基于光电吸收截面指数的漏点识别及漏失参数评价_孙玉红.pdf

测 井 技 术WELL LOGGING TECHNOLOGYVol.47 No.2 Apr 2023第47卷 第2期 2023年4月文章编号：1004-1338（2023）02-0204-06基于光电吸收截面指数的漏点识别 及漏失参数评价孙玉红1，张志虎1，许靖康2，谭伟雄1，张浩3，张磊1（1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452；2.延边大学工学院，吉林 延吉 133002；3.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300452）摘要：井漏会增加作业成本，延误工期，封堵漏液会影响测井资料对地层信息的响应。渤海地区第三系的砂泥岩地层井漏现象严重、漏失频次高，部分井漏失规模大，导致出现失返现象。准确定位漏失层段和预测漏失规模，进而对易漏地层开展针对性研究，可为后期钻探提供风险预警。通过光电吸收截面指数测井曲线准确定位漏失层段，利用其与瞬时漏速相关性较好预测漏速。提出采用多矿物模型分析方法计算地层中重晶石相对体积含量，将其与泥浆中重晶石实际含量结合计算漏失量。在渤海地区几大油田的现场应用表明，利用光电吸收截面指数计算的漏速和漏失量与现场实际提供的数据对比，误差较小。利用光电吸收截面指数定位漏失层段、计算漏速及漏失量的方法可用于漏点识别及漏失参数评价。关键词：井漏；测井曲线；光电吸收截面指数；重晶石；漏速；漏失量中图分类号：P631.84 文献标识码：ADoi：10.16489/j.issn.1004-1338.2023.02.012Identification of Leakage Points and Evaluation of Leakage Parameters Based on Photoelectric Absorption Cross-Section IndexSUN Yuhong1,ZHANG Zhihu1,XU Jingkang2,TAN Weixiong1,ZHANG Hao3,ZHANG Lei1(1.Engineering Technology Company,CNOOC Energy Development CO.LTD.,Tianjin 300452,China;2.College of Engineering,Yanbian University,Yanji,Jilin 133002,China;3.Tianjin Branch,CNOOC China Limited,Tianjin 300452,China)Abstract:Lost circulation can increase operational costs,delay project schedules,and influence the response of logging data to formation information through plugging fluids.The tertiary sandstone and mudstone formations in the Bohai area have severe and high frequency lost circulation,some wells with large loss scale leading to the occurrence of loss of return.Accurately locating the leakage interval and predicting the leakage scale,and then conducting targeted research on vulnerable formations,can provide risk warning for later drilling.The photoelectric absorption cross-section index logging curve is used to accurately locate the leakage interval,and its good correlation with instantaneous leakage rate is used to predict the leakage rate.A multi mineral model analysis method is proposed to calculate the relative volume content of barite in the formation,and the leakage amount is calculated by combining the relative volume content of barite with the actual content in the mud.Field applications in several major oil fields in the Bohai area have shown that the calculated leakage rate and amount using the photoelectric absorption cross-section index have relatively small errors compared to the actual data provided on site.The method of using the photoelectric absorption cross-section index to locate the leakage interval,calculate the leakage rate and leakage amount in the article can be used for identifying the leakage point and evaluating the leakage parameters of the well.Keywords:lost circulation;logging curve;photoelectric absorption cross-section index;barite;leakage rate;leakage amount基金项目：中海油能源发展股份有限公司重大科技专项（课题）“钻井地质风险评价及实时导向技术研究”（HFZXKT-GJ2020-01-05）；中海油能源发展股份有限公司重大科技专项“监督业务数智化关键技术研究”（HFKJ-ZX-GJ-2023-01）第一作者：孙玉红，女，1971 年生，高级工程师，从事测井资料处理和解释工作。E-mail：孙玉红，等：基于光电吸收截面指数的漏点识别及漏失参数评价第47卷 第2期205 0 引 言在渤海地区钻井过程中发生井漏涉及的层位有明化镇组、馆陶组、东营组、沙河街组、孔店组和中-太古界，涉及的岩性有砂岩、泥岩、页岩、含砾砂岩、变质岩和火成岩等。该地区漏失的类型有在第三系物性较好地层发生的渗透型漏失，有古潜山地层的裂缝、溶洞型漏失，有火山通道引起的漏失，也有钻遇断层破碎带引起的漏失等。发生井漏的位置，有的是在钻头正钻遇地层，此时漏失深度较好确定，但也有一定深度误差；有的则是由于泥浆比重加大或者排量加大等因素导致钻头位置上部的薄弱地层压漏，此时可能有多个漏点，漏点深度难以确定，且每个漏点的漏失量未知。中国学者针对裂缝型地层的漏失机理进行了研究。李大奇等1研究了碳酸盐岩地层的漏失机理，谭忠健等2研究了渤海潜山裂缝型漏失机理，贾利春等 3-4研究了由钻井诱导缝引起的井漏和井漏的特征、机理，并建立了相应的漏失模型，金衍等5利用压力统计分析井漏参数。目前学者们针对渤海地区第三系砂泥岩地层井漏的研究较少。其原因为井漏发生后，无法准确识别漏失层段，找不到准确的漏失层段，就无法针对漏失层段进行岩性、压力、漏失类型等研究工作。利用成像测井资料可以很好地评价漏失层段及漏失通道，但由于渤海地区第三系砂泥岩地层较发育、井段较长、测井费用较高，使得此类测井项目极少应用于本地层中，因此，利用常规测井曲线定位漏失层位就显得尤为重要。要研究易漏地层的漏失机理，必须对地层的岩性、物性、矿物成分及其含量、岩石力学性质、地应力等特征进行针对性分析，从而为后续井眼轨迹设计、优化钻井施工方案提供可靠依据。本文利用泥浆中重晶石光电吸收截面指数值异常高的特点准确识别漏失层段。将测井曲线光电吸收截面指数值和基值的比值与钻井过程中的瞬时漏速进行线性回归，利用回归公式计算出瞬时漏速，该瞬时漏速与地质日报记载的瞬时漏速相比，误差较小。利用多矿物分析的方法，将漏失到地层中的重晶石视为地层中的一种矿物，建立地层体积模型，计算出地层中重晶石相对体积含量，并结合泥浆中重晶石的真实含量，计算出每个漏点的漏失量。对于已发生泥浆漏失的井，漏失层位识别和漏失参数评价工作是该井钻后评价的关键环节，也是后续对易漏地层开展相关研究的基础工作。1 基于光电吸收截面指数曲线的漏点识别1.1 光电吸收截面指数曲线测量原理岩性密度测井利用能谱分析技术将高能谱段（即H谱段）和低能谱段（即S谱段）的伽马光子分开记录，利用H谱段的伽马射线计数率测量地层密度b，利用S谱段和H谱段的伽马射线计数率的比值求出光电吸收截面指数6。岩石的光电吸收截面指数定义为岩石中某一个电子的平均光电吸收截面。对于单一元素组成的矿物，岩石的光电吸收截面指数为PZe=|103 6.（1）式中，Z为原子序数；Pe为光电吸收截面指数，b/eV*。对于某一种化合物组成的矿物，岩石的光电吸收截面指数为 PZe=|103 6.（2）式中，Z 为等效原子序数。1.2 光电吸收截面指数曲线识别井漏原理重晶石的Pe值为266.82 b/eV6，远高于石英、高岭石、原油等其他岩石、矿物及流体。在钻井过程中，为了防止井喷、井涌等事故的发生，重晶石经常被选为泥浆加重剂来增加泥浆比重。裸眼井测井前，在泥浆中加入重晶石以增加泥浆比重，防止测井时井眼垮塌，造成遇阻或遇卡。当发生井漏时，含有重晶石的泥浆会渗流到地层，通过岩性密度测井测得的光电吸收截面指数曲线在漏失层位会出现异常高值，利用光电吸收截面指数值异常高的特点可准确确定漏失位置。岩性密度测井探测深度较浅，受井眼影响较大，在井壁垮塌严重的情况下，仪器在测量过程中不能很好地贴合井壁，仪器和井壁之间会有泥浆存在，如果泥浆中含有重晶石，会导致测量的光电吸收截面指数值偏高；另外如果地层岩性中含灰质等特殊岩性也会导致测量的光电吸收截面指数值偏高。除上述影响因素外，利用泥浆中重晶石的光电吸收截面指数值异常高的特点识别井漏位置的方法，不受区域、井位、层位和岩性的影响，只要在泥浆中加入重晶石，就可用来识别井漏。*非法定计量单位，1 b/eV=6.241 4610-10 m2/J，下同2023年测 井 技 术206 2 利用光电吸收截面指数曲线预测漏速在钻井过程中，根据不同的地层压力，加入不同质量的重晶石，导致每口井泥浆中重晶石浓度不同，测井时测得的光电吸收截面指数曲线的基值也有所不同。在发生井漏的井中，选取长度大于100 m、井眼规则、未发生漏失的井段，读取本段光电吸收截面指数曲线均值作为基值，由于光电吸收截面指数值与泥浆中的重晶石含量为非线性正相关，因此，将漏失层段光电吸收截面指数值与基值的比值作为自变量与瞬时漏速建立关系（选取渤海地区4个油田23口探井25个漏点数据），相关性较好（见图1）。利用光电吸收截面指数曲线求取的漏速为vL=20.914R22.435（3）式中，vL为瞬时漏速，m3/h；R为光电吸收截面指数值与基值的比值。y=20.914x-22.4350R2=0.814 81020304050607080900123456RvL/（m3h-1）图1 vL与R交会图3 基于多矿物模型的漏失量预测3.1 多矿物模型的原理多矿物模型基于组分分析原理，把一个岩性复杂的地层视为由若干种矿物成分组成的地层，并建立测井响应参数与矿物之间的函数关系，获取地层中各种矿物含量，进行测井岩性识别和地层参数的计算7。3.2 井漏地层数学模型的建立以渤海地区第三系砂泥岩地层为靶区，将漏失到地层中的重晶石视为地层中的一种特殊矿物，则在体积模型中可把地层划分为4部分（见图2）：孔隙体积、砂岩骨架、泥质和重晶石。其测井曲线响应方程组如式（4）所示，由式（4）可求出漏失到地层中的重晶石相对体积含量Vba。bclclffbabasdsdclclffbabasd=+=+VVVVtt Vt Vt Vt Vs sdee clcle ffe babae sdsdclfbasdPP VP VPVP VVVVV=+=+|,1|（4）式中，b为密度测井测量值，g/cm3；cl为泥质密度值，g/cm3；f为孔隙体积密度值，g/cm3；ba为重晶石密度值，g/cm3；sd为砂岩骨架密度值，g/cm3；t为声波时差测井测量值，s/ft*；tcl为泥质声波时差值，s/ft；tf为孔隙体积声波时差值，s/ft；tba为重晶石声波时差值，s/ft；tsd为砂岩骨架声波时差值，s/ft；Pe为测井测量光电吸收截面指数值，b/eV；Pe,cl为泥质光电吸收截面指数值，b/eV；Pe,f为孔隙体积光电吸收截面指数值，b/eV；Pe,ba为重晶石光电吸收截面指数值，b/eV；Pe,sd为砂岩骨架光电吸收截面指数值，b/eV；Vcl为泥质相对体积含量；Vf为孔隙体积相对体积含量；Vba为重晶石相对体积含量；Vsd为砂岩骨架相对体积含量。孔隙体积重晶石泥质砂岩骨架图2 研究区地层体积模型3.3 地层中泥浆漏失量的计算统计每口井测井前泥浆中重晶石的浓度，假设地层泥浆漏失量为Vlost，钻进至漏点时泥浆的密度为c，漏失到地层中的重晶石质量为mba=Vlostc（5）式中，mba为漏失到地层中的重晶石质量，g。根据亚历山大拉夫罗夫8提出的泥浆漏失模型，计算出地层泥浆最大径向侵入深度rmax（计算最大径向侵入深度rmax所用裂缝开度可参考范翔宇9提出的利用双侧向测井资料计算裂缝开度的方法），结合多矿物反演计算的重晶石相对体积含量Vba，可计算出侵入到地层的重晶石的总体积。VrrhVbamaxwba=-()22（6）式中，Vba为地层中重晶石总体积，m3；rmax为泥浆最大径向侵入深度，m；rw为井筒半径，m；h为泥浆侵入地层厚度（可由光电吸收截面指数确定），m。*非法定计量单位，1 ft=0.304 8 m，下同孙玉红，等：基于光电吸收截面指数的漏点识别及漏失参数评价第47卷 第2期207 由于重晶石密度为4.34.5 g/cm3，本文取中间值4.4 g/cm3，可依据储层反演参数计算出地层中重晶石的质量。mVbaba=4 4.（7）联立式（5）和式（7）可得泥浆漏失量为VrrhVlostmaxwbac=-()4 422.（8）4 应用实例分析4.1 光电吸收截面指数曲线定位漏失层段（1）常规砂泥岩地层应用实例。QHD-a井是渤海地区秦皇岛油田的一口探井，该井四开钻进至3 061.0 m，返出泥浆突然减少，循环池液面下降。立即将钻具提离井底，检查发现地面管线正常，确定井下发生漏失，监测瞬时漏速27 m3/h。降低排量至500 L/min，测得循环漏速16 m3/h；向循环池中加入PF-SEAL、PFSZDL堵漏材料，漏速逐渐降低至10 m3/h。该井此次共漏失泥浆43 m3。根据地质日报描述，本井的漏点位置在3 061.0 m处，但此处各条测井曲线数值均正常，无井漏响应特征（见图3），指示此处不是井漏位置。利用光电吸收截面指数曲线异常高值方法定位漏失层段为3 054.53 057.8 m。此漏失层段测井曲线特征：井径扩径严重（足够容纳液体的空间和漏失通道的开口尺寸大于井筒工作液中固相的粒径尺寸，这2个原因使得井径呈现扩径现象10）；深、浅侧向电阻率曲线数值、微球形聚焦电阻率曲线数值在漏失层段明显降低；密度曲线受井径扩径及井漏影响失真，其数值异常低，这些曲线响应特征进一步证实此段为井漏层段。（2）特殊岩性地层应用实例。CFD-a井是渤海地区曹妃甸油田的一口探井，该井三开钻进至3 517.0 m，返出泥浆突然减少，循环池液面下降，监测瞬时漏速65 m3/h，之后一直钻进至3 579.0 m，期间不间断漏失。地质日报记录3 517.03 579.0 m井段为该井漏失井段，累计漏失泥浆136.8 m3。利用光电吸收截面指数曲线定位漏失层段为3 505.83 586.1 m（见图4），该段岩性主要以玄武岩为主，顶、底部地层含凝灰质成分。3 552.03 572.0 m层段地层漏失严重，地层岩性为玄武岩，井径扩径明显，双侧向电阻率和声波时差曲线无异常变化，微球形聚焦电阻率、中子、密度曲线幅度均左偏，光电吸收截面指数曲线呈异常高值。小漏部分层段（3 505.83 552.0 m、3 572.03 586.1 m）除光电吸收截面指数曲线有异常高值外，其他曲线井漏特征不明显。利用光电吸收截面指数曲线识别的漏失井段较地质日报提供的漏失井段更长，且光电吸收截面指数异常值的高低可反映地层漏失量的大小。深度岩性指示曲线录井电阻率曲线孔隙度曲线漏失层段/m深度/m自然伽马/API岩性剖面微球形聚焦/（m）光电吸收截面指数/（beV-1）150声波/（sft-1）2000自然电位/mV40140中子/%2701702000.22000.22000.2浅侧向/（m）060密度/（gcm-3）钻头直径/in*深侧向/（m）2.711.71155155井径/in深度：3 061.0 m无岩屑返出3 0603 070光电吸收截面指数异常区域150图3 QHD-a井井漏典型图例3 517.0 m3 579.0 m蚀变玄武岩蚀变玄武岩3 5203 5403 5603 580深度岩性指示曲线录井电阻率曲线孔隙度曲线漏失层段/m深度/m自然伽马/API岩性剖面微球形聚焦/（m）光电吸收截面指数/（beV-1）150声波/（sft-1）2000自然电位/mV40140中子/%170502000.22000.22000.2浅侧向/（m）060密度/（gcm-3）钻头直径/in深侧向/（m）2.91.9155155井径/in光电吸收截面指数异常区域150图4 CFD-a井井漏典型图例*非法定计量单位，1 in=25.4 mm，下同2023年测 井 技 术208 4.2 光电吸收截面指数曲线预测漏速将QHD-a井井眼规则且非漏失层段的光电吸收截面指数测井均值（3.3 b/eV）作为基值，漏失层段的光电吸收截面指数值为8.4 b/eV，将两者比值R=2.54代入式（3）计算瞬时漏速为30.63 m3/h，本漏失层段的实际瞬时漏速为27 m3/h。将计算的瞬时漏速与实际瞬时漏速对比，绝对误差为3.63 m3/h，相对误差为13.46%。将CFD-a井井眼规则且非漏失层段的光电吸收截面指数测井均值（3.0 b/eV）作为基值，漏失层段光电吸收截面指数值为8.0 b/eV，将两者比值R=2.67代入式（3）计算瞬时漏速为33.34 m3/h，本漏失层段实际瞬时漏速为36 m3/h。将计算的瞬时漏速与实际瞬时漏速对比，绝对误差为2.66 m3/h，相对误差为7.40%。这两口井的漏点在交会图上的位置如图5所示。将渤海地区10口已漏探井的实际瞬时漏速与利用式（3）计算的瞬时漏速进行对比（见表1），绝对误差均为10 m3/h，除1口井相对误差大于20%，其余井相对误差均小于20%，证明式（3）可用于渤海地区第三系地层的漏速预测。y=20.914x-22.4350R2=0.814 81020304050607080900123456RQHD-aCFD-a vL/（m3h-1）图5 vL与R交会图4.3 漏失量预测图6为QHD-a井重晶石相对体积含量处理成果图。其中，第6道的红色填充部分为利用多矿物模型分析法计算的漏入地层重晶石相对体积含量，该相对体积含量与第7道利用光电吸收截面指数曲线识别出的井漏层段相关性较好。利用多矿物模型分析法计算QHD-a井漏失层段地层中重晶石相对体积含量Vba为0.009，通过光电吸收截面指数曲线读取的漏层厚度h为3.3 m。本漏失段井筒半径rw为0.108 m，该段泥浆的屈服值为11 Pa，当量循环密度为1.43 g/cm3，压差p为6.48 MPa，由此计算出地层泥浆最大径向侵入深度rmax为5.87 m。本段泥浆密度c为1.40 g/cm3，重晶石浓度为19.6%，利用式（8）计算漏失层段泥浆漏失量为51 m3，该漏失段（3 054.53 057.8 m）实际漏失泥浆43 m3，绝对误差为8 m3，相对误差为18.6%，误差较小，证明式（8）可用于渤海地区第三系地层的漏失量预测。表 1 瞬时漏速对比表 井号实际瞬时漏速/（m3h1）计算瞬时漏速/（m3h1）绝对误差/（m3h1）相对误差/%BZ-a2426.17 2.17 9.06 BZ-b1824.62 6.62 36.79 BZ-c1314.40 1.40 10.75 BZ-d3035.14 5.14 17.15 BZ-e3732.54 4.46 12.06 LK-a6058.41 1.59 2.66 LD-a2419.89 4.11 17.10 LD-b2020.55 0.55 2.77 CFD-a3633.34 2.66 7.40 CFD-b4840.81 7.19 14.98 CFD-c2421.00 3.00 12.49 QHD-a2730.63 3.63 13.46 孙玉红，等：基于光电吸收截面指数的漏点识别及漏失参数评价第47卷 第2期209 5 结 论（1）目前，钻井、地质、地震等专业缺少有效手段寻找漏失层段。在无成像测井资料的前提下，本文提出了利用泥浆中重晶石光电吸收截面指数值异常高的特点来精准定位漏失层段，经济高效，为后期针对易漏地层开展相关研究奠定了基础。同时，该方法为邻井钻探提供风险预警，减少井漏事故的发生。（2）利用本文建立的瞬时漏速与漏失量计算模型计算漏失参数，将其与实际地质日报记载的数值对比，误差较小。说明该模型可用于渤海地区第三系地层钻井作业中井漏井的漏失参数计算。（3）漏失量计算模型中引入了最大径向侵入深度，会给计算结果带来一定误差，使计算值略大于实际值，寻求一种准确求取侵入深度的方法对模型进行修正是今后的研究方向。（4）如果泥浆中不加重晶石，井漏层段光电吸收截面指数曲线无响应特征，此时需要寻找其他更有效的方法定位漏失层段。参考文献：1 李大奇，康毅力，刘修善，等.基于漏失机理的碳酸盐岩地层漏失压力模型J.石油学报，2011，32（5）：900-904.2 谭忠健，胡云，袁亚东，等.渤海海域裂缝性地层井漏机理研究：以渤中 34-9 油田为例J.中国石油勘探，2021，26（2）：127-136.3 贾利春，陈勉，张伟，等.诱导裂缝性井漏止裂封堵机理分析J.钻井液与完井液，2013，30（5）：82-85.4 贾利春，陈勉，侯冰，等.裂缝性地层钻井液漏失模型及漏失规律J.石油勘探与开发，2014，41（1）：95-101.5 金衍，陈勉，刘晓明，等.塔中奥陶系碳酸盐岩地层漏失压力统计分析J.石油钻采工艺，2007，29（5）：82-84.6 宋延杰，陈科贵，王向公.地球物理测井M.北京：石油工业出版社，2011.7 CNPC油气勘探部测井软件项目组.Forward使用手册 M.北京：石油工业出版社，1999.8 亚历山大拉夫罗夫.钻井液漏失机理及控制理论M.张浩，佘继平，许成元，等，译.北京：科学出版社，2021.9 范翔宇.复杂钻井地质环境描述M.北京：石油工业出版社，2012.10 徐同台，刘玉杰，申威，等.钻井工程防漏堵漏技术M.北京：石油工业出版社，1997.（修改回稿日期：2023-03-24 编辑 王嘉婧）图6 QHD-a井重晶石相对体积含量处理成果图3 0603 070深度岩性指示曲线电阻率曲线孔隙度曲线漏失层段/m深度/m自然伽马/API微球形聚焦/（m）2000自然电位/mV2701702000.22000.22000.2浅侧向/（m）钻头直径/in深侧向/（m）155155井径/in光电吸收截面指数/（beV-1）150声波/（sft-1）40140中子/%060密度/（gcm-3）2.711.71光电吸收截面指数异常区域150岩石体积分析重晶石相对体积含量0.50砂岩相对体积含量10泥岩相对体积含量10