基于電纜地層測試取樣的水分析技術及泵抽時間優(yōu)化

劉海波，楊玉卿，王 猛，劉海涅，李 揚

基于電纜地層測試取樣的水分析技術及泵抽時間優(yōu)化

劉海波，楊玉卿，王 猛，劉海涅，李 揚

（中海油服油田技術事業(yè)部，河北燕郊 065201）

電纜地層測試作業(yè)因鉆井液侵入、儲層滲透性、泵抽效率等因素影響，經常不能取到較純凈的原狀地層流體樣品，導致儲層流體性質判斷困難。在傳統(tǒng)的現(xiàn)場快速水分析技術基礎上，此文提出利用甲酸根作為特征離子來計算樣品的純度，判別取樣樣品的流體性質。與此同時，提出采用電阻率計算方法，求取樣品純度與電阻率變化率的關系，進而提出電纜地層測試取樣的最佳時間節(jié)點。海上數(shù)十口井實際應用表明，該技術不僅可為現(xiàn)場作業(yè)決策提供重要的依據(jù)，也可大大節(jié)約勘探成本，降低作業(yè)風險。

電纜地層測試取樣；水分析技術；泵抽時間；電阻率；樣品純度

隨著海上勘探以“低阻低孔低滲”為代表的“三低”油氣層越來越多，對儲層流體性質識別和評價的難度日益突出。在海上勘探階段，電纜地層測試取樣技術成為解決這一問題的重要手段，但在應用過程中，由于鉆井液侵入、儲層滲透性、泵抽效率等因素影響，電纜地層測試作業(yè)經常不能取到較純凈的原狀地層流體樣品[1]。如果要取到較純凈的地層樣品，必須用較長的泵抽時間，排除地層中侵入泥漿濾液的影響，這樣不僅勘探花費巨大，作業(yè)時間長帶來的作業(yè)風險更大。因此，確定合理泵抽取樣時間，對節(jié)約勘探費用，降低作業(yè)風險意義重大。本文旨在通過應用和發(fā)展現(xiàn)場快速水分析技術，來提高樣品純度分析與流體性質判斷的可靠性，進而提出電纜地層測試的優(yōu)化泵抽時間節(jié)點。

1 現(xiàn)場快速水分析技術

該技術集成了國內外最先進的水分析設備，為方便運輸，所有設備均安裝在標準的工房內，運送到海上平臺或井場完成樣品的分析工作[2-4]。該技術利用離子色譜分析儀進行快速分析獲得樣品中常見離子濃度，通過與泥漿濾液中各離子濃度對比，利用傳統(tǒng)水分析計算方法，即定量的K+濃度法，結合Na+/K+比值的定性方法，可計算出水樣樣品中泥漿濾液與地層水的體積比，同時估算地層水的總礦化度和電阻率等參數(shù)。該技術最顯著的優(yōu)點是時效性高，在現(xiàn)場及時有效的對電纜地層測試取樣樣品進行分析，排除泥漿濾液的干擾，通過計算得到純凈的地層流體信息。

在實際應用過程中，傳統(tǒng)方法比較單一，計算結果得不到驗證，并且海上泥漿體系經常變化，傳統(tǒng)方法有時不能適用。針對以上問題，本文提出采用甲酸根離子（HCOO-）作為特征離子的計算方法和樣品電阻率的計算方法，與傳統(tǒng)方法相互驗證，以更好地判斷取樣樣品的純度及流體性質。

1.1 傳統(tǒng)的K+濃度法

海上鉆井泥漿體系一般為氯化鉀泥漿體系，K+濃度都很高，而K+在地層中含量比較少，且K+不易與其它離子發(fā)生化學反應。因此，在實際應用中，將K+作為區(qū)分地層水和泥漿濾液的特征離子，計算水樣中地層水和泥漿濾液所占比例的方法，就是定量的K+濃度法[4]。計算公式為：

式中：M為水樣中地層水的含量，100%； R0為地區(qū)地層水中K+濃度，mg/L；R1為泥漿濾液中K+的濃度，mg/L；R2為水樣中K+的濃度，mg/L。地區(qū)地層水中K+濃度R0取地區(qū)經驗值，數(shù)值一般都很小，對計算結果影響很小。

K+濃度法適用范圍比較廣，幾乎海上所有的井都可以用這種方法計算。但是如果取樣層段中泥質含量較多，K+與地層間進行擴散吸附以及陽離子交換，會引起計算誤差。

1.2 HCOO-濃度法

甲酸鹽鉆井液是近年來發(fā)展應用起來的一種新型鉆井液體系，具有鹽水密度范圍寬 、結晶溫度和腐蝕電位低、對頁巖抑制性強、固相污染容限高 、不損害產層、無毒等優(yōu)點[5-6]。針對海上探井，特別是高溫高壓井、水平井等復雜條件下的鉆井情況，經常采用甲酸鹽體系的鉆井液。

甲酸鹽體系的鉆井液中HCOO-濃度很高，而地層中幾乎沒有HCOO-，所以可以將HCOO-作為特征離子，對樣品進行定量計算。本文提出利用離子色譜測定泥漿濾液中和電纜地層測試取樣水樣中的HCOO-濃度，計算樣品中地層水的含量，計算公式為：

式中：R1為泥漿濾液中HCOO-濃度，mg/L；R2為水樣中HCOO-濃度，mg/L。

HCOO-濃度法免去了地層背景值的選取，使計算方法更簡便。在鉆井泥漿所涉及的化學物質環(huán)境下，HCOO-具有很好的化學穩(wěn)定性，保證了計算的精度。隨著海上甲酸鹽鉆井液體系應用的逐漸增加，HCOO-濃度法也會得到廣泛的應用。

1.3 電阻率計算方法

郭海敏[7]提出用電阻率測量法求取混合水樣中的地層水含量（M）的方法，其原理是假定樣品的電阻由地層水和泥漿濾液兩部分電阻并聯(lián)構成，泥漿濾液電阻率和樣品電阻率可以測量得到或者分析樣品礦化度后計算得到，地層水電阻率根據(jù)測井資料或鄰井試井資料得到，那么M的計算方法如下：

式中：Rmf為泥漿濾液電阻率，Ω·m；Rz為樣品電阻率，Ω·m；Rw為地層水電阻率，Ω·m。

K+濃度法和HCOO-濃度法均是依靠特征離子來計算，假設條件是泥漿濾液與地層水混合時，這兩種特征離子不能與其它離子發(fā)生化學反應，也沒有固體或者氣體析出的物理反應。而溶液的電阻率是溶液中各離子種類、濃度以及溶液溫度等條件的綜合反應，所以電阻率計算方法存在其它離子的影響，計算精度較前兩種方法降低。

2 電纜地層測試取樣泵抽時間優(yōu)化

電纜地層測試作業(yè)過程中，儀器座封后進行泵抽作業(yè)，在泵抽過程中，首先泵出地層中污染帶的泥漿濾液，其次泵出地層過渡帶中泥漿濾液與地層流體的混合物，最后取到含有較少量泥漿濾液的地層流體。電纜地層測試取樣作業(yè)，泵抽的時間越長，取到的樣品越純，最后樣品趨近于某個純度，即地層流體和泥漿濾液供給與泵抽速度達到平衡后，樣品的純度不隨泵抽時間的增加而增加。由于受到地層因素、泵參數(shù)、井筒泥漿性能等條件的影響，如果泵抽時間太短，泵抽的流體未達到一定平衡，利用公式計算的樣品純度誤差會增大。如何找到既能滿足現(xiàn)場計算所需要的樣品純度，又不需要太長的泵抽時間，即電纜地層測試關鍵是確定最佳泵抽取樣時間節(jié)點，是本文的關鍵點 。

基于前述公式（3）電阻率計算方法，可以得到樣品純度（M值）與樣品電阻率（RZ）的關系。為使電阻率無量綱化，引入電阻率變化率V，計算公式如（4）所示。將公式（4）變換后代入公式（3），得到公式（5），即樣品純度與電阻率變化率的關系式，其相互關系用示意性曲線展示如圖1所示。

從圖1中曲線看出，在曲線的切點（曲率最大的點）之前，樣品純度增加很快，表明泵抽效果較好；在切點之后，樣品純度變化緩慢，泵抽的效果變差，這個切點應為泵抽時間的界限點，即優(yōu)化的泵抽時間節(jié)點。在泵抽作業(yè)過程中，泵抽時間到這個切點附近進行取樣，利用現(xiàn)場快速水分析技術進行分析，仍可得到純地層流體的性質。

如何判斷泵抽取樣時間節(jié)點是關鍵。在電纜地層測試取樣過程中，可通過實時監(jiān)測取樣樣品電阻率變化，定性判斷樣品純度。如果判斷樣品中含有地層水，通過已知Rw和Rmf值，根據(jù)公式（5）建立樣品純度隨樣品電阻率變化率的關系曲線，找到曲線曲率最大的點，得到樣品電阻率變化率值V。再根據(jù)電纜取樣過程實時監(jiān)測樣品的電阻率與泵抽時間的關系，最終得到優(yōu)化的最佳泵抽時間點。

3 應用實例

圖1 樣品純度與樣品電阻率變化率關系曲線

實例1：海上3口探井4個電纜地層測試取樣的水樣樣品，驗證上述三種方法的應用效果，分別計算樣品的純度，如表1所示。從表中看出，電阻率計算法與傳統(tǒng)方法即K+濃度法相比，計算結果誤差最大為-6.10%；甲酸根計算方法與傳統(tǒng)方法計算結果相比，誤差最大為2.10%?？梢?，上述三種方法計算結果誤差很小，在實際應用中可以根據(jù)鉆井液狀況和具體情況，靈活選擇，或多種方法共用相互驗證，以增加分析結果的可靠性。

實例2：海上盆地某凹陷A井是一口預探井，目的是落實該凹陷的含油氣性，實現(xiàn)該構造油氣勘探突破。圖2是該井目的層段的測井響應曲線綜合圖。從圖2可以看出，該井在X695.5～ X701.5m井段，砂體特征明顯，物性較好，氣測值也較高，隨鉆電阻率10～ 15Ω·m。為確定儲層流體性質，決定在X700m進行電纜地層測試取樣，泵抽300min后，泵抽出流體體積162L，樣品電阻率從0.025Ω·m上升到0.205Ω·m，未取到油氣。應用現(xiàn)場水分析技術，得到樣品中混有地層水為94%，從而確定儲層流體性質為水層。

利用現(xiàn)場快速水分析技術，得到純地層水電阻率Rw為0.32Ω·m，電纜地層測試取樣器讀取泥漿濾液電阻率Rm為0.025Ω·m。根據(jù)公式（5），可以得到圖3曲線，從圖中可知，電阻率變化率在200%附近，是優(yōu)化的泵抽時間節(jié)點，即樣品電阻率由0.025Ω·m變化到0.075Ω·m。根據(jù)電纜地層測試取樣器實時監(jiān)測的樣品電阻率值與泵抽時間關系曲線（圖4）可知，優(yōu)化的泵抽時間應該在40min左右。可見，采用本文技術，要實現(xiàn)取樣目的可以節(jié)約泵抽時間260min。

實例3：海上盆地某凹陷B井是一口預探井，圖5是該井目的層段的測井響應曲線綜合圖。從圖5 可以看出，該井在X780～ X785.5m井段，砂體特征明顯，物性較好，氣測值也較高，但是電阻率與上部典型氣層（X771～ X778m）相比有一定程度的下降。為確定儲層流體性質，決定在X782.83m進行電纜地層測試取樣。該井鄰井純地層水電阻率Rw為0.23Ω·m，泥漿濾液電阻

率由電纜地層取樣器讀數(shù)Rm為0.022Ω·m。應用本文技術，根據(jù)公式（5）可以得到樣品純度隨樣品電阻率變化率關系曲線，如圖6所示。從圖中可知，電阻率變化率為150%左右為優(yōu)化的泵抽時間節(jié)點，此時樣品電阻率則由0.022Ω·m變化到0.055Ω·m。實際泵抽過程中，對樣品的電阻率進行監(jiān)測如圖7所示。當樣品電阻率由最初的0.022Ω·m上升到0.06Ω·m時，泵抽時間332min，泵出流體體積158.8L，此時停止泵抽，進行取樣，取樣樣品體積為405mL，未取到油氣流體。對獲得水樣現(xiàn)場水分析結果見表2，從表中看出樣品中混入泥漿濾液22%，樣品純度為78%，從而確定儲層流體性質為水層，并估算出純地層水的礦化度為8082mg/L，電阻率為0.777Ω ·m（25℃）。

表1 三種方法計算樣品純度

圖2 海上盆地某凹陷A井測井響應曲線綜合圖

圖3 樣品純度隨樣品電阻率變化率關系曲線

圖4樣品電阻率隨泵抽時間關系曲線

圖5 海上盆地某凹陷B井測井響應曲線綜合圖

圖6 樣品純度隨樣品電阻率變化率關系曲線

圖7 樣品電阻率隨泵抽時間關系曲線

表2 B井電纜地層測試取樣快速水分析數(shù)據(jù)表

4 結論

（1）提出利用甲酸根作為特征離子，計算電纜地層測試取樣樣品的純度，拓展了原有計算方法 ，與傳統(tǒng)方法進行比較驗證，效果良好，增加了現(xiàn)場水分析技術的可靠性。

（2）提出利用電阻率計算方法，求取樣品純度及其與電阻率變化率的關系，優(yōu)化電纜地層測試作業(yè)泵抽時間，指導現(xiàn)場取樣作業(yè)，節(jié)省勘探成本，降低作業(yè)風險。

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Technology of Water Analysis Based on Wireline Formation Test and Optimization of Pump Time

LIU Haibo, YANG Yuqing, WANG Meng, LIU Hainie, LI Yang
（Oil fi eld Technology Department of CNOOC Oil fi eld Services Limited,Yanjiao Hebei 065201, China）

Due to the factors such as drilling fl uid invasion, reservoir permeability, pump eff i ciency and other factors,pure undisturbed formation fl uid samplescannot be obtained during the test operation of the cable formation, which leads to great diff i culty in judge of reservoir fl uid properties. Based on the traditional fast water analysis technology, in this paper, it is proposedthat formic acid can be used as the characteristic ionto calculate the purity of the sample, and to determine the fl uid properties of the sample. At the same time, it is proposed the relationship between sample purity and resistivity change rate can be obtained by using the resistivity calculation method, and then the optimal time node for the cable formation testing is proposed. The practical application of dozens of wells at sea shows that the technology can not only provide an important basis for the fi eld operation decision, but also greatly reduce the cost of exploration and reduce the risk of operation.

Cable formation testing and sampling; water analysis technology; pumping time; resistivity; sample purity

TE54

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2017.03.037

1008-2336（2017）03-0037-06

2017-01-11；改回日期：2017-03-31

劉海波，男，1981年生，碩士，工程師，主要從事測井資料解釋應用、油藏評價工作。E-mail：liuhb7@cosl.com.cn。