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光学气测录井技术研究与应用--石油学会2009

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光学 气测录井 技术研究 应用 石油 学会 2009
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1红外光学气测录井技术研究与应用佘明军 陶国强 韩学岩 李胜利(中原石油勘探局地质录井处)摘 要 常规气相色谱录井技术由于自身应用成本较高点,其使用范围受到一定限制。荧光录井作为光学录井的一种技术手段,其检测对象为特定岩屑,需要进行挑选,受自身技术特点的限制,不能实现连续在线录井。针对针对目前地质录井工作遇到的钻井新工艺、新技术应用所造成的常规岩屑录井、荧光录井效果难以得到有效保证、尤其异常显示难以及时准确发现的问题,本文结合地质录井现场实际,根据红外吸收光谱进行气体分析在其它领域的应用成果,提出红外光学气测录井的方法。文中对常规气测录井、荧光录井面临的困难进行了简单介绍,叙述了光学气测录井原理,并对可靠性进行了验证,设计开发出红外光学气测录井仪器。文中列举了红外光学录井技术现场应用效果,证明了该方法可以提高油气异常显示的及时发现率,具有良好的推广应用前景。关键词 气测录井、荧光录井 气相色谱 红外光 吸收光谱 光学气测录井 前 言气测录井技术作为地质录井技术的有机组成部分,在油气勘探过程中具有极为重要的作用,在钻井过程中,利用该技术能够及时有效地发现钻遇地层中的油气异常显示,气测资料由于具有直观性、现在已成为录井现场地质技术人员发现和判断油气显示的主要依据。目前,气测录井技术主要是利用气相色谱分析方法,对从钻井液中分离出的反映地层流体性质的样品气浓度进行检测,用来识别油气异常显示。定器采用氢火焰鉴定器(,该鉴定器利用氢气燃烧产生的火焰为能源。样品气中的烃类有机物随载气进入火焰燃烧,由于离子化反应而产生了许多离子。在火焰上方为筒状收集极,下方为极化电极,两极之间施加有恒定的电压,形成静电场。当样品气中含有烃类有机物时,由于化学电力反应带电粒子对,在电场作用下,形成离子流,经过电路处理由计算机系统进行采集,对各种烷烃进行定性定量分析。近年来钻井技术发展迅猛,头加螺杆复合钻井工艺、空气钻井等新工艺、新技术得到推广应用,使机械钻速大幅提高,钻时小于 30 秒的现象极为普通,同时,岩屑颗粒研磨程度的加强,导致岩屑颗粒粉末化,造成了岩屑录井、钻时录井的可靠性受到一定的影响。气相色谱分离技术在对样品气组分进行定量分析的同时,分析周期具有一定的时间,尽管录井仪器人员对气测录井仪进行了技术改进,但是受到该技术色谱柱自身分离效率的影响,目前国内外的快速色谱气测录井仪的分析周期最短时间认为 30 秒。一方面对钻进过程中每米地层的地层流体难以保证准确测量。同时,为了尽可能的真实反映地层流体性质,每米应保证两个以上分析样品,但由于受到分析周期的限制,还存在着挑战。由于仪器自身造价成本昂贵,加之为了确保设备正常工作,还需要空压机、氢气发生器等附属设备多,造成了录井费用偏高,因此通常只是应用于探井、评价井等级别较高的类别井,在开发井中很少应用气测录井。随着油田进入到开发中后期,油气资源的勘探开发难度进一步提高,开发井中油气层的实际深度与地质录井设计经常出现不一致现象,仅依靠常规的录井手段难以确保录井剖面的符合率。发出荧光。不同重烃组分发射出的荧光颜色不同。根据样品的荧光颜色、亮度等特点可以发现石油含量,这就是常用的荧光录井。用荧光录并鉴别油、气层是比较好的方法,在定性解释和定量解释方面都有很大的作用。通常是将全部录井岩屑系统地逐包置于荧光灯下观察,看是否有荧光显示。为了使荧光录井进一步科学化、提高录井效果,在传统荧光录井的基础上有发展出定量荧光录井技术。其基本原理是:物质的分子吸收光能后发生能量跃迁,处于不稳定的激发态,处于激发态的分子会放出光子重新回到分子基态,这就是荧光的产生过程。利用样品荧光强度与浓度之间具有一定的数据关系,在计算机的控制下,不同的岩屑样品的含油情况可以得到很好的测量记录,实现油气资源的及时发现。在大斜度井、大位移井、水平井的钻井施工过程中,为了降低井壁摩阻,提高钻安全,如果该井类别为开发井,通常会在钻井液中加入原油或沥青粉等材料。随着钻井液上返到地面的岩屑颗粒通常被原油包括,荧光录井过程中的荧光失真,荧光录井的可靠性难以保证。钻井液中分离出的样品气含有不同的烷烃类气体,这些烷烃类气体对一定波长的红外光具有吸收作用,不同浓度的样品气对红外光的吸收强度不同,二者之间满足朗伯伯(律阐述为:光被透明介质吸收的比例与入射光的强度无关;在光程上每等厚层介质吸收相同比例值的光。比尔(律阐述为:光被吸收的量正比于光程中产生光吸收的分子数目。根据比尔 = P 0 (1)其中 P 0为光源发出的功率,P 为接收功率,α 为气体分子吸收系数,C 为气体浓度,L 为气室长度。为便于检测,将(1)式改写为:从(2)可知,如果 L 与 α 已知,那么通过检测 P 和 ,利用上述原理开发出红外光学气测录井仪器,进行气测录井,通过对录井数据进行分析,及时判断和发现油气异常显示。制成不同浓度的样品进行检测,对得到数据进行分析,部分实验数据如表 1:表 1 纯甲烷实验数据注样浓度(%) 测浓度(%) 样浓度(%) 测浓度(%) 2 纯乙烷实验数据柱样浓度(%) 出浓度(%) 表 3 纯丙烷实验数据柱样浓度(%) 出浓度(%) 4 正丁烷实验数据柱样浓度(%) 出浓度(%) 5 异丁烷实验数据柱样浓度(%) 出浓度(%) 过对实验数据进行分析,尽管有些样品气输出浓度与注样浓度偏差较大,但是二者具有较好的线性关系,相关系数均大于 此可以认为:利用红外吸收方法基本可以实现气测录井的要求。了继续验证红外光吸收技术进行全烃录井的可靠性,对同一个样品气分别利用红外光气体分析仪和快速色谱进行检测分析,然后对二者的检测结果进行对比分析。部分实验数据如表 6、表 7:表 6 甲烷红外—色谱对比数据表柱样浓度(%) 输出浓度(%) 表 7 丙烷红外—色谱对比数据表柱样浓度(%) 出浓度(%) 验数据表明:对于同一样品两种方法的检测结果之间具有较好的变化趋势。究人员把红外气体分析仪带到综合录井施工现场,仪器的输出信号作为 号,接入合录井仪进行记录,并把记录数据与色谱分析数据进行对比分析,验证其有效性。在 进行相关试验,记录数据井段为 ,总计 1033 米,取得大量数据,部分时间剖面对比曲线如图 1。红外数据色谱全烃4图 1 ××日 10:45—12:45 实时数据对比曲线图结论:多种试验方法均证明红外吸收光谱技术在检测烷烃类气体浓度变化情况方面,效果明显,但是所选用的实验仪器由于受到自身设计应用方向的限制,还难以满足气测录井施工现场条件的要求,需要重新设计开发出新型红外气测录井仪器。氢化合物的中红外吸收中心波长随着分子量的增加而增加。但是在整个 区域,碳氢化合物都有一定的吸收,并且相互都有一定干扰。 如果对红外测量的中心波长和带宽进行优化,并通过多组探测器进行相互的修正,也可以进行碳氢化合物各组分的精确测量。红外光学气测录井仪的原理框图如图 2。图 2 红外光学气测录井仪原理图在仪器的设计开发过程中,为了提高气测录井数据的质量,采用了甲烷、丙烷传感器组合应用的方法。该仪器与深度录井仪结合,成为具有气测录井功能的0204060801000 50 100 150 200 250 300 350时 间录井值红外光源脉冲电流红外探测器 前置放大气室气泵液晶显示单片机控制系统放大整流温度控制键盘0小型综合录井仪,录井主程序如图 3。利用该仪器进行了多口井的应用,完全满足开发井的录井施工要求。 图 3 用红外光作为光源,结合烷烃类气体具有吸收红外光的特性,对从钻井液中脱出的样品气进行烷烃浓度实时检测,实现气测录井目的的一种录井方法。该技术具有以下特点:耗低、无辅助设备由于红外光气测录井仪是以电调制非分光红外气体传感器为核心开发出的一种气测录井仪,与常规色谱气测录井仪对比,该仪器集成在一个标准机箱内,结构简单,体积小,功耗低,响应速度快,精度高。同时,由于改变了气体检测分析模式,该仪器还省去了空气压缩机、氢气发生器等辅助性设备。因此,红外光气测录井仪具有低制造成本、低使用成本,为广泛使用提供了可能性。确红外光气测录井技术与常规地质录井技术相结合,在钻时录井、岩屑录井等传统录井资料的基础上,又增加了气测录井资料,有利于现场地质录井技术人员快速发现和判断油气异常显示,进一步提高录井成果的可靠性。是中原油田的一口滚动评价井,根据设计要求,录井仪器采用 综合录井仪,完钻井深 3455 米。在录井过程中,利用 井仪与 合录井仪同时录井,甲烷录井对比曲线如图 4,两种仪器的气测录井结果表明气测异常显示完全相同。图 4 井效果还存在有干扰因素的影响。经过对大量的样品气分析数据研究表明,干扰因素主要包括以下几点:果分析样品气的湿度过高,将不可避免的吸附在分析气室的内腔壁上,影响到分析结果。同时,由于钻井施工过程中的钻井液均有一定的腐蚀性,这些水珠将会腐蚀分析气室,使其寿命受到影响。旦样品气含有颗粒性杂质,在经过分析气室过程中,当红外光照射在颗粒表面时,容易造成光线散射,使红外探测器接收到的光线强度降低进而影响到检测结果。320 3340 3360 3380 3400 3420 3440 井 深 ( m)录井气测值(%)0481216色 谱 甲 烷 红 外 甲 烷气测异常6根据发现的干扰因素,结合仪器的工作现场实际,分别采取了对应的消除措施。于将要分析的样品气,采取了利用沉淀瓶和氯化钙干燥二级处理方式进行干燥处理,录井施工人员要做到及时清理沉淀瓶、更换干燥剂。进入分析气室前,加装滤芯球,保持样品气清洁。外光气测录井技术适用范围广泛,应用效果显著,主要表现为:井工艺大多采用 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,难以识别等问题,影响钻时录井、岩屑录井的可靠性。利用红外光气测录井技术可以有效地克服钻井新技术发展对地质录井工作带来的不利影响。①解决了岩屑样品颗粒细小,难以判别含油岩屑问题在 的录井过程中,由于钻井施工队伍采用了 头加螺杆的复合钻井的新工艺,导致捞取的岩屑样品颗粒直径极为细小。在难以捞取的同时,现场地质技术人员仅依靠人工手段难以识发现砂岩颗粒样品,难以判断录井过程中是否出现有油气异常显示。结合地质设计以及钻时变化情况,预计井深 3430 米上下应该有一层异常显示,但是通过捞取的岩屑样品观察,3428 米的样品与 3412 米基本一致,难以找到砂岩样品颗粒(如图 5)。红外气测录井数据在井深 3428 米时由 升到 上升幅度超过全烃数据基值的 4 倍,因此可以判断该层为气测异常显示,并得到了综合解释结果的验证。图 5 岩屑对比图②解决了钻时曲线相对变化不明显,地层分层困难问题在 的 1980~2060 米井段,钻时数据大部分在 3右,如果按照钻时曲线划分地层,十分困难,难以判断该段井深中是否有没有异常显示。在录井过程中发现:①井段 1995~1998 米,钻时 外光气测 判断该层为异常显示;②井段 2011~2015 米,钻时 外光气测 判断该层为异常显示;③井段 2040~2044 米,钻时 外光气测 判断该层为异常显示;7该段井深的随钻录井录井图如图 6。图 6 1980~2060 钻时曲线上难以体现出变化趋势,同时由于该段岩屑量过少而难于在砂样中发现油气异常。在常规录井状态下,薄层油气异常显示的发现率难以得到有效保证。在红外光气测录井技术条件下,可以有效的跟踪全烃曲线的变化趋势发现薄层异常显示。利用红外光气测录井技术发现薄层油气异常显示在 表现十分明显(如图 7) 。图 7 2680~2750 米随钻录井图在井段 2680~2750 米中,钻时数据基本处于 18~21间,变化趋势不明显,难以真正划分地层。但是,依靠红外光气测录井曲线,去能够有效发现薄层油气异常显示,在图 3 中,可以清楚地发现:综合解释结果的四层油层(每层 1 米左右)在红外光气测录井曲线上均有明显变化。成油气异常显示难以确定问题在大斜度、大位移井以及水平井的录井中,由于多方面因素的影响,经常会遇到钻井泥浆中混入原油的现象。由于泥浆中混入原油,使得井筒中充满原油成分。因此,随着泥1:50绘 图 单 位 : 中 原 石 油 勘 探 局 地 质 录 井 处 仪 器 类 型 : 全 烃 录 井 仪 钻 录 井 图层 位钻 时 ( 0 30 井 深 m 岩 性 剖 面 红 外 全 烃 20 综 合 解 释19802002020204020801:50绘 图 单 位 : 中 原 石 油 勘 探 局 地 质 录 井 处 仪 器 类 型 : 钻 录 井 图层位 钻 时 ( 0 40 深 度 (m)颜 色 岩 性 剖 面 含 有 物 钻井取心位置 湿照颜色 系列级别 综 合 解 释红 外 全 烃 曲 线 20 铜 钵庙组 26802690270271027027302740276027031031031031031031031031031031037779777232425627282930313234353637389404142434荧 光8浆返出到地面的岩屑样品,表面吸附有原油成分,尽管经过捞砂工仔细清洗,仍难以彻底洗干净,给录井工作造成的直接问题是含有异常显示的岩屑样品与正常的岩屑样品颜色接近一致,难以区分,使得荧光录井结果失真。在泥浆混入原油后,由于受到原油内烃类化合物的影响,红外光气测的录井数据很快上升,在泥浆循环均匀后,录井曲线处于较高的基值,但是一旦遇到异常显示,气测曲线变化十分明显,有利于现场地质录井技术人员确定异常显示层。是一口定向井,为了便于在斜井段钻井施工,钻井队在 2200 米井深时混入原油,经过循环均匀后红外光气测录井基值上升到 12%,随着继续钻进,红外光气测曲线比较平稳的向低值方向偏移,到井深超过 2335 米后,曲线基值基本稳定在 3%左右,在2355~2390 米井段,尽管基值仍处于下降趋势,但是还有红外光气测曲线上升的现象发生,综合其它资料,地质技术人员判断该井段有六段异常显示井段,其中荧光两层、油迹四层(如图 8) 。图 8 保钻井施工安全,保护油气层目前,随着油气资源开发理论的发展,油气层保护被提高到一个新的高度,这就要求在钻井施工过程中做到安全钻进,尤其是在含有油气资源的地层中钻进时,尽可能的做到平衡钻进。为了保证钻井施工的安全,需要对钻井液的密度进行合理调整,做到对油气资源压而不死,活而不涌。为了为钻井队提供调整钻井液密度的依据,通常是对记录观察油气显示后效,计算出油气上窜速度。在常规地质录井施工过程中,由于缺少气测资料,后效资料的记录依靠人工判断。一方面容易受到天气条件的影响,另一方面还易受到录井工人对异常显示观察的判断能力的限制,造成计算出的上算速度的准确度难以保证。常规地质录井与红外光气测录井技术结合在一起后,通过录井仪器可以自动记录后效的相关数据资料,为钻井队提供一个准确的上窜速度。过多口井的应用成果证实:具有1:50绘 图 单 位 : 中 原 石 油 勘 探 局 地 质 录 井 处 仪 器 类 型 : 3 钻 录 井 图层 位 钻 时 40 深 度 (m)颜 色 岩 性 剖 面 含 有物 钻井取心位置 湿照颜色 系列级别 红 外 全 烃 曲 线 1 20 综 合 解 释南 屯 组 2 段260270280290230231023023023402350236023702380140140140140140140140314314314353535 7999荧 光南屯组段2402410353 99实时性、设备安装操作简单、应用成本低等优点,可以应用于开发井的录井过程中,是目前气测录井的一种有效补充手段,具有推广应用可行性。把红外吸收技术应用到地质录井工作中是一个崭新的课题,缺少相关参考资料,在提高录井数据的利用率方面还有待进一步研究。参考文献:[1]料)[2]熊友辉,—5[3]张 帆,):62]杨宜禾,岳 敏,5]纪 ]994(4)[7]999(12)[8]徐毅,996(6)[9]996(1)[10]王玉田,003(11)作者简介:佘明军 男, 1968 年 5 月出生,高级工程师, 1992 年毕业于江汉石油学院电子仪器与测量专业,2008 年毕业于中国石油大学石油与天然气领域工程硕士学位,目前在中原石油勘探局地质录井处从事地质录井技术研究工作,公开发表科技论文近三十篇。通信地址:河南省濮阳市五一路 85 号中原油田地质录井处邮 编:457001电 话:(0393)482846126.com
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