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随钻测井技术在页岩气钻井中的应用_张振欣

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测井 技术 页岩 钻井 中的 应用 张振欣
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收稿日期 : 2012 -04 -08; 修回日期 : 2012 -05 -22* 中石油集团公司钻井工程技术研究院院级课题 “页岩气钻完井基础研究 ”部分内容 。作者简介 : 张振欣 ( 1987 - ) , 中国石油大学 ( 北京 ) 石油工程学院 2010 级硕士研究生 , 现于中国石油集团钻井工程技术研究院钻井工艺所进行联合培养并从事页岩气钻井与岩石力学方面研究 。地址 : ( 100195) 北京市海淀区四季青镇北坞村路甲 25 号静芯园小区 S 座 304 室 , 电话 : ( 010) 52781741, 13811354720, E - 26. 振欣1, 2, 周英操1, 项徳贵1( 1 中国石油集团钻井工程技术研究院 2 中国石油大学 ·北京 )张振欣等 . 随钻测井技术在页岩气钻井中的应用 . 钻采工艺 , 2012, 35 ( 4) : 4 -6摘 要 : 我国页岩气钻井存在着较高的风险 , 主要问题是 “甜点 ”钻遇率低 、井壁坍塌问题严重 、钻井周期长 、经济效益差 。利用随钻测井技术 , 可进行页岩岩石力学与油层物理特征分析 、建立地层应力和三压力剖面 、确定储层 “甜点 ”、并指导地质导向作业 , 能减少页岩气钻井的井壁失稳问题 、缩短钻井周期 、降低钻井风险 、提高钻井效率 。文章总结了北美地区进行页岩气钻井时利用随钻测井技术解决页岩气钻井难题的方法 , 我国应借鉴北美经验 , 大力开展页岩气随钻测井技术和工具的研发 , 提高随钻测井技术在页岩气钻井中的应用程度 , 实现页岩气开发中的安全高效钻井 。关键词 : 页岩气 ; 钻井 ; 随钻测井 ; 岩石力学中图分类号 : 49 文献标识码 : A 10.3969/J. 006 -768X.2012.04.02页岩气开发是国内的热门问题 , 两大石油公司已在部分区块进行了页岩气钻井实验 , 但多数实践存在 “甜点 ”钻遇率低 、井壁垮塌严重 、钻井投入产出比低等问题 。北美地区经验表明 , 随钻测井技术是解决页岩气钻井问题的重要手段[ 1], 该技术能够克服电缆测井等待时间长 、水平井等复杂井型中探测工具难以下入的不足[ 2], 可有效缩短钻井周期[ 3]。利用随钻测井数据进行页岩储层物性和岩石力学特性参数分析 , 建立精确的储层构造和力学模型 , 全面认识储层 “甜点 ”及井壁稳定问题 , 能够有效解决页岩气钻井中井壁失稳及 “甜点 ”钻遇率低等难题 。一 、页岩气钻井中的关键问题页岩储层中的 “甜点 ”和岩石力学特征是页岩气钻井中的关键问题 , 进行钻井设计时要对这两个问题有明确的认识 , 以便进行井身结构 、钻井液密度选择和井眼轨迹的优化设计 。1. 储层 “甜点 ”区域页岩储层的 “甜点 ”有以下几个特点 :( 1) 石英或方解石等脆性成分含量相对较高 。北美地区经验表明 , 石英或方解石含量高 ( >40%)的区域通常是页岩气高产区域[ 4]。( 2) 天然裂缝发育 。页岩储层渗透率极低 , 裂缝有储渗双重功能 , 裂缝丰富的区域产能高但钻遇率低[ 5]。( 3) 总有机碳含量 ( 高 。富含天然气的页岩中总有机碳含量一般大于 2%, 其大小是评价页岩气藏的重要指标[ 6]。另外 , 含气量 、有效孔隙度及渗透率 、含水饱和度等油层物理参数也是判别“甜点 ”的重要指标 。2. 页岩岩石力学特性脆性指数是页岩岩石力学中的重要概念 。统计表明[ 7], 当石英或方解石等脆性物质含量较高 ( >40%) 时 , 页岩表现出较强的脆性 。脆性指数高的区域适合进行水力压裂 , 同时易产生井壁失稳问题 ,页岩岩石力学研究的目的之一是解决脆性页岩区域安全高效钻井的问题 。页岩的岩石力学参数还包括单轴 /三轴抗压强度 、抗拉强度 、动 /静态泊松比 , 最大 /最小水平主应力 ( σH, σh) 与方向 、储层孔隙压力 ( 、破裂压力( 和坍塌压力 ( 等 。在进行水平井钻井时 , 需要获得钻井区域的上述参数 , 以便解决井眼轨迹 、井身结构设计和钻井液密度选择等技术问题 。·4·钻 采 工 艺 7 月012二 、随钻测井技术在页岩气钻井中的应用1986 年美国 块的水平井钻井中已经使用随钻测量工具[ 8、9]。2002 年后随钻测井技术在页岩气水平井钻井中普及应用 , 自然伽马 、电阻率 、声波 、中子孔隙度及密度 、成像 、能谱岩性 、光电效应 、核磁共振 ( 等多种随钻测井工具已用于地质导向和随钻储层建模中[ 10、11]。利用随钻测井技术可实时进行页岩气藏的油层物理分析 、井壁裂缝及断层识别分析 、井径分析 、储层岩石力学特征分析以及指导进行地质导向作业等 。1. 分析储层物性利用随钻自然伽马测井曲线可分析储层中有机物质含量的高低 , 将该值进行计算处理 , 可获得总有机碳含量值 ; 利用能谱岩性随钻测井技术获得沿井深的岩性和矿物组成剖面 ; 基质孔隙度和渗透率 、有效孔隙度和渗透率 、自由气含量 、吸附气含量 、含气总量 、含水饱和度等油层物理数据可利用电阻率 、自然伽马 、中子孔隙度 、核磁共振等随钻测井数据获得[ 12]。2. 井壁裂缝及断层分析利用电阻率 、自然伽马 、密度 、声波及光电效应等随钻成像测井技术可对井壁原生裂缝及钻井诱发裂缝进行探测 。高分辨率侧向电阻率随钻成像图可清楚显示井周裂缝 ( 天然裂缝或钻井诱发裂缝 ) 的几何形态 、填充 、连通性及强度等[ 13]。利用随钻成像测井数据也可有效识别断层 , 当钻遇断层后 , 成像结果上会出现明显的 、贯穿井筒的成像显示[ 3], 利用其特征可分析断层的类型及断层前后的关联性 。3. 井径及扩径分析高分辨率的密度成像和电成像测井等可观察井径 , 进行扩径分析和井壁失稳研究 。在成像结果中 ,明亮处表示井径扩大 , 亮度越高扩径越严重 。需要注意的是 , 密度成像测井成像精度高且不受钻井液电阻率的影响 , 电成像测井精度高但在高电阻率钻井液( 如油基钻井液 ) 中失效 。伽马成像测井的分辨率较低 、受井深影响较大 , 一般不用于井径分析[ 13]。4. 分析储层岩石力学特性利用随钻成像和声波测井技术可实时获得页岩岩石力学特征参数 。随钻声波测井工具可测量纵横波时差数据 , 运用慢时差关联 ( 可以获得纵波 利用成熟公式便可计算页岩的弹性模量 、体积模量 、泊松比 、摩尔 —库伦准则下的粘聚力 ( 和内摩擦角 ( φ) 等其他参数[ 14]。脆性指数是静态杨氏模量 15]:[( ) /( 8 -1) ] ×100 ( 1)υ[( υs-0. 4) /( 0. 15 -0. 4) ] ×100 ( 2) ( ( 3)同一储层内 ν 由此可建立粘聚力 、内摩擦角 、静态杨氏模量 /泊松比和脆性指数之间的关系及其沿井筒深度的剖面 。另外 , 孔隙压力 、坍塌压力 、最大 /最小主应力等也可利用随钻测井数据获得 。表 1[ 16]列出可使用随钻测井技术获得的参数 。表 1 随钻测井技术可获得的岩石力学参数参数 所需随钻测井资料 其他资料孔隙压力 声波 , 电阻率地层测试 , 地震波层间速率上覆岩层压力 体积密度 钻屑坍塌压力声波 , 自然伽马 ,井壁成像岩石力学实验水平主应力声波 , 井径 , 井壁成像漏失实验 , 微裂缝实验 , 岩石强度数据库岩石弹性参数 声波 , 体积密度岩石特性数据库 ,岩心实验岩石强度参数 声波 , 体积密度岩石特性数据库 ,岩心实验5. 指导地质导向作业最初页岩气钻井时仅使用自然伽马测井值进行地质导向 , 相同自然伽马值可能代表多种的储层位置 , 仅利用自然伽马曲线进行导向可使井眼错过“甜点 ”, 如图 1 所示[ 17]。图 1 相同自然伽马曲线可能反应多种井眼位置·5·第 35 卷 第 4 期35 4钻 采 工 艺 电阻率和自然伽马等测井技术可解决上述问题 。成像测井技术能有效探测储层顶底边界及地层倾角 。当钻具 “向下 ”或 “向上 ”钻过沉积层时 , 在成像结果中会出现 “上突 ”或 “下突 ”显示 ( 钻遇沉积层面时尤为明显 ) , 结合地层倾角数据后 , 可准确判断井眼相对位置 , 做出正确导向指令并保持良好的井眼轨迹 。三 、先进随钻测井工具介绍斯伦贝谢的 列随钻测井工具 , 将环空随钻测压 、声波 、超声波井径 、井斜 、中子孔隙度 、方位角密度 、方位角电阻率和方位角自然伽马等测井工具整合到近钻头的单根中 , 能减少钻井流体的影响 ; 统可对井壁扫描成像 , 有效探测裂缝 、断层 。贝克休斯的 列随钻测井工具可进行近钻头的电阻率 、声波 、自然伽马 、核磁共振 、井斜角和方位角等测量 , 其中 列电阻率成像测井工具能够实现高精度 、无间隔的井壁成像 , 保证成像的完整性和连续性 。四 、结论及建议随钻测井技术在页岩气钻井中有着重要作用 ,利用随钻测井技术能够有效减少建井周期和费用 ,美国某区块页岩气钻井实验表明[ 3], 使用先进随钻测井工具后 , 平均单井建井时间缩短 48. 39%, 该技术能从整体上提高页岩气钻井和开发的效益 。我国在页岩气水平井钻井时已经使用地质导向技术 , 但还处于使用自然伽马曲线作为导向依据的阶段 , 多种先进随钻测井工具没有投入应用 , 导致出现储层特征不明确 、钻井时井壁失稳严重等多种问题 。未来我国应借鉴北美地区经验 , 深入挖掘随钻测井技术应用价值 , 积极进行理论研究和设备研发 ,尤其是研发具有自主知识产权的先进随钻测井工具和解释软件 , 同时将包括先进随钻测井技术在内的更多先进技术应用进来[ 18], 实现安全 、高效的页岩气钻井作业 , 并最终实现页岩气的经济高效开发 。参考文献[ 1] 崔思华 , 班凡生 , 袁光杰 , 等 . 页岩气钻井技术现状及难点分析 [ J] . 天然气工业 , 2011, 31( 4) : 72 -75.[ 2] 张辛耘 , 郭彦军 , 王敬农 , 等 . 随钻测井的昨天 、今天和明天 [ J] . 测井技术 , 2010, 30( 6) : 487 -492.[ 3] WD C] . 10837.2007.[ 4] 张金川 , 金之钧 , 袁明生 , 等 . 页岩气成藏机理和分布[ J] . 天然气工业 , 2004, 24( 7) : 15 -18.[ 5] 米华英 , 胡明 , 冯振东 , 等 . 我国页岩气资源现状及勘探前景 [ J] . 复杂油气藏 , 2010, 3( 4) : 10 -13.[ 6] K C] . 2012.[ 7] C] .32990. 2010.[ 8] P C] . 6411.1987.[ 9] I A B a 2000 - C] . 6681. 1987.[ 10] C] . 28155.2010.[ 11] C] . 33685. 2010.[ 12] Y C] . 37607.[ 13] H C] . 19227. 2008.[ 14] 陈勉 , 金衍 , 张广清 . 石油工程岩石力学 [ M] . 北京 : 科学出版社 , 2008.[ 15] A se of C] . 15258. 2008.[ 16] H A C] . 2011.[ 17] D C] . 38472. 2010.[ 18] 黄玉珍 , 黄金亮 , 葛春梅 , 等 . 技术进步是推动美国页岩气快速发展的关键 [ J] . 天然气工业 , 2009, 29( 5) : 7-10.( 编辑 : 黄晓川 )·6·钻 采 工 艺 7 月012书书书5 012 I 1. 2. 3. , 5( 4) , 2012: 1 -3of is an to it T of PD of on of an to ey , 982, il/008, is in of 63318, P. R. +86 -459 -6504953E -26. F N 2, 1. 2. ) , 5( 4) , 2012: 4 -6of of of of WD of be of “be At WD of to WD on WD WD in be in ey 987, is a , is in on 04, , 25 P. R. +86 -10 -52781741E -26. N F N 2, 1. ; 2. , 5( 4) , 2012: 7 -9of by to of , in of of to of it a 0 At of no of on of ey i( , 968, is an 991, is D in 177 - 3, 00042, P. R. +86 -13983138125E -63. F 1. 2. o. 5 , 5( 4) , 2012: 10 -12of OP it of to of ey of , 983, 006, is in on P. R. +86 -459 -4893521E -63. com
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