DST试井技术在煤系非常规天然气储层应用研究

2018-05-07程维平

中国煤炭地质 2018年4期

程维平，李健，程鸣

(1.山西省地质矿产研究院，太原 030001； 2.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州 221116)

0 引言

在“气化山西”的背景下，山西省大力发展煤系非常规天然气资源的勘探开发工作。煤系非常规天然气包括赋存于煤层中的煤层气、赋存于煤系页岩中的页岩气和赋存于煤系致密砂岩中的致密砂岩气。煤系“三气”资源潜力的综合评价与共探共采方式是当前研究的热点课题，其中，煤系非常规气的储层评价与赋存规律是其研究的一项重要内容。试井测试技术是认识储层、进行储层评价和生产动态监测的重要手段，通过试井可得到储层的渗透率、储层压力等储层参数[1-2]，是煤系非常规气储层评价重要指标，是对其有效开发利用的重要保障。

目前，对于煤层气井，多采用注入/压降法进行测试，注入/压降法是以一定排量将水注入地层一段时间，然后关井进行压降测试。注入/压降法的优势在于流体的注入提高了地层压力，保证了测试过程中为单相流，可以用标准试井方法来分析，结果比较可靠，但其缺点是对于低渗透率地层测试很难进行，因为需要保持极低的注入排量，探测半径有限，且容易压开地层和造成地层伤害[3-5]。对于低渗透率地层，尤其是煤系中含气砂泥岩或砂泥岩与煤互层的储层，其有效渗透率等储层参数的测试采用DST试井法进行了尝试。DST测试即钻杆测试(Drill Stem Testing)，是一种压力恢复测试，依靠地层流体的流动、产出和压力恢复的过程求取地层参数，是认识测试层段流体性质、产能大小、压力变化和井底附近有效渗透率，以及目的层段被污染状况的常用手段[3]。

1 DST试井基本原理及关键技术

1.1 基本原理

DST测试即钻杆测试(Drill Stem Testing)，是一种压力恢复测试，它遵循不稳定试井的基本原理：

当储层中流体的流动处于平衡状态时，通过改变井的工作制度即改变压力，则在井底将造成一个压力扰动，此扰动随着时间的推移不断向井壁四周储层径向扩展，最后达到一个新的平衡状态。这种压力扰动的不稳定过程与地层、流体的性质有关。因此，用测试仪器将井底压力随时间的变化规律记录下来，通过分析，可以判断和确定储层的性质[6-9]。DST试井采用两次流动、两次关井即二开二关的工作制度。初流动、初关井，当封隔器坐封过程引起局部超压，需在初流动通过流体释放，初流动时间短，地层能量消耗少，可获取较可靠的地层压力；终流动、终关井，目的是获得压力恢复曲线，这个过程所需时间长，压力恢复曲线更好，可用于试井分析来求取储层渗透率等储层参数,DST试井测试管柱状图见图1。

1.2 DST技术关键

1.2.1 封隔器坐封工艺

根据DST试井工艺需要，封隔器坐封方式通常采用膨胀式封隔器坐封和支撑式重力压缩BT封隔器坐封方式。膨胀式坐封是将膨胀管连接封隔器随油管从地面下入井底，然后在地面通过膨胀管对封隔器注入液体加压进行坐封，该坐封方式成功率高，效果好，但操作复杂且在下井过程中膨胀管易磨损损坏，在浅井测试时适用性较好。对于较深的参数井，管柱重量大，采用靠重力压缩的BT封隔器进行坐封，从实际操作效果来看，操作简便，效果较好。

1.2.2 开关井工艺

DST试井宜采用井下关井方式，可以有效减小井筒储集效应对测试的影响，井下开关井工艺主要有两种：电磁阀开关井和MFE测试阀开关井。在浅井作业中操作MFE测试阀开关井时，由于环空液柱压力小，容易造成封隔器瞬时解封[7,10]。实际测试中，浅井采用电磁阀开关井操作更容易，无需地面动管柱只需设定程序即可实现测试井下无限次自动开关井任务，程序设定按每4个循环动作完成一次开关井即等待-打开-等待-关闭，二开二关工作制度按二次开关井程序设定，时间可精确到秒。在较深的测试井作业中可采用电磁阀组开关井，也可采用MFE测试阀开关井。当采用MFE测试阀时需与BT封隔器配合使用，由于BT封隔器靠管柱的重力坐封，操作MFE测试阀开关井需进行上提、下放悬重管柱会造成BT封隔器的坐封力消失，为保证操作MFE测试阀开关井时仍然使BT封隔器保持良好的封隔作用，必须在BT封隔器上方连接安全密封，通过安全密封液压安全装置所产生锁紧胶筒的的作用力保证BT封隔器坐封力。

图1 裸眼井DST试井测试管柱图Figure 1 Uncased well DST string

1.3 循环阀结构及工作原理

图2为改进后的封隔器循环阀结构，由1-外筒、2-花键心轴、3-花键外筒、4-下接头、5-剪切销钉、6、7-密封圈、泄流孔、泄流通道等组成。该阀在下钻或提钻过程中，能对孔内的钻井液进行有效泄流，消除起、下管柱时的背压及抽吸作用，减少对孔壁的破坏，避免孔内事故发生[11]，同时又能保证下井、测试过程中整个管柱没有钻井液进入，解除钻井液柱压力影响，使测试层内的流体进入测试器，进行取样、测压，甚至到达地面进行监测。

当管柱及测试工具下入井内，连接封隔器的支撑杆抵达井底后，封隔器在管柱自重压力下开始膨胀，管柱重量达到6t时，封隔器循环阀剪切销钉5(见图2)被剪断，内筒滑动使钻孔内封隔器胶筒上下水或钻井液隔离，同时封隔器循环阀泄流孔关闭，钻孔内介质不再串通，当管柱重力达到8～9t时，封隔器完全坐封，一开井，内外筒通过循环阀泄流孔导通卸压(见图3)，钻孔封隔器下段钻井液承压状态解除，一关井，测试层流体作用到测试阀下部电子压力计上，按二开二关工作制度完成测试，井下电子压力计自动记录流体压力和温度随时间变化的曲线。测试结束后，提升钻具，封隔器胶筒又恢复到原始状态，循环阀泄流孔再次打开，提升管柱后，取出压力计，便可得到所测层段的压力和温度数据。

1—外筒，2—花键心轴，3—花键外筒，4—下接头，5—剪切销钉，6、7-密封圈图2 封隔器循环阀坐封前Figure 2 Packer circulation valve before packer setting

图3 封隔器循环阀坐封后Figure 3 Packer circulation valve after packer setting

2 DST试井应用

WY1井位于位于山西省沁水煤田中部，是一口煤系非常规天然气参数井。该井井深为1 480.04m，测试目标层位为砂泥页岩与煤混层II和砂泥页岩层IV，测试段岩层数据见表1。

表1 测试层段数据简表Table 1 Testing sector data statement

图4 WY1-II测试层段地层柱状图Figure 4 Well WY1-II testing sector stratigraphic column

图5 WY1-IV测试层段地层柱状图Figure 5 Well WY1-IV testing sector stratigraphic column

按照该井测试目的，对该井目标层进行DST测试，以获取渗透率(K)、储层压力(Pi)、表皮系数(S)、及井储系数(Cs)等储层参数。

2.1 试井设备

测试所采用的试井设备包括以下几部分。

地面设备：由井口装置、压力表、流量计、泡泡头等组成。

电子压力计：DDI-T-150系列存储式电子压力计。温度量程：-25～150℃；压力量程：0～70 MPa。

电子压力计托筒

BT封隔器：长度：2.90 m；外径：Φ200 mm。

震击器：外径Φ146 mm。

取样器：外径Φ127mm。

安全接头：外径Φ127mm。

安全密封：外径Φ127mm。

MFE测试阀：外径Φ127.0 mm。

钻杆：外径Φ127.0 mm。

分析软件：PanSystem V3.3.0。

2.2 测试分析

2.2.1 WY1-Ⅱ数据分析

本测试层段深度1 305.48～1 336.20m，厚度30.72m。初开井5min，初关井3h，初关井静压为0.618MPa；二开井30分钟，二关井5h结束，二次关井静压为0.606MPa，产量0.194 7m3/d，现场测试地层最高温度为32.33℃，折算到测试层中部地层温度为32.81℃。采用双对数拟合和半对数拟合方法对二次关井数据进行试井分析，分析结果见表2，WY1-II层段DST测试压力、温度曲线如图6所示。

图6 WY1-II层段DST试井实测压力、温度曲线Figure 6 Well WY1-II sector DST testing measured pressure-temperature curve

2.2.2 WY1-Ⅳ数据分析

本测试层段深度1 394.12～1 410.04m，厚度15.92m。初开井5min，初关井3h，初关井静压为0.112MPa；二开井30min，二关井5h结束，二次关井静压为0.116MPa，现场测试地层最高温度为34.09℃，折算到测试层中部地层温度为34.38℃，产量极低，无法计算储层渗透率，建议使用实验室手段或其他测试手段测试渗透性，WY1-Ⅳ层段DST测试压力、温度曲线如图7所示。

图7 WY1-IV层段DST试井实测压力、温度曲线Figure 7 Well WY1-IV sector DST testing measured pressure-temperature curve

名称渗透率k/10-3μm2储层压力Pi/MPa井筒储集系数Cs/m3·MPa-1表皮系数S地层系数kh/10-3μm2·m流动系数/10-3μm2·m·mPa-1·s-1探测半径Ri/m数值0.06150.6215.633e-41.09321.88901.92762.42

2.3 结果分析与讨论

将DST试井测试成果与气测录井、采样化验成果进行分析比对，WY1-II层段试井测试成果如表2所示；WY1-IV层段，由于关井静压较小，产量极低，渗透率等储层参数无法采用该法计算，测试结果表明WY1-II层段含气性、渗透性较好，WY1-IV层段含气量较低、渗透性较差。

从气测录井分析：WY1-II层段(图4)，由全烃曲线可见该层段含煤地层气测显示活跃，属富气层，其它岩层有不同程度气测显示，属含气层，层段整体含气性较好；WY1-IV层段(图5)，岩性为泥页岩、砂岩，有气测显示，但不明显，属含气层，层段整体含气量较低。

煤岩心采样化验结果显示(据山西省地质矿产研究院测试)：WY1-II层段，煤心裂隙发育，平均含气量21.03m3/t，泥页岩、砂岩等岩心样，裂隙不发育，岩心致密，平均含气量0.25m3/t；WY1-IV层段，不含煤，泥页岩、砂岩等岩心样，裂隙不发育，岩心致密，平均含气量0.26m3/t。

经分析比对，该井WY1-II层段与WY1-IV层段DST试井测试结果与气测录井、煤岩心采样化验结果所反映的储层特征具有一致性，同时，DST试井求取的储层参数综合了整个测试层段中煤、致密砂岩、泥页岩等各含气层的影响因素，是储层整体渗流特征的真实表现。目前，利用该法所获取储层参数已应用于本井煤系“三气”开发有利层段优选，压裂、排采方案设计，从排采情况看，WY1-II层段产气效果较好。