气体钻井地层出水量计算新方法的研究

Ｖｏｌ.３０　Ｎｏ.２

Ｍａｒ.２０１９

气体钻井地层出水量计算新方法的研究

(１.陇东学院能源工程学院ꎬ甘肃庆阳７４５０００ꎻ２.西北大学地质学系ꎬ陕西西安７１００６９ꎻ３.大庆钻探工程公司钻井

工程技术研究院ꎬ黑龙江大庆１６３４１３ꎻ４.中石化河南石油工程有限公司钻井工程公司ꎬ河南郑州４５００００)

摘　要:通过对气体钻井中地层出水的分析和研究ꎬ认为在气体钻井中地层的出水量主要包括气体雾化水量、井壁吸水量、岩屑吸水量和自由水量四部分ꎮ为了计算每一部分的水量ꎬ通过四种试验对上述四种水分别进行了分析研究ꎮ还利用试验的手段ꎬ对气体钻井中地层的出水量进行定量分析ꎮ关键词:气体钻井ꎻ地层出水ꎻ出水量计算中图分类号:文献标识码:Ａ

袁义东１ꎬ２ꎬ杨　毅３ꎬ孙乖平４

ＹＵＡＮＹｉ￣ｄｏｎｇ１.２ꎬＹＡＮＧＹｉ３ꎬＳＵＮＧｕａｉ￣ｐｉｎｇ４

(１.ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＮａｔｕｒａｌＲｅｓｏｕｒｃｅｓꎬＬｏｎｇｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＱｉｎｇｙａｎｇ７４５０００ꎬＧａｎｓｕꎻ２.ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆ

ＣｏｎｔｉｎｅｎｔａｌＤｙｎａｍｉｃｓꎬＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＧｅｏｌｏｇｙꎬＮｏｒｔｈｗｅｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＸｉ’ａｎ７１００６９ꎬＳｈａｎｘｉꎻ３.ＤａｑｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＤｒｉｌｌｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＤａｑｉｎｇ１６３４１３ꎬＨｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇꎻ４.ＳｉｎｏｐｅｃＨｅｎａｎＯｉｌｆｉｅｌｄＳｅｒｖｉｃｅＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎＤｒｉｌｌｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｍｐａｎｙꎬＺｈｅｎｇｚｈｏｕ４５００００ꎬＨｅｎａｎ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｒｏｕｇｈａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｗａｔｅｒｉｎｇａｓｄｒｉｌｌｉｎｇꎬｔｈｉｓｐａｐｅｒｂｅｌｉｅｖｅｓｔｈａｔｔｈｅｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔｏｆｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｇａｓｄｒｉｌｌｉｎｇｉｎｃｌｕｄｅｓｔｈｅｇａｓａｔｏｍｉｚａｔｉｏｎｗａｔｅｒꎬｗａｌｌｗａｔｅｒａｂｓｏｒｐｔｉｏｎꎬｃｕｔｔｉｎｇｓｗａｔｅｒａｂｓｏｒｐｔｉｏｎａｎｄｆｒｅｅｗａｔｅｒ.Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅａｍｏｕｎｔｏｆｗａｔｅｒｉｎｅａｃｈｐａｒｔꎬｔｈｉｓｐａ￣ｐｅｒａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅａｂｏｖｅｆｏｕｒｋｉｎｄｓｏｆｗａｔｅｒｂｙｆｏｕｒｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ.Ｂｙｍｅａｎｓｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔꎬｗａｔｅｒｑｕａｎｔｉｔｙｏｆｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｗａｔｅｒｉｎｇａｓｄｒｉｌｌｉｎｇｉｓａｎａｌｙｚｅｄｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｌｙ.

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｇａｓｄｒｉｌｌｉｎｇꎻｆｏｒｍａｔｉｏｎｗａｔｅｒｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎꎻｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｗａｔｅｒ　　气体钻井是发现和保护油气层最为有效的方法国内外的经验已经表明ꎬ气体钻井是一条解决易漏地层钻井问题、保护低压低渗油藏、提高钻井速度的有效途径ꎬ但是在气体钻井试验中也暴露出了气体钻井的诸多局限性ꎬ其中ꎬ地层出水问题是气体钻井优势发挥的瓶颈问题[３－５]ꎮ因为地层出水后就会引起岩屑吸水ꎬ岩屑就会水化膨胀ꎬ当地层出水较多时ꎬ岩屑容易粘糊成团ꎬ在井眼的周围形成泥环ꎬ从而导致卡钻、井下燃爆、增加注气量等不良后果ꎮ因此开展气体钻井地层出水量计算新方法研究具有重要的意义ꎮ

空间位置不同ꎬ导致其中一部分水是可动的ꎬ称为可动水或自由水(Ｓｗｍ)ꎬ而另一部分水是不可动的ꎬ称在储层演变过程中很少受外部因素影响ꎬ它在储层中普遍存在ꎬ即使是纯气层也有一定的束缚水饱和度ꎮ

在实际工作中ꎬ很多油田通常以Ｓｗ＝５０％作为为束缚水(Ｓｗｉ)ꎮ束缚水饱和度是地层的属性之一ꎬ

ＳｔｕｄｙｏｎＮｅｗＭｅｔｈｏｄｓｏｆＣａｌｃｕｌａｔｉｎｇｔｈｅＦｏｒｍａｔｉｏｎＷａｔｅｒ

ＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎｉｎＧａｓＤｒｉｌｌｉｎｇ

之一ꎬ同时它还是提高难钻地层的性技术[１－２]ꎮ

储层含水的分界线ꎮ即当Ｓｗ>５０％时ꎬ储层含水ꎬ通常情况下ꎬ这个标准是正确的ꎬ但对于高束缚水饱和度的气层ꎬ其含水饱和度即使高达６０％~７０％ꎬ储层也不含可动水ꎬ所以会出现低阻气层(或油层)的情况ꎻ反之ꎬ对于低束缚水饱和度的气层ꎬ可能由于它５０％ꎬ也会出水ꎬ所以会出现高阻的含水气层的情况ꎮ

还含有一定量的可动水ꎬ即使其总含水饱和度低于

１　地层出水原因分析

是完全含水的(即Ｓｗ＝１００％)ꎬ但是由于水所处的

收稿日期:２０１５￣１０￣２３

沉积岩在经历沉积、成岩的过程中ꎬ岩石的孔隙

作者简介:袁义东(１９８３—)ꎬ男ꎬ陕西铜川人ꎬ助教ꎬ在职博士ꎬ主要从事常规与非常油气开采开发理论技术研究ꎮ

　第２期袁义东ꎬ等:气体钻井地层出水量计算新方法的研究

ＲＫ———供给边缘半径ꎬｍꎻｒｃ———井眼半径ꎬｍꎻμ———液体粘度ꎬｍＰａ􀅰ｓ.

４７

因此ꎬ判识出水层段存在交叉性ꎬ除受储层类别及裂缝发育程度影响外ꎬ更重要的是产层中含水程度的影响ꎮ虽然含水饱和度是判断水层的一个重要参数ꎬ但不能简单以含水饱和度的高低来判断地层流体性质ꎬ因为只要储层内含有可动水就有可能出水ꎮ

由于该数学模型中所涉及到的参数较多ꎬ并且好多参数不易确定ꎬ只能根据邻井数据来估算ꎮ所以计算出的出水量存在不确定性的误差ꎮ以故根据气体钻井的特点和地层水存在的方式利用试验的方２.２　试验法计算地层出水量

法确定了一种新的计算地层出水量的方法ꎮ

在气体钻井过程中ꎬ由于循环介质为空气或氮

２　气体钻井条件下地层出水量的确定

２.１　数学模型法计算地层出水量

用的是数学模型法ꎮ即假设井径为ｒｃꎬ它位于均质水平圆形地层中心ꎬ水层厚度ｈꎮ作为供给边缘的半径为ＲＫ的地层的外部圆形边界上地层压力ＰＫ保持不变ꎬ井底压力Ｐｃ也不变ꎬ液体运动是稳定的ꎬ根据达西定律推导出水渗流速度为[５－７]:

ｋｐＫ－ｐｃ１

ν＝

μＲｒｌｎＫ

ｒｃ

一直以来ꎬ在气体钻井中计算地层出水量都采

气等气态流体ꎬ经过理论分析和现场试验证实[８－１１]ꎬ气体钻井时地层出水量主要分为四部分:岩屑所吸岩屑和井壁所吸水量可以通过室内试验来确定其不同岩性所吸的水量ꎬ气体雾化的水量用现场试验来分析和计算得取ꎬ自由水量也就是人们可以看到的从排砂口返出的可见水量ꎬ用计量器皿直接读取数值ꎮ本文中所有试验使用的岩样一共有５块ꎬ分别来自大庆古深２井和徐深３１井气体钻井现场作业２.２.１　岩屑吸水试验中的岩样ꎮ

水量、井壁所吸水量、气体雾化的水量和自由水量ꎮ

出水量为:

式中:Ｑ———出水量ꎬｍ３/ｄꎻ

Ｋ———渗透率ꎬμｍ２ꎻｈ———水层厚度ꎬｍꎻ

５４１.８６Ｋｈ(ＰＫ－Ｐｃ)

Ｑ＝

ＲμｌｎＫ

ｒｃ

岩屑吸水试验ꎬ主要是通过Ｕ型管效应建立一

ＰＫ———供给边缘压力ꎬＭＰａꎻ

个试验装置ꎬ利用该试验装置分别对不同岩性的岩屑进行最大吸水率试验ꎬ试验装置原理如图１所示ꎮ

Ｐｃ———井底流动压力ꎬＭＰａꎻ

　　试验前首先把岩屑烘干２４ｈꎬ向吸水装置内加入水ꎬ调整支架高度ꎬ使取液管内充满水并且使取液管内水面与漏斗内支撑网水面一平ꎬ静止１０ｍｉｎꎬ待液面静止后ꎬ把滤纸放在支撑面上ꎬ并迅速把一定质量的岩屑平铺在滤纸上ꎬ盖上密封盖ꎬ开始观察取液管刻度变化ꎬ并做记录ꎮ为了消除滤纸吸水带来的影响ꎬ使用一样装置的同时进行滤纸吸水试验ꎬ此试验

图１　试验装置原理图

时间２４ｈꎮ记录取液管刻度变化和天平读数变化ꎮ试验结果如图２和表１所示ꎮ

图２　不同岩样吸水率随时间变化曲线

从图２可以看出岩屑吸水在２~３分钟将趋于饱

４８陇东学院学报　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第３０卷　

和ꎻ而从表１可以看出泥岩的吸水率一般在２２.３％到３０.２３％之间ꎬ泥质粉砂岩的吸水率一般在１７.７％２.２.２　岩芯吸水膨胀试验到２３.２％之间ꎮ

在微观上与岩屑的吸水是类似的ꎬ但是从宏观来看却是截然不同的ꎮ岩芯由于体积较大ꎬ吸水时水从岩芯的表面向里层渗透ꎬ由于岩芯中空隙连通性和矿物质的影响ꎬ它的吸水是一个缓慢的过程ꎬ试验通过膨胀仪、打压筒等仪器对５块岩样进行了试验分析ꎮ

由于在试验室里模拟井壁所吸收的水量是一件

几乎不可能的事情ꎬ所以本文通过大量试验不同岩芯的吸水量来近似井壁的吸水量ꎮ岩芯的吸水原理

表１　不同层位岩屑最大吸水率参数表

　　参数岩样　　岩样１岩样２岩样３岩样４岩样５

井号Ｇ深２Ｇ深２Ｇ深２Ｇ深２Ｘ深３１

井深(ｍ￣ｍ)３２５６－３２５７３７２５－３７２６３９８７－３９８８４６３８－４６３９２６１０－２６１１

层位登四段登三段登二段登一段泉二段

岩性暗紫色泥岩绿灰色粉砂岩灰色粉砂岩紫灰色粉砂岩褐色泥岩

最大吸水率(％)

２２.３１７.７２０.３１８.４３０.２３

　　取５块岩样烘干２４ｈꎬ取其中某一种岩屑放入高速搅拌机内搅拌ꎬ直到把岩屑搅拌成碎末为止ꎬ用电子天平称取岩屑１０ｇꎬ放入打压筒内ꎬ打压筒上端用带有密封圈的打压杆密封ꎬ打压筒底部垫有滤纸ꎬ事先称量滤纸的质量、用游标卡尺测量打压筒顶端距离滤纸的高度和接触杆底端圆柄厚度ꎬ打压４ＭＰａꎬ１０.５ｍｍ的岩芯ꎬ取出打压杆ꎬ把接触杆放入打压筒内ꎬ称量打压筒＋岩屑＋接触杆重量ꎬ用游标卡尺测量打压筒上端距离接触杆底端圆柄高度ꎬ将打压筒置入膨胀仪内ꎬ使打压筒底部浸泡在地层水(自配置)内ꎬ切勿使水面高于打压筒底部端盖高度ꎬ通过接触杆使岩屑与膨胀仪连接ꎬ接通膨胀仪电源ꎬ通过调整接触杆上螺母使初始电压为－８Ｖꎬ开始记录电压变化情况ꎬ此试验进行２４ｈꎮ２４ｈ后通过转换关系式计算岩芯的膨胀率和渗透率ꎮ试验结果如图３和图４所示ꎮ

图４　不同岩样岩芯膨胀率随时间变化曲线图屑膨胀率同样高ꎬ可见ꎬ影响岩屑吸水及膨胀的主要２.２.３　气体雾化水试验

因素之一是它们本身的泥质含量ꎮ

该试验的目的是为了确定不同注气排量下气体

稳压５ｍｉｎꎬ把粉末状岩屑压成直径为２５ｍｍꎬ高度为

雾化水的能力ꎮ根据气体雾化水的特点来进一步确定地层出水后纯气体状态下环空的携水能力ꎬ同时为计算地层出水量奠定基础ꎮ试验开始前卸下排砂管线直角弯头缓冲处盲法兰ꎬ安装一个转换接头ꎬ卸下与放气管汇连接的注气管线ꎬ利用软管线和转换接头把设备注气管线与排砂管线直接连在一起ꎬ试验时ꎬ关闭旋转防喷器液动平板阀ꎮ同时在原有设备连接的基础上ꎬ把雾化泵和录井洗砂罐利用软管线连接在一起ꎬ同时利用井队水泵向录井洗砂罐内注水ꎬ保证录井洗砂罐内水满ꎮ具体的连接原理如图５所示ꎮ

本试验是利用空压机向排砂管线内注气ꎬ同时

图３　不同岩样岩芯膨胀率数据对比图试验结果表明直径为２５ｍｍꎬ高度为１０.５ｍｍ的泥岩岩芯吸水后的膨胀率为８.７％到１９.２％ꎮ泥质粉砂岩膨胀率为３.７％到８.６％ꎮ同时吸水率高的岩

雾化泵向排砂管线内注水ꎬ保持注液量不变ꎬ注气量从２０ｍ３/ｍｉｎ逐级增加到１２０ｍ３/ｍｉｎꎬ在排砂管线出口处用水桶每５ｍｉｎ计量自由水ꎬ多次计量取平均值ꎬ忽略管线内壁粘附水ꎬ即一定注气排量下雾化水

　第２期袁义东ꎬ等:气体钻井地层出水量计算新方法的研究４９

　　３)地层出水量计算方法的建立ꎬ可以对现有地图５　气体雾化水试验地面连接图

合物返出情况＝雾化泵注液量ꎬ在排砂管线上安装湿度传感器－自由水量ꎮ为了监测出口气水混

ꎮ试验结果如图６所示ꎮ

图６　注气排量与雾化水量关系曲线图

从试验结果可以看出注气排量在４０ｍ３

下时基本上气体无雾化能力ꎬ随着注气排量的增大/ｍｉｎ以

雾化水量开始增加ꎬ在试验设备不变的条件下注气排量增大到一定程度雾化水量不再增加３　结论

ꎮ

的一个重要参数１)含水饱和度是判断气体钻井中地层是否出水ꎬ但是如果地层中存在可动水ꎬ那么地层就有可能出水２)通过以上三个试验ꎮ

井壁吸水量、气体雾化水量进行定量计算ꎬ可以分别对岩屑吸水量ꎬ从而可以、

计算出在有自由水存在的情况下地层的出水量ꎮ

层出水计算模型进行验证ꎬ从而选择更加准确的计算模型ꎮ参考文献:

[１]周英操京:石油工业出版社ꎬ翟洪军.欠平衡钻井技术与应用ꎬ２００３.

[Ｍ].北[２]ＬｙｏｎｓꎬＷ.手册[Ｍ].Ｃ.北京ꎬ等著:中国石化出版社ꎻ曾义金ꎬ等译.ꎬ２００６.

空气和气体钻井

[３]邹灵战预测技ꎬ术邓金根[Ｊ].ꎬ石汪海阁油钻.探气体钻井地层出水定量

技术ꎬ２００９ꎬ３７(３):３０[４]邹灵战－３３.

测与井壁稳定性研究ꎬ邓金根ꎬ曾义金[ꎬ等.气体钻井钻前水层预

[５](３)ＳＨＩ:４６ｔｏｒｉｎｇＪｉａｎｇａｎｇꎬＣＨＥＮ－４９.

Ｊ].石油钻探技术ꎬ２００８ꎬ３６Ｙｉｊｉａｎ.ＡｎｅｗｍｅｔｈｏｄＰｅｔｒｏｌｅｕｍｆｏｒｍａｔｉｏｎＤｒｉｌｌｉｎｇｗａｔｅｒＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓꎬｉｎｆｌｕｘｄｕｒｉｎｇ２００９ꎬｇａｓ２７ｄｒｉｌｌｉｎｇ[ｆｏｒｍｏｎｉ￣

(２):Ｊ].翟云芳－３０.

２４

[６]出版社.ꎬ２００３:１３渗流力学－(１９.

第二版)[Ｍ].北京:石油工业[７]李祖光型[Ｊ].ꎬ辽蒋宏伟宁工ꎬ程等技.气体钻井地层出水量理论模

术大学[８]李皋－１０.

学报ꎬ２００９ꎬ２８(４):８研究ꎬ[田旭Ｊ].科学技术与工程ꎬ等.气体钻井地层出水定量预测模型[９]石建刚ꎬ陈一健ꎬ王赞ꎬ等.气体钻井地层出水监测ꎬ２０１５ꎬ１５(２２):７－１１.[１０]陈志学新方法ꎬ[孙梦慈Ｊ].石油钻探技术ꎬ等.空气钻井在隆ꎬ２００９(０２).

效果[Ｊ].钻采工艺ꎬ２００５ꎬ２８(３):３１９－井的试验与[１１]孟英峰３２.

地层适应性评价ꎬ严俊涛ꎬ沈华ꎬ－９１.

[Ｊ].等天然气.华北工ＮＤ１业ꎬ２０１３区块气体钻井

(０５):８６【责任编辑　张　韬】