 显著优于传统荧光光谱法8%~12%的误差水平, 现场应用效果较好、时效高、误差较小, 具有广泛的应用前景。

（编辑 王丙寅）

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