录井基础实验平台建设与应用

2022-04-19朱柏宇陈恭洋程乐利袁胜斌

录井工程 2022年1期

朱柏宇陈恭洋毛敏程乐利杨毅袁胜斌

(①长江大学录井技术与工程研究院；②中法渤海地质服务有限公司)

0 引言

录井——传统上被誉为“地质学家的眼睛”，能在随钻过程中实时发现油气层、建立地层剖面。近年来，随着油气勘探开发逐步走向非常规、走向深层、走向海洋，录井工艺技术取得了全面、迅速的发展，同时也给录井相关理论与技术升级带来了新的挑战[1-4]。“录井学”的源头是石油地质相关理论，其核心是信息技术在井筒中的应用，即“井筒信息开发理论”，主要包括井筒信息数据采集、数据处理、数据应用及信息软件技术，涉及学科包含了地质-物理/化学-油气井工程基础原理、测量方法和仪器、应用方法和资料处理解释三大部分[5-6]。长期以来，录井基础理论发展受到涉及学科广、行业定位模糊、宏观指导缺乏等因素的影响，制约了录井技术发展[7-10]。

录井信息评价的精准程度将取决于录井采集信息还原的本真程度，而信息的还原受井筒信息演化机理、碎岩机理等基础理论认识的限制[11-13]。建立一套有效的实验模拟平台既是解决录井基础理论发展的支撑点，也是录井资料高效采集、精准解释的必由之路。长江大学于2011年开设录井技术与工程专业，在2015年成立录井技术与工程研究院，经过十年的发展，目前形成了一套多学科交叉的地质、工程一体化专家和学者队伍，建立了一系列录井技术科研平台，产出了大量录井技术相关基础成果[14-15]。本文将以录井基础实验平台建设与应用为重点，抛砖引玉，论述长江大学录井技术与工程研究院近年来的基础实验模拟方法与平台建设成果，探讨录井基础实验平台的发展方向，供录井界同仁参考指正。

1 录井基础实验平台建设思路与建设目标

录井基础实验作为录井技术的一部分，其基础属性仍是要面对现场需求的，这样所做出的基础理论在市场上才具有生命力。近年来，我国录井技术特别是信息采集技术实现了由“点”到“面”的转变，填补了多项检测空白，包括钻井液的含油性检测(钻井液核磁共振录井)、岩样的矿物成分检测(X 射线衍射矿物录井)、拉曼光谱技术、红外光谱技术等采集技术[16-19]。但就采集技术而言，却主要是其他创新技术的引用，主要关注地面信息处理，忽略了井下生态，从而导致采集实时性、采集数据的可靠性仍显不足。在录井资料处理方面，录井数据处理技术主要是数据校正技术，由于岩屑样品在从井下上返至井口过程中受到多种因素的共同影响，包括深度校正、井筒环境及钻井工艺参数校正、地面异位环境导致的精度损失、仪器校正等。然而，目前录井数据处理仍主要集中在仪器校正，忽略了井筒环境、钻井工艺等因素的影响，导致样品的代表性变差，采集数据的可靠性、准确性降低，因而需要进行复杂的处理后才能还原地层的真相(图1)。在录井数据应用上，这一方面一直是国内录井行业的短板，常有录井采集参数多而可用性差、定量化差的问题，说到底还是由于数据采集与处理分辨率差、多解性强导致的。

要强化录井基础理论研究，首先需要还原井筒环境，即需要先建立井筒信息模拟系统，这是后续地层油气和岩性定量精细检测、录井相关设备校正与改进、录井资料解释与应用规范化和智能化的基础。然而，现有的录井实验评价方法与平台仍处于空白阶段。基于此，长江大学录井技术与工程研究院近年来投入大量精力与成本，与中法渤海地质服务有限公司合作，建立了一套井筒信息模拟实验平台(图2)，并建立了相关的理论分析、实验、数值模拟方法，助力录井基础理论研究上升到更高水平。

图1 井筒信息从地层到录井仪器的演化过程

图2 井筒环境模拟实验平台实景(一期)

2 井筒环境模拟实验平台组成与实验流程

实验室定位于“智能型地面-井筒-地下全过程环境模拟”录井基础实验体系，实验系统分为地层系统模拟单元、井筒环境模拟单元、地面数据采集与处理单元。实验室分两期进行建设，第一期为连续油管模拟井筒环境模拟系统(目前已完成)；第二期为高温高压井筒环境模拟系统(目前已完成设计)。

2.1 井筒环境模拟实验平台主体结构

井筒环境模拟实验平台在地面进行建设，如图3、图4所示。从钻井液池将加热的模拟钻井液、模拟地层流体(多重气源充注)、模拟地层岩屑泵入地面管汇中，在不同模拟井深(管线长度处)安装流量计、温度计、压力计等数据采集装置，获取该阶段管内流体信息(温度、压力、流速及流量等)，在模拟井口采集钻井液、岩屑、油气样品并开展分析化验，此时便可获取不同井深的井筒流体信息(密度、成分、状态等)；然后，调整温度、泵入压力，再次获取不同阶段的流体信息，依此类推，最终获得从井底到井口井筒内流体变化的所有信息数据，并基于该数据对录井信息采集系统、录井信息处理系统进行校正。

2.1.1 连续油管模拟井筒环境模拟系统(一期)

目前已经完成一期建设，该期采用连续油管模拟井筒(图3)，已完成的井筒环境模拟部分的关键技术指标为：井筒工作压力6 MPa，盘管长度包括500 m、1 000 m、1 500 m、2 000 m多段组合，管径42 mm，滚筒直径2 200 mm。该实验室能够模拟500～5 000 m井深的全过程井筒环境，是长江大学联合中法渤海地质有限公司创新自主设计、研发的标志性实验室。

图3 连续油管模拟井筒环境模拟实验平台示意图(一期)

2.1.2 高温高压井筒环境模拟系统(二期)

第二期实验室建设平台将采用高温、高压模拟试验井筒设计，井筒压力环境达140 MPa，井筒温度环境达200℃，井筒长度达12 m，采用27 SiMn无缝钢管垂直摆放，井身结构完全还原井筒真实环境，包括钻杆内部-环空钻井液循环系统(图4)。二期实验室建设平台弥补了一期实验室在环境、压力、井身结构模拟上的不足，可以满足国内大部分深井、超深井的井筒环境模拟要求。

图4 高温高压井筒环境模拟实验平台示意图(二期)

2.2 井筒环境模拟实验系统流程

结合录井系统基本运行流程及实验室的主体功能，井筒环境模拟实验流程的设计思路为：

(1)相似原型：现今国内钻井逐步走向深层、超深层，塔里木盆地轮探1井井深达8 882 m，管路长径比太大，现有条件下通过一次相似实验不可能完成。因此，通过连续油管盘管、多次循环、多次调控、多次换热升温，综合每组实验数据来完成全过程管流模拟，在满足井控安全的前提条件下尽量放大实验流动参数以保证安全高效输送。同时，在相似模拟的前提下，应首先进行模拟井筒与真实井筒环境参数校正，包括：重力参数校正、盘管流和直管流多相流-井筒-温度-压力耦合校正、模拟井筒管径比对井筒环境的影响校正等。校正方法包括对比实验、数值模拟、理论分析等。

(2)根据地层流体、岩屑、钻井液的组分，模拟预制井筒流体(含岩屑)样品，然后根据钻头破岩参数、水动力参数泵入模拟井筒。

(3)将模拟流体泵入模拟井筒并进行循环，模拟实际钻井过程中的气、液、固多相管道输送流动状况。

(4)连续油管盘管、高温高压垂直井筒能够分别独立完成实验：连续油管盘管着力解决随钻油气、岩屑检测与标定问题，高温高压垂直井筒着重解决气-液-固多相流动特征参数预测、测量、压力演变规律及调控技术。

(5)管输结束之后，将模拟流体按照录井流程与规范进行分离、采集、分析与计量，最终目标是实现智能化、自动化、系统化、高分辨率处理。

(6)实现模拟井筒多相输送过程中的运行控制和测试数据及图像采集，并进行实时监控、处理、分析、显示和存储。在油藏地质研究的基础上，探索录井信息形成及演化机理，从地质成因与工程成因的角度，对影响录井信息的各项因素进行定量分析与机理评价。

(7)通过实验室研究，对录井资料进行预处理(环境校正还原信息)，旨在形成、完善录井评价与解释基础理论。

3 井筒环境模拟实验平台功能与配套方法

实验室定位于“智能型地面-井筒-地下全过程环境模拟”录井基础实验体系，通过环境校正还原信息本真，以解决录井过程中的岩屑、油气、地层压力检测问题。实验的主体功能包括：随钻岩性检测开发系统、随钻油气检测开发系统、随钻井底-地层压力检测系统、井下工具高温高压模拟试验系统。实验室配套功能包括：录井岩屑运移的计算流体力学-离散元数值模拟方法、井筒内多相流体运移数值模拟方法、井筒环境模拟系统管柱内流体力学特性分析。

3.1 井筒环境模拟实验平台主体功能

3.1.1 随钻岩性检测开发系统

岩性检测是录井技术的传统技能，也是录井技术的根本之一，但是近年来发展受限严重，传统岩屑录井观颜色、看成分、绘草图、看实物的方式已不能适应先进钻井工艺快速发展的需要。近几年，面对复杂钻井条件对录井的影响及油田勘探开发的需求，岩屑录井技术也逐步走向数字化、微观化、定量化。比如：自然伽马能谱录井、X射线荧光/元素录井、热解色谱录井技术等。然而，这些技术主要停留在引进其他行业先进技术的应用层面，在岩性检测与处理的标准化、一体化、智能化上仍显不足。

随钻岩性检测开发系统以井筒环境模拟、钻头破岩模拟为基础，移植和借鉴相关专业成果，首先分析岩屑的形成机理，明确钻头破岩参数、水动力参数对地层岩屑形成与改造的影响因素；然后，通过井筒环境模拟实验，明确岩屑在井筒中的运移规律，包括岩屑沉降、上返时间差异、分异等；进一步建立一套岩屑自动采集与处理系统，形成岩屑自动采集与处理标准，减小人为主观因素对岩性检测的影响，同时为录井行业“降本增效”做出贡献；最后，通过岩屑高分辨率扫描成像、X射线岩屑荧光分析系统、岩屑自然伽马测量系统、岩屑核磁共振分析系统、三维荧光光谱成像分析系统、岩屑热解色谱分析系统等对岩屑检测实现规范化、一体化、自动化、智能化、实时化、数字化、可视化、精细化处理。随着岩屑录井技术的发展，将所有岩屑检测资料标准化校正后将能与地球物理测井资料一样以连续曲线成图及数字形式显现及保存，不同人员、不同地区、不同层位、不同时间、不同钻井条件下采集的岩屑资料，包括与测井、地震资料将具有可比性。

3.1.2 随钻油气检测开发系统

气测录井曾给录井行业带来了强大的生命力，通过对钻井液中含气量的连续检测和全脱分析获得气测数据，但随着油气勘探走向复杂化，也给气测录井带来挑战。在气测录井过程中，多种影响因素，包括钻井工程影响、钻井液性能影响、检测条件(如井口脱气设备导致的逸散)影响等，导致气测显示偏高或偏低，给单井资料的纵向对比和井间对比带来困难。

在钻井施工过程中，钻头、钻压、排量、钻速、起下钻(如地层气体吞吐效应)等作业参数发生变化时，气体产生与运移规律也会发生变化，进而影响录井气测对地层油气显示的评价。钻井液是地层流体的携带体，钻井液本身的流变性、固相物含量、温压特性变化会导致地层实际流体与井口流体的不匹配，在当今油基钻井液、欠平衡钻井、气体钻井逐步广泛应用的背景下，给气测录井带来了巨大的挑战。最后是检测条件的影响，这里检测条件关键是脱气设备和气测基值的影响，现有脱气设备仍主要采用搅拌脱气的方式，对钻井液中地层流体逸散效应缺乏定量化校正，同时不同地层环境、钻井液与钻井工程环境下的气测基值也需要校正，这是油气发现的基础。

基于上述问题，首先，明确钻头、钻压、破岩效率、钻井液密度等参数对地层流体溢出到井筒的影响；然后，以井筒环境模拟实验为基础，评价多相气源混注在不同钻井液性能(密度、流变性)、排量、温压系统下的运移与演化规律，实现地层流体从地层到地面的全过程监控；进一步对传统脱气设备的气体逸散值进行校正或者发展新的全自动脱气系统，实现地层流体从井口到综合录井仪的有效运输；最后，通过气测录井系统、气相色谱、离子色谱等技术实现对烃类检测的自动化、规范化处理，并利用人工神经网络等智能化处理技术实现油气层智能评价，避免气测基值单一化判断的影响。通过该实验系统，可以实现地层流体从地层-井筒-井口-综合录井仪的全过程全生命周期监测与检测，通过标准化单因素控制实验，最终实现气测录井综合校正。

3.1.3 随钻井底-地层压力检测系统

地层压力预测是一个世界性难题，目前存在两点明显的不足：一是没有把异常压力的成因与地层压力的评价方法有机结合；二是偏重于地球物理方法的钻前预测，而忽略了工程录井方法的随钻监测。在地层压力随钻监测方面，目前主要通过可钻性参数，如钻时、dc指数、Sigma指数、孔隙度、岩石密度，孔隙流体检测参数和不寻常自生矿物参数进行评价。但是，工程录井随钻地层压力监测方法存在三个明显欠缺，即多解性强、对解释人员专业水平要求高、实时性仍不足。

井底压力监测是钻井工程异常预报的重要内容，在钻井现场发挥信息情报、监控监督和参谋指导的职能，同时也是对地层压力预测的重要补充。目前，工程录井中的井底压力监测技术仍以地面信息监测为主，较差的实时性导致异常预报反应迟钝，不足以满足工程要求。

基于上述问题，本实验系统首先在理论上做了充分的研究，建立了一套异常压力录井监测方法与软件，并在中海油开发的中国南海北部白云凹陷得到了广泛应用(图5)。在实验室二期建设过程中，高温高压井筒环境模拟系统增加了地层压力模拟与井底压力监测模块，可实现地层压力-井筒压力-井口压力传导与监测的全过程模拟。其原理是：在井底环境中采用地层压力模拟模块产生不同的地层压力，分析不同地层压力在录井工程参数、地质参数、流体参数检测上的响应，尽可能地提高地面检测系统对异常地层压力监测的时效性。然后，在井底高温高压环境中置入井底压力监测模块，通过电磁传输代替钻井流体等传输，降低井底压力监测的滞后性。

3.1.4 井下工具高温高压模拟试验系统

近年来，油气勘探逐步走向高温高压储层，比如在塔里木盆地，井深普遍达到5 000 m以上，井下压力可达50 MPa 以上，施工压力可达 80 MPa以上，这样的高温高压环境对井下工具耐温耐压指标提出了更高的要求。在高温高压环境下，钻杆、钻具及井下工具组合的失效形式和在常温常压环境下的失效形式会有较大的差别，材料的性质和强度也会随之发生改变，常规油气井用的井下工具很难达到高温高压的性能要求，因此需要研制能够适应高温高压环境的井下工具。目前，研制新型井下工具大多采用现场试验的方法，试验所需费用高、时间长、效果差。

高温高压模拟试验系统可以在实验室内模拟井下高温高压环境，能够对分层注采工具及分层压裂完井用井下封隔器橡胶密封圈、橡胶筒等部件进行老化试验，并且能够对管内封隔器座封后耐压差性能进行试验、疲劳强度试验及受力特性试验。同时，还可对注水工具和其他压裂完井用井下工具进行性能测试、疲劳特性分析及高温高压强度试验。

图5 中海油某井压力监测示意

3.2 录井基础实验平台配套方法

3.2.1 岩屑运移的流体力学-离散元数值模拟方法

钻井液中岩屑颗粒在钻井液循环过程中被携带出井口，岩屑颗粒、钻井液、井筒之间的动力学行为属于液固耦合的范畴。CFD-DEM耦合算法考虑了岩屑颗粒之间以及岩屑颗粒与钻井液、岩屑颗粒与井筒、钻井液与井筒之间的耦合作用，能够捕捉颗粒运移、沉淀的细观机理(图6)。对岩屑颗粒运移求解采用拉格朗日框架下的离散元方法进行，岩屑颗粒遵循其第二定律。岩屑颗粒随钻井液在井筒中运移时，每个颗粒受到周围钻井液、邻近颗粒、邻近井筒/环空壁面的作用，因此岩屑颗粒运移中受到的外力包括自身重力、曳力、浮力、接触力等，其运动过程主要包括平动和转动，控制方程为：

(1)

式中：Fp,n和Fp,t分别为法向接触力和切向接触力；Fp,g为重力;Fp,e为颗粒周围流体施加颗粒的力，如曳力、压力梯度力和浮力；rp，c为颗粒矢量半径；Tp，r为颗粒的额外扭矩;μp和ωp分别为平动速度和转动速度；mp为颗粒质量；Ip为颗粒惯性矩。

图6 固相颗粒-钻井液-井筒壁面受力关系[20]

通过以上运动方程的循环求解，获得每个时间单位的位移增量和接触力增量，在接触检测的基础上显式更新固相颗粒位置及速度。除了考虑颗粒间、颗粒-井筒的相互作用以外，还需要考虑钻井液与岩屑颗粒间的相互作用(图7)。在颗粒非解析的CFD-DEM耦合算法中，假设流体是连续不可压缩的，可由局部平均的N-S方程描述：

(2)

(3)

式中：αf为钻井液体积分数；ρf为钻井液密度；μf为钻井液速度；▽p为钻井过程中的压力梯度；τ为钻井液应力张量；t为时间步；S为动量交换源项。

上式中颗粒-钻井液动量交换项与颗粒所受曳力及滑移速度有关，可以表达为：

S=Kpf(μf-〈μp〉)

(4)

式中：Fd为曳力，Kpf为中间系数；Vcell为CFD网格体积；μp为颗粒速度。

曳力计算的经典模型较多，本文中采用Di Felice曳力模型，可以表达为：

(5)

式中：Cd为曳力系数，该系数为颗粒流的雷诺数Re的函数；Dp为岩屑颗粒直径；χ为中间系数。

图7 水平管柱内岩屑颗粒运移过程模拟结果[21]

3.2.2 井筒内多相流体运移数值模拟方法

井筒中气液两相在上升过程中，两相之间存在相互作用力，可以采用欧拉模型进行求解，其控制方程组包括连续性方程、动量方程和能量方程：

(6)

(7)

(8)

式中：k为相的角码；μk为各相速度；pk为各相压力标量；I为剪切力张量；gk为重力加速度向量；ek为比热力学能；t为时间；Tk为各相剪切力张量；qk为体积热源。

井筒中气液两相流场为湍流，流场具有各向异性，采用雷诺应力模型进行模拟具有良好的精度。雷诺应力模型的运输方程为：

(9)

然后，对井底压力、井口压力、井筒温度、气液比、液滴直径等边界参数进行定义，采用VOF算法，便可对井筒中多相流体运移规律进行计算，分析不同相流体在井筒中的运移规律、地层流体侵入井筒情况等，辅助井筒环境模拟实验系统进行标定(图8)。

图8 水平管柱内气液两相流体运移过程模拟[22]

3.2.3 井筒环境模拟平台管柱内流体力学特性分析

目前一期井筒环境模拟平台采用连续油管盘管式的模拟方式，具有井眼井径小、液体流动空间小等特点，需要与钻井现场井筒环境参数进行校正，故首先需要分析实验系统的流体力学特性。假定实验流体为清水的情况下，排量(Q)按照1 000 L/min流过泵出口(泵出口内径R=100 mm)估算流速(Vf)及雷诺数为：

(10)

(11)

实验流型应选择湍流模型，流过连续油管卷筒时对压降的影响，根据范宁摩擦系数公式：

(12)

根据流体为清水的参数，a取0.078 6，b取0.25，计算得到的摩擦阻力系数f=0.0 075。

压力降低值Δp可以表示为：

式中：L为管柱长度；R为管柱内径；D为盘管直径。

4 录井基础实验平台的学科支撑与应用前景

录井基础实验平台主体功能及其配套功能填补了我国录井学科方面大型井筒环境模拟基础设施上的空白。本文设计的井筒环境模拟实验平台可以模拟井下高温高压环境，模拟过程简单且成本相对现场试验较低、物理过程控制系统精密、模拟参数多样、主体功能及配套功能齐全成熟，使该模拟实验平台在支撑录井学科理论研究方面，甚至在其他井筒实验，包括井下工具测试、测井参数校正上均能够发挥重要作用。

4.1 模拟井筒信息演化过程

实物样品、地层信息在从井下上返至井口过程中受到多种因素的共同影响，包括深度校正、井筒环境及钻井工艺参数校正、地面异位环境导致的精度损失等。井筒环境模拟平台可以模拟实物样品、地层信息从井底到井口的演化过程，从而建立地面采集系统与地下储层之间的定量关系。

4.2 地面录井参数校正

传统录井设备的参数校正，如气测基值校正等，是针对仪器的校正，尽管能够提高录井监测设备的精度，但是在反映地下黑箱系统方面却是治标不治本。井筒环境模拟平台能够全生命周期模拟信息、实物样品从地层到录井设备的演化过程，通过输入不同地层信息-监测地层信息的正演-反演相结合的方式进行地面录井设备参数校正，校正不仅停留在仪器的表象，更能进一步反映深层的内在联系。

4.3 井下工具高温高压测试

为开发新型耐高温高压工况下的井下工具，有必要建设一套模拟试验装置，模拟现场工艺及井下高温高压工况来检测井下工具的性能。高温高压井筒模拟实验装置能够解决目前现场试验检测数据不准、试验风险性较大、试验参数改变不灵活、试验数据获取不科学等问题，对于研制新型高温高压井所用井下工具具有重要意义。

本文所建立的实验系统实则是“搭台子”，对录井设备评价、校正才是真正的“大戏开场”。所以，该实验平台要做的前期工作不是仅仅局限于对某个录井设备进行校正。录井设备多而杂，我们要做的是基础中的基础——建立地层-井筒-地面全过程全生命周期的录井相关参数数据库。

5 科学研究成效与未来计划

5.1 科学研究成效

(1)支撑了油基钻井液烃类气体损失评价实验研究。井筒环境模拟平台建立以来，已经在油基钻井液烃类气体损失评价、油基钻井液气测校正等方面发挥了重要作用，支撑了国家重大科技专项“大型油气田及煤层气开发”子课题的完成。利用一期井筒环境模拟实验平台探索了油基钻井液中不同地层流体注入情况下的气测值损失(图9)，结合不同注入气体-钻井液多相流数值模拟技术揭示烃类气体损失机理(图8)。

(2)吸引了多个研究项目落地。例如：非连续油相在多孔介质中的启动与运移机理研究、海相浪控砂质临滨坝沉积构型差异性及沉积动力学机制研究等多个国家自然科学基金项目，因该井筒环境模拟实验平台支撑获得资助。

图9 不同地层气体注入情况下的气测值显示

5.2 未来研究计划

(1)在录井基础理论研究中开展一系列关键过程模拟实验。开展烃类气体在油基钻井液、水基钻井液中的运输过程模拟，通过对不同含气量及含气类型、不同循环压差下的损失机理及损失强度进行模拟，结合录井气测检测，参考多相流数值模拟结果，建立油基钻井液、水基钻井液烃类检测校正图板。开展不同岩性、粒度岩性的岩屑运移过程模拟，明确不同岩性、粒度的岩屑在井筒循环过程中的分异、沉降，建立不同粒度、不同岩性岩屑的迟到时间图板。

(2)在地层压力预监测系统研制、研发中发挥重要作用。利用二期高温高压井筒环境模拟系统，开展不同模拟地层压力下的录井信息监测，建立一套快速、准确的地层压力监测方法与图板。

(3)在井下工具高温高压模拟测试中发挥重要支撑作用。该井筒环境模拟系统不仅在录井学科中有重要作用，在井下工具测试、测井仪器测试及校正上也能发挥重要作用，未来将在录井相关井筒信息演化模拟的基础上，逐步拓展石油工程其他有关井筒环境模拟方面的应用。