南海北部深水录井实践

孙金山代一丁李建周姚振河

(1.中海石油(中国)有限公司深圳分公司; 2.中海油能源发展股份有限公司)

南海北部深水录井实践

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(1.中海石油(中国)有限公司深圳分公司; 2.中海油能源发展股份有限公司)

南海北部深水区水体巨厚、泥线处温度低,钻井须使用粗长的隔水管,而该区含油构造盖层和储层,成岩性又较差,这给录井作业带来了岩屑样品代表性差、从钻井液中脱气困难,以及钻井液体积精确检测和钻井取心深度校正难度大等问题。整合应用智能综合录井THEMA技术、流体萃取技术,以及多种烃类检测和岩样鉴定技术,在油气发现和工程监测两方面均取得了很好的效果,初步建立了南海北部深水录井独特的技术体系和作业方式。

南海北部;深水录井;低温;隔水管;THEMA;流体萃取;油气发现;工程监测

我国南海石油天然气资源极为丰富,约占到全国油气总资源量的1/3,其中70%蕴藏在超过150万km2的深海区域[1]。目前我国深水勘探主要集中在南海北部珠江口盆地—琼东南盆地一带水深300～3 200 m、面积约20万km2的深水区域[2-3]。2012年5月9日,“海洋石油981”深水钻井平台的投产开钻,标志着中国海洋石油工业的“深水战略”迈出了坚实的一步[4]。深水区水体厚、海底泥线处温度低,钻井须使用粗长的隔水管,这给深水录井带来了岩屑样品代表性差、从钻井液中脱气困难、钻井液体积精确监测难度大和钻井取心深度校正难度大等问题,深水钻井工程对录井也提出了更高的要求。在南海北部深水区油气勘探中,整合应用智能综合录井THEMA技术、流体萃取技术[5]等录井技术,克服困难,做到了准确建立地层剖面、有效脱气及时发现气测异常以及对钻井工程隐患提供准确预报等。本文是对南海北部深水勘探录井实践的总结。

1 深水录井面临的挑战

1.1 水体巨厚

水体巨厚给录井带来的问题主要有以下几点:

1)浮式钻井平台在深水区作业受潮汐、波浪作用产生的升沉、摇摆等现象较浅水区更严重[6]。升沉使录井监测的井深准确性差,这对判断取心钻具是否下钻到底、计算取心进尺和校正取心深度等会产生影响;摇摆会使泥浆池体积测量出现较大误差,并很难测出钻井液出口流量的细微变化等,这将影响到对地层压力的实时监测和井涌预警。

2)为克服巨厚水体的影响,深水钻井须使用较长较粗的隔水管,这使得隔水管内流体的流速非常缓慢,从而造成深水钻井出现气泡比在浅水中要迟得多。为加速钻井液在隔水管内的返速以及减少岩屑在海底井口的滞留,需要在隔水管底部增设增压泵辅助钻井液循环,这会改变钻井液在隔水导管中的总排量,从而影响到迟到时间的计算。

3)深水钻井管柱结构上下环空截面积的巨大变化、隔水管底部增压泵的使用,会使岩屑在井下的稳定运动状态被破坏[7],从而使取得的岩屑样品新老混杂,代表性差;而在南海北部深水区和超深水区,含油构造的盖层和储层压实程度低、成岩性差,甚至为松散沉积物,虽然其可钻性好,但岩屑样品细小成块性差,再经粗长的隔水管上返至平台后多呈散砂状,致使其代表性更差。

1.2 海底低温

海底(泥线处)低温是深水区最显著的特性,南海北部某海域水温随水深变化关系如图1所示。浅水钻井海底温度一般在20℃左右,可使用常规脱气器。深水区海底温度低至3～5℃,低温使钻井液的流变性发生较大变化,粘度和切力大幅度上升,甚至发生速凝现象[8-9],导致脱气器脱气非常困难,使气体测量值变小变微,从而影响到了油气显示的发现;低温还改变了气体在钻井液中的赋存状态,使一部分气体无法脱出,当钻井液温度低于36.1℃的时候,正戊烷(nC5)会变成液态,脱气器就无法脱出该组份。

图1 南海北部某海域水温随水深变化图

1.3 深水钻井作业对录井提出了更高的要求

1)由于深水钻井须使用更粗更大的隔水管,所需要的钻井液体积也更大,为保障安全需要掌握精确的钻井液体积变化数据,这就要求录井能实时掌握和预报钻井液体积增减的细微变化。

2)随着水深的增加,地层破裂压力梯度降低,其与地层孔隙压力梯度之间的窗口变窄,深水区该窗口狭窄,钻井和固井时极易发生井漏等复杂情况,工程上要求能尽早地发现这些隐患的前兆,要求录井能监测并提供准确的地层破裂压力、孔隙压力和出口流量的微小变化数据。

3)深水钻井过程中的压力预测,以及钻具振动分析、井眼清洁状况分析、机械效能比分析等,都要求录井能提供更多更准确的监测信息和数据。

2 南海北部深水录井实践

2.1 3种传感器配合使用进行深度跟踪监测

确保井深准确是录井作业最基本的要求。在南海北部深水钻探录井作业中,将光编码传感器、绞车传感器和潮汐补偿传感器(图2)配合使用进行深度跟踪和监测,根据钻井作业程序中的不同工序采用不同的组合,正常钻进时采用光编码传感器+潮汐补偿传感器,起下钻过程中采用绞车传感器+潮汐补偿传感器。采用光编码传感器和潮汐补偿传感器来平衡波浪与潮汐对深度的影响从而精确测深,可以精确到0.1 m/点。3种传感器配合使用在LH29-2-1等井取得了很好的效果,钻具和电缆误差保持在了1.0 m以内。

图2 3种深度传感器(实物照片)

2.2 使用新型精密仪器保证液位测量和流量监测精确

为了克服波浪造成的平台纵横摇摆的影响,准确测量钻井液体积和监测泥浆池液位变化情况,使用了最新型的超声波液位计(图3),并根据精度需求在循环池对角安装了4个,在其他池对角安装了2个。为尽早发现溢流井涌预兆,最大限度地增加处理和应对时间,针对深水录井要求,引进了内部安装有科里奥利质量流量计的早期井涌监测装置EKD(Early Kick Detector,图4),做到了准确发现钻井液出口流量的细微变化,提前进行井涌早期预报,保证了钻探安全。

图3 超声波液位计(实物照片)

图4 早期井涌监测装置EKD(实物照片)

2.3 采用改进的水马力程序计算迟到时间并正确取样

取到能真正代表地下相应深度位置的岩屑样品,是建立可靠地层岩性剖面和进行含油性检测的基础。取样时间和取样方式决定了所取样品的好坏和真实性。在南海北部深水录井作业中,采用改进的水马力程序,充分考虑泥浆泵和增压泵的泵效、井眼扩大率以及泥线上下钻井液返速的影响,依据计算值与实测值比对结果不断修正计算参数,确定了准确的迟到时间[10],保证了岩屑取样时间的正确。

同时,经过多次摸索,将深水岩屑取样三级分样筛,即顶、中、底筛的比例调整为1∶5∶4,以适当增加底筛岩屑的含量,这样可以保证取到真正具有代表性的岩样,以更好的识别薄—中厚层的砂岩层,并对其进行含油性及荧光检测。LW6-1-1等井岩性剖面符合率均在95%以上,与浅水区相当。

2.4 恒温从定量钻井液中萃取流体,提高脱气效率

针对钻井液低温导致脱气效率明显降低的问题,使用流体萃取器(图5)从钻井液中脱气。在作业期间,流体萃取器既能保证连续、定量抽吸钻井液样品,又能保证萃取室中的钻井液温度维持在一个特定值(水基钻井液加热到70℃,油基钻井液加热到90℃)。恒定的钻井液流量、钻井液样品体积以及恒定的钻井液温度,提高了脱气效率,从而为检测到钻井液中烃类流体的真实含量提供了保证。实测数据表明,流体萃取器对于甲烷的脱气效率一般为70%(油基钻井液)～80%(水基钻井液)。LH29-2-1井气测全量(TG)最大值达16.10%,及时有效地发现了主要气层。

图5 流体萃取器(实物照片)

2.5 整合多种方法鉴定岩样和检测含油痕迹

为解决岩样细小成粉末状或散砂状导致岩性鉴定困难的问题,以岩屑录井和LWD测井为基础,增加了X衍射全岩分析[11]、元素录井[12-13],获得了准确的岩性组合、元素组合和成岩矿物组合信息,从而能够准确识别出特殊岩性,解决了岩性定名问题,为沉积相分析提供了重要依据。

南海海域珠江口盆地开展油气勘探已有30多年,不同凹陷存在“低气油比无荧光、低阻低荧光、低孔低渗”等类型油气藏。盆地深水区也可能存在相同类型油气藏,录井中除采用了在浅水探井使用过的Reserval气体检测方法外,还采用适于深水的流体录井FLAIR检测钻井液中的烃类和非烃类气体含量;同时,采用常规含油和荧光观察方法并结合三维定量荧光、地化录井来发现岩样中的含油痕迹;及时发现了不同特征的油气藏,如气田周边设计为找气的探井LH29-2-2井,钻遇时录井现场判断为油层,最后经测压取样得到证实。

2.6 随钻压力监测及预报

钻井过程中常应用dc指数和sigma指数进行压力预测,但其精度和适应性不满足深水钻井的需求。在南海北部深水录井时,使用实时压力录井(Pre Vue)[14]在钻前进行单井压力梯度分析,录井中根据实时工程参数、气体参数、随钻测井资料和岩屑中的掉块,进行实时地层孔隙压力和破裂压力梯度评价;并根据压力数据优化套管程序、优化钻井液密度及循环当量密度来避免卡钻等井下复杂事故的发生,以提高作业效率降低深水钻井成本。如在YC26-2-1井实钻中,使用Pre Vue证实了井底部压力回转现象的存在;同时,PreVue的应用实时量化了地层压力,使得直径244.47 mm套管下深由设计的4 505 m推至4 580 m,更完整地封住了上部高压地层,为后续用低密度钻井液钻探下部低压层创造了良好的条件。

2.7 工程参数监测和预警

为了满足深水钻井工程更高的需求,提高工程监测和预报的准确度,引进了专项技术(THEMA技术)进行钻井效能分析、井眼清洁监测、钻具振动监测和回流监测。

1)采用机械比能MSE[15]参数进行钻井效能评价,包括监测钻头功效(钝化和损坏),选择钻头类型、钻压、转速和钻井液循环参数。

LW6-1-1井在井眼直径311.15 mm井段钻进过程中,2 290 m以前ROP约为50 m/h,MSE值为34.47～68.94 MPa,增大趋势平稳(图6中绿色、红色段)。自2 291 m开始,ROP降为5～7 m/h,MSE值突然增大至257.79 MPa(图6中蓝色段),MSE值虽然突然增大,但随后在同一岩性段内MSE值基本稳定,因此判断ROP降低是地层岩性变化造成的,而并非钻头磨损。从返出的岩屑来看,地层岩性由砂泥岩转变为玄武岩,证实了判断的正确。

图6 LW6-1-1井钻井效率分析图

2)井眼清洁情况监测。利用接立柱时得到的上提下放悬重数据与理论模型对比,得到PUSO图,以钻进、起下钻、下套管和倒划眼4种模型实时监测异常扭矩并发现可能遇阻遇卡点。如YC26-2-1井在下钻通井后,由于后效气(TG 8.98%),加重钻井液密度到1.92 g/cm3,在起钻至4 312 m时遇卡。根据PUSO图中的Hook Load&Modeled模型分析是由于钻井液密度过大,在高渗透率砂岩井壁处形成大量泥饼而导致井径缩小。随后降低钻井液密度至1.87 g/cm3,顺利通过。

3)钻具振动监测。THEMA的钻具振动监测软件把一段时间的正常扭矩变化值作为基值,设定异常扭矩变化值的上下限,如出现超出上下限的异常扭矩变化量,系统会发出警报,作业人员据此改变钻井参数来得到正常钻进的扭矩变化量。如YC26-2-1井,在4 520～4 570 m钻进过程中发现了异常的钻杆振动现象,现场工作人员尝试调整优化钻井参数以降低钻杆振动,在降低钻压后大大降低了钻杆振动,钻速也加快了。

4)回流监测。THEMA回流监测功能不仅可对泥浆池实时检测,还能智能量化检测钻井液的回流。每次停泵后系统自动进入记录钻井液回流量模式,在压力不平衡时,钻井液回流量如果超过或不足标准钻井液回流量便可在全量与体积以及其他同步曲线上观察出来。

3 结束语

南海北部深水区钻探录井实践表明,整合应用已有录井技术,能够应对因水深增加造成的对录井的挑战;珠江口盆地深水区10口探井应用结果,在油气发现和工程监测两方面均取得了很好的成效,初步建立了南海北部深水录井独特的技术体系和作业方式。

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A practice of deep water logging in the northern South China Sea

Sun Jinshan1Dai Yiding1Li Jianzhou1Yao Zhenhe2
(1.Shenzhen Branch of CNOOC Ltd.,Guangdong,518067; 2.CNOOC Energy Technology&Services Ltd., Tianjin,300452)

In the deep water area in the northern South China Sea,some problems occurred in the logging operation due to very thick water,quite low mudline temperaurte,coarse and long marine risers used in drilling and lower diagenetic grade of the reservoir and seal rocks in the oil-bearing structures,including the poor representativeness of cutting samples and the difficulties to degas drilling mud,to accuratelly detect mud volume and to correct coring depth.An integrated application of multiple techniques,such as the intelligent comprehensive logging THEMA,the fluid extraction and various techniques of hydrocarbon detection and rock sample identification,has resulted in good effects in both hydrocarbon discovery and engineering detection,and an unique technical system and operation mode have been preliminarily established for the deep water logging in the northern South China Sea.

the northern South China Sea;deep water logging;low temperature;marine riser;THEMA;fluid extraction;hydrocarbon discovery;engineeringdetection

2013-12-12改回日期:2014-04-18

(编辑:周雯雯)

孙金山,男,工程师,主要从事石油天然气地质勘探管理与监督工作。地址:广东省深圳市南山区蛇口工业二路1号海洋石油大厦9楼(邮编:518067)。E-mail:sunjsh@cnooc.com.cn。