地層測(cè)試中不同探針污染驅(qū)替效率研究

鐘恒森, 邸元, 張凱強(qiáng)

(北京大學(xué)工學(xué)院, 北京 100871)

0 引 言

地層測(cè)試的主要目的是及時(shí)、準(zhǔn)確地獲取地層流體高壓物性、油水界面、地層壓力等重要數(shù)據(jù)和信息[1],它是投入生產(chǎn)前的一項(xiàng)重要評(píng)估,能夠?yàn)橛蜌鈱哟_認(rèn)和產(chǎn)能預(yù)測(cè)提供可靠的參考資料。地層測(cè)試技術(shù)有2種:電纜地層測(cè)試(WFT,Wireline Formation Testing)和鉆桿試井(DST,Drill Stem Test)。前者為電纜下掛探測(cè)設(shè)備在指定的深度進(jìn)行流體取樣,主要使用的設(shè)備為模塊化的動(dòng)態(tài)地層測(cè)試工具(MDT,Modular Formation Dynamics Tester tool);后者為置于鉆桿上的探測(cè)組件,在隨鉆下井的過程中進(jìn)行測(cè)試。本文將著重于分析電纜地層測(cè)試中的取樣問題。

MDT模塊化的地層動(dòng)態(tài)測(cè)試器對(duì)復(fù)雜油氣藏的勘探起到了極其重要的作用,如大港油田灘海區(qū)[2]、冀東油田、新疆油田[3]、酒東油田[4]、勝利油田[5-6]等的多口預(yù)探井。為了減少鉆頭與地層巖石的摩擦、帶出固體碎粒和穩(wěn)定井壁等,鉆井過程中需要注入大量鉆井液。鉆井液與固體碎?；旌闲纬傻哪酀{濾液在鉆井過程中會(huì)滲入地層、污染原始的地層液體。采用MDT進(jìn)行地層測(cè)試,如果探針抽取已被污染地層液體作為樣品,必然影響地層測(cè)試所獲數(shù)據(jù)和資料的準(zhǔn)確性。如果采用MDT定點(diǎn)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間抽取取樣,隨著抽取的不斷進(jìn)行,則能驅(qū)替大量侵入帶的泥漿濾液,污染物的濃度會(huì)不斷降低最終趨近于穩(wěn)定(但不可能完全驅(qū)替),進(jìn)而得到更純的地層流體。但是,長(zhǎng)時(shí)間的取樣作業(yè)會(huì)耗廢大量的時(shí)間和成本,機(jī)械故障和設(shè)備的損耗也會(huì)成倍增加。

MDT取樣探針設(shè)計(jì)的不同,對(duì)于在短時(shí)間內(nèi)獲取低污染的樣品有著十分重要的影響。本文分別采用幾種不同的探針形狀和布局,對(duì)油層測(cè)試中泥漿濾液侵入地層及探針抽取地層液體樣品的過程進(jìn)行數(shù)值模擬和分析,從而為MDT取樣探針的選擇和設(shè)計(jì)提供有參考價(jià)值的數(shù)據(jù)和建議。

1 不同類型的取樣探針

MDT常用的取樣探針主要有:標(biāo)準(zhǔn)探針(STDP)、大口徑探針(LDP)、超大口徑探針(ELDP)、快速驅(qū)替探針(QSP)、橢圓探針(EP)和土星三維探針(Saturn 3D)(見表1)。

表1 各種探針的代號(hào)及探針口面積比較

*非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

探針口位于探針中心,也稱為抽取區(qū)域,是地層液體流入MDT的通道。在探針口外圍有一圈橡膠質(zhì)的填塞穩(wěn)定圈。當(dāng)MDT下降至取樣點(diǎn)時(shí),探針部件會(huì)橫向伸出并與井壁接觸。填塞穩(wěn)定圈的作用有2個(gè):①固定MDT與探針的位置;②在探針口周圍的井壁上形成一個(gè)封閉區(qū)域,保證更多的流體從探針流入。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)探針和快速驅(qū)替探針[7]

大口徑探針和超大口徑探針在結(jié)構(gòu)上與標(biāo)準(zhǔn)探針相似,只是在探針口的直徑上有所擴(kuò)大,其目的在于增加探針口的面積,使流量增加,在抽取同樣體積液體的條件下,以更少的時(shí)間完成取樣作業(yè)。

快速驅(qū)替探針的構(gòu)造則比前幾種探針更為精巧(見圖1),它從內(nèi)到外依次為中心探針口、內(nèi)填塞穩(wěn)定圈、保護(hù)環(huán)和外填塞穩(wěn)定圈。其中,中心探針口和保護(hù)環(huán)通過分離的管道,經(jīng)過一個(gè)匯流閥門分別與兩套抽取泵系統(tǒng)相連。通過中心探針口和保護(hù)環(huán)的流體進(jìn)入MDT之后,在分離的管道中流過匯流閥門:若匯流閥門開啟,則2套管路匯流為1條管路,與其中1套泵連通;若匯流閥門關(guān)閉,則2套管路分別與分離的2套泵系統(tǒng)連通。

2 計(jì)算模型

MDT探針取樣過程的計(jì)算可分為2個(gè)階段。第1階段為泥漿濾液滲入階段,主要考慮泥漿濾液滲透、侵入地層的情況,實(shí)際中與之對(duì)應(yīng)的就是鉆井階段。這一滲入地層的過程可基于滲流力學(xué)中徑向流動(dòng)問題的理論解進(jìn)行計(jì)算[8],也可以采用數(shù)值模擬進(jìn)行計(jì)算。值得注意的是,由于泥餅層的作用,會(huì)存在一定的超壓現(xiàn)象[9]。第2階段為樣品抽取階段,以第1階段所得的流體飽和度場(chǎng)和壓力場(chǎng)作為初始條件,采用數(shù)值方法模擬探針抽取地層液體時(shí)的滲流情況。

模擬計(jì)算以探井為中心建立三維徑向網(wǎng)格,采用油藏?cái)?shù)值模擬器ECLIPSE進(jìn)行計(jì)算[10-11]。

(1) 考慮到樣品抽取模型的流動(dòng)特征與生產(chǎn)井類似,采用柱坐標(biāo)描述更為方便。假設(shè)測(cè)試的定點(diǎn)地層均勻,根據(jù)對(duì)稱性可簡(jiǎn)化為中心有井單元的二分之一圓柱形模型。

(2) 雖然水基鉆井液的組成比較復(fù)雜,但其與地層原油的作用和表現(xiàn)出的流動(dòng)性與水相有一定的相似性。本文采用三維黑油模型模擬器近似模擬泥漿濾液的滲入和驅(qū)替,用水相代表泥漿濾液,用油相代表原始地層液體,從而避免使用復(fù)雜的多組分滲流模型。

(3) 在探針?biāo)幍亩c(diǎn)地層,通過細(xì)分井單元并控制其與周圍地層單元的連通性,可以將探針的形狀通過連通的單元布局模擬出來。

(4) 假設(shè)地層無限大,外邊界條件為等壓條件。由于對(duì)稱性,模型只需包含1/2的探針及地層,模型中的對(duì)稱面設(shè)置為封閉邊界。

(5) 實(shí)際過程中鉆頭作業(yè)和地層中的不確定因素會(huì)使鉆井液的溫度、壓強(qiáng)和密度發(fā)生變化,從而影響鉆井液的物性[13]。本文模型中忽略此類不確定性因素的影響。

為了考慮不同探針形狀和布局對(duì)樣品抽取的影響,數(shù)值模擬時(shí)需要對(duì)每個(gè)類型的探針模型都建立相應(yīng)的網(wǎng)格。以標(biāo)準(zhǔn)探針模型的網(wǎng)格為例。

利用對(duì)稱性,標(biāo)準(zhǔn)探針模型的網(wǎng)格采用局部加密的二分之一圓柱形網(wǎng)格系統(tǒng),具體為33×33×69(見圖2)。為了突出探針區(qū)域,圖2(b)中顯示了豎直方向第35層及以下的網(wǎng)格。徑向上,井半徑為0.354 167 ft(4.25 in),井壁之外為地層網(wǎng)格,由密到疏共設(shè)有33個(gè)層,總長(zhǎng)為200 ft。環(huán)向上,考慮到帶有探針的圓柱形MDT為一個(gè)軸對(duì)稱物體,模擬時(shí)僅針對(duì)對(duì)稱面的一側(cè),沿180 °的環(huán)向分隔角建立模型網(wǎng)格,前20個(gè)等分分隔角為探針?biāo)鶎?duì)應(yīng)的區(qū)域,后13個(gè)由密到疏的分隔角構(gòu)成井壁的其他區(qū)域,在環(huán)向上的這33個(gè)分隔角一共180 °。軸向上,豎直向下為正,參考坐標(biāo)的起始平面為z=7 320 ft。在探針附近、豎向上5 ft的定點(diǎn)區(qū)域,沿軸向分隔共69個(gè)層建立模型網(wǎng)格,探針中心位于從上往下第35層處,在探針中心區(qū)域網(wǎng)格局部加密(見圖2)。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)探針模型的網(wǎng)格

探針定點(diǎn)地層為均勻地層,網(wǎng)格的徑向、環(huán)向和豎向滲透率為Kr=Kθ=Kz=100 mD*,孔隙度的取值為φ=0.2。數(shù)值模擬計(jì)算分為2個(gè)階段,第1階段為滲入階段,模擬泥漿濾液注入、滲透地層的過程;第2階段為樣品抽取階段,模擬探針抽取過程。地層深度為7 320 ft,控制條件為定壓(3 600 psi*非法定計(jì)量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2; 1 psi=6.895 kPa,下同)注入,定壓(2 600 psi)抽取。滲入階段的持續(xù)時(shí)間為1 d,該階段結(jié)束時(shí)的地層環(huán)境即為樣品抽取階段的初始條件,其后的樣品抽取階段,持續(xù)時(shí)間為6 d。

3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

探針取樣的過程中首先需要用較長(zhǎng)的時(shí)間排除地層液體中泥漿濾液帶來的污染,這一過程所抽取的液體直接排出而不進(jìn)入取樣罐。當(dāng)探針?biāo)槿∫后w中污染物的含量低于一定比例后,再將樣品注入取樣罐。完成取樣后,取樣罐在地層條件下密封,以保證樣品的壓強(qiáng)等物性與取樣點(diǎn)的液體物性一致。

為了比較不同類型探針的取樣效率,采用的評(píng)價(jià)指標(biāo)是獲取達(dá)標(biāo)樣品所需要的總抽取體積和時(shí)間。為此,定義了原始地層液體占比λo(WOPR/WVPR)和污染物水平λc的2個(gè)指標(biāo)參數(shù)。

(1)

(2)

式中,qw和qo分別為抽取的泥漿濾液和原始地層液體的流量,計(jì)算結(jié)果中分別以WWPR和WOPR表示,兩者之和即是總抽取體積,以WVPR表示;qw0是取樣初始時(shí)刻泥漿濾液的流量。

圖3 不同形狀探針驅(qū)替效果的比較

4 數(shù)值模擬及分析

4.1 不同探針形狀的研究

6種不同類型的探針及其代號(hào)如表1所示,前5種探針按構(gòu)造特點(diǎn)可以分為2類:一類是簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)探針、大口徑探針與超大口徑探針;另一類是帶有保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)的快速驅(qū)替探針和橢圓探針。土星三維探針還處于未定型的基礎(chǔ)研發(fā)階段,在此僅對(duì)前5種探針分別建立相應(yīng)的網(wǎng)格模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

取樣抽取過程各探針均采用定壓抽取的方式,探針口壓力為2 600 psi,較地層壓力低約1 000 psi,取樣的流量在很大程度上決定于探針口的面積。為敘述簡(jiǎn)便,以下均使用探針代號(hào)標(biāo)識(shí)其計(jì)算模型。上述5種探針的數(shù)值模擬結(jié)果見圖3。

(1) 研究原始地層液體占比λo(WOPR/WVPR)同抽取作業(yè)時(shí)間的關(guān)系。指標(biāo)λo與作業(yè)時(shí)間的關(guān)系曲線是判斷樣品達(dá)標(biāo)所用時(shí)間的重要依據(jù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室樣品分析的要求,將樣品達(dá)標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為λo≥95%,從圖3(a)可以看出這5種探針的達(dá)標(biāo)時(shí)間ts依次為

ts,EP

(3)

可見,達(dá)標(biāo)時(shí)間除了與探針口面積相關(guān)之外,還與探針口的形狀密切相關(guān)。探針口形狀的優(yōu)化能在一定程度上縮短達(dá)標(biāo)時(shí)間。QSP的探針口面積比ELDP的小,但由于QSP在探針口附近設(shè)計(jì)有保護(hù)環(huán),它的達(dá)標(biāo)時(shí)間反而較ELDP的短。

(2) 考察原始地層液體占比λo和總抽取體積的關(guān)系。由圖3(b)可知,對(duì)于結(jié)構(gòu)相似的探針,其原始地層液體占比隨總抽取體積的變化曲線也十分相似,例如簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的STDP、LDP和ELDP。面積與它們相近但結(jié)構(gòu)不同的QSP,達(dá)標(biāo)所抽取的液體總體積顯然要少于上述3種探針。再觀察EP的情況,雖然它的達(dá)標(biāo)時(shí)間最短,但由于其探針口面積遠(yuǎn)大于其他探針,需要抽取更多的地層液體才能得到達(dá)標(biāo)樣品。

(3) 對(duì)污染物水平λc(Contamination)同抽取作業(yè)時(shí)間的關(guān)系曲線進(jìn)行比較。污染物水平λc是評(píng)價(jià)污染驅(qū)替效果的物理量,如式(2)所示,它用描述污染驅(qū)替的程度能夠從另一個(gè)側(cè)面衡量探針的效率。與原始地層液體占比的曲線相似,相同抽取作業(yè)時(shí)間情況下,5種類型探針污染物水平的相對(duì)大小為

λc,EP<λc,QSP<λc,ELDP<λc,LDP<λc,STDP

(4)

(4) 對(duì)于污染物水平隨總抽取體積的變化關(guān)系進(jìn)行考察。由圖3中的計(jì)算結(jié)果可以看出STDP、LDP、ELDP和QSP驅(qū)替效率的不同?，F(xiàn)將抽取過程按時(shí)間劃分為前期、中期和后期3個(gè)階段。EP的驅(qū)替效率在抽取過程的前期和后期優(yōu)于其他4種探針,而在驅(qū)替的中期,它所抽取液體的總體積多于其他4種。在抽取過程的前期,污染物水平較高,地層環(huán)境中及進(jìn)入探針口的主要液體為泥漿濾液;在抽取過程的后期,污染物水平較低,地層環(huán)境中及進(jìn)入探針口的主要液體為地層液體,在這2個(gè)階段大流量地抽取會(huì)使井孔附近地層中液體的組成出現(xiàn)較為明顯的變化。所以在抽取階段的前期和后期,EP的污染物水平都低于其他探針。抽取過程的中間階段其他幾種探針的針口面積較小,明顯驅(qū)替的區(qū)域僅局限于探針口的水平面附近,而EP的探針口面積較大,波及的區(qū)域比其他幾種探針更大,所以需要抽取液體的總體積也更多。從圖3(d)中可以看出,EP曲線的比其他曲線更為陡峭,這表明EP的驅(qū)替速率更快。在抽取過程的中間階段、達(dá)到相同污染物水平的情況下,EP所需的總抽取體積最多,這表明在這一階段它的驅(qū)替區(qū)域比其他探針的更大。

4.2 不同探針布局的研究

在同一MDT組件上安裝更多的探針,不僅能夠增加探針口面積,還可以從不同的方向進(jìn)行取樣。這樣改進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)在于,無需設(shè)計(jì)新的探針就可以在原有探針基礎(chǔ)上成倍地增加探針口面積,這種探針布局的極端情況就是MDT探針組件在同一水平面上的四周全都布有探針口,如土星三維探針(OPN-7a,4個(gè)土星探針)和帶有6個(gè)橢圓探針的MDT組件(OPN-7b)。

研究在原有的橢圓探針基礎(chǔ)上進(jìn)行布局上的改進(jìn),分別考慮探針組件在同一水平面上均勻分布1、2、4和6個(gè)相同的橢圓探針,針對(duì)這4種探針和土星三維探針建立模型并進(jìn)行樣品抽取過程的數(shù)值模擬。計(jì)算結(jié)果比較見圖4。

圖4 不同布局探針的比較

對(duì)比圖4中的4種探針組件,探針口越多則樣品達(dá)標(biāo)時(shí)間越短,但是更多探針口也意味著更多的總抽取體積。OPN-7a和OPN-7b的達(dá)標(biāo)時(shí)間幾乎相同,但總抽取體積OPN-7a則相較OPN-7b更少。

4.3 不同地層狀況的研究

地層測(cè)試時(shí),定點(diǎn)地層的滲透率往往很難精確測(cè)得。探針的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)考慮能夠適應(yīng)不同地層中的取樣。探針附近地層流體的流動(dòng)主要是水平及垂直方向的流動(dòng),水平向滲透率(Kh=Kr=Kθ)和豎向滲透率(Kv=Kz)的相對(duì)關(guān)系是具有代表性的地層物性參數(shù)?，F(xiàn)選擇豎向滲透率Kv與水平滲透率Kh之比κ作為變量,研究它對(duì)取樣過程的影響。

(5)

探針模型選用橢圓探針模型,分別考慮κ=0.001、0.01、0.1、0.5、1.0等6種地層狀況進(jìn)行數(shù)值模擬,計(jì)算結(jié)果見圖5。圖5中比較了不同地層條件下的污染物水平曲線和原始地層液體占比曲線。對(duì)于κ越小的地層,橢圓探針的工作效率就越高、達(dá)標(biāo)時(shí)間越短、達(dá)標(biāo)時(shí)的總抽取體積也越少。數(shù)值模擬揭示了這一現(xiàn)象發(fā)生的原因:探針取樣時(shí),與探針位置處于同一水平面的地層中一定范圍內(nèi)的污染物首先被驅(qū)替,之后驅(qū)替的范圍才向垂直方向擴(kuò)展。由于垂直方向上存在大量的被污染區(qū)域,污染物被驅(qū)替后會(huì)得到周圍污染物的補(bǔ)給,這一過程很大程度上受地層滲透率比的影響。如果κ值比較小,說明Kv相對(duì)于Kh較小,地層液體的水平流動(dòng)較垂直流動(dòng)占據(jù)主導(dǎo)地位,污染物從豎向上得到補(bǔ)充的程度較小,整個(gè)抽取過程在水平方向上的驅(qū)替效果更為明顯,且驅(qū)替區(qū)域向垂直方向上擴(kuò)展的趨勢(shì)較弱,因而與探針處于同一水平面的地層中的污染物能被更有效地驅(qū)替,即以更短的作業(yè)時(shí)間和更少的總抽取體積獲得了達(dá)標(biāo)樣品。

圖5 不同地層狀況取樣結(jié)果的比較

通過模擬分析還可知,在κ較小的地層環(huán)境中,如果探針口面積相同,則垂直方向尺度較小的探針能更有效率地獲得達(dá)標(biāo)樣品。

5 結(jié) 論

(1) 分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)探針、大口徑探針、超大口徑探針、快速驅(qū)替探針、橢圓探針5種形狀的探針建立了計(jì)算模型,采用油藏?cái)?shù)值模擬器ECLIPSE對(duì)油層測(cè)試中泥漿濾液侵入地層及探針抽取地層液體樣品的全過程進(jìn)行了數(shù)值模擬和比較分析。

(2) 建立了帶有多探針口的橢圓探針和土星三維探針的計(jì)算模型,通過數(shù)值模擬對(duì)不同探針布局進(jìn)行了比較。還考慮了水平向滲透率與豎向滲透率之比對(duì)探針取樣過程的影響。

(3) 為了使樣品更快地達(dá)到取樣標(biāo)準(zhǔn),可采用增加探針口面積的方法增加進(jìn)入探針口的地層液體流量。在探針結(jié)構(gòu)相同的情況下,增加探針口面積可以縮短達(dá)標(biāo)作業(yè)時(shí)間,但同時(shí)也增加了總的抽取體積。保護(hù)環(huán)的設(shè)計(jì)與使用可以有效提高中心探針口的驅(qū)替效率。

(4) 取樣時(shí),水平方向流入探針的地層液體多于垂直方向流入的地層液體,在垂直方向的污染物殘留較難進(jìn)入探針區(qū)域。在豎向滲透率與水平滲透率比值較小的地層環(huán)境中,如果探針口面積相同,垂直方向尺度較小的探針能更有效率地獲得達(dá)標(biāo)樣品。探針設(shè)計(jì)時(shí),需要在選擇更大的探針口面積和保持較小的垂直尺度兩者間作權(quán)衡取舍。

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