录井识别CO2及其资源的方法和意义

黄万国 吴墨染 陈 贺 张会民 余仟子 郭青松 田素合 赵坤梅

(①中国石油渤海钻探第一录井公司；②中国石油渤海钻探第一钻井公司)

0 引 言

高浓度CO2是一种宝贵的矿产资源，在工业、农业生产中有着极为广泛的用途，在石油工业中，利用CO2驱油是提高原油采收率的重要方法之一。CO2除了具有资源意义外，在油气勘探过程中，通过录井识别CO2，可以更好地识别油气水层，能够在钻探过程中及时提出施工建议，还可以为后期油气田勘探开发提供重要的数据支持，具有重要的石油地质研究意义。但CO2作为非烃气体往往不受重视，同时由于CO2在地层中分布广泛且不均匀，其检测影响因素较多，造成CO2检测不准，对CO2气藏的识别、CO2气体的预防以及处理产生了不利影响。因此，通过录井技术在油气勘探过程中快速、准确识别CO2具有十分重要的作用。

1 录井检测的CO2组成

在钻井过程中，录井利用脱气器搅拌器高速旋转破碎钻井液将气体从钻井液中析出，在获得的气体中包括非烃气体CO2。录井检测到的CO2来源于3部分：地层、钻井液、空气。地层中CO2来源多样，其成因可以分为无机成因和有机成因。无机成因的CO2是无机矿物或元素在各种化学作用中形成的，主要来源包括地幔成因、岩浆-火山源成因以及碳酸盐岩变质成因形成的CO2。有机成因的CO2是有机质在不同地球化学作用中生成，如有机质在生物化学作用、热解和裂解等成烃作用中形成CO2，也可以是煤的烧变和煤的氧化作用形成。根据戴金星等[1]对CO2气藏分类以及成因研究，地层中高浓度CO2以无机成因为主，成藏主要受岩浆活动和深大断层影响，分布较集中，形成的地质时代主要在岩浆和断层活动活跃的中-新生代，储集层岩性主要是海相碳酸盐岩，其次是砂岩。有机成因的CO2是有机质在热演化过程中产生的，通常作为烃类气体的次要伴生产物出现，主要分布于生油凹陷周围，分布层位广而含量低，如黄骅坳陷有机成因的CO2含量仅为0.12%～2%[2]。

钻井液中存在产生CO2的可能，主要成因包括以下4方面[3]：(1)钻井液处理剂在高温高压条件下分解易产生CO2；(2)钻井液处理剂相互反应生成CO2；(3)钻井液长期与空气接触，CO2溶解进入钻井液；(4)处理钙侵和水泥侵时加入纯碱过量。此外，在脱气器破碎钻井液的过程中，空气作为补偿气混入到分析气体中，所以录井获得的CO2部分来自空气。通常情况下，将从空气和钻井液中获得的CO2视为基值，含量很低，一般介于0.03%～0.10%。CO2的含量以及储集层性质判断主要受来自于地层中CO2的影响。

2 录井识别CO2的方法

目前国内录井识别CO2主要通过红外线法和热导法，两种检测方法各具优点，都能较好地识别CO2，在现场应用都比较广泛。

2.1 红外线法

红外线法是根据红外线在传播中其辐射能量被物体吸收后易被检测的特点，以及不同气体所吸收的红外线波长也不同的原理来对气体组分进行分析。将被测气体持续通入吸收池，被测气体中CO2吸收特定波长的红外光，透过吸收池的红外光强度由红外传感器检测，进而得到被测气体中的CO2浓度测量值。红外线录井检测方法无分析周期，连续测量，具有结构简单、稳定性好、抗污染能力强、可用于检测多种混合气体等优点，但环境温度、气流压力及其他气体会对其准确性造成微弱影响。

2.2 热导法

热导法主要依靠物理学原理，将从钻井液中脱出的气体经色谱柱分离后送入热导池鉴定器，由于每种气体热导系数不同，带走的热量不同而引起热敏元件阻值的变化，使电桥失去平衡，产生不平衡电压输出信号，从而测得CO2的含量。热导法分析周期为30 s，有恒温控制，检测不受温度影响，同时经色谱分离后只分析CO2含量，分析具有指向性，准确度高。

3 CO2识别影响因素及应对方法

3.1 影响因素

在录井过程中CO2检测含量只有0.5%～8.0%，有时甚至检测不到，可测试时CO2的含量却很高，达到40%～75%[4]，如在大港油田的YS 1井，现场录井过程中检测到CO2最高只有0.172 1%，但是在完钻中途测试过程中，CO2含量高达91.8%。现场钻井过程中对CO2识别影响因素较多，造成CO2识别不准的主要因素包括以下几方面。

(1)钻井液：除了前面提到的钻井液中可能产生CO2影响测量值外，钻井液的类型、密度、pH值、温度以及吸附性等都会影响到CO2含量的检测，这主要跟CO2的物理化学性质有关。CO2在不同介质类型的钻井液中溶解度不同，一般情况下，压力越大，温度越低，钻井液中的溶解度越高，CO2的溶解度还随烃类物质碳数增加而减少[5]；过高的钻井液密度会导致井底压力处于正压差状态，地层中的CO2侵入井筒内的含量少，检测到的CO2含量也少；CO2易溶于钻井液形成碳酸，在碱性环境下会发生较为复杂的化学反应，其中对CO2测量影响较大的化学反应式如下：

CO2+H2O=H2CO3

CO2+OH-=HCO3-
CO32-+CO2+H2O=2HCO3-

从上面的化学反应式，钻井液所含OH-要吸收大量的CO2，同时碳酸在碱的作用下，能生成酸式碳酸盐和碳酸盐[6]。另外，CO2本身在钻井液中具有高溶解度。

(2)检测仪器：检测仪器的刻度、灵敏度、稳定性、分析周期都会影响到CO2检测的准确性。

(3)脱气器及管线密封性：脱气器接触的钻井液体积少，同时脱气器转速低、流速低会造成脱出的CO2体积少；气管线密封性不好，会导致抽入空气，降低单位体积中CO2的含量。

(4)工程因素：钻头直径小、钻时大、泵排量低导致单位时间单位体积中返出的CO2浓度低。

(5)构造位置：钻遇的构造位置可能处于储集层中CO2存储位置边缘外或储集层非均质性强、连通性差，储集层中的CO2无法进入井筒被检测到。

3.2 应对方法

针对CO2检测的影响因素，为了在钻探过程中准确识别CO2，需注意以下几方面。

(1)钻井液：作业期间，关注钻井液类型、密度、温度、pH值以及添加剂情况，特别是在目的层中，要及时分析CO2含量变化，分析影响因素，及时提出整改意见。

(2)检测仪器：保证CO2检测设备稳定性，增加低浓度的调校点，选用分析周期短、灵敏度高的检测仪器，保证能捕捉到CO2变化信息。

(3)脱气器：脱气器的脱气效率直接影响到CO2的检测值。在作业过程中，加强日常检查，保证脱气器内钻井液的脱气量尽量多；选用脱气效率高、密封性好、转速高的脱气器；保证与脱气器连接的管线气密性良好。

(4)单根峰以及后效观察：在接单根或起下钻过程中，井筒内钻井液处于静止状态，地层流体在扩散和渗透作用下侵入钻井液中并聚集，同时在活动钻具过程中产生抽吸力和冲击力，在抽吸力和冲击力的作用下地层孔隙或裂缝中的CO2容易进入井筒并被检测到。如大港油田WG 3井，钻进过程CO2含量介于0.32%～0.94%之间，但是单根峰CO2含量介于10.56%～39.86%；再如YS 1井，钻进过程中检测到CO2含量介于0～0.17%，但是在后效观察过程中检测到CO2含量介于36.32%～72.00%。

(5)资料收集：钻前收集邻井资料，掌握邻井是否发现CO2储集层；熟悉区域地质，了解地层层序，着重注意碳酸盐岩地层、大断层以及火成岩分布情况。

(6)电导率：电导率与地层水的矿化度相关。电导率的变化预示着地层水的侵入，而CO2易溶于水，同时CO2溶于水后矿化度增大，电导率变大，并且碳酸盐岩裂缝或者砂岩孔隙是CO2运移通道和存储空间，因此电导率变化时要注意CO2含量变化，尤其是在碳酸盐岩地层。

4 录井识别CO2的意义

4.1 资源意义

高浓度CO2之所以具有较高的经济价值，是因为高浓度CO2在多个领域都有广泛的用途[7]。在餐饮业，CO2是生产啤酒、汽水、香槟酒的重要原料；在农业，可以利用CO2作“气肥”，达到对农作物催熟和增产的效果；在消防领域，CO2是良好的灭火剂；在化学工业，CO2是重要的化工原料，可以用来制作苏打和油漆保护剂等；在石油工业，可以利用CO2在超临界状态下的特性来驱油提高原油采收率；CO2还可以用于人工降雨，起到抗旱和灭火的作用。高浓度CO2气藏是获得CO2的来源之一，通过录井技术在勘探过程中发现CO2气藏具有十分重要的资源意义。

4.2 提供钻采数据支持

在钻探过程中，当CO2侵入井筒并溶于钻井液时，钻井液中CO32-和HCO3-浓度逐渐增大，导致钻井液密度、粘度、pH值等参数发生改变，严重破坏钻井液性能。同时，CO2溶于钻井液中形成碳酸会对钻具造成腐蚀性损害。在开采过程中，CO2在井筒内有凝析水析出时，形成高浓度的碳酸并粘附在测试设备上造成腐蚀。如中国石油华北油田采油三厂L 58断块富含CO2，3口高产油井因套管严重腐蚀而相继报废，直接经济损失上千万元[8]。

CO2的临界温度31.2℃，临界压力7.38 MPa，在开采过程中，由于温度和压力的变化，CO2从地层到井口连续发生相态变化，由气相转变为液相，再转变呈饱和蒸汽相、不饱和蒸汽相，在其相态变化过程中膨胀吸热使得井口、管线与设备上结霜，甚至使局部管线冰堵后缩颈，出现短时间抽搐式的自喷[9]。

因此，通过录井识别CO2含量，能够在钻探过程中及时提出施工建议，避免CO2侵入井筒改变钻井液性能以及对钻具造成损害，并为后期开采提供数据支持，通过采取相应措施避免或降低CO2引起的腐蚀和冰堵情况发生。

4.3 石油地质意义

CO2在录井解释油气水层过程中具有重要的参考意义，同时CO2作为非烃气体，其与油气水的分布、运移和存储条件具有共同特性。

从CO2分布特征来看，武站国等[10]根据黄骅坳陷现有CO2产出情况，初步认为CO2与石油及烃类气体的共生关系存在以下几种类型：(1)与烃类气体处于同一成藏系统之中，其特点是CO2含量自下向上减少，这种分布现状显然是重力分异作用所致；(2)在同一局部构造的不同断块中，形成高断块为CO2气藏、而相邻低断块为油藏的分布格局；(3)独立存在的CO2气藏。杨会东等[11]认为，研究CO2的分布规律对寻找二次聚集的石油烃类具有不可替代的借鉴意义。从运移条件来看，有机成因CO2主要作为油气次伴生气体，其形成时间和运移与油气基本一致，无机成因CO2运移主要受断层和岩浆活动控制，断裂也是油气运移的通道。从存储条件来看，孔渗性是CO2和油气存储的必要条件，CO2富集的地区常常是次生溶蚀作用较强的地区，也是寻找深部优质油气储集层的有利地区[2]。从油气成藏时间来看，曲希玉等[12]指出后期幔源-岩浆成因的CO2充注驱油普遍存在，寻找幔源-岩浆CO2充注驱油成因的次生油气藏是一个新的勘探思路。

录井通过分析CO2含量变化不仅可以更好地认识油气水层，还可以为后期油气田勘探开发提供重要的数据支持，具有重要的石油地质研究意义。

4.4 勘探开发安全意义

CO2本身不具有毒性，但当CO2的浓度达到1%以上，就会使人头晕目眩，达到4%～5%，人便会恶心呕吐，呼吸不畅，超过10%，人便会死亡。另外，硫化氢是碳酸盐岩油气藏中常见的非烃气体之一[13]，碳酸盐岩也是CO2气藏的主要储集层。硫化氢的成因中包括硫酸盐热化学还原作用成因、岩浆-火山岩成因、幔源成因。硫酸盐热化学还原作用成因主要是指硫酸盐与有机物或烃类在适当的温度条件下(一般在120℃以上)发生热化学还原反应，将硫酸盐矿物还原生成硫化氢和CO2,其化学反应为：

2C+CaSO4+H2O→CaCO3+H2S+CO2

∑CH+CaSO4→CaCO3+H2S+CO2

岩浆-火山岩成因和幔源成因也是CO2的成因，因此在钻遇发现CO2时，必须注意检测硫化氢，尤其是在碳酸盐岩地层和火成岩上部储集层，如在黄骅坳陷的WG 1井奥陶系地层顶部CO2+H2S含量高达95.09%[10]。

在勘探过程中必须实时检测CO2含量，在钻遇CO2储集层时，还必须注意检测硫化氢。

5 结束语

录井作为勘探的“眼睛”，是CO2的始发现者，通过录井精准识别CO2具有资源发现、石油地质研究、安全指导等多重意义。虽然通过红外线法和热导法检测CO2是钻探现场快速识别CO2的有效方法，但受成因和构造等因素影响，CO2在地层中分布广泛且规律性差，同时对其准确检测受影响因素也较多，这些原因导致通过录井资料很难达到定量认识CO2气藏的目的。另外，CO2作为非烃气体，在油气勘探开发过程中对其重视和研究程度还存在欠缺，对CO2解释尚未达到定量标准，在解释油气水层中的CO2时，往往是凭经验解释，譬如在某一区块，CO2含量高，就认为储集层为水层的可能性较大。因此，在今后的工作中必须加强对CO2的检测、识别和解释评价研究，从而更好地服务于油气田勘探开发。