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1 斯 伦 贝 谢 油田新 技术 2008 年春季刊 智能储气库 层间封隔 智能材料 地震反演

2 08-OR-002-C

3 层 间 封 隔 技 术 未 来 的 发 展 方 向 水 泥 环 最 重 要 的 作 用 之 一 就 是 在 井 筒 的 不 同 位 置 之 间 提 供 层 间 封 隔 在 20 世 纪 70 年 代, 石 油 勘 探 开 发 行 业 遇 到 了 一 个 令 人 费 解 的 难 题, 即 人 们 常 说 的 气 窜 现 象, 也 有 人 称 之 为 固 井 后 环 空 窜 流 简 而 言 之, 固 井 后 窜 流 就 是 在 固 井 作 业 后 最 初 数 小 时 内 出 现 的 油 气 井 失 控 现 象 固 井 水 泥 浆 的 密 度 要 大 于 钻 井 泥 浆 的 密 度 然 而, 这 些 井 虽 然 已 经 被 钻 井 泥 浆 成 功 控 制, 但 在 固 井 作 业 后 仍 会 出 现 窜 流, 这 一 点 实 在 让 人 费 解 作 业 公 司 和 服 务 公 司 用 了 近 20 年 时 间 进 行 水 泥 研 究 和 油 田 现 场 实 验, 试 图 解 开 这 一 谜 团 我 们 通 过 各 种 实 验 室 试 验 对 水 泥 浆 设 计 和 性 能 的 诸 多 方 面 进 行 了 研 究, 包 括 流 体 失 水 量 自 由 流 体 渗 透 率 静 态 胶 凝 强 度 及 收 缩 率 等 现 场 测 试 记 录 了 水 泥 水 化 过 程 中 井 内 的 压 力 损 失 情 况 在 套 管 扶 正 器 套 管 移 动 流 体 特 性 ( 密 度 和 流 变 体 系 ) 及 利 用 计 算 机 模 拟 取 代 单 凭 经 验 方 法 对 具 体 井 进 行 固 井 作 业 设 计 等 方 面 都 有 了 很 大 提 高, 从 而 使 泥 浆 清 除 方 法 得 到 改 善 因 此, 当 前 石 油 勘 探 开 发 行 业 完 全 有 能 力 应 对 这 一 难 题, 通 过 高 效 水 泥 浆 设 计 和 泥 浆 清 除 技 术 实 现 短 期 层 间 封 隔 当 前 石 油 勘 探 开 发 行 业 又 面 临 另 外 一 个 挑 战, 即 如 何 确 保 在 油 气 井 开 采 寿 命 期 内 甚 至 在 弃 井 后 继 续 保 持 层 间 封 隔 的 有 效 性 显 然, 能 保 证 短 期 层 间 封 隔 所 采 用 的 材 料 和 技 术 并 不 一 定 足 以 保 证 实 现 长 期 层 间 封 隔 持 续 套 压 (SCP) 是 泄 压 后 在 套 管 和 油 管 之 间 或 套 管 串 之 间 再 次 形 成 的 压 力 SCP 及 环 空 窜 流 现 象 在 世 界 上 很 多 油 田 中 都 有 记 录, 而 水 泥 环 损 坏 则 是 这 些 长 期 问 题 的 可 能 起 因 之 一 早 在 1989 年, 曾 报 道 过 一 个 油 田 案 例, 即 水 泥 基 质 内 的 大 量 裂 缝 和 裂 隙 导 致 层 间 封 隔 失 败 问 题 由 地 热 井 内 水 泥 环 反 复 热 循 环 所 致 在 20 世 纪 90 年 代 后 半 期, 有 关 初 始 水 泥 充 填 和 水 化 作 用 之 后 所 产 生 应 力 导 致 水 泥 环 破 坏 的 一 些 论 文 首 次 发 表 这 种 应 力 主 要 是 由 于 油 气 井 生 产 期 内 温 度 和 压 力 的 变 化 所 致 此 类 变 化 的 例 子 包 括 油 气 开 采 导 致 的 温 度 上 升 循 环 气 驱 采 油 导 致 的 温 度 变 化 套 管 压 力 测 试 所 致 的 压 力 变 化 以 及 井 液 从 较 重 的 钻 井 液 转 换 为 较 轻 的 完 井 液 过 程 中 所 导 致 的 压 力 变 化 等 等 温 度 和 压 力 的 改 变 会 在 水 泥 环 内 形 成 微 环 隙 或 产 生 应 力 裂 缝, 从 而 导 致 层 间 封 隔 失 败 这 些 微 环 隙 或 裂 缝 的 尺 寸 很 小, 采 用 常 规 方 法 很 难 识 别 和 进 行 修 复 因 此, 早 期 识 别 和 预 防 尤 为 重 要 关 于 长 期 层 间 封 隔, 目 前 业 界 与 20 世 纪 70 年 代 后 期 所 面 临 的 短 期 固 井 后 窜 流 难 题 的 处 境 很 类 似 已 经 找 出 了 问 题, 并 且 在 预 测 和 预 防 这 一 问 题 方 面 已 经 迈 出 了 第 一 步 ( 请 参 见 确 保 实 现 长 期 层 间 封 隔, 第 18 页 ) 但 还 有 更 多 的 工 作 有 待 完 成 需 要 对 确 定 参 数 ( 如 杨 氏 模 量 和 泊 松 比 ) 的 测 试 方 法 进 行 改 进 和 规 范 化, 以 便 使 其 可 靠 地 应 用 于 预 测 软 件 中 最 经 常 测 量 的 水 泥 力 学 特 性 是 无 侧 限 单 轴 抗 压 强 度, 它 来 源 于 建 筑 行 业 的 一 项 测 试 结 果, 是 以 建 筑 学 常 见 的 几 何 结 构 为 基 础 的 测 量 结 果 不 能 直 接 用 于 评 价 水 泥 环 在 井 下 条 件 中 的 动 态 必 须 逐 步 改 变 抗 压 强 度 越 高 越 好 的 这 种 惯 性 思 维 软 件 模 型 本 身 ( 如 水 泥 浆 充 填 模 拟 软 件 的 早 期 版 本 ) 在 预 测 能 力 及 改 善 模 拟 应 力 等 方 面 仍 有 发 展 空 间 例 如, 压 实 作 用 以 及 由 开 采 引 起 的 其 他 地 层 变 化 会 对 层 间 封 隔 产 生 何 种 影 响? 为 满 足 市 场 需 求, 新 技 术 和 新 材 料 必 将 应 运 而 生 未 来 充 满 期 待! Craig Gardner 固 井 小 组 组 长 兼 固 井 顾 问 雪 佛 龙 公 司 美 国 得 克 萨 斯 州 休 斯 敦 Craig Gardner 是 雪 佛 龙 公 司 在 休 斯 敦 的 固 井 小 组 组 长 兼 固 井 顾 问 他 在 休 斯 敦 大 学 获 得 化 学 学 士 学 位 后, 在 一 家 大 型 钻 井 液 公 司 工 作, 之 后 于 1980 年 加 入 海 湾 石 油 公 司, 担 任 钻 井 监 督 他 参 与 了 雪 佛 龙 公 司 在 世 界 各 地 的 多 项 固 井 作 业, 涉 及 技 术 服 务 技 术 开 发 和 培 训 等 领 域 Craig 是 SPE API 和 ISO 的 会 员, 还 曾 担 任 API 固 井 委 员 会 主 任 1

4 斯伦贝谢 油田 新 技术 油田新技术 中文版 主编 杨春胜 油田服务 斯伦贝谢中国公司 翻译 北京创思商务服务有限公司 设计制作 / 印刷 世纪卓英图文设计制作中心 顾问委员会委员 曾维忠 油田服务 斯伦贝谢中国公司 4 智能井技术在地下储气库中的应用 尽管储气井采用的智能井技术与生产井的智能 井技术类似 但在信息利用方面两者之间存在较大 的差异随着地下储气库技术的发展 这些新技术 正在逐渐成为创新应用的一个理想平台智能井技 术的应用 使储气库看起来更像是未来的气田 而 不是传统意义上的冬季供气基地 金树茂 油田服务 斯伦贝谢中国公司 Tee Chew Poh 信息解决方案 斯伦贝谢中国公司 Gwenola Boyault 电缆测井 斯伦贝谢中国公司 李春龙 人工举升 斯伦贝谢中国公司 Tri Utomo 钻井与测量 斯伦贝谢中国公司 18 确保实现长期层间封隔 本文介绍的新型自愈合水泥能够在油气井的整 个寿命期内甚至弃井后对含油气层进行有效封隔 本文还介绍了超声波测井仪器方面的最新成果 新 型超声波测井仪器增强了作业公司对固井作业评价 的信心 周 玮 油井服务 斯伦贝谢中国公司 Brett Rimmer 油田服务 斯伦贝谢中国公司 Robert Kroener 数据解释与咨询服务 斯伦贝谢中国公司 吴洪波 西方奇科地震服务 斯伦贝谢中国公司 Junn Shyong Lee 完井 斯伦贝谢中国公司 油田新 技术 是斯伦贝谢公司 出版的季刊 该刊向油田专业人 员介绍石油勘探与开发中的技术 进步斯伦贝谢公司将该刊分发 给其雇员和客户 只列有地址的作者是斯伦贝谢公 司或分公司的雇员 Schlumberger版 权所有未经事先书面 许可 本出版物的任何 部分都不得以任何的形 式或手段 如电子 机 械 照相 录制等进行复 制 资料检索或传送 英文版编辑部 Oilfield Review 5599 San Felipe Houston, Texas USA 电话: (1) 传真: (1) 电子邮件: editoroilfieldreview@slb.com

5 2008 年春季刊 20 卷 第1期 油田新技术 英文版 执行总编 Mark A. Andersen 32 智能新材料的应用 智能材料的特性能够随着环境的改变以一种可 控的方式发生变化这些材料能够执行复杂的功能 有时能同时执行几种功能这一特性使智能材料得 以广泛应用于从家电到复杂科学仪器等各种装置中 顾问编辑 Lisa Stewart 编辑 Matt Varhaug Rick von Flatern Vladislav Glyanchenko Tony Smithson 特约编辑 Rana Rottenberg Judy Jones 设计 / 制作 Herring Design Steve Freeman 插图 Tom McNeff Mike Messinger George Stewart 42 地震反演技术及其应用 地震波主要用于识别地下构造 但地震波中也 包含一些有关其传播地层的岩石和流体属性方面的 宝贵信息地震反演利用测井记录的标定信息从地 震反射振幅中提取地层属性本文介绍了叠前和叠 后反演 并列举了三维 延时和多分量测量等应用 实例 顾问委员会委员 Abdulla I. AI-Kubaisy 沙特国家石油公司 沙特阿拉伯 Ras Tanura Dilip M. Kale ONGC 能源中心 印度新德里 Roland Hamp Woodside 能源有限公司 澳大利亚珀斯 George King Rimrock 能源公司 美国科罗拉多州丹佛 64 本期作者简介 Eteng A. Salam 印尼国家石油公司 印度尼西亚雅加达 封三 油田新技术 下期内容介绍 Jacques Braile Saliés 巴西国家石油公司 美国得克萨斯州休斯敦 Richard Woodhouse 独立咨询专家 英格兰萨里 油田新技术 英文版 可从下列地址征订 Oilfield Review Services Barbour Square, High Street Tattenhall, Chester CH3 9RF England 电话: (44) 传真: (44) 电子邮件: orservices@t-e-s.co.uk 中文版 油田新技术 译自斯伦贝谢的英文季刊 Oilfield Review 客户可从 斯伦贝谢中国公司得到 地址 北京市朝阳区酒仙桥路 14 号兆维华灯大厦 邮编 电话 (86) 传真 (86) 电子邮件 yangcs@beijing.oilfield.slb.com 3

6 智能井技术在地下储气库中的应用 将智能井技术应用于地下储气库可以达到理想的效果 因为利 用该技术可以确定地层性质 可以对储气和供气能力进行模拟 并 且可以利用一些分析工具追踪历史产量趋势利用智能井技术可以 提高储气和供气系统的效率和成本效益 从而进一步确立天然气作 为一种可靠能源的地位 Kenneth Brown 美国宾夕法尼亚州匹兹堡 Keith W. Chandler John M. Hopper Lowell Thronson Falcon 储气公司 美国得克萨斯州休斯敦 James Hawkins 得克萨斯州 Midland Taoufik Manai 法国巴黎 Vladimír Onderka RWE Transgas Net 公司 捷克共和国 Brno Joachim Wallbrecht BEB Transport und Speicher 服务公司 德国汉诺威 Georg Zangl 奥地利 Baden 在编写本文过程中得到以下人员的帮助 谨表谢 意 休斯敦 Falcon 储气公司的 Edmund Knolle 以及 休斯敦的 Monsurat Ottun BorView BlueField DECIDE! ECLIPSE ELANPlus FMI 全井眼微电阻率扫描成像测井仪 NODAL Petrel 和 PIPESIM 等是斯伦贝谢公司的商标 Excel 是微软公司的商标 4 将智能井技术应用于油气生产的 一个主要目的是使规模不断缩小的油气 田资产实现其价值最大化但此类智能 技术在地下储气设施中的应用目的则有 很大不同 主要原因在于储气库可以被 反复补充库存因此 必须对这种从地 下储气设施中高速重复注入和采出天然 气的能力进行优化和智能管理 地层性质决定了一口井在高采收 率情况下的最佳开采水平随着储气库 中天然气的采出 气藏压力下降 天然 气采出量也降低垫层气是指在注入和 采出周期中仍然保留在气藏中 用来确 保天然气采出过程中能有足够的压力维 持开采所需的最低流量的那部分天然 气同时 垫层气本身的压力和体积也 减少了水侵入气顶的可能性 并能避免 气水界面移动现象的发生由于垫层气 在地下储气库 UGS 设施中所占成本 最高 因此 如果能够尽量减少垫层气 的体积 并能够在全面了解气藏的基础 之上确定其有效的工作范围 便可降低 储气库项目的综合开发成本 并显著提 高项目的盈利能力 在油气开采过程中 油藏工程师可 以利用智能井技术实时或接近实时地应 用诸如递减曲线 物质平衡关系 向井 流动动态关系 IPR 曲线和油藏模拟和 模型之类的信息 [1]先进的系统应具备 良好的自调节功能 或者应该能够在需 要实施干预措施时及时发出警报智能 生产井的最终目的是以更低的成本 更 高的效率产出更多的油气 尽管UGS设施也能从低成本 高效 率的智能井技术中获益 但在此采用智 能井技术的目的并不是为了提高油气采 收率事实上 全球许多地区储气库的 运作更类似于银行的日常运作 而与油 气藏开采不一样正如货币流入和流出 银行一样 在储气库中资产是以天然气 的形式流入和流出储层的在需要的时 候 有时是注入储气库几个月后 但目 前越来越多的情况是在几天 甚至是几 个小时后 这些天然气将被提供给采 购公司 采购公司再将其出售给工业和 民用天然气用户银行已经在机构和客 户之间实现了货币和资本的自动流通 同样地 储气设施也正在使开采公司和 消费者之间的天然气流通朝着自动化的 方向发展 油田新技术

7 > 本图片由 Falcon 储气公司提供 UGS 作业也不同于传统的采气作 业 因为UGS作业过程中气井必须能够 承受很高的注入压力 而这么高的压力 在生产井中极为少见 而且UGS中天然 气的采出速度能达到普通气藏生产井的 5 10 倍UGS 井的寿命一般较长 因 此保持气井和气藏的完整性对于成功进 行作业至关重要快速变化的作业模式 从注入到采出 要求作业者必须能够 及时做出应对 避免气井和气藏受到损 1. 根据地层性质和完井硬件的不同能够对油气 衰竭情况进行预测可以通过绘制储量递减 曲线来描述储量的递减速度 物质平衡方程是质量守恒的一种表达式从 某控制单元中逸出的物质总量等于进入该单 2008 年春季刊 害同时应该对UGS设施实进行适当管 理 这是确保天然气供应安全的一个 关键因素 保持稳定的天然气供应近年来已 经成为全球许多地区地缘政治的重点 一些政府管理条例 如欧盟制定的管 理条例 对UGS业务开展方式的影响越 来越大由于智能井技术能够促进天 然气的自动储存和采出作业 提高储 气设施的作业效率 并有助于地下资 元的物质总量减去该单元中累积起来的物质 的量通过物质平衡方程 可以利用各个时 间点测量的油气藏压力来估算剩余油气的体 积 向井流动动态关系 IPR 是采油工程中通过 产 天然气 的优化管理 因此 智能 井技术自然也作为上述成果的副产品正 在被逐渐采纳 智能井技术在各项作业中的实施力 度并不相同 而且并不是所有的UGS设 施都会应用到这些新技术然而 智能 井技术所带来的作业绩效的提升正激励 着作业公司对其许多原有的储气作业进 行完善和升级这些措施有时能为作业 公司带来意想不到的收获 绘制气井产量和井底流动压力 (BHP) 关系图来 评估气井动态的一种工具生成 IPR 曲线所需 的数据是在变产量测试过程中通过测量各种压 降条件下的产量而获得的曲线形状取决于储 层流体组分和各种流动条件下各相流体的特 性 5

8 在 简 要 介 绍 储 气 库 的 基 本 知 识 后, 本 文 还 对 北 美 和 欧 洲 地 下 储 气 作 业 中 应 用 的 各 级 智 能 井 技 术 进 行 了 分 析, 并 通 过 实 例 分 析 阐 明 了 作 业 公 司 是 如 何 利 用 实 时 数 据 来 确 定 储 气 井 损 害 程 度 以 及 如 何 依 靠 实 施 新 的 优 化 和 监 测 技 术 来 提 高 储 气 井 动 态 的 另 外, 本 文 还 对 一 项 整 合 了 三 个 级 别 智 能 井 技 术 的 最 先 进 的 自 动 化 作 业 流 程 进 行 了 介 [2] 绍 地 下 储 气 基 本 知 识 在 冬 季 的 几 个 月 中, 为 了 满 足 供 热 需 求 常 常 需 要 较 多 的 天 然 气, 因 此 天 然 气 一 直 被 认 为 是 一 种 季 节 性 的 燃 料 美 国 天 然 气 界 在 20 世 纪 40 年 代 就 已 经 认 识 到, 在 天 然 气 需 求 的 高 峰 期, 仅 依 靠 长 距 离 天 然 气 管 道 无 法 充 分 满 足 人 口 密 集 地 区 对 天 然 气 的 需 求 为 了 更 好 地 适 应 天 然 气 的 需 求 周 期, 开 发 了 储 气 网 络, 利 用 该 网 络 可 以 在 天 然 气 需 求 低 时 将 气 注 入 地 下 储 存 设 施, 然 后 再 在 高 需 求 阶 段 采 出 天 然 气 这 种 根 据 需 求 进 行 调 节 的 做 法 被 称 为 调 峰 地 下 储 气 库 历 史 几 乎 与 长 输 管 线 的 历 史 一 样 悠 久 1915 年, 在 加 拿 大 安 大 > 按 类 型 划 分 地 下 储 气 库 UGS 设 施 可 以 有 多 种 形 式, 其 中 枯 竭 的 油 气 藏 和 盐 水 层 所 占 的 比 例 最 大, 占 全 球 供 气 量 的 96% 现 有 设 施 的 类 型 决 定 了 选 择 何 种 储 气 库 : 在 西 欧, 储 存 在 含 水 层 和 盐 穴 中 的 天 然 气 占 该 地 区 总 储 气 量 的 34%, 但 在 美 国 这 一 比 例 仅 为 14%, 因 为 美 国 有 更 多 的 枯 竭 油 气 田 可 用 于 建 设 储 气 库 ( 根 据 Wallbrecht 的 资 料 修 改, 参 考 文 献 6) > 天 然 气 用 量 的 周 期 性 作 为 美 国 的 一 种 民 用 供 热 源 ( 蓝 色 ), 储 备 天 然 气 用 量 在 冬 季 会 达 到 高 峰, 而 当 天 然 气 被 用 于 发 电 以 满 足 制 冷 需 求 时 ( 红 色 ), 天 然 气 的 用 量 在 夏 季 会 达 到 高 峰 商 用 需 求 量 受 温 度 变 化 的 影 响 ( 黑 色 ), 与 民 用 天 然 气 的 需 求 变 化 相 一 致 另 外, 还 应 该 注 意 的 是, 用 于 发 电 的 天 然 气 用 量 在 最 近 几 年 出 现 了 持 续 增 长 [ 根 据 natural_gas/info_glance/natural_gas.html 的 资 料 修 改 (2008 年 2 月 29 日 浏 览 )] 略 省 Welland 县 首 次 成 功 地 将 天 然 气 进 行 地 下 储 存 当 时, 作 业 人 员 对 一 个 局 部 枯 竭 的 气 田 中 的 一 些 气 井 进 行 了 改 造, 然 后 在 夏 季 将 天 然 气 注 入 储 层, 并 在 当 年 冬 季 将 天 然 气 重 新 采 出 1916 年,Iroquois 天 然 气 公 司 将 美 国 纽 约 州 布 法 罗 南 部 的 Zoar 油 田 改 造 成 了 一 个 储 气 库, 该 储 气 库 目 前 仍 在 运 行 Central Kentucky 天 然 气 公 司 也 曾 于 1919 年 将 天 然 气 注 入 位 于 美 国 肯 塔 基 州 已 枯 竭 的 Menifee 气 田 截 至 1930 年, 已 有 六 个 州 的 九 个 储 气 库 投 入 运 行, 这 九 个 储 气 库 的 天 然 气 总 容 量 达 到 了 180 亿 英 尺 3 (5.1 亿 米 3 ) 左 右 1950 年 以 前 的 地 下 储 气 库 几 乎 都 是 由 局 部 或 全 部 枯 竭 的 气 藏 改 造 而 成 当 前, 地 下 天 然 气 主 要 储 存 于 溶 洞 和 孔 隙 性 储 层 中, 经 过 淋 滤 的 盐 穴 和 废 矿 只 占 储 气 库 总 库 容 的 一 小 部 分 到 目 前 为 止, 枯 竭 的 油 气 藏 和 盐 水 层 仍 然 是 最 常 见 的 UGS 媒 介 ( 左 图 ) 由 于 盐 穴 储 气 更 适 合 快 速 采 出 和 注 入 作 [3] 业, 因 此 主 要 被 应 用 于 高 峰 期 输 气 一 般 情 况 下, 储 气 库 中 需 保 留 20% - 30% 的 天 然 气, 以 确 保 洞 穴 结 构 的 稳 定 利 用 盐 水 层 能 够 高 速 采 出 天 然 气, 但 该 方 法 所 需 的 垫 层 气 过 多, 占 总 容 积 的 50%- 80% 目 前, 最 常 见 的 储 气 库 是 用 于 季 节 性 供 气 或 缓 解 需 求 高 峰 的 枯 竭 油 气 藏, 其 所 需 的 垫 层 气 一 般 占 总 储 量 的 30% - 50% [4] 最 近 几 年, 随 着 天 然 气 越 来 越 多 地 用 于 发 电, 美 国 的 UGS 采 出 作 业 方 式 已 发 生 了 变 化 目 前, 美 国 夏 季 的 天 然 气 用 量 要 高 于 过 去, 因 为 天 然 气 被 用 来 发 电 以 满 足 夏 季 的 空 调 和 制 冷 设 备 的 用 电 需 求 ( 左 图 ) 这 一 情 况 已 经 从 多 个 方 面 改 变 了 美 国 的 储 气 规 模 人 们 开 始 利 用 燃 气 发 电 站 附 近 的 UGS 设 施 来 调 节 季 节 性 甚 至 是 几 小 时 内 的 需 求 变 化 在 天 然 气 需 求 高 峰 时 段 可 以 将 当 天 储 存 的 天 然 气 采 出, 而 在 需 求 较 低 时 则 可 将 其 储 存 下 来 商 业 管 线 可 能 无 法 完 全 满 足 高 峰 期 的 天 然 气 需 求, 也 无 法 在 需 求 较 低 时 将 其 存 储 起 来 以 供 日 后 使 用, 而 UGS 设 施 可 以 使 这 两 方 面 的 不 足 都 得 到 弥 补 6 油 田 新 技 术

9 UGS并不是北美所特有的 目前已 有33个国家在运营储气库 但美国迄今 为止仍然是UGS最多的国家作为一种 能源 天然气目前在西欧民用和商用领 域的能源消耗中所占的比重已经达到 44%以上 在这种情况下 确保安全 稳 定的天然气供应就显得尤为重要在法 国 有时超过一半的用于制冷或制热的 民用天然气用量均来自储气设施[4] 最近 西欧一些天然气控股公司和 市场供应商之间的天然气贸易出现了上 升的势头储气库的使用情况通常取决 于短期的买卖行为 而不是传统意义上 的调峰行为购买方和供应方的盈利能 力则均取决于 UGS 设施是否能以一种经 济有效的方式来按需储存和供应天然气 1997年 全球共有580个UGS设施 其中 448 个位于枯竭的油气藏中到 2006 年 在所有统计到的 606 个 UGS 设 施中 枯竭油气藏中的 UGS 上升到了 495 个[6]1996 年 除俄罗斯以外 欧洲 共有92项UGS 项目 而到了2006年 那 里的 UGS 项目增加到了 127 个 增长了 38%同时 该地区储气设施中工作气 3 的体积也从原来的6060万米 21.4亿英 3 3 尺 3 增加到了1.105亿米 39亿英尺 增长了 82% 尽管在1995至2004年间美国UGS设 施的数量有所下降 但得益于油气田利 用技术的优化及现有设施的改进 总的 天然气储存能力还是得到了小幅提高 右上图 其中许多老的UGS设施是在 当前正在应用的油藏模拟工具引入之前 开发出来的作业者正将传感器技术和 地面设备的先进成果应用于这些较老的 储气设施中 以使其变得更 智能 功 能更加多样 [7] 智能井有多聪明 可以将储气作业的相对智能程度划 分为三个级别 级别 I 为自动化的数据 流 包括接收数据 分析数据并做出相 应的反应 级别 II 为监测和优化 更注 重行动 可以分析数据 比较和验证模 型 控制模型及决定必要的行动程序 级别III被称为数字化油田 它能够以一 种主动的方式实现其应用领域流程的一 体化及进行远程优化和自动化作业等 右下图 2008 年春季刊 > 不断增长的供应量在过去的35年里 全球工作气总量不断增加 大多数增量出现在南北美洲 蓝 色 以外的地区 其中东欧和中东地区 黑色 包括俄罗斯 的增量尤为明显目前的预测结果表 明 现有的储气容量已无法满足天然气的长期需求 还需增大储气库的容量 根据 Wallbrecht 的资 料修改 参考文献 6 > 智能级别智能井技术在实施过程中可以划分为三个级别 每一级别都建 立在前一个级别的基础上 且其复杂程度不断增加在三个级别中 最复杂 的是可实现优化和自动化管理的数字化油田 2. 有关智能油田技术在生产井中的应用更多的 信息 请参见 Dyer S El-Khazindar Y Reyes A Huber M Raw I 和 Reed D 智能完井 一种 油气井自动管理形式 油田新技术 19 卷 第 4 期 2007 年冬季刊 有关地下储气库更多的信息 请参见 Bary A Crotogino F Prevedel B Berger H Brown K Frantz J Sawyer W Henzell M Mohmeyer K-U Ren NK Stiles K 和 Xiong H 地下储存天然气 油田新技术 14 卷 第 2 期 2002 年夏季 刊 有关 UGS 当前趋势更多的信息 请浏览 final-gs-report.pdf 2008 年 1 月 23 日浏览 5. Chabrelie MF Dussaud M Bourjas D 和 Hugout B Underground Gas Storage Technological Innovations for Increased Efficiency /wec-geis/publications/default/tech_papers/ 17th_congress/2_2_09.asp 2007 年 12 月 12 日浏 览 6. Wallbrecht J Underground Gas Storage 国际 天然气联合会 工作委员会报告 2 USG 基本 作业 发表在第 23 届世界天然气大会上 阿 姆斯特丹 2006 年 6 月 5-9 日 igu.org/html/wgc2006/woc2database/index.htm 2008 年 3 月 27 日浏览 7. 有关传感器和仪器开发新成果在智能井中的 应用更多的信息 请参见 Bouleau C Gehin H Gutierrez F Landgren K Miller G Peterson R Sperandio U Traboulay I 和 Bravo da Silva L 一 体化资产管理系统方法 油田新技术 19 卷 第 4 期 2007 年冬季刊

10 > 噪声数据的清理在高频条件下采集的数据可能含有大量的噪声 传感器也可能出现误差尽管大多数数据是可用的 但油嘴尺寸 左上 蓝色 井 底压力 左上 红色 井口压力 左下 绿色 和井口温度 左下 黑色 中的峰值和噪声使这些数据难以应用到建模程序中数据经筛选和清理之后 根据 Holland 等人的资料修改 参考文献 8 右 便可以用于岩石物理软件中 第 I 级智能储气技术始于建立可靠 的数据系统多数UGS作业都涉及到数 据采集和监控 SCADA 系统这些计 算机化的网络可以远程采集诸如流量和 压力之类的井数据 并且可以对天然气 通过整个管线系统的传输动态进行控 制在此过程中所采集到的数据点有数 百万之多 要利用人工方法来验证所有 信息是不可能的 因此 必须对数据流 实施自动化的质量控制 常常将传统的油气生产软件应用于 UGS作业中 以确定出现的问题及监测 各井 评估完井动态及描述储层性质 等在上述程序中经常会用到趋势分析 和典型曲线拟合技术然而 大多数岩 石物理程序的功能往往不够完善 难以 处理 U G S 作业过程中产生的大量 SCADA 数据另外 这些程序也难以有 效处理由传感器误差和假信号所导致的 噪声数据 上图 [8]由于这些作业能否 8. Holland J Oberwinkler C Huber M 和 Zangl G Utilizing the Value of Continuously Measured Data SPE 发表在 SPE 技术年会暨展览会上 休斯敦 2004 年 9 月 日 9. Brown KG 和 Meikle DE The Value of Wellhead Electronic Flow Measurement in Gas Storage Fields SPE 发表在 SPE 东部地区会议暨展览会 上 美国西弗吉尼亚州 Morgantown 1995 年 9 月 日 10. Brown KG和Sawyer WK Novel Surveillance Helps Operators Track Damage SPE 发表在 SPE 8 得到合理实施通常取决于能否有效地识 别出随时间变化的各线性趋势线的起始 点 以及能否清楚地识别出各典型曲线 的微妙特征 因此必须对数据进行筛 选 并减少数据量 以实现上述特征的 正确识别 下一页图 因此 在向上 述程序输入数据之前必须进行智能化的 数据简化工作 可以通过数据了解到各井及在产油 气田的安全运行情况储气井的重复循 环能力 即注气期和采出期的反复循 环 是在产油气藏和储气藏之间的一个 根本性区别有时 储气井会在一段时 间内处于静态 而在这种情况下对采集 到的数据的处理可视为是一种短时压力 恢复测试循环过程中发生的任何变化 都可能表示气井 气藏或地面设备出现 了故障通过分析数据 可以发现故障 继而展开相应的补救措施 电子流量测量 EFM 数据在 UGS 储气库中的早期应用已经清楚地证明了 其在监测井动态 实施常规监测和发现 作业问题方面的价值[9]2002 年 作为 一项由天然气技术研究所 GTI 赞助的 研究项目的一部分 斯伦贝谢公司的工 程人员开始着手利用 EFM 数据开发一 种既准确又经济的储气井井筒损害检测 方法[10]目前业界一般每隔 1 到 3 年才 通过地面回压测试来对 UGS 井的井筒 损害情况进行一次评估这一普遍的做 法正是促使斯伦贝谢工程人员开展以上 工作的原因由于不经常开展测试作 业 工程人员根本无法确定某段时间内 如在注入或采出周期内 出现的损害 情况或突变现象尽量实时地确定损害 变化非常重要 因为在注入和采出过程 中或在两项作业转换过程中都可能发生 损害斯伦贝谢开展的这一工作可以让 作业人员比以前更加频繁地对 UGS 井 的损害程度进行评估 天然气技术研讨会上 卡尔加里 2002 年 4 月 30 日 -5 月 2 日 系数 是天然气动态与理想气体定律的偏差 值 11. Spivey JP Brown KG Sawyer WK 和 Gilmore RG Identifying the Timing and Sources of Damage in Gas Storage Wells Using Smart Storage Technology SPE 发表在 SPE 技术年会暨展览会上 达拉斯 2005 年 10 月 9-12 日 气层体积系数指的是每单位压力变化下天然 气体积的变化等温压缩系数是用来测量流 体或固体随压力 或平均应力 变化而产生 的相对体积变化的量度气层体积系数用来 将气体体积从油藏条件转化为标准 地面 条件下体积 因为任何气体的体积都取决于 其所处的压力和温度 12. 视临界温度和视临界压力指的是无法区分多 组分混合物的汽液状态时的压力和温度条件 因为在这种压力和温度条件下 汽液的性质 是一样的 z 因子 或称为天然气理想偏差 油田新技术

11 斯 伦 贝 谢 公 司 的 工 程 人 员 在 最 近 的 一 次 GTI 研 究 中 开 发 了 一 种 利 用 EFM 数 [11] 据 连 续 追 踪 和 确 定 井 筒 损 害 的 方 法 为 了 开 发 针 对 UGS 设 施 的 损 害 识 别 技 术, 工 程 人 员 在 智 能 井 技 术 的 新 成 果 ( 包 括 传 感 器 优 化 及 实 时 数 据 流 处 理 ) 中 融 入 了 早 期 积 累 的 EFM 研 究 经 验 哥 伦 比 亚 输 气 公 司 在 美 国 东 北 部 运 营 的 一 个 项 目 便 是 其 中 的 一 个 例 子 该 储 气 库 是 一 个 由 固 结 砂 岩 组 成 的 地 层 圈 闭, 其 平 均 厚 度 为 10 英 尺 (3 米 ), 平 均 孔 隙 度 为 10%, 平 均 渗 透 率 为 150 毫 达 西 该 储 气 库 由 20 口 井 组 成, 其 中 5 口 井 被 确 定 为 重 点 研 究 井 井 口 SCADA 系 统 每 隔 15 秒 采 集 一 次 压 力 和 流 量 高 频 EFM 数 据 作 业 公 司 在 收 集 每 月 记 录 后 ( 每 口 井 每 天 的 数 据 点 达 到 11.5 万 个 ), 再 将 它 们 提 交 给 斯 伦 贝 谢 公 司 的 工 程 人 员 工 程 人 员 利 用 一 种 软 件 对 全 场 数 据 进 行 日 常 分 离, 将 数 据 归 到 各 井 中, 每 口 井 建 立 一 个 文 件, 从 而 减 少 数 据 体 体 积, 使 其 更 易 于 管 理, 同 时 也 实 现 了 信 息 的 自 动 化 处 理 在 整 个 研 究 期 间, 每 口 井 产 生 了 三 百 万 个 数 据 点, 为 了 处 理 这 些 原 始 数 据, 工 程 人 员 专 门 开 发 了 一 个 例 行 程 序 该 程 序 具 有 三 大 功 能 : 天 然 气 性 质 对 比 井 底 压 力 计 算 和 数 据 处 理 利 用 天 然 气 性 质 对 比 模 块 来 对 视 临 界 温 度 和 视 临 界 压 力 偏 差 系 数 等 温 压 缩 系 数 气 层 体 积 系 数 和 天 然 气 密 度 粘 度 和 视 [12] 压 力 等 参 数 进 行 评 估 该 软 件 还 针 对 Excel 工 作 表 对 数 据 进 行 格 式 处 理 在 流 动 过 程 中, 高 频 EFM 数 据 每 隔 10 分 钟 会 被 汇 总 一 次 软 件 的 日 常 程 序 对 平 均 流 量 和 平 均 压 力, 以 及 这 些 数 据 的 标 准 偏 差 进 行 计 算 如 果 出 现 流 量 逆 转 或 零 和 非 零 EFM- 流 量 测 量 数 据 混 合 现 象, 异 常 数 据 点 将 被 标 出 并 视 为 无 效 在 关 井 期 间, 作 业 人 员 对 数 据 实 施 一 项 变 宽 度 视 窗 技 术, 以 便 可 以 在 每 一 个 周 期 获 得 数 量 大 致 相 同 的 数 据 点 软 件 程 序 对 数 据 点 进 行 拟 合, 以 确 定 权 重 因 子 为 了 确 保 数 据 在 关 井 压 力 恢 复 或 压 降 分 析 中 的 有 效 性, 作 业 人 员 基 于 注 入 前 时 段 或 生 产 期 的 长 度 关 井 时 间 及 采 集 有 效 分 析 数 据 所 需 的 时 间 应 用 了 一 系 列 的 过 滤 器 此 外, 在 将 数 据 输 入 Excel 工 作 表 过 程 中, 为 了 避 免 受 到 限 制, 作 业 人 员 还 采 取 了 其 他 一 些 控 制 技 术 > 更 简 要 更 有 针 对 性 的 数 据 SCADA 系 统 获 得 的 高 频 电 子 流 量 (EFM) 数 据 ( 左 ) 显 示 出 大 量 的 离 散 点, 难 以 使 用 在 这 种 情 况 下, 几 乎 不 可 能 识 别 出 数 据 的 直 线 段 及 确 定 其 微 妙 特 征 ( 而 这 些 特 征 在 典 型 曲 线 拟 合 过 程 中 非 常 重 要 ) 绘 制 径 向 流 动 图 ( 左 上 ) 是 为 了 确 定 数 据 直 线 段 斜 率 通 过 删 除 异 常 数 据 点 并 每 隔 10 分 钟 对 数 据 实 施 一 次 平 均 值 计 算 处 理 ( 右 上 ) 之 后, 离 散 点 减 少, 而 且 曲 线 的 斜 度 也 更 明 显 此 时, 可 以 在 曲 线 的 最 右 端 看 到 一 些 原 本 被 原 始 数 据 掩 盖 的 井 筒 储 存 效 应 经 过 处 理 后, 在 压 力 恢 复 双 对 数 曲 线 图 和 导 数 曲 线 图 ( 下 ) 中 也 出 现 了 类 似 的 改 进, 这 些 成 果 使 数 据 更 具 有 实 际 意 义 原 始 数 据 ( 左 下 ) 中 的 噪 声 和 离 散 点 会 增 加 曲 线 拟 合 和 直 线 段 识 别 的 难 度 利 用 汇 总 和 筛 选 后 的 数 据 ( 右 下 ) 可 以 确 定 直 线 段, 并 用 来 计 算 渗 透 率 导 数 图 的 右 半 部 分 形 状 的 微 妙 变 化 都 能 够 被 识 别 出 来, 利 用 这 部 分 曲 线 特 征 可 以 确 定 储 层 的 边 界 条 件 而 这 些 数 据 在 未 被 筛 选 和 简 化 之 前 很 难 对 其 进 行 解 释 ( 根 据 Brown 和 Meikle 的 资 料 修 改, 参 考 文 献 9) 2008 年 春 季 刊 9

12 > 井 动 态 监 测 如 果 表 皮 损 害 系 数 s 和 非 达 西 流 动 系 数 D 都 是 常 数, 那 么 视 表 皮 损 害 系 数 S 与 流 量 应 是 一 条 直 线 关 系 ( 左, 黑 色 ) 如 果 s 或 D 值 产 生 变 化, 那 么 视 表 皮 损 害 系 数 S 与 流 量 关 系 曲 线 也 会 根 据 损 害 类 型 而 发 生 相 应 的 变 化 从 EFM 数 据 ( 右 上 ) 中 可 以 看 到, 两 次 采 出 周 期 ( 箭 头 ) 之 间 s 值 发 生 了 阶 跃 变 化 通 过 绘 制 流 量 ( 右 下 ) 与 注 入 S( 压 力 恢 复 ) 和 采 出 S( 压 力 下 降 ) 之 间 的 对 比 图 可 以 看 出 这 些 变 化 出 现 在 注 入 阶 段, 而 不 是 采 出 阶 段 如 果 s 和 D 值 都 是 常 数, 那 么 数 据 将 沿 着 基 准 线 ( 红 色 ) 下 降 在 本 实 例 中, 斜 率 发 生 变 化 表 明 D 值 增 大 ( 根 据 Spivey 等 人 的 资 料 修 改, 参 考 文 献 11) 在 数 据 处 理 过 程 中, 作 业 人 员 应 采 用 人 工 介 入 的 方 法 选 图, 并 对 其 标 度 做 出 相 应 的 调 整 可 以 将 视 表 皮 系 数 S 作 为 时 间 或 流 量 的 函 数 绘 制 出 来 如 果 表 皮 系 数 s 和 非 达 西 流 动 系 数 D 不 随 时 间 变 化, 那 么 视 表 皮 系 数 S 将 会 是 流 量 的 [13] 线 性 函 数, 可 以 用 来 计 算 s 和 D 值 反 之, 如 果 s 值 或 D 值 随 着 时 间 的 变 化 而 变 化, 那 么 S 将 不 会 是 流 量 的 线 性 函 数 突 变 将 导 致 数 据 点 聚 集, 而 渐 变 则 将 导 致 数 据 慢 慢 偏 离 基 线 模 型 ( 上 图 ) 曾 有 研 究 表 明, 在 所 有 被 评 估 的 油 气 藏 中, 因 非 达 西 流 动 造 成 油 气 井 损 害 的 油 气 藏 的 比 例 达 60% [14] 如 果 假 设 损 害 仅 仅 与 表 皮 损 害 系 数 有 关, 那 么 不 正 确 的 结 论 就 有 可 能 导 致 不 合 理 的 甚 至 是 无 效 的 修 井 作 业 通 常 可 以 通 过 将 酸 液 泵 入 射 孔 段 或 对 地 层 实 施 水 力 压 裂 来 减 少 表 皮 损 害 但 上 述 补 救 措 施 对 非 达 西 流 动 效 应 引 起 的 损 害 却 发 挥 不 了 多 少 作 用, 实 施 这 些 处 理 可 能 只 会 浪 费 时 间 和 资 金 哥 伦 比 亚 输 气 公 司 在 研 究 过 程 中 发 现 注 气 阶 段 非 达 西 效 应 发 生 了 变 化 损 害 都 发 生 在 2004 年 的 某 一 周 之 内 通 过 视 表 皮 损 害 - 产 量 关 系 图 中 斜 率 的 急 剧 变 化 可 以 发 现 油 田 中 的 部 分 井 呈 现 出 增 强 的 非 达 西 流 动 效 应, 而 其 他 井 却 并 未 产 生 此 类 变 化 分 析 结 果 表 明, 这 种 损 害 是 由 注 气 过 程 中 紊 流 加 大 引 起 的, 并 不 是 某 些 井 出 现 了 损 害, 因 此 工 程 人 员 未 采 取 补 救 作 业 如 果 这 一 问 题 是 在 针 对 单 井 所 做 的 每 年 一 次 的 测 试 中 而 不 是 在 对 油 田 中 所 有 井 的 持 续 监 测 中 发 现 的, 这 一 结 果 就 可 能 导 致 作 业 公 司 得 出 错 误 的 结 论, 引 起 不 必 要 的 开 支 作 业 人 员 利 用 现 有 的 数 据 源, 结 合 新 的 数 据 挖 掘 技 术 来 实 施 分 析, 这 使 他 们 能 够 确 定 出 现 损 害 的 原 因, 并 制 定 相 应 的 处 理 决 策 本 实 例 中 所 有 的 问 题 井 都 还 可 以 继 续 保 持 作 业, 无 需 对 其 实 施 [15] 修 井 作 业 通 过 改 进 将 智 能 水 平 提 高 至 第 II 级 实 现 UGS 设 施 注 入 储 存 和 采 出 流 程 的 系 统 化 可 能 会 给 作 业 公 司 带 来 最 大 的 效 益 单 井 分 析 油 藏 建 模 地 面 硬 件 和 系 统 低 效 等 问 题 都 应 进 行 全 面 的 评 估, 仅 仅 关 注 作 业 的 一 两 个 方 面 ( 如 EFM 数 据 油 藏 描 述 或 地 面 硬 件 ) 是 远 远 不 够 的 优 化 流 程 要 求 综 合 考 虑 所 有 因 素, 以 开 发 出 一 个 能 够 代 表 整 体 系 统 的 模 型 优 化 建 模 和 监 测 是 开 发 第 II 级 智 能 UGS 设 施 的 关 键 因 素 10 油 田 新 技 术

13 优化工作的第一步是对各井或完井 段进行描述 这一点已经得到了大多数 测试专家的认同井筒周围的储层条件 和储层物性以及所受到的损害程度都会 对完井段的流动效率产生影响在确定 上述各因素之后 作业人员就可以开发 预测模型来对各种作业条件下理想的动 态进行模拟多级流量试井是全面描述 井损害和流动动态的一种标准化技术 也是实际模型开发过程中一项必不可少 的技术 利用多级流量瞬时压力试井技术可 以量化表皮损害系数s和非达西流动效 应 D 从而为未来的对比工作设定一个 基准单井测试作业完成之后 下一步 便是通过一项覆盖整个油气田的多级流 量测试来对系统的生产状况进行描述 作业者可以利用从井口 处理设施和计 量站中获得的诸如流量 温度和压力之 类的作业数据设计一个有效的全油气田 多级流量试井方案如果该油气田中所 有的井都能够同时流动 那么就可以通 过这类试井获得全油气田产能曲线全 油气田的流速只有达到较高的水平 才 能够确定系统中的首个瓶颈 在某些特定的作业条件下 当系统 中存在的不利因素影响到整个系统的综 合性能时 该不利因素就构成了瓶颈 井筒尺寸 管柱 井口设备 集油管线 和处理设施 这些能对系统运行产生影 响的因素都可能成为瓶颈 右图 在 确定出具体瓶颈后 还需进行经济评 价 来确定消除瓶颈在经济上是否切实 可行例如 如果多级流量试井表明利 用较大的管柱可以消除瓶颈 但井筒的 尺寸会对管柱构成限制 那么这一问题 便很难得到解决在这种情况下 唯一 的解决办法可能只有增加井数量或替换 现有井 尽管这样做成本会很高 在无法开展全油气田流量测试的条 件下 可以根据单井流量测试数据绘制 产能曲线 但随后还应对地面设施的影 响进行分析 并将测量结果纳入分析过 程不管怎样 最准确的方法仍然还是 2008 年春季刊 全油气田测试方法 最后 可以开发一种将天然气的总 库存量作为储层压力的函数来显示的储 气库库存模型要建立起这样一个模 型 首先要使储气库的流量保持稳定一 段时间 时间的长短必须使储气库达到 拟稳态流状态 然后利用拟稳态流动过 程中测量到的压力递减速度来计算储层 孔隙体积换句话说 利用该技术可以 确定地下储气 库 的储气和供气规模 一旦确定了储层孔隙体积之后 作业者 便可以对某一给定的平均储层压力下储 气库中的天然气总量进行计算 在一般的作业中 只要有足够长的 关井时间 作业人员就可以利用现有技 术根据压力恢复试井数据计算出储层平 均压力由于储气库库存模型能够将平 均储层压力和总库存之间的关系量化 比起仅利用春秋两季例行关井期间采集 到的数据进行库存检查的方式 作业者 可以实施更加频繁的检查根据流量数 据计算储层平均压力之后 可能利用正 在开发的技术就可以实现 便可能无须 等待短期或长期的压力恢复数据结果 就可以实现对 UGS 储气库的实时库存 检查 这在天然气循环频繁且无定期关 井计划的情况下尤其重要 根据扩展测试采集到的单井和全油 田数据确定孔隙体积后 能够获得两个 不同的孔隙体积估算值 然后将其进行 对比此类数据将与产能测试数据相结 合来建立整个系统的模型 > 利用多级流量试井确定瓶颈NODAL生产系统分析结果表明 油管尺寸是 本次测试的瓶颈油管内径 ID 在现有尺寸 英寸 绿色 和 8.0 英寸 蓝色 之间变化分析结果表明 当油管内径由3.092英寸增加到5英寸 红 色 时 流量将提高 54% 由原来的 1100 万英尺 3/ 日 31.1 万米 3/ 日 增加 到 1700 万英尺 3/ 日 48.1 万米 3/ 日 但如果油管内径大于 5 英寸 流量增加 的幅度很小 根据 Brown 和 Sawyer 的资料修改 参考文献 表皮损害系数s是一个无因次参数 通过实际 条件与理论或理想条件的对比对表皮损害系 数进行计算后 可以确定一口井的生产效率 正表皮值表明某些损害或影响正对油气井产 能产生不利影响 负表皮值表明产能得到了 提高 通常是增产作业的结果 非达西流动系数 D 是根据不符合达西定律的 流体流动计算出来的参数达西定律假设地 层流体处于层流状态 如果流体处于紊流状 态而非层流 那么就称为非达西流动在高 产气井附近 当流体汇入井筒时达到的流速 超过层流或达西流动雷诺数时 通常可以观 察到紊流现象由于产层中的紊流现象多数 出现在井筒附近 因此 非达西流动效应可 以表示为一个与产量有关的表皮效应 D 视表皮损害系数 S 与 s 类似 但 S 可能是由机 械损害或非达西流动效应 如与产量有关的 限流因素 引起的 14. Brown KG 和 Sawyer WK Practical Methods to Improve Storage Operations A Case Study SPE 发表在 SPE 东部地区大会暨展览会上 西弗吉尼亚州 Charlston 1999 年 10 月 有关传感器和数据处理方面的最新进展 请 参见 Bouleau 等人 参考文献 7 11

14 可以利用诸如 PIPESIM 和 NODAL 生产系统分析软件之类的各种程序建 立节点分析模型 下图 在建立模型 时 首先要确定系统的物理组件并对 来自测井和试井的储层性质信息进行 整合随后要在模型中纳入采集系统 处理设备和地面设备的特征信息 然 后再根据诸如管道粗糙度和采集线长度 之类的系统变量对模型实施校正之后 对模型进行调整 使其与试井过程中获 得的压力数据相匹配 重点解决瓶颈问 题 在趋势分析中 作业人员将对日常 作业获得的实际结果与描述过程中获得 > PIPESIM 生产系统分析模型利用 PIPESIM 程序可建立储气设施机械部件直观模型可将储层性质 和生产信息综合在模型中 然后利用全场多级流量试井对模型进行标定本实例中的井是生产井 将 流动方向逆转后可获得注入模型 > Falcon 储气公司的 Hill-Lake 地下储气库作业该储气库位于得克萨斯州 Eastland 县 其注气和供气能力分别为 3 亿英尺 3/ 日 850 万米 3/ 日 和 5.15 亿英尺 3/ 日 1500 万米 3/ 日 图片由 Falcon 储气公司提供 12 的模型预测结果作比较目前 人们已 开始利用一些更加先进的预测工具 如 基于 DECIDE!数据挖掘技术的生产优化 软件 来自动比较模型预测的数据与实 际作业数据 是否该从头开始 由于 UGS 设施潜在的使用寿命较 长 例如 Zoar 储气库已经运行了 90 多 年 这就要求其建井模式不同于非储 气井的建井模式与生产井相比 储气 井必须可以承受更大的注入量 更高的 采出压力和更频繁的循环周期可以利 用现有的井下和地面设备实施储气作 业 但更常见的做法是利用现有井筒和 新钻井的组合来储气原来的生产作业 模式可能会限制储气井的布井方式和设 备的位置 因而在将生产井改造成储存 井的过程中 工作重点应该在于对现有 设施的优化和对储层的全面了解 最好在确定用作储气的油气田之初 就开展优化工作首先应该对备选油气 田的储层性质有深入的了解未来的 UGS储气库应具有良好的孔隙度和渗透 率及有效的圈闭机制即使无需选择油 气藏 如有现有储气设施需要更新或改 进 那么仍然可以利用新技术提高 UGS 作业的价值 Falcon 储气公司在得克萨斯州 HillLake 油田开展的项目就是一个很好的 利用智能井技术优化现有储气设施的例 子 左下图 该储气库原先是一个油 田 发现于 20 世纪 20 年代 到了 20 世 纪 50年代 该油田的产油期结束在20 世纪 60 年代 Hill-Lake 油田被改造成了 一个储气库当Falcon公司在2001年接 管该储气库时 共有21口井 其中的10 口井用于储气作业自 20 世纪 50 年代 以来 Hill-Lake储气库就没有得到发展 而且由于所谓 计量误差 的原因 之 前的作业公司都未能解释清楚另有 25 亿英尺 万米 3 天然气的去向 Falcon公司得到的原始解释结果相 当简单通过有限的井控制和原先在注 入区域附近获得的较早电测记录可以看 出 该储气库的构造被解释为一个河流 油田新技术

15 三角洲 右图 在 2003 到 2006 年间 Falcon 公司在该油田共钻了 16 口新井 钻井过程中的地质导向在FMI全井眼微 电阻率扫描成像测井仪的帮助下完成 FMI 成像数据给出了新的解释 即该储 层是一个辫状河道砂岩 而非三角洲 2006 年 斯伦贝谢的地质师利用 Petrel 地震 - 模拟软件开发出了一个基 础地质模型 右下图 该模型涵盖了 现有各口井的信息 同时还在分析过程 中增加了 Falcon 公司在 2006 和 2007 年 新钻的 17 口井的信息 这些新井是在原先的注入井周围以 探边井的形式钻的 其趋势与通过 FMI 成像数据解释获得的趋势预测相一致 通过钻新井 获得了一些有趣的发现 包括在主要注入井西南部的一个原先未 被发现的砂体作为一个独立的砂体 原本应该在早期的开采作业中便已枯 竭但是 出乎人们意料的是 该砂体 的压力几乎与Hill-Lake油藏中其余部分 的压力相同 这表明他们之间具有连通 性根据Petrel地质模型获得的信息 认 为该构造中应含有前文提到的去向不明 的 25 亿英尺 3 天然气 在钻新井的过程中不仅发现了原先 不明去向的天然气 而且随着天然气的 注入 原本枯竭的油气藏被再次填充 沿下倾砂岩段钻的新井钻遇了初始开采 阶段中遗留的部分原油 随着油藏压力 的增加 这部分原油现在也能够得到开 采 伴随着储存气的采出 会有更多的 原油以天然气凝析液 NGL 的形式被 开采出来在天然气的注入和采出过程 中 原先原油生产停止后遗留下来的那 部分液态烃会使天然气富化在天然气 低温处理厂 这些液态烃首先被从循环 气中分离 然后被回收用于销售 从而 可以增加 UGS 作业的利润利用 Petrel 油藏模型可以确定适于未来储气库开发 的位置在天然气采出过程中 这些位 置的砂岩性质应有利于天然气凝析液的 采收 2007年 受基础模型的启发 Falcon 公司开始开发一个精细的Petrel地质和 油藏模型 该模型共包含72口井利用 2008 年春季刊 > 解释结果的变化Hill-Lake 油田最初被认为是一个河流三角洲 左 从等厚图上可以确定出两个 构造高点 左上 根据原始构造图钻了一些新井 该构造图建立在 1960 年前所钻的油井基础之上 利用 Petrel 地震模拟软件 右 对原有解释进行了更新 增加了 17 口新井 并识别出了一个原先未知 的南部砂体 右上 从而使原始砂体几何形态可视化分析的准确性得到了提高 构造也被描述成了 一个辫状河道砂体 右下 由于 FMI 解释提供了流动的方向 井位得到了优化南部砂体中的 25 亿 英尺 3 的天然气就是原来作业公司误认为计量误差而不复存在的那部分天然气 > 油藏建模地质师利用 Petrel 软件对 Hill-Lake 油藏进行了模拟一旦地质模型完全建立起来 就可 利用储层性质进行体积模拟和油田动态模拟 13

16 ELANPlus 高级多矿物测井分析程序和 FMI分析技术对其中的29口井进行了解 释 又根据 5 口井的岩心分析数据对模 型进行了标定在利用先进的岩石物理 分析方法进行解释之后 原本过于简单 的三角洲沉积解释已经演变成了一个更 加准确的油藏模型 随着新井的完钻 作业人员了解到 了更多有关储层几何形态的信息 而储 层沉积环境也被重新描述成网状河道砂 岩的古老河床[16]井位优化取决于对储 层构造的掌握情况Petrel模型的地下构 造可视化功能在正确识别沉积环境及否 定先前的两种解释结果方面发挥了关键 作用 下图 对储层的全面了解促进了 储气库储存能力的提高 一些新的勘探 区也被确定了下来 以开采最初生产所 遗留的部分原油 并且实现了对未来油 田开发的优化美国在生产和储气能力 方面所做的优化 Hill-Lake 作业便是一 个例子 正是该国在 UGS 数量减少的情 况下 储气容量仍能实现增长的原因 Falcon公司所采用的新方法和技术 并不只局限于地下建模和优化由于该 储气库自 20 世纪 60 年代起就已经投入 运营 因此有必要对其进行更新改造 该公司安装了SCADA系统来提供温度 压力和流量方面的即时信息各个压缩 站和油气田控制中心的工作人员可以从 井口对天然气流量进行控制尽管目前 还未利用 SCADA 系统对该设施实施远 程控制 但SCADA系统事实上拥有这一 能力 Falcon 公司的 Hill-Lake 储气库现已 是一个先进的多循环UGS作业体系 可 用于多种用途 包括储存 高速供气 调峰以及市场贸易等[17]目前 其最大 容量为 150 亿英尺 亿米 3 其中 工作气为 110 亿英尺 亿米 3 垫层 气为 40 亿英尺 亿米 3 Hill-Lake 储气库的供气量和注气量分别达到5.15 亿英尺 3/ 日 1500 万米 3/ 日 和 3 亿英 尺 万米 3 原先的夏季注气 秋 季供气的模式已经被一种更灵活的作业 模式所替代新的作业模式不仅可以根 据客户需求即期储存和采出天然气 同 时还可以将原先开采阶段遗留的部分原 油和天然气液开采出来 Hill-Lake 储气库的成功促使 Falcon 公司最近展开了对其位于得克萨斯州北 部另一个名为 Worsham-Steed 储气库的 改造该储气库原来是一个废弃的油气 田 后经其他作业公司改造成为储气 库Falcon 公司将其升级成了一个采用 类似智能井技术的多循环 UGS 作业设 施现在 该油田不仅能够提供240亿英 尺 亿米 3 的工作气 而且还能在 供气的同时采出原油和天然气凝析液 级别 III 自动化油藏监测 无论建设UGS设施的目的是为了调 峰 还是将其用作储气库 自动处理能 力都是吸引作业者采取智能井技术的主 要原因欧洲一家作业公司与斯伦贝谢 的油藏地质师和工程人员开展合作 利 用围绕DECIDE 软件建立的综合平台设 计并实施了一个自动化油藏监测作业项 目作业人员可以利用安装在个人电脑 上的DECIDE 软件中的人工智能和软件 模拟程序对高度复杂的系统实施优化和 [18] 预测性建模模拟 下一页 上图 该软件提供了在一种将人员 技 术 流程和信息整合在一个安全的全球 系统下的方法 在降低成本和风险的同 时提高作业效率DECIDE 程序由两 大部分组成 即数据中心和台式计算 机数据中心主要负责数据的检索 储 存 分配和作业任务的自动化处理台 式计算机桌面利用先进的数据挖掘技术 实施石油工程分析计算 从而为作业公 司资产管理提供有力的工具 16. 网状河道砂层出现在那些梯度相对较低 河 道较深较窄及堤岸较稳定的多河道河流中 是在缓慢流动的水流中沉积下来的辫状河 道砂层形成于高能环境下 以砂坝或砾石坝 或两者兼有 的连续沉积为特征 在这种条 件下 水往多个支流流动然后再汇合从而形 成辫状河道砂层 > 最终结果随着新钻井数量的增加 地下构造变得越来越清晰利用 72 口井的资料及来自其中 29 口井的 FMI 数据 建立起了最终的 Petrel 地质模型该油田的构造为网状河道砂岩 左下 相对辫 状河道砂岩而言 网状河道砂岩是在能量较低的水流环境中形成的比起原先认识的三角洲或辫状河 道砂岩储层 网状河道砂层河床的路径更加曲折 未来布井的方式也更加复杂FMI 仪器的测量结果 为探边井的钻井作业和油气田开发指明了方向对储层的进一步认识还帮助确定出了开采先前生产过 程中遗留原油的最佳钻井位置另外 在重新认识储层的过程中还发现了一些新的构造 确定了未动 用油藏的位置 并提高了设施的储气能力 存放和取回 指的是一种为了日后使用天然 气而将天然气存放起来 并在需要时将其取 回以避免以较高的现货市场价格购买天然气 的方法这一方法可以使客户在无法利用供 气管道实现供需平衡时满足自己的天然气供 应需求 从而实现节省成本的目的同时 客户也可以从短期的价格波动中获利 18. 有关ECLIPSE软件和DECIDE 软件更多的信息 请参见 Barber A Shippen ME Barua S Cruz Velázquez J Garrido Hernández AM Klumpen HE Moitra SK Morales FL Raphael S Sauvé B Sagli JR 和 Weber M 从储层到加工厂的生产优 化 油田新技术 19 卷 第 4 期 2007 冬 季刊 油田新技术

17 > 第 III 级智能技术第 III 级智能技术集合了智能井作业的全部内容通过集成趋势分析 建模和模拟等流程 该技术能够帮助 UGS 设施实现 高度自动化优化管理 RWE Transgas Net公司是捷克共和 国一个独立的天然气作业公司为了实 现管理和优化的目的 该公司针对其所 属的所有枯竭油气藏和含水岩层储气设 施都安装了 DECIDE 软件该项目于 2004 年开始实施 并于 2007 年结束 下 图 RWE Transgas Net公司与斯伦贝谢 合作共同实施了 DECIDE 程序 首先开 发出了一体化平台建立起一个SCADA 系统用于获取连续的高频测量数据 以 秒计 高频测量数据以 15 分钟为间隔 实时地从各井 采集系统及设施中输 出在此流程的第 I 级步骤中 软件系 统将对数据流的连接情况进行确认 并 在连接失败时通知作业人员确认连接 有效后 软件系统将以更长的时间间隔 对高频数据进行输入 过滤 质量检查 和汇总操作 以降低数据集的规模在 数据汇总前 软件就会自动去除传感器 误差和传输错误 并生成统计报告 以 使工程人员可以对信息的准确性进行评 估为了使上述常规作业实现自动化并 提高数据的传输速度 开发了人工智能 技术利用新采集的数据可以获得关键 性能指标 使用这些指标可以对正在进 行的作业进行评估 > DECIDE 程序工作流利用神经网络 NN 替代模型对传输到数据缓冲区的 SCADA 数据实施质量检查 筛选和简化处理这些数据将被输入各种软 件模块中以进行自动化监测 报告生成及数据的准备替代模型将对信息进行处理并利用趋势分析和模拟拟合来发掘优化的机会和监测系统隐含的问题 报告几乎可以实时生成 利用历史拟合可以确定作业是否正常上述程序大多是在后台执行的 几乎不需要人工介入 2008 年春季刊 15

18 > 神经网络 NN 与问题识别计算井底压力 BHP 要用到多个参数神经网络的功能相当于替代模型 利用作业过程中 获得的数据对神经网络进行训练后 可以减少产生结果所需的总迭代次数 而所需时间仅为进行全场建模所需时间的一小部 分将注入和采出过程中获得的实际井底压力数据 红色 与 NN 方法计算的井底压力数据 蓝色 进行了比较 结果表明两 组数据基本吻合但是到了 2000 年 9 月 由于储层受到损害 注入过程中计算的井底压力上升 并在随后的四个月内一直保 持较高水平回压上升表明需要进行干预作业来维持产能 在第II级智能技术应用中 筛选后 的数据将被输入软件模块 以验证系 统运行是否正常DECIDE 程序能够 对具备数据交换能力的外部应用程序 进行整合 这些外部应用程序包括 ECLIPSE 油藏模拟软件 PIPESIM 生产 系统分析软件及 DECIDE 软件中的各 种模块程序能自动实施历史拟合 用 于趋势分析 提供各井的井况信息 并确定生产及储存能力限制条件当 前和未来的注入和采出量要求 输入 到调度模块的数据 会被传输到 DECIDE 软件的一个模块中该模块 随后将完成所有必要的评估和预测 以确保储气库有足够的存储体积来满 足调度要求[19] 油藏监测模型所使用的先进程序 需要利用计算机实施大量的计算使 用大量的数据 即使数据已得到汇总 和筛选 进行优化迭代处理是无法在 规定的时间内达到令人满意的结果的 替代模型虽然不是很精准 但用它取 代优化迭代方法进行全场模拟能够在 几秒或几分钟内获得结果[20] 替代模型利用人工智能技术来模 19. Onderka V Dressler M Severyn O Giovannoli M 和 Zangl G Expert System of UGS An Efficient Tool for Online Performance Management and Optimization 发表在第 23 届世界天然气大会 上 阿姆斯特丹 2006 年 6 月 5 9 日 20. Zangl G Giovannoli M 和 Stundner M Application of Artificial Intelligence in Gas Storage Management SPE 发表在 SPE Europec/EAGE 技术年会 16 拟大型的模拟器 它们以经过训练的神 经网络 NN 的形式工作 对其进行优 化后使用的输入参数减少NN 的性能 与模拟器相似 经过训练之后 可以在 不到一秒的时间内对一系列特定的输入 数据进行一系列的计算NN 能够大大 减少计算所需的时间 从而能够利用优 化后的全场数值模拟原始结果进行实时 历史拟合 NN 应用的一个例子是进行产量预 测和优化模拟如果输入参数出现了较 小的变化 例如油管头压力出现了变 化 那么该系统就可以立即进行预测 无需花费大量的时间等待全场模拟的结 果还可以快速进行多次迭代 以便确 定最佳的应对措施此外 还可以利用 NN 评估第 I 级智能技术数据采集阶段 输入数据的不确定性 从而在数据输入 替代模型前就开始提前运行质量控制和 数据筛选的功能 评估结果与实测结果通过自动化监 测系统进行比较如果替代模型提供的 信息表明某井或某个地面设施的性能未 达到预期 就会触发事件警报该警报 将通过工程师的电脑报告到作业公司 暨展览会上 奥地利维也纳 2006 年 6 月 1215 日 21. Bouleau 等人 参考文献 Foh SE The Use of Inert Gas as Cushion Gas in Underground Storage Practical and Economic Issues 发表在天然气供应规划和管理 1991 年及未来大会上 佛罗里达州Lake Buena Vista 触发警报的参数偏差范围可以进行设置 并按需要进行调整一旦发出警报 油 藏工程师就可以及时做出反应 调查问 题的根源 上图 比监测和监控更高级的智能水平是 第 III 级智能技术 即数字化油田的一 类尽管一些石油公司和服务公司认为 难以简单地对该术语进行定义 但数字 化油田基本上都能为人们提供一种高级 别的自动化 模拟建模和 越快越好的 决策工具以及一种不忽略任何细节 或 至少有一个系统对细节进行监控 的综 合方法斯伦贝谢称这一级别的油田作 业为 BlueField 智能资产一体化服务[21] BlueField级的智能技术在采集和整 理数据以进行处理之后 会在各个动态 模块中运行综合模拟模型系统需要按 最高级别的标准进行校验 并利用确定 性模型生成完整作业健康情况报告 并 被传送到 DECIDE 工程人员的电脑中 下一页图 这项服务能够对预定的自 动化任务或警报触发任务进行监控 在RWT Transgas Net公司应用的系 统中 自动化任务具有以下结构 首先 运行预定任务或触发自动任务 随后运 1991 年 2 月 日 23. Supply on Demand com/fw/main/mobay_storage_hub_llc-28.html 2008 年 1 月 15 日浏览 24. 美国石油委员会 编辑 Hard Truths Facing the Hard Truths about Energy 华盛顿特区 美国 石油委员会 2007 年 36 油田新技术

19 行用于预测的数据挖掘替代模型并运用 相关规则触发事件的原因要么是由于 不符合预期趋势 要么是违反了预先规 定的限制条件警报触发行动包括系统 通知 监测软件的检索和执行 与第三 方软件之间的数据交换 启动下级任务 和生成 或文本报告 从而提示作 业者系统存在错误 除了触发警报之外 该软件还可以 通过工程人员的电脑自动地向作业者提 供关键性能指标为了能够实现可视 化 系统会对数据实施格式化处理 并 根据油气田的当前动态做出预测储层 动态模块能够确定 如设施的制约因素 等的 瓶颈问题 并就优化时机和建议 的行动程序生成报告随着分析时间周 期的显著减少 工程人员几乎可以做出 即时反应自动化的数据流及升级模式 非常直观的模型使工程人员可以将工作 重点放在系统优化和问题的解决上作 为 BlueField 应用领域之一的主动式智 能油藏管理如今已成为现实 > 输入数据 生成决策每隔 15 分钟采集一次 SCADA 数据 对这些数据进行筛选和质量检测将模 拟软件生成的数据与模型预测数据进行比较工程人员通过 DECIDE 台式机接收结果 预测数据和 生产信息工作人员既可以选择自动接收这些信息 也可以选择在需要时生成这些信息 中实施UGS作业将要求30% 50%的天 然气作为垫层气保留在地下借用银行 理论进行类比 即相当于最多有 100 亿 UGS 的未来发展 英尺 亿米 3 的天然气留在了一 许多针对传统油气生产而开发的智 个无息帐户中以 2008 年的价格计算 能油井和智能油田技术已经被证实非常 这些天然气总价值超过 8000 万美元 适合枯竭油气藏的地下储气作业在应 即使储气库是在最高效的压力和流 用这些技术方面 UGS 业界已经取得了 动范围下运行 也必须在地下保留一部 巨大的成功UGS作业者所获得的经验 分垫层气 以确保天然气采出的速度 油 教训正在越来越多地为油气生产领域所 藏工程人员曾经将惰性气体作为垫层气 借鉴 因为实践证明这些新技术确实能 注入到储气库中进行测试 研究其可行 够降低成本并提高作业效率 性就目前的天然气价格而言 这一方 由于 UGS 储气库的预期寿命较长 法尤其具有现实意义[22]但是 在该技术 因此其长期投资回报前景较好与常规 实施之前必须对储气库的储存性质和流 油气田不同 储气库可以在枯竭时被反 动特征 不同气体混合后会导致的后果 复充填 因此 其资产价值不会降低 及惰性气体会对储层造成的长期影响进 利用先进的智能油田设备更新陈旧设施 行详细的评估这也是 UGS 作业公司应 具有较好的经济效益 因为那样可以增 用新型油藏管理技术的另一个实例 加现有资产的价值 在开发UGS储气库 尝试各项革新 实现地面及地下资产价值最大化需 方法的同时 作业公司对储层描述 流 要应用类似于前文所讨论的创新技术和 程优化和自动化作业也非常重视 这使 方法 但是仍然还有更多的技术有待利 UGS 项目的开发具有了更大的灵活性 用例如 垫层气是 UGS 设施中涉及成 为其提供了更多的机遇例如 Falcon 本最高的部分 而在实际生产过程中 储气公司正将其在 UGS 作业中应用智 只有当储气库废弃时 作业公司才有可 能井技术所获得的许多经验运用到北美 能回收垫层气比如 要在一个总容量 的首个海上UGS设施中[23]该公司已利 为 200 亿英尺 亿米 3 的枯竭油田 用Petrel软件对储层进行了描述和建模 模拟地面设备的设计工作也已经完 2008 年春季刊 成 预计 2009 年就可以投入运行这一 大库容 多循环储气设施的设计工作能 力为 500 亿英尺 3 14 亿米 3 其日注气 能力和采出能力达 10 亿英尺 万 米 3 预计到2030年 全球天然气日需求 量将达 3560 到 5810 亿英尺 亿米 3 远高于 2000 年的 2430 亿英尺 3 69 亿米 3/ 日 的水平 [24]中东地区的 天然气储量位居全球第一 大约为2566 万亿英尺 万亿米 3 占全球天然 气总储量的41%俄罗斯的探明天然气 储量位居全球第二 在它与欧洲之间建 有大量的天然气长输管道俄罗斯还计 划向中国和其他一些国家铺设天然气长 输管线随着天然气需求的增加 新的 天然气传输 储存和供应方式将得到开 发由于天然气产地通常远离大多数消 费地 因此 UGS 设施将在为天然气工 业用户和民用用户提供一个稳定 安全 的天然气源方面发挥重要的作用 在 UGS 的作用从高峰调节向更加 灵活应用发展的过程中 智能油田技术 在帮助作业公司提高效率 降低成本及 开发新型作业技术方面正在发挥十分重 要的作用 并最终帮助地下储气行业实 现数字化储气库的目标 TS 17

20 确保实现长期层间封隔 层间封隔失败将对生产或注入效率造成严重的影响 在某些情 况下 还可能导致弃井此类失败还可能对环境和安全造成威胁 因 为油气或先前注入井内的流体可能会流到地表或邻近的水层 因此 仅仅获得良好的层间封隔效果还不够 封隔效果必须在油气井的寿 命期结束后还能持续多年 Mario Bellabarba Hélène Bulte-Loyer Benoit Froelich Sylvaine Le Roy-Delage Robert van Kuijk Smaine Zeroug 法国 Clamart Dominique Guillot 美国马萨诸塞州 Cambridge Nevio Moroni 埃尼集团公司 意大利米兰 Slavo Pastor 俄罗斯秋明 Augusto Zanchi Stogit 公司 意大利 Crema 在编写本文过程中得到以下人员的帮助 谨表谢 意 法国 Clamart 的 Matthew Andruchow 以及美国 得克萨斯州Sugar Land的Martin Isaacs和Ali Mazen CemCRETE CemSTONE CemSTRESS FlexSTONE FUTUR Isolation Scanner LiteCRETE PS Platform SCMT 小井眼水泥胶结成像仪 SlimXtreme SlurryDesigner 和 USI 超声波成像仪 等是斯伦贝 谢公司的商标 Fann 是 Fann 仪器公司的商标 18 位于套管和井筒之间的水泥环是 用来在油气井的整个寿命期内为井提供 层间封隔的 但其层间封隔能力与水泥 的充填情况 水泥的力学特性以及井筒 的应力状态有关即使水泥浆充填情况 良好 如果井底环境变化所导致的应力 很大 仍可能对水泥环的完整性造成损 害随着时间的推移 压力密封测试 泥浆比重的增加 过套管射孔 增产措 施 采气或井筒温度的显著提高等都会 对水泥施加一定的应力[1]上述任何一 有效的评估方法作业人员必须采取必 要的措施 通过利用钻井液对地层施加 静水压力来维持平衡但是 这种静水 压力可能不足以维持其与地层远场应力 的平衡 从而导致近井地层发生变形[3] 生产过程中的地层排液也可能使地 层的孔隙压力和相关应力产生变化这 一变化会导致岩石内部负荷不断增大 引起不同程度的变形 从而导致水泥在 地层界面处破裂或脱胶结因生产原因 而引起的应力变化还可能造成储层压 种情况也都可能对水泥环造成损害 实 从而可能导致管柱发生剪切或完井 这些由外力引起的水泥环损害的 设备部件发生弯曲变形[4] 结果往往会导致形成微环隙 而这些微 很明显 要想实现长期层间封隔 环隙过于细小 几乎不可能准确确定其 首要任务是必须获得良好的胶结密封效 具体位置 更不用说对其进行修复但 果为此 开发出了一系列常规声波和 是即使是最小的微环隙也足以成为流体 超声波测井仪 并逐步对它们进行了优 流动的通道据统计 美国每年需要花 化 以对水泥与套管的胶接情况进行定 费 5000 万美元以上的资金来修复此类 量评价新近开发的超声波仪器能够检 水泥胶结问题[2] 测到水泥环内是否存在油气能够在其中 尽管井下环境会随时间而发生变 流动的窜槽 化 包括意料之中和意料之外的变化 本文将重点介绍超声波仪器的最新 但对于当今对经济和环境问题都很敏感 发展成果 利用这些新型仪器还可以指 的石油工业而言 实现长期层间封隔不 示套管偏心情况 对套管环空中的物质 仅是可能的 而且也是必须的由于钻 进行评价并区分具有类似声阻抗特性 井作业会破坏原始地层中长期以来形成 的轻质水泥和钻井液等本文还将通过 的脆弱应力平衡状态 所以进行层间封 一些实例说明新型超声波测井仪能够更 隔要求使用合适的技术 合理的流程及 好地对水泥与套管之间的胶结以及环空 填充情况进行描述 油田新技术

21 本文还对业界在利用特殊配方水 泥作为环空密封材料以实现长期层间封 隔等方面所作的努力进行了分析其 中 一种新型 长寿命 自愈合水泥尤 为引人关注这种针对所谓的 层间封 隔薄弱环节 即水泥在固化之后无法 再进行修复 而开发的新型密封剂能够 在遇到油气时产生膨胀 从而使因井下 条件发生变化而可能出现在水泥环中的 裂隙和微环隙闭合 本文还对与这一新 产品成功开发相关的一些实验室试验和 案例进行了介绍 准备工作 要想获得胶结良好的水泥环 必须 在井眼准备 套管扶正和套管旋转及套 管上下移动等方面严格遵守公认的作业 准则[5]要想使层间封隔获得成功 首 先应清除井筒中的污染物 主要是钻井 泥浆 由于在井眼净化过程中必须保 持地层压力 因此 必须在泥浆泵入后 而水泥还未被灌注之前利用一种密度较 1. Le Roy-Delage S Baumgarte C Thiercelin M 和 Vidick B New Cement Systems for Durable Zonal Isolation IADC/SPE 发表在 IADC/SPE 钻 井大会上 新奥尔良 2000 年 2 月 日 2. Cavanagh P Johnson CR Le Roy-Delage S DeBruijn G Cooper I Guillot D Bulte H 和 Dargaud B Self-Healing Cement Novel Technology to Achieve Leak-Free Wells IADC/SPE 发表在 IADC/SPE 钻井大会上 阿姆 斯特丹 2007 年 2 月 日 3. Gray KE Podnos E 和 Becker E Finite Element Studies of Near-Wellbore Region During Cementing Operations Part I SPE 发表在 SPE 生 产和作业研讨会上 美国俄克拉何马州俄克 拉何马城 2007 年 3 月 31 日 4 月 3 日 4. 有关地层应力更多的信息 请参见 Cook J Frederiksen RA Hasbo K Green S Judzis A Martin JW Suarez-Rivera R Herwanger J Hooyman P Lee D Noeth S Sayers C Koutsabeloulis N Marsden R Stage MG 和 Tan CP 地质力学分析新方法 油田新技术 19 卷 第 3 期 2007 年秋季刊 有关储层压实更多的信息 请参见 Doornhof D Kristiansen TG Nagel NB Pattillo PD 和 Sayers C 压实和沉降作用 油田新技 术 18 卷 第 3 期 2006 年秋季刊 套管旋转和上下移动是指在将水泥泵入井下 的过程中 套管为配合环空钻井液清除作业 而进行的任何形式的运动 2008 年春季刊 19

22 佳的井眼可能会有一些难以清洗的冲刷 区域 这些区域中可能含有一些钻井液 凝胶这些凝胶液可能会被带入到水泥 浆中 从而对水泥浆造成污染套管扶 正效果不理想也会导致水泥灌注效果 差 因为在偏心套管最靠近井壁一侧的 流体可能很难被清除自 20 世纪 40 年 代起 研发工作重点集中在制定沿待固 井套管柱布置扶正器推荐标准上目 前 正在利用能够测量套管偏心率的新 型水泥评价测井仪对这些实践标准进行 测试测量结果可以拿来与传统的 建 立在诸如井筒尺寸完全符合要求等不太 切合实际的假设基础上的偏离间隙计算 值作比较[7] > 层间封隔失败下套管和固井作业过程中出现 的问题可能会造成层间封隔失败其中 最常见 的问题是扶正器定位不佳引起的套管偏心与所 有的流体一样 水泥浆会沿着阻力最小的通道流 向敞开程度最大的套管一侧 从而在套管和地层 之间产生一个狭窄的空间 这一空间可以成为流 体窜流通道 A 水泥浆密度不足也可能使地层 气 红色 流入井筒 B 在水泥内部产生胶结 弱点或间隙当井底温度和井底压力发生变化导 致水泥环出现应力时 这些弱点和间隙就会出现 问题冲刷区域的几何形态 C 常常导致井筒净 化作业中的流体流速过慢 从而使钻井液遗留下 来这些污染物也可以导致水泥环出现胶结弱 点 如果胶结弱点较大或较多 那么就可能成为 地层流体窜流的通道 高的液体 即隔离液 来驱替钻井液 隔离液是在将水泥通过套管泵入环 空的过程中 为了使水泥与钻井液分离 而设计的 其粘度一般与钻井液相当或 高于钻井液除了维持井控之外 隔离 液还具有化学清洗剂的作用 能够清除 残留在套管之间以及套管与井筒间环空 内的钻井泥浆如果隔离液未能成功隔 离钻井液 或者钻井液与水泥发生混 合 那么就不可能实现水泥和地层或套 管之间的良好胶结由于这些污染物一 直保持液体状态 因此 容易沿着井筒 或套管在各产层之间形成流动窜槽 左 [6] 图 良好的层间封隔需要的不仅仅是高 效的井筒清洗例如 一个钻井质量欠 20 者将刮污器和清管器等连接到套管上 通过旋转或上下活动套管来清除泥浆和 脱水泥饼 最适合实施固井作业的井筒应该符 合以下条件 地下压力控制得当 狗腿 度保持最小 尺寸合乎要求 井筒稳定 性好 并且不含岩屑 在渗透层处有很 薄一层动态滤饼[8] 可靠的技术 遵循业界最佳操作实践并不总能确 保水泥环的最终效果达到其设计任务的 要求 即支撑套管 抗腐蚀以及实现层 间封隔等因此 在油气井投产之前确 定套管外水泥的受污染程度 连续性和 为了避免留下无法清除的厚滤饼 胶结质量 其意义与通过意识到采取补 必须改变钻井液的性能 使其更适合随 救作业的必要性来实现对资产和环境的 后的井眼净化为了达到最佳效果 必 保护同等重要 如果在套管外某一预期位置发现水 须降低泥浆比重 减小其屈服应力 并 泥顶面 那就很可能说明驱替体积与计 降低其塑性粘度和胶凝强度 通过在体系中加入水或分散剂 并 算的水泥体积是相匹配的 而且环空中 使流体循环至理想的性能范围 就有可 充填的水泥体积是适当的由于水泥的 能降低泥浆的流变性这需要至少循环 水合作用是一种放热反应 因此 可以 一倍井眼大小的流体体积 而且 如果 通过温度测量来实现上述目标但是通 可能 应在钻杆起出前实施该项作业 过这一方法无法获得更多有关固井作业 以避免在钻杆起出作业过程中泥浆在静 结果的信息 态条件下发生胶凝 同时 最好还能够在注水泥作业实 施之前用机械方法清除污染液 比如通 过移动套管去除环空狭窄处的泥浆 或 > 裂隙和微环隙即使固井作业非常成功 经过一段时间之后 随着井底应力条件的变化 主要由温 度和压力变化引起 固井仍然可能出现问题井筒压力或温度以及构造应力的显著增加都会导致水 泥环破裂 甚至还可能使其破碎切向应力和径向应力的变化会相互影响 这可能是由水泥体积缩小 或温度和压力下降导致套管发生位移引起的 左 这些应力变化可能会引起水泥在张力或压缩力的 作用下发生破裂 或者使水泥脱离套管或地层 从而产生微环隙 右 油田新技术

23 液压试验是一项常见的层间封隔测 试 在整个套管柱上施加内部压力但 是在试验过程中压力可能会引起套管膨 胀 造成水泥环张性破裂 从而可能导 致水泥和套管在张性裂缝接近套管壁的 区域发生径向裂隙或局部脱胶结现象 前一页 下图 由于其他技术都具有各种各样的局 限性 因此 声波测井成为业界监测套 管外水泥和评估套管 水泥和地层之间 胶结质量的首选声波测井能够显示套 管周围灌注水泥处的深度范围 测量套 管胶结水泥的声阻抗 以及量化管外水 泥胶结部分的百分比 声波测井仪的上述特性能够帮助作 业公司识别水泥环中存在的问题并对其 进行修复这些修复措施通常是指挤水 泥作业 即通过射孔段将水泥挤入环 空 沿着套管 地层界面或环空本身来 充填空隙 利用声波测井仪可以实施水泥胶结 测井 CBL 和变密度测井 VDL 右 图 标准的 CBL 仪器由测量信号振幅 或信号衰减的仪器所组成 其测量和解 释理论是一样的其原理是 在声波发 射器发射 千赫声波信号以外延 模式通过一段套管后 对该声波信号的 振幅进行测量[9] CBL测井图中的测量数据是以毫伏 mv 或分贝 db 或两者兼有 的衰 6. 有关井眼净化更多的信息 请参见 Abbas R Cunningham E Munk T Bjelland B Chukwueke V Ferri A Garrison G Hollies D Labat C 和 Moussa O 长期层间封隔解决方案 油田 新技术 14 卷 第 3 期 2002 年秋季刊 Guillot DJ Froelich B Caceres E 和 Verbakel R Are Current Casing Centralization Calculations Really Conservative? IADC/SPE 发表在 IADC/ SPE 钻井大会上 美国佛罗里达州 Orlando 2008 年 3 月 4-6 日 8. Nelson EB 和 Guillot D Well Cementing 第 2 版 得克萨斯州 Sugar Land 斯伦贝谢公司 2006 年 9. Morris C Sabbagh L Wydrinski R Hupp J van Kuijk R 和 Froelich B Application of Enhanced Ultrasonic Measurements for Cement and Casing Evaluation SPE/IADC 发表在 SPE/IADC 钻井大会上 阿姆斯特丹 2007 年 2 月 日 2008 年春季刊 > 传统的声波水泥胶结测井仪小井眼阵列声波测井仪 SSLT 是一种数字 声波仪器 能够提供常规的裸眼声波测量数据 标准的水泥胶结测井 CBL 振幅数据和变密度测井 VDL 数据在评估高温高压环境下水泥胶结质量方 面 SlimXtreme 小井眼测井平台可以提供与 SSLT 相同的测量效果数字声波 测井仪 DSLT 利用声波测井探头测量水泥胶结情况 并为水泥胶结质量的 评估提供 VDL 图像恶劣环境声波测井仪 HSLT 能够提供与 SSLT 在标准井 筒尺寸下提供的水泥胶结情况测量数据和变密度显示一样的测量结果SCMT 小井眼水泥胶结成像仪是一个过油管水泥评价测井仪 可以与 PS Platform 新 一代生产服务工具结合使用该仪器的尺寸经过特殊设计 可以在修井作业中 直接将其应用于套管外水泥评价 而不必事先起出油管 21

24 调整 下一页 右图 其作用在于激 发一种套管共振模式 其频率取决于套 管厚度 振幅衰减取决于套管内外两侧 的声阻抗然后 再根据针对这些不同 材料设定的声阻抗阈值将水泥声阻抗归 类为气 液或水泥 优点和缺点 上述声波和超声波测井仪都存在一 定的不足之处传统的声波 CBL-VDL 仪 器无法提供径向信息或方位信息以分辨 窜槽 受污染的水泥 微环隙和仪器偏 心等 因此难以进行准确的数据解释[11] 高衰减泥浆中较低的信噪比导致以 脉冲回波技术为基础的超声波成像仪的 应用受到限制超声波成像仪的径向探 测能力局限于套管附近的水泥带[12] > 声波测井仪利用配有一个单极换能器和两个单极接收器 与发射器的距 离分别为 3 英尺和 5 英尺 0.9 和 1.5 米 的声波测井仪可以进行水泥胶结测 井 CBL 和变密度测井 VDL 左 单极声波发射器以相对较低的频率 10 到 20 千赫 发送全向脉冲 使套管纵向振动距发射器 3 英尺处的接收器接 收到的声波波形的第一个正峰 E1 和距发射器 5 英尺处的接收器接收到的整 个波形的振幅记录代表整个套管圆周的平均值 右上 在胶结良好的套管处 套管内的声信号会衰减 而 CBL E1 振幅较小在未胶结套管处 套管直达波 较强传播时间是指波从发射器传播到接收器所需的时间传播时间可以用 于控制仪器的居中情况以及为材料检测设定参数在部分胶结的套管处 右 下 可能出现套管 地层和泥浆波 而这种情况在套管 / 水泥界面存在微环 隙的情况下也可能出现VDL测井 下插图 能够对在套管内以外延波形式传 播的波至和在地层中以折射波形式传播的波至进行可视化分析 减形式显示的衰减越大表明水泥与外 面套管壁的胶结质量越好在一些简单 的实例中 解释后的测井响应能够提供 良好的有关水泥胶结质量的信息 上 图 大约在25年前 工程人员开发出了 一种采用高频脉冲回波技术的套管井超 声波成像仪 下一页 左上图 [10]较新 型的超声波成像仪 如斯伦贝谢的 USI 超声波成像仪 利用旋转换能器发射一 种垂直于套管壁的宽频带超声波 超声 波的频率可在 250 到 700 千赫之间做出 10. Sheives TC Tello LN Maki VE Jr Standley TE 和 Blankinship TJ A Comparison of New Ultrasonic Cement and Casing Evaluation Logs with Standard Cement Bond Logs SPE 发表在 SPE 技 术年会暨展览会上 新奥尔良 1986 年 10 月 5-8 日 发表在SPE拉丁美洲和加勒比海地区石油工程 大会暨展览会上 里约热内卢 1997 年 8 月 30 日 9 月 3 日 11. Coelho de Souza Padilha ST和Gomes da Silva Araujo R New Approach on Cement Evaluation for Oil and Gas Reservoirs Using Ultrasonic Images SPE Van Kuijk R Zeroug S Froelich B Allouche M Bose S Miller D le Calvez J-L Schoepf V 和 Pagnin A A Novel Ultrasonic Cased-Hole Imager for Enhanced Cement Evaluation IPTC 发表 在国际石油技术大会上 卡塔尔多哈 2005 年 11 月 日 由于钢材料与周围材料 即套管内 的泥浆和套管外的水泥 之间存在较大 的声阻抗差异 信号消失过快 使得套 管外声阻抗差异所产生的回波通常难以 被检测到 除非这些信号非常靠近套管 和反射性很强的表面 此外 脉冲回波技术很难区分具有 类似声阻抗的钻井液和轻质或受泥浆污 染的水泥即使在最有利的条件之下 要想利用脉冲回波技术将钻井液和水泥 区分出来 钻井液和水泥之间的声阻抗 差异通常也必须大于 0.5 Mrayl 为了克服仪器的局限性 可根据井 况条件同时下入超声波仪器和标准的 CBL-VDL 仪器但尽管如此 来自全球 大量井的测量经验表明 要想对水泥胶 结质量得出准确的结论可能比较困难 尤其是轻质水泥和受污染水泥的情况更 是如此 随着轻质水泥被越来越多地应用于 深水井和低孔隙压力地层封隔作业中 解决上述问题已经变得越来越紧迫为 此 斯伦贝谢开发出了一种测量技术 该技术是 Isolation Scanner 水泥评价作 业的基础该仪器将传统的脉冲回波技 术与超声波成像技术结合在一起 可以 提供包括水泥 / 地层界面反射回声在内 的更有效的环空充填成像 油田新技术

25 > 套管井超声波仪器的基本工作原理超声波仪器的换能器向套管发射一个 稍微发散的波束 换能器通电后产生的声波 使套管转入厚度共振模式USI 超声波成像仪以 71/2 转 / 秒的速度对套管进行扫描 提供一个 5 度或 10 度的方 位分辨率 从而在每个深度产生 36 个或 72 个独立波形这些独立波形经过处 理后可以从初始回波中获得套管厚度 内径和内壁光滑度数据 从信号共振 衰减中产生有关水泥声阻抗的方位图像 上 水泥声阻抗数据 实际上反映 水泥环的质量 可以通过共振衰减信息获得 下 良好的套管 - 水泥胶结会 立即引起共振衰减 而未胶结的套管环在较长时间内都会产生回波 > USI仪器斯伦贝谢的USI仪器是在以前的超声 波成像仪器基础上在仪器底部安装一个旋转换能 器 A 优化改进而来的 > Isolation Scanner 组件在增加弯曲波成像的同时 Isolation Scanner 短节 将采用与套管垂直的声波发射器和接收器 A 的传统脉冲回波技术与斜向排 列的一个发射器 B 和两个接收器 C 相结合这种配置能够激发套管的 挠曲模式 D 该组件配备有最新的信号生成和采集软件 与 USI 仪器安装 于同一平台 构成了 Isolation Scanner 仪的基础 2008 年春季刊 新评价方法 Isolation Scanner 仪包含一个能够 支持四个换能器的旋转组件 左图 其 中一个垂直放置的用于生成和检测脉冲 回波的换能器位于仪器的一侧 而另外 三个换能器位于仪器的另一侧 斜向排 列其中的一个换能器发射 250 千赫左 右的高频脉冲波束 能够在套管内激发 挠曲震动模式 23

26 > USI 测量及 Isolation Scanner 弯曲波成像解释 图中显示的是脉冲回波信号 上 红色 和弯曲 波一发一收技术中从发射器 T 到接收器 R 的信号 上 蓝色 传播几何射线解释后一种 技术的一种典型波形由一个被称为套管波至的早 期回波和第三界面回波 TIE 组成 下 蓝色 套管波至振幅衰减是脉冲回波测量技术 下 红 色 的一项补充 利用该技术可准确区分套管外 的液体和固体利用 TIE 的特性可以改善套管井 环境描述同时 通过该技术也可了解环空填充 物的声波性质 套管在井眼中的位置以及井眼几 何形态等方面的信息 > Isolation Scanner 和 CBL-VDL 测量2003 年 在 In-Salah 气田的一口直井中 对 Isolation Scanner 仪的样机进行了测试该井井眼尺寸为 121/4 英寸 利用轻 质 低阻抗 LiteCRETE 泥浆体系对 95/8 英寸套管进行了固井CBL 第 1 道 和 VDL 第 2 道曲线 显示的几乎是未胶结套管响应 VDL 曲线显示很强的套 管波至脉冲回波阻抗图 第5道 显示流体中含有部分固体由于 LiteCRETE 水泥的声阻抗较低 使得难以对上述两种测量数据进行充分解释相反 通 过弯曲波衰减图 第 4 道 却可以正确识别套管外的固体而且 弯曲波衰 减图还显示出在 X,465 和 X,485 米之间存在一个充满流体的窜槽固 - 液 - 气 SLG 相图 第 3 道 进一步证实了这一信息窜槽的方位和轴向范围信息 自动显示在第 6 道和第 7 道内 随着高频脉冲波束的传播 该震动 模式将声能传入环空 声能会在具有声 阻抗差异的界面 如水泥/地层界面 发 生反射 然后会主要以弯曲波的形式由 套管回传 从而将能量再传向套管内流 体两个接收换能器的位置设置合理 可以更好地采集这些信号 左上图 这项新技术被称为一发一收技术 24 对此技术生成的信号进行处理后可以获 得环空填充物的性质 声波速度 套管 在井眼中的位置以及井眼几何形态等方 面的信息 对 Isolation Scanner 测井资料进行 处理的首要目的是对套管外的介质进行 可靠的解释输入到这一处理程序中的 数据包括由脉冲回波测量所提供的水泥 油田新技术

27 > 一 种 G 级 水 泥 的 固 - 液 - 气 相 测 量 图 一 旦 利 用 在 实 验 室 测 得 的 数 据 库 确 定 了 水 泥 液 体 和 气 体 的 阻 抗 预 计 值, 并 将 物 质 类 型 选 择 转 化 为 声 波 特 性 之 后, 下 一 个 步 骤 就 是 根 据 预 计 的 声 波 特 性 预 测 测 量 数 据 随 后, 通 过 对 测 量 噪 声 进 行 多 次 分 析 在 二 维 测 量 平 面 上 生 成 三 个 云 图 ( 固 液 和 气 ) > Isolation Scanner 测 井 图 ( 前 一 页, 右 上 ) 中 X, 477 米 处 一 个 充 液 窜 槽 的 波 形 极 坐 标 图 环 空 - 地 层 回 波 曲 率 表 明 套 管 在 井 筒 中 稍 有 偏 心, 而 且 充 液 窜 槽 位 于 较 窄 的 一 侧 ( 蓝 色 箭 头 方 向 ) 水 泥 环 各 方 位 上 缺 失 第 三 界 面 回 波 可 能 是 由 水 泥 和 地 层 之 间 的 声 阻 抗 差 异 较 小 引 起 的 阻 抗 数 据 以 及 根 据 抵 达 斜 向 排 列 的 接 收 器 的 套 管 波 的 振 幅 计 算 出 来 的 弯 曲 波 衰 减 数 据 上 述 两 种 输 入 数 据 都 是 独 立 的 测 量 结 果, 通 过 与 套 管 内 和 环 空 内 流 体 性 质 的 可 逆 关 系 相 联 系 为 了 消 除 内 流 效 应, 先 将 两 种 输 入 进 行 数 据 综 合, 这 样 可 以 不 必 使 用 USI 仪 所 需 的 特 定 流 体 性 质 测 量 硬 件 Isolation Scanner 测 量 的 最 终 成 果 是 固 - 液 - 气 (SLG) 相 图, 能 够 显 示 套 管 外 物 质 最 可 能 的 状 态 通 过 在 衰 减 和 声 阻 抗 交 会 图 上 确 定 两 种 测 量 的 位 置 可 以 获 得 各 方 位 上 的 物 质 状 态 ( 测 量 结 果 针 对 内 流 效 应 进 行 了 校 正 ), 从 而 得 到 每 种 状 态 所 覆 盖 的 面 积 ( 左 上 图 ) 可 以 在 不 同 的 区 域 利 用 三 种 分 别 代 表 不 同 状 态 的 颜 色 绘 制 平 面 测 量 图 ( 前 一 页, 右 上 图 )SLG 图 中 白 色 区 域 代 表 测 量 数 据 之 间 不 一 致 的 区 域, 如 套 管 接 箍 处 便 可 能 会 出 现 这 种 情 况 除 了 评 价 套 管 外 的 物 质 之 外, 处 理 程 序 的 另 一 个 目 的 是 从 环 空 - 地 层 反 射 波 或 回 波 中 提 取 相 关 信 息, 从 而 对 套 管 和 地 层 之 间 的 环 空 进 行 更 详 细 的 描 述 首 先, 软 件 将 对 跟 随 套 管 波 至 的 波 形 包 络 上 的 回 波 进 行 检 测, 随 后 再 测 量 其 到 达 时 间 和 振 幅 假 如 数 据 中 存 在 足 够 的 回 波 方 位, 可 以 根 据 反 射 波 和 套 管 波 至 之 间 的 时 间 差 直 接 确 定 套 管 在 井 眼 中 的 居 中 情 况 套 管 居 中 情 况 以 百 分 比 的 形 式 表 示,100% 代 表 完 全 居 中,0% 代 表 套 管 与 地 层 壁 接 触 此 外, 如 果 已 知 井 径, 那 么 可 以 进 一 步 将 时 差 处 理 转 化 为 一 种 物 质 波 速, 并 以 环 空 速 率 图 或 水 泥 方 位 厚 度 的 形 式 进 行 显 示 通 过 变 密 度 测 井 获 得 的 挠 曲 波 形 极 坐 标 图 可 以 获 得 套 管 在 井 眼 中 几 何 形 态 的 信 息 ( 右 上 图 ) 新 型 水 泥 即 使 是 最 先 进 的 测 井 图 也 只 能 反 映 某 一 时 刻 水 泥 胶 结 状 况 及 其 层 间 封 隔 能 力 在 油 气 井 的 整 个 寿 命 周 期 中, 井 底 环 境 变 化 一 直 会 对 水 泥 环 构 成 着 威 胁, 即 使 是 位 置 良 好 的 水 泥 环 也 有 可 能 随 着 时 间 的 推 移 而 遭 到 破 坏 在 将 水 泥 应 用 于 建 井 作 业 漫 长 的 历 史 进 程 中, 为 了 解 决 上 述 问 题, 业 界 首 先 对 水 泥 浆 充 填 问 题 进 行 了 重 点 研 究, 之 后 更 加 重 视 对 其 化 学 成 分 的 研 究 20 世 纪 80 年 代, 为 了 获 得 良 好 的 层 间 封 隔 效 果, 工 程 和 研 究 人 员 开 始 研 究 具 有 特 殊 固 化 特 性 水 泥 的 方 法 2008 年 春 季 刊 25

28 > 水泥体系的设计固井专家可以利用 CemSTRESS 水泥环应力分析软件对在处理和压力测试等作业 过程中施加在每个套管柱上的径向和切向应力进行分析除了指示在压缩或拉伸状态下水泥环的动态 之外 该软件还具有建立包括固化水泥伸缩性 支撑和间隙等参数的功能该软件还能够确定内外微 环隙 显示其大小及其随时间的变化情况CemSTRESS 软件采用三阶段方法帮助选择和设计旨在延 长油井寿命的水泥体系在该方法的第一阶段 水泥专家要确定油井需要常规水泥体系还是特殊体 系 以便为随后的两个阶段提供参考在第二个阶段 对一系列水泥体系设计方案进行分析 这一水 泥体系的杨氏模量低于软件所预测的将会导致破坏的应力水平在第三阶段 斯伦贝谢固井工程人员 利用专有软件 如 SlurryDesigner 水泥混合和水泥浆设计软件 来对水泥浆设计进行优化 26 在这一研发过程中 提出了在泵入 过程中将氮气注入水泥浆以降低水泥密 度以及在水泥混合物中掺入陶瓷微球颗 粒的概念后面一种设计概念是斯伦贝 谢 CemCRETE 油井固井技术的前身 包 括 LiteCRETE 水泥浆体系以及先进的 CemSTONE 水泥技术这些革新技术使 工程人员可以在不对固化水泥渗透率造 成较大影响的前提下提高或降低水泥浆 密度 随着新型水泥体系的应用 同时还 开发和应用了相应的的软件 以便对套 管外流体驱替状况进行分析和优化 并 对油井整个寿命周期中水泥所承受的应 力进行模拟 左图 自 2000 年起 不 断得到优化的固井软件为工程人员基于 气窜风险和井筒应力来设计水泥浆体系 提供了一种工具 随着时间的推移 水泥环上的应力 会不断发生变化 针对这一问题 斯伦 贝谢于 2002 年引入了先进的 FlexSTONE 柔性水泥技术通过数值模拟对钻井 生产和弃井作业中可能出现的应力变化 进行预测 并利用 FlexSTONE 三峰粒度 分布技术对水泥浆体系的力学特性进行 优化由此而获得的力学伸缩性使这些 水泥浆体系能够避免钻井 生产和废弃 过程中可能出现的各种变化所导致的损 坏[13] 尽管这些技术可以增强水泥基质对 各种应力的抵御力 但一旦水泥环出现 破坏 这些技术将无法发挥作用即使 在油井的整个寿命周期中水泥环一直保 持完整 但随着环保要求日趋严格 要 求含油气层在油气井封堵废弃之后的许 多年里还应保持封闭状态这一周期的 延长极大地增加了水泥环遭到破坏的概 率 即使是性能最佳的水泥环也不例 外 为了应对上述问题 斯伦贝谢的工 程研究人员引入了一种自愈合水泥 SHC 使层间封隔水泥体系得到进一 步发展正如其名称所隐含的意思 当 水泥环和套管或地层之间的界面处出现 裂缝或微环隙时 固化水泥基质中的自 油田新技术

29 愈合成分便开始膨胀 从而在没有外部 干预的条件下使间隙封闭 FUTUR主动式固化水泥技术能针对 油气的存在作出反应当水泥环的完整 性受到损害导致层间封隔遭到破坏时 水泥会在遇到油气产生反应并开始膨 胀 从而有效地闭合空隙 阻止地层流 体的流动 除了自愈合能力外 FUTUR水泥其 他方面的特性与传统的水泥相似与任 何其他油田固井作业一样 要想成功灌 注FUTUR水泥 也同样需要遵循最佳作 业实践 水泥本身并不需要特殊的混合 和泵入设施FUTUR水泥浆可以与所有 标准的添加剂和隔离液相配伍标准混 合以及有关流变性质 自由流体 沉降 失水量控制 稠化时间和抗压强度变化 等的水泥浆测试都适用于 FUTUR 水泥 在将FUTER水泥泵入井下后 在不 存在油气的情况下 其动态与传统水泥 相同 其固化特性也与传统水泥一致 右表 实验室测试 FUTUR水泥技术的主要设计目的是 实现油气井长期的完整性因此 在实 验室内模拟井底水泥环破坏情况 通过 测试来证明所用水泥确实具有自愈合能 力 并在灌注后多年内一直能够保持这 种功能 这一点非常关键同时 还应 对水泥自愈合特性可能引起的任何问题 进行检测 为了测试水泥的膨胀特性 将水泥 置于一个环空膨胀模型中在测试过程 中首先对井中水泥基质的正常固化进行 模拟 随后对油气侵入情况进行模拟 这一情形在裂缝或所产生的微环隙引 起 层 间 封 隔 失 败 时 会 出 现 在 将 FUTUR水泥浸入原油之前 已经在水中 经过了 7 天的固化 而且用于浸泡水泥 的水与原油的温度和压力均相同测试 结果表明 在压力不变的条件下 水泥 的体积膨胀随着温度升高而呈线性增 大 > 水泥浆设计通过试验室实验对三种 FUTUR 水泥浆设计的特性进行了分析设计 1 和设计 3 的测试 温度均为 60 C 设计 2 的测试温度为 25 C三种设计都使用了 G 级水泥 并都使用淡水进行调配在 常温常压下对水泥浆进行混合后 再将其置于井下循环温度下 BHCT 处理 20 分钟 随后利用范氏 35 粘度计对水泥浆的流变特性进行测量利用宾汉塑性流模型对水泥浆的塑性粘度 PV 和屈服值 Ty 井了计算这些体系的稠化时间是可控的 同时并未发现自由水的存在超声波水泥分析仪的 测量结果显示 对这三种设计而言 在 48 小时内都达到了个 3.44 MPa 500 psi 的抗压强度 三种 设计的水泥抗压强度在 MPa 范围内 13. 有关新型水泥更多的信息 请参见 Abbas 等 人 参考文献 年春季刊 27

30 > 愈 合 检 测 安 装 有 两 个 同 心 圆 筒 的 SHC 单 元 用 来 模 拟 环 形 空 间 外 筒 ( 或 外 环 ) 是 一 个 较 薄 的 钢 制 套 筒 ( 绿 色 ) 内 筒 ( 紫 色 ) 由 一 种 可 变 形 的 弹 性 材 料 制 成, 为 了 有 效 控 制 内 筒 的 膨 胀, 在 其 中 置 入 了 一 个 可 径 向 膨 胀 的 核 心 装 置 ( 灰 色 ) 底 部 和 顶 部 的 塞 子 可 以 将 环 形 空 间 封 闭, 塞 子 上 配 有 可 以 使 流 体 流 入 和 流 出 该 单 元 的 配 件 随 着 核 心 装 置 引 起 内 筒 膨 胀, 水 泥 被 注 入 环 形 空 间 水 泥 固 化 后, 内 筒 停 止 膨 胀, 并 恢 复 到 其 原 始 形 状, 从 而 产 生 一 个 大 小 可 控 的 微 环 隙 在 水 泥 固 化 后 通 过 使 内 部 核 心 装 置 膨 胀 而 在 水 泥 中 产 生 径 向 裂 缝 为 了 评 估 FUTUR 水 泥 体 系 的 自 愈 合 特 性, 位 于 法 国 Clamart 的 斯 伦 贝 谢 Ribound 产 品 中 心 的 工 程 研 究 人 员 开 发 出 了 一 个 用 于 模 拟 井 底 环 境 条 件 的 流 动 环 路, 并 安 装 了 一 个 用 于 评 估 水 泥 在 环 空 结 构 内 自 愈 合 能 力 的 SHC 单 元 ( 上 图 ) 为 了 对 裂 缝 和 微 环 隙 进 行 测 试, 作 业 人 员 在 样 本 中 注 入 原 油 在 其 中 一 项 测 试 中,SHC 单 元 内 套 管 和 水 泥 之 间 产 生 了 一 个 100 微 米 的 微 环 隙 利 用 该 设 备 所 做 的 测 试 结 果 显 示, 常 规 水 泥 体 系 无 法 阻 止 原 油 流 过 试 验 样 品, 但 FUTUR 水 泥 体 系 却 可 以 在 不 到 六 小 时 的 时 间 内 使 微 环 隙 闭 合, 有 效 阻 止 了 原 油 侵 入 ( 右 上 图 ) 同 时, 还 在 反 复 破 坏 模 式 下 对 自 愈 合 水 泥 体 系 进 行 了 测 试 在 1.4 MPa/ 米 (62 psi/ 英 尺 ) 的 压 差 下,SHC 不 断 生 成 微 环 隙 并 进 行 了 修 复 在 同 一 流 动 环 路 中, 流 经 不 断 形 成 的 裂 缝 的 原 油 被 SHC 不 断 阻 断 而 在 利 用 常 规 纯 水 泥 体 系 进 行 的 同 样 测 试 中, 却 未 出 现 任 何 流 量 减 少 的 迹 象 ( 下 一 页, 左 上 图 ) 另 外,FUTUR 水 泥 还 能 够 应 对 较 高 压 力 下 的 油 流 压 力 增 加 到 3 MPa/ 米 (133 psi/ 英 尺 ) 并 未 削 弱 该 体 系 的 自 愈 合 能 力, 在 高 压 下 该 体 系 仍 然 可 以 保 持 其 完 整 性, 并 继 续 阻 止 原 油 流 动 在 压 差 高 达 5.3 MPa/ 米 的 条 件 下 对 FUTUR 水 泥 实 施 了 多 次 测 试, 每 次 测 试 结 果 都 证 实 了 该 水 泥 具 有 良 好 的 自 愈 合 能 力 工 程 研 究 人 员 还 设 计 出 了 一 个 专 门 的 测 试 系 统, 用 来 研 究 在 实 际 储 层 条 件 下 存 在 干 气 的 动 态 条 件 下 该 水 泥 的 自 愈 合 性 能 测 试 结 果 表 明,FUTUR 体 系 在 存 在 天 然 气 的 动 态 条 件 下 的 性 能 很 好, 在 不 到 一 个 小 时 的 时 间 里, 自 愈 合 水 泥 使 流 量 明 显 降 低, 从 425 毫 升 / 分 钟 (26 英 寸 3 / 分 钟 ) 降 到 0.52 毫 升 / 分 钟 (0.03 英 寸 3 / 分 钟 )( 下 一 页, 右 上 图 ) 最 后, 研 究 人 员 对 愈 合 水 泥 的 耐 久 性 进 行 了 研 究 对 其 耐 久 性 的 测 试 包 括 两 个 步 骤 首 先, 研 究 人 员 通 过 膨 胀 试 验 来 检 测 该 水 泥 体 系 是 否 能 够 维 持 长 期 自 愈 合 特 性 其 次 是 评 估 水 泥 在 原 油 中 > 测 试 结 果 为 了 研 究 FUTUR 的 自 愈 合 效 率, 在 流 动 环 路 中 安 装 了 SHC 单 元 在 压 力 高 达 0.4 MPa (58 psi), 即 相 当 于 样 品 上 压 差 为 5.3 MPa/ 米 (234 psi/ 英 尺 ) 的 条 件 下 向 SHC 单 元 中 的 样 品 注 入 原 油 在 其 中 一 项 测 试 中,SHC 单 元 内 的 套 管 和 水 泥 之 间 形 成 了 一 个 100 微 米 的 微 环 隙 常 规 水 泥 体 系 ( 绿 色 ) 使 原 油 能 够 流 过 试 验 样 品,SHC 体 系 ( 蓝 色 ) 却 在 不 到 六 小 时 的 时 间 内 使 微 环 隙 闭 合, 有 效 阻 止 了 原 油 侵 入 浸 泡 较 长 时 间 后 是 否 仍 然 能 保 持 基 质 完 整 性 将 FUTUR 水 泥 在 水 中 长 时 间 浸 泡 后 进 行 的 膨 胀 测 试 表 明, 该 水 泥 仍 然 具 有 自 愈 合 性 能 在 测 试 过 程 中, 先 将 水 泥 置 放 在 膨 胀 单 元 中 进 行 几 个 月 的 水 中 固 化, 然 后 在 60 C 的 温 度 条 件 下 将 其 浸 入 原 油 中 测 试 结 果 表 明, 尽 管 该 水 泥 经 过 了 为 期 一 年 的 休 眠 期, 但 基 质 仍 然 具 有 良 好 的 自 愈 合 反 应 能 力 在 原 油 中 浸 泡 一 年 后, 基 质 完 整 性 测 试 也 未 发 现 其 基 质 完 整 性 出 现 任 何 衰 退 的 迹 象 即 使 在 原 油 中 浸 泡 一 年 后,FUTUR 水 泥 的 力 学 特 性 仍 未 受 影 响 28 油 田 新 技 术

31 > 利用气流对SHC进行测试SHC对天然气的封堵特性与对原油的封堵特性相 似对测试单元内的水泥进行固化 使其形成任意大小的微环隙采用 SHC之 后 流经水泥的流量从氮气转换成天然气后不到一小时的时间内明显下降 左 而在这段时间内 以同样方式对传统水泥进行测试 却几乎未发现有任 何流量减少的迹象 右 这一专门的测试系统是以哈斯勒套筒岩心夹持器为 基础的 能够防止天然气沿岩心外侧流过 FUTUR水泥技术作为对旨在降低气窜 风险 Grande Cache地区中具有气窜风 险的油井大约占总井数的 10% 固井作 业的补充 该作业者选择了自愈合水泥 体系 1 号井和 2 号井都需要将水泥注至 地面1 号井尤其令该作业者担心 因 为离该井 500 米 1640 英尺 处的一口 地面解决方案 类似井曾经出现气窜由于在钻 2 号井 实验室测试所证实的 FUTUR 水泥 时出现了漏失 该作业者需要使用分级 的长效自愈合特性能使其尤其适合长期 注水泥工具确保水泥穿过有问题的一些 层间封隔同时 也表明 SHC 是一个解 含气层一直灌注至地面[15]SHC 水泥浆 决当前或长期气窜问题的好办法 的混合和泵入采用标准的油田设备 轻 例如 在加拿大艾伯塔省落基山脉 松地达到了高达 0.95 米 3/ 分钟 6 桶 / 分 山麓地区 由于当地地质条件复杂且存 钟 的连续混合速度 在一些较浅的含气煤层 使得固井作业 1 号井的固井作业开始后 中间套 面临一系列难题煤层中可能会逸出天 管环空中出现了一定的气压但油井完 然气 而逸出的气体最后将通过套管环 井后气压却并不明显 这表明SHC已经 空窜流作业人员将可能不得不根据天 被激活并阻断了气窜在固井作业后的 然气渗漏程度作出相应的关井 修井 12个月内 2号井并没有出现气窜现象 甚至是弃井的决定每口井的修复成本 尽管12个月的观察期可能看起来较短 高达 万美元 这还不包含产量 但该地区的气窜风险通常都出现在固井 损失和弃井的潜在损失[14] 作业后的几天或几个星期内 为了解决这一问题 艾伯塔Grande 在完井和生产过程中 两口井都承 Cache地区中西部某深层气田的作业者 受了各种井下应力 其中包括在完井测 在两口新井的层间封隔作业中引入了 试中采用的 64 MPa psi 井底压 > 重复愈合研究人员还在反复破坏的情形下对 自愈合水泥体系进行了测试SHC 水泥不断生成 微环隙并进行了修复 上 在 1.4 MPa/ 米的压 差条件下 原油流经不断产生的裂缝通道后不断 地被SHC体系阻断而在利用常规水泥进行的同 类测试中却未发现有任何流量下降的迹象在压 力增加的条件下 FUTUR水泥浆体系在不到20 分 钟的时间内成功阻断了原油对一个 100 微米裂缝 的侵入 下 2008 年春季刊 力以及由油井顶部600米 1968英尺 一 个加热器管柱引起的与循环温度变化有 关的应力在上述事件发展过程中及结 束后 都未检测到气窜现象 在艾伯塔中部的另一个地区 某油 田也因目标层上部的地层出现气窜问题 而陷入了困境油田作业者在两口井中 使用了FUTUR自愈合型水泥作为现有水 泥技术的补充在第一口井中 由于钻 井过程中出现了流体滤失现象 因此将 水泥的最大密度控制在 1380 千克 / 米 磅 / 加仑 以内第二口井中出现 的问题与第一口井的问题正好相反 钻 井人员在钻井过程中通过泥浆录井检测 到了气窜 钻井液密度因此被增加到 1470 千克 / 米 磅 / 加仑 这就意 味着为了满足泥浆清除方案的要求 必 须将该井的水泥密度提高到 1550 千克 / [16] 米 磅 / 加仑 14. Roth J Reeves C Johnson CR De Bruijn G Bellabarba M Le Roy-Delage S 和 Bulte-Loyer H Innovative Hydraulic Isolation Material Preserves Well Integrity IADC/SPE 发表在 IADC/ SPE 钻井大会上 佛罗里达州 Orlando 2008 年 3 月 4-6 日 15. 分级注水泥工具可以使水泥浆通过滑套沿着 套管灌注在某一特定深度上当整个水泥柱 的静水压力可能超过分级注水泥工具下的井 筒破裂梯度时 要使用该工具 29

32 > Cortemaggiore 155dir 地 下 储 气 (UGS) 井 的 水 泥 评 价 测 井 分 析 超 声 波 弯 曲 衰 减 测 井 仪 得 到 的 SLG 图 ( 第 1 道 ) 中 的 棕 色 部 分 代 表 固 体 ( 水 泥 ), 相 应 的 实 测 声 阻 抗 值 ( 第 2 道 ) 大 约 为 5 Mrayl( 接 近 预 计 的 水 泥 值 ), 弯 曲 波 衰 减 较 大 CBL( 第 7 道 ) 数 据 是 比 较 一 致, 显 示 套 管 - 水 泥 胶 结 率 达 到 100%(CBL 平 均 值 为 5 mv),vdl 曲 线 ( 第 8 道 ) 上 存 在 很 强 的 地 层 波 至, 这 表 明 水 泥 与 地 层 胶 结 良 好 水 泥 胶 结 良 好 还 与 这 样 一 个 事 实 有 关, 即 衬 管 的 居 中 情 况 非 常 好, 套 管 居 中 曲 线 ( 第 4 道 ) 和 第 三 界 面 短 轴 和 长 轴 输 出 数 据 ( 第 5 和 第 6 道 ) 都 表 明 了 这 一 点 除 了 在 X,720 米 深 度 附 近 外 ( 该 深 度 处 套 管 几 乎 与 地 层 接 触 ), 图 中 大 部 分 井 段 的 套 管 居 中 曲 线 值 都 在 80% 以 上 这 一 点 通 过 水 泥 厚 度 沿 着 短 轴 逐 渐 变 薄 也 能 看 出 在 SLG 相 图 水 泥 胶 结 图 和 弯 曲 波 衰 减 图 ( 第 3 道 ) 看 到 的 水 平 特 征 显 示 的 是 大 约 每 隔 14 米 (45 英 尺 ) 的 一 个 套 管 接 头, 每 个 接 头 上 的 两 个 套 管 扶 正 器 这 些 测 井 资 料 表 明 水 泥 与 套 管 和 地 层 之 间 的 水 泥 胶 结 情 况 良 好, 从 而 可 以 确 保 在 UGS 井 的 整 个 高 渗 透 性 注 入 层 段 实 现 有 效 的 液 压 隔 离 30 油 田 新 技 术