鐘恒森, 邸元, 張凱強

(北京大學工學院, 北京 100871)

0 引 言

地層測試的主要目的是及時、準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)前的一項重要評估,能夠為油氣層確認和產(chǎn)能預(yù)測提供可靠的參考資料。地層測試技術(shù)有2種:電纜地層測試(WFT,Wireline Formation Testing)和鉆桿試井(DST,Drill Stem Test)。前者為電纜下掛探測設(shè)備在指定的深度進行流體取樣,主要使用的設(shè)備為模塊化的動態(tài)地層測試工具(MDT,Modular Formation Dynamics Tester tool);后者為置于鉆桿上的探測組件,在隨鉆下井的過程中進行測試。本文將著重于分析電纜地層測試中的取樣問題。

MDT模塊化的地層動態(tài)測試器對復(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滲入地層、污染原始的地層液體。采用MDT進行地層測試,如果探針抽取已被污染地層液體作為樣品,必然影響地層測試所獲數(shù)據(jù)和資料的準確性。如果采用MDT定點進行長時間抽取取樣,隨著抽取的不斷進行,則能驅(qū)替大量侵入帶的泥漿濾液,污染物的濃度會不斷降低最終趨近于穩(wěn)定(但不可能完全驅(qū)替),進而得到更純的地層流體。但是,長時間的取樣作業(yè)會耗廢大量的時間和成本,機械故障和設(shè)備的損耗也會成倍增加。

MDT取樣探針設(shè)計的不同,對于在短時間內(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,對油層測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行數(shù)值模擬和分析,從而為MDT取樣探針的選擇和設(shè)計提供有參考價值的數(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:標準探針(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 各種探針的代號及探針口面積比較

*非法定計量單位,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MDT下降至取樣點時,探針部件會橫向伸出并與井壁接觸。填塞穩(wěn)定圈的作用有2個: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封閉區(qū)域,保證更多的流體從探針流入。

圖1 標準探針和快速驅(qū)替探針[7]

大口徑探針和超大口徑探針在結(jié)構(gòu)上與標準探針相似,只是在探針口的直徑上有所擴大,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、保護環(huán)和外填塞穩(wěn)定圈。其中,中心探針口和保護環(huán)通過分離的管道,經(jīng)過一個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環(huán)的流體進入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 計算模型

MDT探針取樣過程的計算可分為2個階段。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,實際中與之對應(yīng)的就是鉆井階段。這一滲入地層的過程可基于滲流力學中徑向流動問題的理論解進行計算[8],也可以采用數(shù)值模擬進行計算。值得注意的是,由于泥餅層的作用,會存在一定的超壓現(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和壓力場作為初始條件,采用數(shù)值方法模擬探針抽取地層液體時的滲流情況。

模擬計算以探井為中心建立三維徑向網(wǎng)格,采用油藏數(shù)值模擬器ECLIPSE進行計算[10-11]。

(1) 考慮到樣品抽取模型的流動特征與生產(chǎn)井類似,采用柱坐標描述更為方便。假設(shè)測試的定點地層均勻,根據(jù)對稱性可簡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) 在探針所處的定點地層,通過細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。由于對稱性,模型只需包含1/2的探針及地層,模型中的對稱面設(shè)置為封閉邊界。

(5) 實際過程中鉆頭作業(yè)和地層中的不確定因素會使鉆井液的溫度、壓強和密度發(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樣品抽取的影響,數(shù)值模擬時需要對每個類型的探針模型都建立相應(yīng)的網(wǎng)格。以標準探針模型的網(wǎng)格為例。

利用對稱性,標準探針模型的網(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個層,總長為200 ft。環(huán)向上,考慮到帶有探針的圓柱形MDT為一個軸對稱物體,模擬時僅針對對稱面的一側(cè),沿180 °的環(huán)向分隔角建立模型網(wǎng)格,前20個等分分隔角為探針所對應(yīng)的區(qū)域,后13個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個分隔角一共180 °。軸向上,豎直向下為正,參考坐標的起始平面為z=7 320 ft。在探針附近、豎向上5 ft的定點區(qū)域,沿軸向分隔共69個層建立模型網(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 標準探針模型的網(wǎng)格

探針定點地層為均勻地層,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)值模擬計算分為2個階段,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)時間為1 d,該階段結(jié)束時的地層環(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)時間為6 d。

3 評價指標

探針取樣的過程中首先需要用較長的時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入取樣罐。當探針所抽取液體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,以保證樣品的壓強等物性與取樣點的液體物性一致。

為了比較不同類型探針的取樣效率,采用的評價指標是獲取達標樣品所需要的總抽取體積和時間。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個指標參數(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如表1所示,前5種探針按構(gòu)造特點可以分為2類:一類是簡單結(jié)構(gòu)的標準探針、大口徑探針與超大口徑探針;另一類是帶有保護環(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,在此僅對前5種探針分別建立相應(yīng)的網(wǎng)格模型進行數(shù)值模擬計算。

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。為敘述簡便,以下均使用探針代號標識其計算模型。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)時間的關(guān)系。指標λo與作業(yè)時間的關(guān)系曲線是判斷樣品達標所用時間的重要依據(jù)。根據(jù)實驗室樣品分析的要求,將樣品達標的標準設(shè)定為λo≥95%,從圖3(a)可以看出這5種探針的達標時間ts依次為

ts,EP

(3)

可見,達標時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標時間。QSP的探針口面積比ELDP的小,但由于QSP在探針口附近設(shè)計有保護環(huán),它的達標時間反而較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,達標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,雖然它的達標時間最短,但由于其探針口面積遠大于其他探針,需要抽取更多的地層液體才能得到達標樣品。

(3) 對污染物水平λc(Contamination)同抽取作業(yè)時間的關(guān)系曲線進行比較。污染物水平λc是評價污染驅(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)時間情況下,5種類型探針污染物水平的相對大小為

λc,EP<λc,QSP<λc,ELDP<λc,LDP<λc,STDP

(4)

(4) 對于污染物水平隨總抽取體積的變化關(guān)系進行考察。由圖3中的計算結(jié)果可以看出STDP、LDP、ELDP和QSP驅(qū)替效率的不同?，F(xiàn)將抽取過程按時間劃分為前期、中期和后期3個階段。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)境中及進入探針口的主要液體為地層液體,在這2個階段大流量地抽取會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行取樣。這樣改進的優(yōu)點在于,無需設(shè)計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個土星探針)和帶有6個橢圓探針的MDT組件(OPN-7b)。

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

圖4 不同布局探針的比較

對比圖4中的4種探針組件,探針口越多則樣品達標時間越短,但是更多探針口也意味著更多的總抽取體積。OPN-7a和OPN-7b的達標時間幾乎相同,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

地層測試時,定點地層的滲透率往往很難精確測得。探針的設(shè)計應(yīng)當考慮能夠適應(yīng)不同地層中的取樣。探針附近地層流體的流動主要是水平及垂直方向的流動,水平向滲透率(Kh=Kr=Kθ)和豎向滲透率(Kv=Kz)的相對關(guān)系是具有代表性的地層物性參數(shù)。現(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種地層狀況進行數(shù)值模擬,計算結(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。對于κ越小的地層,橢圓探針的工作效率就越高、達標時間越短、達標時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,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)替后會得到周圍污染物的補給,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相對于Kh較小,地層液體的水平流動較垂直流動占據(jù)主導(dǎo)地位,污染物從豎向上得到補充的程度較小,整個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)域向垂直方向上擴展的趨勢較弱,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)時間和更少的總抽取體積獲得了達標樣品。

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標樣品。

5 結(jié) 論

(1) 分別對標準探針、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算模型,采用油藏數(shù)值模擬器ECLIPSE對油層測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算模型,通過數(shù)值模擬對不同探針布局進行了比較。還考慮了水平向滲透率與豎向滲透率之比對探針取樣過程的影響。

(3) 為了使樣品更快地達到取樣標準,可采用增加探針口面積的方法增加進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標作業(yè)時間,但同時也增加了總的抽取體積。保護環(huán)的設(shè)計與使用可以有效提高中心探針口的驅(qū)替效率。

(4) 取樣時,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標樣品。探針設(shè)計時,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。

參考文獻:

[1] 侯月明, 郭海敏. MDT在水平井中的地層壓力測試 [J]. 開采工藝, 2004, 27(1): 34-35.

[2] 趙愛軍, 方華, 楊宏飛. MDT地層測試技術(shù)在大港油田灘海區(qū)的應(yīng)用 [J]. 油氣井測試, 2012, 21(6): 42-43.

[3] 陸大衛(wèi), 寧從前. MDT測井技術(shù)在我國陸上油氣勘探中的應(yīng)用 [J]. 中國石油勘探, 2003, 8(1): 59-61.

[4] 李淑琴, 王亮, 苗福全. MDT測井新技術(shù)在酒東油田的應(yīng)用 [J]. 內(nèi)蒙古石油化工, 2008, 15: 99.

[5] 劉勝建, 冷洪濤, 趙愛軍. 模塊式地層測試器在KD48井的應(yīng)用 [J]. 油氣井測試, 2007, 16(1): 68-69.

[6] 運華云, 于敦源, 謝云. 電纜地層測試技術(shù)在勝利灘海油氣勘探中的應(yīng)用 [J]. 測井技術(shù), 2009, 33(1): 68-69.

[7] Morten Kristensen, Cosan Ayan, Yong Chang, et al. Flow Modeling and Comparative Analysis for a New Generation of Wireline Formation Tester Module [C]∥International Petroleum Technology Conference, Doha, Qatar, January 20-22, 2014.

[8] Peter Weinheber, Ricardo Vasques. New Formation Tester Probe Design for Low-Contamination Sampling [C]∥SPWLA 47th Annual Logging Symposium, Veracruz, Mexico, June 4-7, 2006.

[9] 王培虎, 郭海敏, 周鳳鳴, 等. MDT壓力測試影響因素分析及應(yīng)用 [J]. 測井技術(shù), 2006, 30(6): 561-562.

[10] Buckley S E, Leverett M C. Mechanism of Fluid Displacements in Sands [J]. Transactions of the AIME, 1942, 146: 107-116.

[11] Schlumberger. ECLIPSE Office User Course [Z]. United States of America: Schlumberger Publ, 2003.

[12] Schlumberger. ECLIPSE Reference Manual 2005A [Z]. United States of America: Schlumberger Publ, 2005.

[13] 管志川. 溫度和壓力對深水鉆井油基鉆井液液柱壓力的影響 [J]. 石油大學學報: 自然科學版, 2003, 27(4): 48-57.