随钻含气泥浆解释的进展

编译:苏大明 (大庆钻探工程公司测井一公司)

审校:赵平 (大庆钻探工程公司测井一公司)

随钻含气泥浆解释的进展

编译:苏大明 (大庆钻探工程公司测井一公司)

审校:赵平 (大庆钻探工程公司测井一公司)

半渗透膜分离气体方法与稳定的气相色谱仪组合可用来分析从甲烷到辛烷的烷烃化合物、芳香烃化合物 (例如苯、甲苯)、氮和二氧化碳等。整个系统可以获取钻井流体中每种气体的相对浓度。气体浓度跟踪仪研发部门从2006年9月到2007年9月研究了35口井,这些井中同时使用气体浓度跟踪 (GC-Tracer)技术与可比较的分析技术如随钻测井 (LWD)、电缆测井、压力-体积-温度 (PVT)测试、模块式地层动态测试器 (MDT)和微电阻率成像(FMI)技术,这些新技术可用于气体解释方法。GC-Tracer解释分析技术能更精确地描述储层,并区分可能的流体层段。此外,应用精确的半渗透膜技术可以推断出有关生物降解、水驱和流体成熟度方面的问题。所提供的整套数据结果表明了它不仅能应用在低阻、低渗砂岩或复杂井中的薄层,而且也可在评价井或开发井中应用,同时也表明它能带来相对可观的利益,即降低成本的同时最大化地获取油藏数据。

随钻测井 泥浆测井 半渗透膜分离气体 气体解释系统

1 引言

过去,泥浆测井所采用的分析方法是基于从甲烷 (C1)到戊烷 (C5)的烃类范畴。直到最近气体分离技术的发展,使得为连续分析而在井场有效地分离出比C5(n-戊烷沸点=36℃,n-己烷沸点=69℃)的沸点还高的气体成为可能。

传统的气相分离器主要是由一个圆柱筒内的搅拌器组成,气体分离受钻井液面及许多其他因素影响。从泥浆中释放出的气体经过搅拌器进入液面上方的顶部空间,通过输气管线,顶部空间气体被抽到测井装置中用于分析。这些装置以高效的方式分离气体,因此泥浆释放烃的体积受许多因素影响,做到定量分析很难。近期许多装置使用一定容量的体积泵和加热器,大大提高了气体分离的效率(Breviere等,2002)。然而,这些提高了的效率不必转化为单一烃类化合物精确的定量比,许多气体分析与它密切相关。

用半渗透膜从钻井液中直接分离气体 (Brumboiu等,2002、2005)采用了不同的方式。为了得到每种烃在钻井液中的精确浓度,钻井液中每种烃成分的溶解性都与使用气相色谱仪 (GC)测量的结果有关。它的主要目的是为了提供精确的流体成分和烃成分信息。

结合了高速 TCD(热传导探测器)和微气相色谱仪的分离方法,可分析从甲烷 (C1)到辛烷(C8)的烷烃化合物。日常测量的是其他相关的成分,包括氮、二氧化碳和芳香烃,例如苯和甲苯。因为气相色谱仪55 s为一个周期,所以可提供相对高的分辨率数据。

以改进随钻分析方法为目的的这种新气体解释系统 (GIS)评价了该系统的成果。为了判别和描述油藏,用估计的岩石渗透率去描述烃的特征和确定可采区,用分馏、生物降解和水洗来估计烃的成熟度。为了便于找出构造顶部和邻井的地层对比而进行了流体相关研究。

气体解释系统的主要部分是基于实时的气体分析和气体组分比值对比法。

尽管术语“轻烃”常描述辛烷 (n-C8)以下的烷烃化合物,本文中“轻烃”定义为从甲烷(C1)到戊烷 (i-C5和n-C5)。这个系统分析的比较重的化合物包括己烷 (n-C6)、庚烷 (n-C7)、辛烷 (n-C8)、苯和甲苯。

2 分离气体的膜的概念

使用半渗透膜分离气体是气体分离方法中比较稳定的一种,现被广泛使用。这种膜材料r的设计只允许所需烃分子通过,禁止泥浆中水蒸气通过。这种膜完全不透水。

在膜的内表面和外表面 (与钻井液接触的那一面)之间气体局部压力不同,使得气体穿过膜,随后经过一个氦载气流,被送到气相色谱仪进行分析。

在一定温度下,溶于一定量溶液的一种低溶解度的气体的浓度与这种溶液上部该气体的局部压力成比例。打开一瓶汽水,液体表面压力突然下降,气泡被释放出来这一现象与它的物理原理相同。原理遵循亨利定律 Pi=K·xi,这里 K是特定流体中一种气体溶解度的常数,它与这种流体的温度密切相关。

从道尔顿定律 P=PA+PB+PC中,我们知道混合气体的压力是各气体局部压力的总和。应用理想气体方程 PV=nR T计算出随温度和体积变化的总压力是可行的。

一种气体化合物的局部压力是:

式中,ni=xiΣn

可以导出:这样一种气体化合物的局部压力等于总压力乘以它的摩尔分数。

用一个简单的基本原理,在无需搅拌和加热的情况下,这种分离方法能提供很好的测量重复性。

3 烃溶解性和泥浆类型

钻井液中烃的溶解度随流体类型和烃类型而变化。烷烃化合物通常是低溶解度,但在不同流体,例如水基泥浆 (WBM)和油基泥浆 (OBM)中呈现出不同溶解度。当烃化合物溶于流体时遵循Van der Waals定律 (主要是Waals-Debye)。决定烃在溶液中的溶解度的是分子的极性,它依赖于分子的结构,这也导致了烷烃溶解度的变化。极性的程度或偶极矩被定义为μ=Q×r,这里Q是电量,r为原子间距离。偶极矩用德拜 (D)表示,这里1D=3.36×10-30(C·m)。

有极性的分子具有不对称结构,例如水分子。耦合极性应归于分子内原子的不同负电性导致了电偶极性。水有相当大的偶极矩 (μ=1.85D)。甲烷和乙烷具有对称结构,所以偶极矩为零,烷烃化合物的极性与碳原子的数量成比例,然而它总是比水的极性低。

因为它们的低极性,较轻的烷烃化合物在水中表现为低溶解性。然而每种化合物溶解性因素与流体类型密切相关。由于极性方面的相似性,与在水基泥浆中相比,烷烃化合物更易溶解于油基泥浆合成剂。因此,无极性物质更不易溶解于像水这样的极性溶剂中,而易溶解于无极性溶剂中。

分子极性低的较轻的烷烃化合物,在钻井液中仍相对保持着难溶性。如果不考虑独立气体的溶解性,在气相色谱仪上测量到的甲烷数量就会过多。这就是在采用半渗透膜分离方法以前,基于气体分析的地层评价精度受不确定因素影响的主要原因。

为了能测定钻井液中准确的气体成分,在不考虑状态的情况下,较高精度地测定储液器中流体成分是可能的。通过这一应用,膜气体分离方法已经演变成一套算法,该算法可有效地用于测定较宽范围泥浆类型的单一气体成分溶解性 (Brumboiu等,2002、2005)。

在油基泥浆合成剂里,从地层中释放出的烃分子与钻井液中的烃分子之间存在着相互作用。在流体内,分子链越大,有机分子间的相互作用越强;而在水基泥浆里,这种作用是非常弱的。这就意味着在气体溶解性中,另外的关键因素——不同的溶解性因素和不同的温度因素,都必须应用到算法中,以便对每种气体化合物都能得到一个有代表性的摩尔数 (Brumboiu等,2005)。

4 薄膜分离的应用

薄膜气体分离技术通过国际测井公司的 GCTracer系统 (为实时分析油藏特征和评估而采用的气相色谱仪)实现了应用。这些系统现在已测了60多口井,为气体解释提供了实质性的修正资料。

靠近钟形头的GC-Tracer薄膜探头从钻井液中分离气体。由于薄膜两侧的局部压差,允许分子通过薄膜阻隔渗透到储气室,储气室将分离的气体传输到 GC(气相色谱仪),GC被固定在距探头3 m远的一个已吹扫的可控外壳中,所使用的 GC是一个变化范围为4900 TCD的 GC,具有双特制柱,配备已加热的注射器。

在外壳内有4个主要系统:气体压缩模块、电子模块、环境控制模块和气相色谱仪。整个系统被缩减成模块形式,以便仪器工作和维修。

因为溶解性与泥浆的温度密切相关,所以在薄膜探头的旁边又安装了一个泥浆温度传感器。

随着气体分离和气体分析方法的发展,气体探测的两个主要方面已经被证实:①基于系统的传统气体分离器只分析 C1～C5化合物,而 GCTRACER(探测器)能够利用目前的薄膜分离C1到C10的烃类化合物以及芳香族化合物,如苯和甲苯;②分析的精度不但能识别流体相位的变化,而且能精确地识别出API重度。

气体评价方面的改进使 Haworth等和 Pixler分别在1985年和1969年描述的分析方法得到了最优化,也进一步改进了 Total Fina Elf和 Eni开发的随钻气体方法,这一理论代表了当前随钻气体应用上最先进的理论。

5 气体解释系统

GC-TRACER气体解释系统通过观测 GCTracer仪在2006年9月到2007年9月间测量的35口井的结果而得到了发展。这也促进了基于Pixler(1969)和 Haworth等人 (1985)先前研究的分析方法的发展;对于半渗透薄膜分离和分析来说,TotalFina Elf/ENI(Kandel等,2000)发展的理论都是特有的。

伴随着硬件发展起来的最初的气体研究程序,其任务是鉴定仪器的用途,测试数据的可靠性,为气体解释产生一个标准分析方法。自2006年9月以来,标准解释方法 (GC-TRACER GIS)已经成功用于LWD、PVT和MDT数据多种关联的每个油田项目上。

GC-TRACER GIS方法基于气体比率解释。尽管钻井参数的任何变化都能影响本底值,但不同的气体成分其比率保持不变,也就是说,就流体成分而言,比率保持不变。例如:在取心时,记录的气体数量会迅速下降,这个结果对于所有的烃化合物都如此。然而,在这些气体中的实际比率并不受钻井参数的影响。在钻井过程中,在与基于系统的气体分离器进行比较时,GC-TRACER较低的测量范围自身也会提供精确的流体成分。

5.1 总烃量

所有的比值都要与总烃量 (THC)进行对比。总烃量是最原始的基础指示器之一。这是由从C1～C8的烷烃化合物加上芳香族化合物 (苯和甲苯)的和给出的。

5.2 C1/THC

甲烷与总烃量的百分比能快速指示流体成分、流体类型以及相关的地层渗透性。

在具有渗透性的含烃地层中,C1/THC趋势与流体类型有关。Haworth等 (1985)通过烃蒸气比率 (Wh)来描述不同的API重度。

Haworth等 (1985)发现了流体的以下性质:

◇Wh<0.5:非常干气体

◇0.5

◇17.5

◇Wh>40:剩余油

Wh越高流体越黏稠。在系统中从甲烷到戊烷都可以写成下列等式:

Wh给出了系统中甲烷的百分比:C1%= (100-Wh)。基于这个结果,考虑到 Haworth等所做的观测,流体特性可以用甲烷比例来描述:

◇C1>99.5%非常干气体

◇99.5%

◇82.5%

◇C1<60%剩余油

上面提到的范围代表了一个普遍的特性,这一特性某种程度上受到局部变化的影响。

C1/THC代表了正确评价流体成分而进行分析的最重要的比率测井。至于湿度和平衡方法(Haworth等,1985)的应用限制,实际上是来自传统气体分离方法的限制。由于传统的气体分离不能百分之百地提取每种化合物,这会导致相对于它的实际贡献,过量地估计甲烷的含量。

甲烷分离法不但能获得非常精确的储层气体分析,而且也能识别地层中任何小的变化。通常从致密地层到多孔地层C1/THC值会增加,当地层从非渗透性地层向渗透性地层变化时,这种差异也是非常明显的。

Haworth等 (1985)的“GC-TRACER GIS再评价”:利用甲烷成分指示出流体的下列特性:

◇C1>99.5%:非常干气体

◇82.5

◇75%

◇67.5%

◇60%

反凝析气体有一种成分接近轻油与气体之间的阈值,通常甲烷量在80%～85%之间,这通过其他方法的变换很容易识别。

5.3 渗透率

在钻井过程中,常规测量系统不能直接测量渗透率,但是LWD仪能够测量地层的孔隙度。为了判断岩石渗透性,使用表面气体数据。首先考虑到气体动力学。观察一个微型模型。气体组成可以认为是一个带有弹性表壁的立方体盒子中的一些粒子(图 1)。

单个粒子沿着 x轴同表面A1相撞,它水平回弹,速度向量改变了它的方向,vy和vz考虑不变,粒子的线动量可以写成:

因为它是守恒的,因此这个动量传到 A1是2mvx。同一个粒子到达A2,没有碰撞其他粒子。

图1 包含理想气体的立方体盒子

它花了l/vx的时间从一个表面到另一个表面。再次到A2,它的速度向量vx改变了方向,沿着 x轴又回到了A1。如果没有其他碰撞发生,2×l/vx代表了从A1到 A2再返回A1的时间。

因此一个粒子单位时间内碰撞A1的次数是vx/2×l。在给定的时间内,传到A1的动量(q)是:

气体所有分子施加在 A1上的压力是所有分子动量之和:

如果 N是容积内所有粒子的个数:

式中

由于一定量气体包含大量分子,并且粒子的运动是随机的,所以的平均值实际上是相同的。

在Pascal定律中:“一种流体上的压力以固定的路线传递到流体任何部分和表面”意思是在流体内部的每一部分和表面上作用的压力是相同的,也就是通用的。

总气体质量可以由第1部分乘第2部分得到:

式中,ρV=NM(M是总气体质量)

所以可以导出:

用这个公式联合理想气体定律 PV=NR T:

这样1 mol气体转换的总动能与温度成正比。

现在,所有成分除以Avogadro常量 N0,也就是1 mol气体分子数量:M/N0=m,这里m代表单个分子的质量:

式中,R/N0是Boltzmann常量,它用 k表示

从上面公式可以看出,在相同温度下对于所有气体每摩尔转换动能都是相同的,因此在相同温度下:

式中

公式 (11)表示的是两种不同气体在带有渗透壁面的容器内保持不同的速度,随后,轻的气体比重的气体更快地逸出。

根据这一物理原理,随钻时选择较轻气和较重气两组气体,并观察它们的表现。较轻气是甲烷和乙烷,较重气是丁烷和戊烷。为了比较以两组气体从渗透性表面逸出的能力而建立一个比值,提供一个渗透能力指示器。

GC-TRACER GIS渗透率比值被定义为:

很明显,在一个渗透性地层,轻气的数量比重气的大,实际上注意观察可以发现一个阈值,在 K′值之上的表明渗透性好,在 K′值之下的表明渗透性差。

可观察到渗透地层 K′>10(这不表示一个定量值,但它就是轻馏分与重馏分的比值),还可以观察到,在砂泥交互层中这个比值砂岩随着 K′>10而变化。在黏土中,随 K′<10而变化。并且在渗透性地层也有一些 K′<10低渗透性区域,对MDT和PVT数据比较和观察后,可发现 K′与地层的渗透性密切相关。但在渗透性好和不好之间的这个阈值,从一个区域到另一个区域发生局部变化。

比较MDT测试结果发现,K′>50渗透性相关性好,而在其他区域发现 K′>100。通常,K′可以用0.1到100的对数刻度绘图。

甚至在岩层里明确的 K′关系是未知的。应用 K′也可高度区分相对渗透率。为了预确定MDT采样点,多次应用了这个方法,由此减少了采样程序。

5.4 HC与ARO/AL K比值

从物理原理开始,利用一组不同特性分子来强调其主要区别是可能的。下面相关的比例指出了气体分析中主要鉴别方法之一。

过去常用这个刻度对局部变化的这些比值绘图,但通常HC的刻度是从0～100,ARO/AL K从0.000 1～1。HC比值用于强调本底气体水平之上增加的任何气体,ARO/AL K比值用于判断重要产气区。

在有致密层的情况下,HC比值保持低值,ARO/AL K比值为高值。对于致密层,HC落在左边,ARO/AL K落在右边。当遇到渗透层,ARO/AL K比值移到左边。如果有烃存在,HC值将随ARO/AL K的减小而增大。

遇到储集层 HC落在右边,ARO/AL K落在左边。尤其遇到具有高 THC本底的页源岩,它位于具有较低 THC的砂岩储集层之上 (图2),HC与ARO/AL K曲线的组合就是一个非常关键的绘图。尽管在随钻时受源岩影响会做出错误的解释,但仍能体现储层的特征。在砂岩内ARO/AL K在左边,在页岩内ARO/AL K在右边的这种变化规律能够揭示岩石内流体的自然本质。假如储层是由砂泥薄互层组成,HC与ARO/AL K的关系将是估算可采区的关键。

5.5 C1/C7

当遇到油层时,己烷、庚烷、辛烷的数量就会增加,随后它们与甲烷的比值就会降低,这种变化趋势在油层的上下界面处正常都能测到 (图3)。

在通过油水界面 (OWC)或油藏密闭层界面时,C1/C7曲线通常会表现为明显的变化,在油藏内部C1/C7峰值相对于高渗透区有所提高。

图2 有烃存在,HC与ARO/ALK交叉,上面的刻度是HC的

图3 在泥岩内夹杂着渗透性砂岩带处,C1/C7表现突出

如果油藏是由砂泥岩交互组成,在砂岩处C1/C7就会产生“D”形曲线,在致密层产生“C”形曲线,这一比率与电阻率测井的增量有很好的相关性。

就气层来说,有时庚烷的含量不足以产生连续的C1/C7比率测井曲线,然而在大多数潮湿气层内部都存在足够量的庚烷。当烷烃从页源岩向含气砂岩运移时,庚烷的数量会减少,在此,这个比值揭示了一个不同的特性。通过对同一区块的几口井的监测,甲烷对庚烷的比值可能与 GOR有关。实际上C1/C7越高,GOR就越高,反之亦然。

5.6 含水饱和度

在25℃时,苯在水里的溶解度为1.79 g/L,甲苯的溶解度为0.53 g/L。因此苯的溶解度约为甲苯的3.4倍,这可以提供一种确定含水饱和度的方法。然而,研究表明,用苯和甲苯的比值来判断含水饱和度的方法在精度上是不可靠的,这是由于复杂的因素。但利用芳香烃和n-烷烃的比值还是可能的,例如:nC6/苯和 nC7/甲苯。在某些油田和区块,利用这些比值已提供了成功的结果。

然而,Pixler研究 (1969)的应用提供了另一个更可靠的方法,Pixler认为连接C1/C2、C1/C3、C1/C4和C1/C5的线的负斜率表明地层含水,而正斜率表明地层含烃。

按照这一假设,在随钻过程中就可以持续监测C1/C3和C1/C4的比值。负斜率意味着C1/C3>C1/C4,代表有水存在,为此,(C1/C3)- (C1/C4)>0的地方代表负斜率,指示存在含水地层;(C1/C3)-(C1/C4)<0的地方指示存在含烃地层。

在一个最简单的顶部含烃、底部含水的油藏模型中,两区的边界并不总是明显,在从烃到水的过渡带处,可以看到水的含量在逐渐增加,大部分时间烃和水之间的过渡带的厚度是变化的:烃的厚度越大,过渡带越小,反之亦然。过渡带能够沿着垂直方向延伸,这时上部油气区的渗透率降低或厚度减小。

如果过渡带占据几英尺厚的地层,烃-水接触显示突变接触,含水饱和度比值就会在正轴的上方产生一条水平直线。

5.7 流体相位密度

对于GR-TRACER,为了鉴别出任何可能存在的流体相位变化,也为了评估油藏的物理边界,流体密度必须要实时计算,持续监测。

根据理想气体定律,可以导出单位体积物质的量:

每种被分析的气体化合物都能用体积百分比的形式来表示,然后,将它的值乘以它的相对分子质量(表1),就可以获得它的每摩尔分子质量 (表2)。

表1 C1～C8烷烃相对分子质量

所有相对分子质量的和就是具体气体成分总的相对分子质量。从表2可以计算出总的相对分子质量是2 630.54 g/mol。

表2 计算出的每摩尔的相对分子质量

从公式 (12)可看出,n/V已是密度,因此能够导出下列公式:

从Boltzman常数导出的气体常数R等于0.082(L ·atm)/(mol·K)。

为了获得以g/cm3为单位的密度,结果必须除以100。

在密度计算中,公式 (13)中的温度 (K)是GC-TRACER泥浆温度传感器测量的泥浆温度。

上述情况下,在井场记录的泥浆温度是62℃,相当于335K,因此流体密度是0.957 g/cm3。

6 结论

与高速TCD GC相关的半渗透膜气体分离是随钻分析气体的一种极好的方法。GC-TRACER与基于分析的所有其他形式的气体分离器之间的主要不同是它能通过传统分离相关算法的发展,定量估计穿过膜气体的量来确定泥浆中气体的量。传统气体分离分析不能鉴别出所有岩性变化或流体类型变化,而半渗透膜能达到极好的精度,与MDT气体分析结果相当。

实时计算的流体密度以及与甲烷量的对比,提供了快速观察油藏特性的方法。目前,随钻测井应用于气体方面的新技术是:通过圈定油藏边界确定岩石孔隙度内的相位不但可以研究油藏的物理特性,而且可以研究新的地球化学的相关性,从而发现大分子特性与同位素比率、空间变化或其他地球化学分析间的联系。

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.2.013

资料来源于美国《SPWLA 49thAnnual LoggingSymposium》May 25-28,2008,OOO

2009-04-29)