连续油管光纤测井技术及其在页岩气井中的应用

王伟佳中石化江汉石油工程有限公司页岩气开采技术服务公司

连续油管光纤测井技术及其在页岩气井中的应用

王伟佳
中石化江汉石油工程有限公司页岩气开采技术服务公司

水平井复合桥塞分段压裂是国内页岩气井的主要开发方式，由于页岩气井快优钻井造成的井眼轨迹及井深结构的特殊性、钻塞结束后井筒内残留部分桥塞碎屑、水平段多相流的复杂性等，常规产出剖面测井技术难以满足页岩气井的测试要求。针对页岩气井数量众多，钻塞后井筒金属碎屑较多的特性，测井前利用强磁打捞器进行打捞兼通井以提高施工成功率，采用连续油管内穿光纤并下挂流体扫描成像测井仪FSI的工艺进行产气剖面测井，能得到较真实的产气产液剖面、各射孔簇产气产液贡献，可以有效评价各级压裂效果。连续油管光纤测井方法在页岩气井中的应用前景良好。

连续油管；光纤测井；流体扫描成像测井仪FSI；页岩气井；生产测井

目前，国内页岩气井主要以丛式井、长水平段、多级射孔、大规模拉链式加砂压裂方式进行完井试气，试气产量和压力不稳定，无法落实单井产能，难以正确认识地层的实际产出情况，影响开发配产方案的制定［1］。针对页岩气特殊的完井方式，目前动态监测技术没有行之有效的手段，甄选国内外压后评价技术，产气剖面测试技术为解决上述难题最经济有效的手段。

国内常规测试所使用的井下工具多为多阵距、单转子，测试工作繁杂、转子需较大的启动速度，监测误差大，无法清晰判别井下流体类型。以连续油管为载体的光纤生产剖面测试技术，在页岩气井超长水平段、多级压裂开发模式下，能直观清晰地找出主力产层、描述井底积液现状，同时采用光纤作为数据传输手段，抗干扰能力强，井下监测工具电信号转换成光信号，更快、更准传递数据，工具串中的FSI生产测井仪拥有多级转子，更加清晰识别井下流体动态，具有检测精度高、解释成果可靠等特点。

1 连续油管光纤生产剖面测试系统Test system for coiled tubing optical fiber production profile

1.1配套连续油管机组

Supporting coiled tubing unit

连续油管光纤生产剖面测试是将井下仪器连接在内部穿有光纤的连续油管顶端，由连续油管上提或下放带动仪器完成测试，仪器输送动力较大、成功率高、深度控制方便。根据国内页岩气井的实际情况，一般选用外径Ø50.8 mm、长度大于5 000 m的连续油管，同时要求连续油管作业机组的提升能力大于360 kN。

1.2ACTIVE光纤传输系统

ACTIVE optical fiber transmission system

ACTIVE光纤传输系统通过连续油管传输可实时获得井下数据，包括井底压力（连续油管内外）、实际深度、井下工具受力情况、井底温度、全井筒温度分布曲线等，在施工过程中可随时优化作业方案，迅速准确判断井下情况，降低作业风险。主要包括光纤、井下仪器及地面电子设备3部分。

1.2.1光纤 ACTIVE光纤传输系统是将4条光纤安置在铬镍铁合金光纤载体中，光纤载体又被安放在连续油管内。这4条光纤中有2条用于井下工具的信号传输，另外的1条或者2条可用来获取井筒温度曲线。镍铬铁合金光纤载体直径只有Ø1.8 mm，重量10 kg/1 000 m，比电缆更小、更轻。使用该系统的连续油管可以进行正常投球、正常泵送液体、不受酸或者其他腐蚀性溶剂的腐蚀，光纤松弛度处理也相对简单。

1.2.2井下仪器 ACTIVE光纤传输系统的井下仪器主要包括3部分，可以单独或者组合组装：（1）光纤头，光纤在光纤头的终止端终止后，可以连接任何种类的传统连续油管井下工具；（2）PTC-G-TC，可实时监测井下温度、井底压力（连续油管内外）、井下工具受力情况，可通过节箍定位器和伽马射线确定连续油管下入深度；（3）光电信号转化器，可连接电缆产量测井平台，无需更换为带电缆的连续油管和其他的电缆测井设备。

1.2.3地面电子设备 使用地面电子设备，数据会通过无线传输方式，从连续油管传递到操作间的电脑上，电脑软件会解读和显示井下的实时数据。如果需要测量全井筒温度分布曲线，需要安装一个井下Ultra盒子并连接到连续油管里面的光纤上，进行测量。

1.3流体扫描成像测井仪FSI

Fluid scanning imaging logging tool

斜井中井下流态复杂，包括层流、雾状流和循环流。分异、流态和井斜微小变化都会影响流动剖面。常规仪器测量存在井筒顶端泡状流、重相循环流或、不适合以不同流速流动的分层流动斜井等问题。流动回路实验也表明了常规测井仪器在多相流中无效。FSI 水平井和斜井生产测井系统是特别为大斜度井、水平井和近水平井开发的。如图1所示，该仪器一个仪器臂上有4个微转子流量计，测量流动速度剖面，另一个臂上有5个电探针和5个光学探针，分别测量局部的持水率和持气率。另外，仪器壳体上还有第五个转子流量计和第六对电探针和光学探针，测量井筒底端的流动。该仪器为偏心仪器，测量时仪器主体位于井筒的底端，测量臂可展开，最大可到井筒的内直径，像井径仪一样，提供计算流动速率所需要的井筒内全范围测量［2］。

图1　流动扫描成像扫描仪Fig.1 Fluid scanning imaging scanner

如图2所示，FSI 测量沿井筒直径方向的速度剖面，可测量到单个居中转子测不出的速度变化，测量混合和分层流态，包括多相流水平井中气相流速的独立测量，甚至可以探测到井下水相的循环流动。5个微型转子中的每个可直接测量到流经其位置的流体速度，从而计算多相流速度剖面［3-4］。Flow Scanner通过6个低频探针测量流体阻抗来探测水。因为水导电，但油气不能，设定一个限值可使仪器能辨别出油、气和水。当连续水相中的油滴或气泡，或连续油气相的水滴接触到探针针尖时，探针会产生一个二进制信号。根据电路接通的时间可计算出持水率，持水率剖面精确地表现了井筒内的流态。

FSI 配备了用于气检测的光学探针，6个持气率光学探针对流体的光学折射系数敏感。气的折射率接近于1，水的约为1.35，原油的是1.5。油和水具有类似的流体光学折射系数，所以光学探针用来从液体中辨别气体。从原始数据中也可得到气泡计数，用来确定第一个产气点的位置。光学探针和电探针结合可提供同一深度三相持率数据。

流体扫描成像测井仪的特点：可与生产测井平台和其他套管井测井仪器组合；因仪器长度短，可在狗腿度严重的井中作业；在同一深度进行完全的三相持率测量；通过传感器扫描，更准确探测各相之间的界面；测量混合和分离流态；在多相水平井中独立测量气相流速。

图2　流动扫描成像扫描仪转子分布Fig.2 Rotor distribution on FSI

2 测井工艺Logging technology

由于连续油管光纤测井技术需要通过光纤来传递测井工具在井筒中采集的数据，而光纤又需要以连续油管作为输送设备，因此必须将光纤从连续油管内部穿越才能与下部的测井工具进行连接。连续油管穿光纤时需要通过水力泵送（如图3所示）：光纤从光纤滚筒中出来，通过一根内径很小的速度管，依靠摩擦力送入油管滚筒，进入油管后，由于光纤内径外径很小，仅依靠水力即可送达油管另一端。虽然光纤自身重量很小且外层铬镍铁合金强度较大，发生光纤缠绕的可能性较小，但随着光纤在使用过程中随油管的频繁起下及自身重力、循环时的水力等影响，光纤有可能在油管底端余量较大。因此每进行2～3口井作业，光纤需进行一次余量管理，即从油管尾端循环清水，使聚集在油管尾端的光纤均匀分布于油管中。

图3　连续油管穿光纤示意Fig.3 The schematic of optical fiber through coiled tubing

由于国内页岩气井前期对钻塞技术认识不足，对钻塞完后的井筒处理不干净，产生一系列问题：井筒碎屑聚集，造成部分井连续油管遇阻，未能下至目的深度，最终未能取全所有井段生产数据；井筒聚集的碎屑造成FSI测井工具损坏或者影响转子和探针的正常工作；测井工具携带的碎屑带到井口后，随气体流至地面生产流程，导致可调式针型节流阀堵塞。连续油管光纤测井技术针对页岩气投产在国内相继应用了20余口井，形成了一套不影响正常开采的完整施工工艺。

（1）前期井筒处理。针对生产井减少泵注的要求，及井筒内碎屑多为复合桥塞金属卡瓦的实际情况，设计产出剖面测试专用强磁打捞器。在正式测试前增加连续油管强磁打捞器通井及打捞碎屑作业。该打捞器由于受采气井口限制最大外径为Ø73 mm，采用凹槽式设计，瓷片在槽内，增加了可吸附碎屑容积。该强磁打捞器在测试前期井筒处理上取得了良好的应用效果，有效地降低了井筒碎屑聚集造成的连续油管遇阻及井下仪器损坏现象。同时该强磁打捞器现已应用于钻塞结束后的碎屑打捞中，在试气过程中有效增加了桥塞碎屑的返排率。

（2）连续油管本体保护措施。为确保施工安全，建议连续油管本体所受外力不超过7 MPa，否则在井下受力情况下油管存在挤毁可能。国内页岩气井在投产前期普遍存在井口压力高的特点，部分井可能高达30 MPa，因此在进行测试时建议在油管内部用液氮进行补压，使油管内外压差不超过5 MPa。

（3）测试制度的选择。为取得良好的采气贡献率分析，建议选用2种制度进行测试，两种制度之间产量间距5×104m3/d以上。由于连续油管入井后占有一定体积，套管容积有所减少，对于套管生产井来说具有一定的排水效果，建议在通井前就选用产量的较大测试制度生产，测试时也可先进行产量较大的制度测试，效果较好。

（4）测试速度的选择。为确保解释成果，测试时进行下放测量及上提测量两次测试，同时在保证安全的前提下尽量加快油管上提下放的速度，油管速度越快，解释结果越准确。

（5）由于气井全程带压作业，确保井控安全意义重大，井口设备必须定期检测，同时建议测井连续油管配备在线检测装置，防止因油管物理损伤引起油管刺漏或断裂。

3 应用实例Application examples

在四川盆地的一口井进行了连续油管光纤产出剖面测试，该井人工井底4 214.14 m，水平段长1375 m，共分16段压裂。测试时该井井口压力30.1 MPa，采用液氮在油管内进行补压作业，第一趟强磁打捞作业共从井筒中捞出桥塞卡瓦牙3.47 kg，最大卡瓦牙直径Ø16 mm，有效清除了井筒内的碎屑，测试分别在地面计量产量为20×104m3/d和29×104m3/d的工作制度下进行。

测试解释成果显示：产液剖面测试结果显示所有压裂段均有产气量贡献，其中16个射孔簇（35.6%）产量低于平均产量的1/3，17个射孔簇（37.8%）产量高于平均产量，和美国页岩气均匀分段压裂结果符合［5］；16段中有4段产气贡献值较大，8段贡献值较低，4段贡献值处于平均值，其中8段贡献值较低的压裂段中有3段在压裂过程中出现加砂困难；2个工作制度下，产量变化较大的压裂段有8段，其余压裂段产气量变化不大。29×104m3/d制度下，井筒中水持率明显比20×104m3/d制度下水持率低；井下流态以水平层流为主，测量井段井斜的变化较小。从不同深度的井筒截面图可得出流态分布规律：水平井筒中，水在井筒中的最下部，气在井筒中的中上部，水滞留在井筒中，气体流速快。在水平井井筒中，井筒中水持率随深度增加而增加，伴随井斜变化，经常可以观察到“回流”现象，影响单个转子仪器的响应。

4 结论Conclusions

（1）连续油管光纤产出剖面测试能得到真实产气产液剖面、各射孔簇产气产液贡献，操作方便，测试精度高，解释成果可靠，有效评价各级压裂效果。

（2）连续油管光纤产出剖面测试技术可实时获得井下数据，包括井底压力（连续油管内、外）、实际深度、井下工具受力情况、井底温度、全井筒温度分布曲线等，在施工过程中可随时优化作业方案，迅速准确判断井下情况，降低作业风险。

（3）FSI测井仪设置5个微型转子，6对探针，可直接测量到流经其位置的流体速度，计算多相流速度剖面，结合6对探针得来的流相，可真实得到井下流体的产出剖面。

（4）针对井筒碎屑聚集，增加连续油管强磁打捞器通井及打捞碎屑作业，可适当缓解部分井连续油管遇阻、井下仪器损坏、井口流程堵塞的问题。可进一步研究采用泵注氮气驱动螺杆钻具带动磨鞋进行通井的工艺可行性。

References：

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（修改稿收到日期 2015-12-20）

〔编辑 李春燕〕

Well logging via coiled tubing fiber optic infrastructures and its application in shale gas wells

WANG Weijia
Shale Gas Mining Technology Service Company， Jianghan Petroleum Engineering Co. Ltd.， SINOPEC， Wuhan， Hubei 430074， China

Staged fracturing of horizontal wells by composite bridge plug is the main development mode of domestic shale gas wells. Due to the particularity of wellbore trajectory and well depth configuration caused by optimized fast drilling of shale gas wells，some plug debris still remaining in the wellbore after the plug is drilled out and the complexity of multiphase-flow in horizontal section，the well logging technology for conventional producing profile cannot meet the requirement of shale gas wells. In view of large numbers of shale gas wells， it is urgent to evaluate the drilled and completed wells and fracturing effectiveness in order to guide further fracturing. Gas producing profile logging was carried by FSI （fluid scanning imaging logging instrument） technique， in which optical fiber goes through the coiled tubing with fluid scanning imaging tool hanging below. This technique can obtain real gas and fluid producing profiles and gas and fluid production of all perforation clusters and effectively evaluated the effectiveness of all staged fracturing. In line with the characteristics that production logging is mostly carried out after drilling out the bridge plug in shale gas wells and there is a lot of metal debris in wellbore， so strong magnet was used to remove the debris and drift the well prior to logging， which could improve logging success rate. This method of fiber-optic well logging through coiled tubing has a good prospect of application in shale gas wells.

coiled tubing； optical fiber； FSI； shale gas wells； production logging

Wang Weijia. Well logging via coiled tubing fiber optic infrastructures and its application in shale gas wells［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（2）： 206-209.

P631.81

B

1000 -7393（ 2016 ） 02 -0206-04

10.13639/j.odpt.2016.02.015

王伟佳（1983-），2011年毕业于西南石油大学石油工程测井专业，硕士研究生，现主要从事连续油管技术的研究工作，工程师。通讯地址： （408014）重庆市涪陵区焦石镇兴焦路44号。电话：0728-6597074。E-mail： weijia07@163.com

引用格式：王伟佳.连续油管光纤测井技术及其在页岩气井中的应用［J］.石油钻采工艺，2016，38（2）：206-209.