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      錄井識(shí)別CO2及其資源的方法和意義

      2021-12-28 11:35:17黃萬國(guó)吳墨染張會(huì)民余仟子郭青松田素合趙坤梅
      錄井工程 2021年1期
      關(guān)鍵詞:錄井儲(chǔ)集層鉆井液

      黃萬國(guó) 吳墨染 陳 賀 張會(huì)民 余仟子 郭青松 田素合 趙坤梅

      (①中國(guó)石油渤海鉆探第一錄井公司;②中國(guó)石油渤海鉆探第一鉆井公司)

      0 引 言

      高濃度CO2是一種寶貴的礦產(chǎn)資源,在工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著極為廣泛的用途,在石油工業(yè)中,利用CO2驅(qū)油是提高原油采收率的重要方法之一。CO2除了具有資源意義外,在油氣勘探過程中,通過錄井識(shí)別CO2,可以更好地識(shí)別油氣水層,能夠在鉆探過程中及時(shí)提出施工建議,還可以為后期油氣田勘探開發(fā)提供重要的數(shù)據(jù)支持,具有重要的石油地質(zhì)研究意義。但CO2作為非烴氣體往往不受重視,同時(shí)由于CO2在地層中分布廣泛且不均勻,其檢測(cè)影響因素較多,造成CO2檢測(cè)不準(zhǔn),對(duì)CO2氣藏的識(shí)別、CO2氣體的預(yù)防以及處理產(chǎn)生了不利影響。因此,通過錄井技術(shù)在油氣勘探過程中快速、準(zhǔn)確識(shí)別CO2具有十分重要的作用。

      1 錄井檢測(cè)的CO2組成

      在鉆井過程中,錄井利用脫氣器攪拌器高速旋轉(zhuǎn)破碎鉆井液將氣體從鉆井液中析出,在獲得的氣體中包括非烴氣體CO2。錄井檢測(cè)到的CO2來源于3部分:地層、鉆井液、空氣。地層中CO2來源多樣,其成因可以分為無機(jī)成因和有機(jī)成因。無機(jī)成因的CO2是無機(jī)礦物或元素在各種化學(xué)作用中形成的,主要來源包括地幔成因、巖漿-火山源成因以及碳酸鹽巖變質(zhì)成因形成的CO2。有機(jī)成因的CO2是有機(jī)質(zhì)在不同地球化學(xué)作用中生成,如有機(jī)質(zhì)在生物化學(xué)作用、熱解和裂解等成烴作用中形成CO2,也可以是煤的燒變和煤的氧化作用形成。根據(jù)戴金星等[1]對(duì)CO2氣藏分類以及成因研究,地層中高濃度CO2以無機(jī)成因?yàn)橹?,成藏主要受巖漿活動(dòng)和深大斷層影響,分布較集中,形成的地質(zhì)時(shí)代主要在巖漿和斷層活動(dòng)活躍的中-新生代,儲(chǔ)集層巖性主要是海相碳酸鹽巖,其次是砂巖。有機(jī)成因的CO2是有機(jī)質(zhì)在熱演化過程中產(chǎn)生的,通常作為烴類氣體的次要伴生產(chǎn)物出現(xiàn),主要分布于生油凹陷周圍,分布層位廣而含量低,如黃驊坳陷有機(jī)成因的CO2含量?jī)H為0.12%~2%[2]。

      鉆井液中存在產(chǎn)生CO2的可能,主要成因包括以下4方面[3]:(1)鉆井液處理劑在高溫高壓條件下分解易產(chǎn)生CO2;(2)鉆井液處理劑相互反應(yīng)生成CO2;(3)鉆井液長(zhǎng)期與空氣接觸,CO2溶解進(jìn)入鉆井液;(4)處理鈣侵和水泥侵時(shí)加入純堿過量。此外,在脫氣器破碎鉆井液的過程中,空氣作為補(bǔ)償氣混入到分析氣體中,所以錄井獲得的CO2部分來自空氣。通常情況下,將從空氣和鉆井液中獲得的CO2視為基值,含量很低,一般介于0.03%~0.10%。CO2的含量以及儲(chǔ)集層性質(zhì)判斷主要受來自于地層中CO2的影響。

      2 錄井識(shí)別CO2的方法

      目前國(guó)內(nèi)錄井識(shí)別CO2主要通過紅外線法和熱導(dǎo)法,兩種檢測(cè)方法各具優(yōu)點(diǎn),都能較好地識(shí)別CO2,在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用都比較廣泛。

      2.1 紅外線法

      紅外線法是根據(jù)紅外線在傳播中其輻射能量被物體吸收后易被檢測(cè)的特點(diǎn),以及不同氣體所吸收的紅外線波長(zhǎng)也不同的原理來對(duì)氣體組分進(jìn)行分析。將被測(cè)氣體持續(xù)通入吸收池,被測(cè)氣體中CO2吸收特定波長(zhǎng)的紅外光,透過吸收池的紅外光強(qiáng)度由紅外傳感器檢測(cè),進(jìn)而得到被測(cè)氣體中的CO2濃度測(cè)量值。紅外線錄井檢測(cè)方法無分析周期,連續(xù)測(cè)量,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、抗污染能力強(qiáng)、可用于檢測(cè)多種混合氣體等優(yōu)點(diǎn),但環(huán)境溫度、氣流壓力及其他氣體會(huì)對(duì)其準(zhǔn)確性造成微弱影響。

      2.2 熱導(dǎo)法

      熱導(dǎo)法主要依靠物理學(xué)原理,將從鉆井液中脫出的氣體經(jīng)色譜柱分離后送入熱導(dǎo)池鑒定器,由于每種氣體熱導(dǎo)系數(shù)不同,帶走的熱量不同而引起熱敏元件阻值的變化,使電橋失去平衡,產(chǎn)生不平衡電壓輸出信號(hào),從而測(cè)得CO2的含量。熱導(dǎo)法分析周期為30 s,有恒溫控制,檢測(cè)不受溫度影響,同時(shí)經(jīng)色譜分離后只分析CO2含量,分析具有指向性,準(zhǔn)確度高。

      3 CO2識(shí)別影響因素及應(yīng)對(duì)方法

      3.1 影響因素

      在錄井過程中CO2檢測(cè)含量只有0.5%~8.0%,有時(shí)甚至檢測(cè)不到,可測(cè)試時(shí)CO2的含量卻很高,達(dá)到40%~75%[4],如在大港油田的YS 1井,現(xiàn)場(chǎng)錄井過程中檢測(cè)到CO2最高只有0.172 1%,但是在完鉆中途測(cè)試過程中,CO2含量高達(dá)91.8%?,F(xiàn)場(chǎng)鉆井過程中對(duì)CO2識(shí)別影響因素較多,造成CO2識(shí)別不準(zhǔn)的主要因素包括以下幾方面。

      (1)鉆井液:除了前面提到的鉆井液中可能產(chǎn)生CO2影響測(cè)量值外,鉆井液的類型、密度、pH值、溫度以及吸附性等都會(huì)影響到CO2含量的檢測(cè),這主要跟CO2的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。CO2在不同介質(zhì)類型的鉆井液中溶解度不同,一般情況下,壓力越大,溫度越低,鉆井液中的溶解度越高,CO2的溶解度還隨烴類物質(zhì)碳數(shù)增加而減少[5];過高的鉆井液密度會(huì)導(dǎo)致井底壓力處于正壓差狀態(tài),地層中的CO2侵入井筒內(nèi)的含量少,檢測(cè)到的CO2含量也少;CO2易溶于鉆井液形成碳酸,在堿性環(huán)境下會(huì)發(fā)生較為復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng),其中對(duì)CO2測(cè)量影響較大的化學(xué)反應(yīng)式如下:

      CO2+H2O=H2CO3

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

      從上面的化學(xué)反應(yīng)式,鉆井液所含OH-要吸收大量的CO2,同時(shí)碳酸在堿的作用下,能生成酸式碳酸鹽和碳酸鹽[6]。另外,CO2本身在鉆井液中具有高溶解度。

      (2)檢測(cè)儀器:檢測(cè)儀器的刻度、靈敏度、穩(wěn)定性、分析周期都會(huì)影響到CO2檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

      (3)脫氣器及管線密封性:脫氣器接觸的鉆井液體積少,同時(shí)脫氣器轉(zhuǎn)速低、流速低會(huì)造成脫出的CO2體積少;氣管線密封性不好,會(huì)導(dǎo)致抽入空氣,降低單位體積中CO2的含量。

      (4)工程因素:鉆頭直徑小、鉆時(shí)大、泵排量低導(dǎo)致單位時(shí)間單位體積中返出的CO2濃度低。

      (5)構(gòu)造位置:鉆遇的構(gòu)造位置可能處于儲(chǔ)集層中CO2存儲(chǔ)位置邊緣外或儲(chǔ)集層非均質(zhì)性強(qiáng)、連通性差,儲(chǔ)集層中的CO2無法進(jìn)入井筒被檢測(cè)到。

      3.2 應(yīng)對(duì)方法

      針對(duì)CO2檢測(cè)的影響因素,為了在鉆探過程中準(zhǔn)確識(shí)別CO2,需注意以下幾方面。

      (1)鉆井液:作業(yè)期間,關(guān)注鉆井液類型、密度、溫度、pH值以及添加劑情況,特別是在目的層中,要及時(shí)分析CO2含量變化,分析影響因素,及時(shí)提出整改意見。

      (2)檢測(cè)儀器:保證CO2檢測(cè)設(shè)備穩(wěn)定性,增加低濃度的調(diào)校點(diǎn),選用分析周期短、靈敏度高的檢測(cè)儀器,保證能捕捉到CO2變化信息。

      (3)脫氣器:脫氣器的脫氣效率直接影響到CO2的檢測(cè)值。在作業(yè)過程中,加強(qiáng)日常檢查,保證脫氣器內(nèi)鉆井液的脫氣量盡量多;選用脫氣效率高、密封性好、轉(zhuǎn)速高的脫氣器;保證與脫氣器連接的管線氣密性良好。

      (4)單根峰以及后效觀察:在接單根或起下鉆過程中,井筒內(nèi)鉆井液處于靜止?fàn)顟B(tài),地層流體在擴(kuò)散和滲透作用下侵入鉆井液中并聚集,同時(shí)在活動(dòng)鉆具過程中產(chǎn)生抽吸力和沖擊力,在抽吸力和沖擊力的作用下地層孔隙或裂縫中的CO2容易進(jìn)入井筒并被檢測(cè)到。如大港油田WG 3井,鉆進(jìn)過程CO2含量介于0.32%~0.94%之間,但是單根峰CO2含量介于10.56%~39.86%;再如YS 1井,鉆進(jìn)過程中檢測(cè)到CO2含量介于0~0.17%,但是在后效觀察過程中檢測(cè)到CO2含量介于36.32%~72.00%。

      (5)資料收集:鉆前收集鄰井資料,掌握鄰井是否發(fā)現(xiàn)CO2儲(chǔ)集層;熟悉區(qū)域地質(zhì),了解地層層序,著重注意碳酸鹽巖地層、大斷層以及火成巖分布情況。

      (6)電導(dǎo)率:電導(dǎo)率與地層水的礦化度相關(guān)。電導(dǎo)率的變化預(yù)示著地層水的侵入,而CO2易溶于水,同時(shí)CO2溶于水后礦化度增大,電導(dǎo)率變大,并且碳酸鹽巖裂縫或者砂巖孔隙是CO2運(yùn)移通道和存儲(chǔ)空間,因此電導(dǎo)率變化時(shí)要注意CO2含量變化,尤其是在碳酸鹽巖地層。

      4 錄井識(shí)別CO2的意義

      4.1 資源意義

      高濃度CO2之所以具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,是因?yàn)楦邼舛菴O2在多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的用途[7]。在餐飲業(yè),CO2是生產(chǎn)啤酒、汽水、香檳酒的重要原料;在農(nóng)業(yè),可以利用CO2作“氣肥”,達(dá)到對(duì)農(nóng)作物催熟和增產(chǎn)的效果;在消防領(lǐng)域,CO2是良好的滅火劑;在化學(xué)工業(yè),CO2是重要的化工原料,可以用來制作蘇打和油漆保護(hù)劑等;在石油工業(yè),可以利用CO2在超臨界狀態(tài)下的特性來驅(qū)油提高原油采收率;CO2還可以用于人工降雨,起到抗旱和滅火的作用。高濃度CO2氣藏是獲得CO2的來源之一,通過錄井技術(shù)在勘探過程中發(fā)現(xiàn)CO2氣藏具有十分重要的資源意義。

      4.2 提供鉆采數(shù)據(jù)支持

      在鉆探過程中,當(dāng)CO2侵入井筒并溶于鉆井液時(shí),鉆井液中CO32-和HCO3-濃度逐漸增大,導(dǎo)致鉆井液密度、粘度、pH值等參數(shù)發(fā)生改變,嚴(yán)重破壞鉆井液性能。同時(shí),CO2溶于鉆井液中形成碳酸會(huì)對(duì)鉆具造成腐蝕性損害。在開采過程中,CO2在井筒內(nèi)有凝析水析出時(shí),形成高濃度的碳酸并粘附在測(cè)試設(shè)備上造成腐蝕。如中國(guó)石油華北油田采油三廠L 58斷塊富含CO2,3口高產(chǎn)油井因套管嚴(yán)重腐蝕而相繼報(bào)廢,直接經(jīng)濟(jì)損失上千萬元[8]。

      CO2的臨界溫度31.2℃,臨界壓力7.38 MPa,在開采過程中,由于溫度和壓力的變化,CO2從地層到井口連續(xù)發(fā)生相態(tài)變化,由氣相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合?,再轉(zhuǎn)變呈飽和蒸汽相、不飽和蒸汽相,在其相態(tài)變化過程中膨脹吸熱使得井口、管線與設(shè)備上結(jié)霜,甚至使局部管線冰堵后縮頸,出現(xiàn)短時(shí)間抽搐式的自噴[9]。

      因此,通過錄井識(shí)別CO2含量,能夠在鉆探過程中及時(shí)提出施工建議,避免CO2侵入井筒改變鉆井液性能以及對(duì)鉆具造成損害,并為后期開采提供數(shù)據(jù)支持,通過采取相應(yīng)措施避免或降低CO2引起的腐蝕和冰堵情況發(fā)生。

      4.3 石油地質(zhì)意義

      CO2在錄井解釋油氣水層過程中具有重要的參考意義,同時(shí)CO2作為非烴氣體,其與油氣水的分布、運(yùn)移和存儲(chǔ)條件具有共同特性。

      從CO2分布特征來看,武站國(guó)等[10]根據(jù)黃驊坳陷現(xiàn)有CO2產(chǎn)出情況,初步認(rèn)為CO2與石油及烴類氣體的共生關(guān)系存在以下幾種類型:(1)與烴類氣體處于同一成藏系統(tǒng)之中,其特點(diǎn)是CO2含量自下向上減少,這種分布現(xiàn)狀顯然是重力分異作用所致;(2)在同一局部構(gòu)造的不同斷塊中,形成高斷塊為CO2氣藏、而相鄰低斷塊為油藏的分布格局;(3)獨(dú)立存在的CO2氣藏。楊會(huì)東等[11]認(rèn)為,研究CO2的分布規(guī)律對(duì)尋找二次聚集的石油烴類具有不可替代的借鑒意義。從運(yùn)移條件來看,有機(jī)成因CO2主要作為油氣次伴生氣體,其形成時(shí)間和運(yùn)移與油氣基本一致,無機(jī)成因CO2運(yùn)移主要受斷層和巖漿活動(dòng)控制,斷裂也是油氣運(yùn)移的通道。從存儲(chǔ)條件來看,孔滲性是CO2和油氣存儲(chǔ)的必要條件,CO2富集的地區(qū)常常是次生溶蝕作用較強(qiáng)的地區(qū),也是尋找深部?jī)?yōu)質(zhì)油氣儲(chǔ)集層的有利地區(qū)[2]。從油氣成藏時(shí)間來看,曲希玉等[12]指出后期幔源-巖漿成因的CO2充注驅(qū)油普遍存在,尋找幔源-巖漿CO2充注驅(qū)油成因的次生油氣藏是一個(gè)新的勘探思路。

      錄井通過分析CO2含量變化不僅可以更好地認(rèn)識(shí)油氣水層,還可以為后期油氣田勘探開發(fā)提供重要的數(shù)據(jù)支持,具有重要的石油地質(zhì)研究意義。

      4.4 勘探開發(fā)安全意義

      CO2本身不具有毒性,但當(dāng)CO2的濃度達(dá)到1%以上,就會(huì)使人頭暈?zāi)垦?,達(dá)到4%~5%,人便會(huì)惡心嘔吐,呼吸不暢,超過10%,人便會(huì)死亡。另外,硫化氫是碳酸鹽巖油氣藏中常見的非烴氣體之一[13],碳酸鹽巖也是CO2氣藏的主要儲(chǔ)集層。硫化氫的成因中包括硫酸鹽熱化學(xué)還原作用成因、巖漿-火山巖成因、幔源成因。硫酸鹽熱化學(xué)還原作用成因主要是指硫酸鹽與有機(jī)物或烴類在適當(dāng)?shù)臏囟葪l件下(一般在120℃以上)發(fā)生熱化學(xué)還原反應(yīng),將硫酸鹽礦物還原生成硫化氫和CO2,其化學(xué)反應(yīng)為:

      2C+CaSO4+H2O→CaCO3+H2S+CO2

      ∑CH+CaSO4→CaCO3+H2S+CO2

      巖漿-火山巖成因和幔源成因也是CO2的成因,因此在鉆遇發(fā)現(xiàn)CO2時(shí),必須注意檢測(cè)硫化氫,尤其是在碳酸鹽巖地層和火成巖上部?jī)?chǔ)集層,如在黃驊坳陷的WG 1井奧陶系地層頂部CO2+H2S含量高達(dá)95.09%[10]。

      在勘探過程中必須實(shí)時(shí)檢測(cè)CO2含量,在鉆遇CO2儲(chǔ)集層時(shí),還必須注意檢測(cè)硫化氫。

      5 結(jié)束語(yǔ)

      錄井作為勘探的“眼睛”,是CO2的始發(fā)現(xiàn)者,通過錄井精準(zhǔn)識(shí)別CO2具有資源發(fā)現(xiàn)、石油地質(zhì)研究、安全指導(dǎo)等多重意義。雖然通過紅外線法和熱導(dǎo)法檢測(cè)CO2是鉆探現(xiàn)場(chǎng)快速識(shí)別CO2的有效方法,但受成因和構(gòu)造等因素影響,CO2在地層中分布廣泛且規(guī)律性差,同時(shí)對(duì)其準(zhǔn)確檢測(cè)受影響因素也較多,這些原因?qū)е峦ㄟ^錄井資料很難達(dá)到定量認(rèn)識(shí)CO2氣藏的目的。另外,CO2作為非烴氣體,在油氣勘探開發(fā)過程中對(duì)其重視和研究程度還存在欠缺,對(duì)CO2解釋尚未達(dá)到定量標(biāo)準(zhǔn),在解釋油氣水層中的CO2時(shí),往往是憑經(jīng)驗(yàn)解釋,譬如在某一區(qū)塊,CO2含量高,就認(rèn)為儲(chǔ)集層為水層的可能性較大。因此,在今后的工作中必須加強(qiáng)對(duì)CO2的檢測(cè)、識(shí)別和解釋評(píng)價(jià)研究,從而更好地服務(wù)于油氣田勘探開發(fā)。

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