FSI产气剖面测井技术在F页岩气田水平井中的应用-应用昆虫学报

涪陵页岩气田水平井产气剖面测井技术
应用试验
秦羽乔1，石文睿1，石元会2，张志华2，葛华2
（1. 长江大学地球物理与石油资源学院，湖北武汉 430100；
2. 中石化江汉石油工程有限公司测录井公司，湖北潜江 433123）
摘要：涪陵页岩气田水平井具有水平段长、产量高的特点，为了解水平井各压裂段的动态产气能力、认识返排规律以及确定单井最佳生产工作制度，实现气田低成本高效开采，利用FSI流体扫描成像测井仪，采用牵引器或光纤连续油管输送工艺，在25口重点井中进行了连续产气剖面测井试验和资料解释评价研究。

结果表明：牵引器或光纤连续油管能将测井仪器安全高效地输送至井底，满足测井施工要求；即使在同一口页岩气井的相同或相似层段，各压裂段的产气能力仍存在较大差别；C井在日产20×104m3的工作制度下，页岩气井滞留地层中压裂液无返排现象，而在日产30×104m3的工作制度下，滞留地层中压裂液返排量明显增加，并影响部分压裂段生产。

研究成果被用来指导气田单井工作制度的制定，对国内外同类页岩气田开采具有重要指导意义和参考价值。

关键词：页岩气；水平井；产气剖面测井；多相流动；光纤-连续油管传输；爬行器；FSI测井仪
中图分类号：P631.84 文献标志码：A
引言
涪陵页岩气田是迄今国内发现并投入开发的大型非常规气田，水平井钻井和水平段分段压裂是页岩气藏开发的主要方式[1,2]，了解和掌握各压裂段的产出情况，确定临界携液流量和最佳生产工作制度，对气田的开发和合理配产至关重要。

传统的产出剖面测井技术，在应用于水平井时会面临较大的困难[3-8]。

一是水平井段多相流流态的复杂性。

水平段的流动以分层流动为主，且油气水之间存在滑脱现象[9-12]，尤其是低流量时，井斜对流态的影响程度更为强烈。

传统的产出剖面测井仪器在井筒中为居中测量，无法准确测量和评价水平段复杂的分层流动情况。

二是水平井井眼轨迹和井身结构较为复杂，传统的测井仪器组合很难在水平井中实现工具串的顺利起下与测量，稳定合理的测速也难以保证。

为了实现涪陵页岩气田水平井产气剖面测量，采用江汉油田研制的JHQY-A/B型电缆牵引器或光纤-连续油管输送斯伦贝谢公司的FSI流体扫描成像测井仪施工技术，在多口水平井中进行了多相流流态测量试验并取得了较好的应用效果。

1测井仪器传输技术
1.1 光纤-连续油管传输方式
光纤-连续油管传输方式是将测井光纤穿入连续油管中（图1），并配备相关的工具和接头，末
1
收稿日期：2016-08-5 回稿日期：
基金项目：中石化石油工程技术服务有限公司科技攻关项目“复杂井射孔与产气剖面牵引器应用研究”（SG15-26K），中国石化集团公司科
端与测井仪器连接，采用连续油管地面装备，依靠连续油管自身的钢度和韧性将井下测井仪器送到
2
收稿日期：2016-08-5 回稿日期：
基金项目：中石化石油工程技术服务有限公司科技攻关项目“复杂井射孔与产气剖面牵引器应用研究”（SG15-26K），中国石化集团公司科
水平井的目的井段进行测试。

与其他硬线传输介质相比，光纤具有许多优势，玻璃纤维以光脉冲的形式传播信号，传输速度更快且不受电磁干扰。

有四根光纤：两根用于与传感器通信，一根用于测量温度，另一根作为备用。

这些光纤被封闭在柔性铬镍铁合金钢制保护套内。

该保护套与光纤都通过连续油管滚筒下入到位于连续油管管柱末端的工具头中。

光纤保护套的外径只有 1.8mm （0.071in.），对连续油管内截面的影响几乎可以忽略不计，因此不会对泵速产生影响。

而且，重量非常轻，只相当于一段同等长度单芯电缆重量的1/20。

图1 光纤穿过连续油管剖面图
1.2 爬行器输送方式
江汉油田研制的JHQY-A型牵引器是一种轮式爬行器（图2），可用于套管完井水平井。

工作时由地面控制器发出指令，井下仪器中的辅助电机控制爬行器的两组四支驱动轮的张开，使驱动轮紧紧压在套管壁上行走，从而完成对测井仪器的牵引工作，通过改变供电电压可调节爬行器的牵引速度。

它具有牵引力大、操作简便、深度控制准确等优点。

扶正器
驱动轮
驱动轮
扶正器
图2 井下牵引器实物图
2 水平井多相流动测量及解释
2.1 水平井多相流动测量
FSI流体扫描成像测井仪（以下简称为FSI）是斯伦贝谢公司特别为大斜度井、水平井和近水平井而开发的。

仪器组合包括：一个仪器臂上有四个微转子流量计，测量流动速度剖面，另一个臂上有五个电子探针和五个光学探针（图3），分别测量局部的持水率和持气率。

另外，仪器壳体上还有第五个转子流量计和第六对电子探针和光学探针，测量井筒底端的流动。

所有传感器的测量是同时在相同深度上进行的。

微转子流量计GHOST光学探针
电探针
图3a FSI仪器示意图图3b 流速、持率分层测量
图3 FSI流体扫描成像测井仪
FSI为偏心仪器，测量时仪器主体位于井筒的底端，测量臂可展开，最大可到井筒的内直径，像井径仪一样，提供计算流动速率所需要的井筒内全范围测量。

FSI具有较小的外径，仅为42.9 mm（1-11⁄16in.），测量的井眼范围为73.0mm～228.6 mm（2-7⁄8in.to 9 in.），可用光纤-连续油管或爬行器输送。

该仪器长度较短，为4.9 m（16 ft），对狗腿度严重的井非常理想。

当需要更短的仪器串时，可把控制测量臂开合的液压短节1.2 m（4 ft）去掉。

仪器可在温度150°C（302°F ）和压力103,425 kPa（15,000 psi）下工作（表1）。

表1 FSI-1000型产气剖面测井仪技术指标
项目技术指标
外径（mm）42.9
长度（m） 4.9
重量（kg）49.0
温度（℃）150.0
压力（MPa）103.0
耐腐蚀NACE标准MR0175
井筒覆盖率6-in.内径90%
三相持率精度±10
流速精度（%）±10
井筒尺寸（mm）73.0～228.6
最小尺寸（mm）46.0
FSI可与PSP生产测井平台和其他套管井测井仪器组合。

（1）多相流速度剖面
因为FSI测量沿井筒直径方向的速度剖面，它可测量到单个居中转子测不出的速度变化。

它可测量混合和分层流态，包括多相流水平井中气相流速的独立测量。

FSI甚至可以探测到井下水相的循环流动。

五个微型转子中的每一个可直接测量到流经其位置的流体速度，从而计算多相流速度剖面。

（2）从水中辨别油气
FSI通过六个低频探针测量流体阻抗来探测水。

因为水导电，但油气不能，设定一个门限值可使仪器能辨别出油气和水。

当连续水相中的油滴或气泡，或连续油气相的水滴接触到探针针尖时，探针会产生一个二进制信号。

根据电路接通的时间可计算出持水率，持水率剖面精确地表现了井筒内的流态。

（3）从液体中辨别气
常规低频探针仅能从油气中辨别水，但FSI配备了用于气检测的光学探针。

六个GHOST持气率光学探针对流体的光学折射系数敏感。

典型地，气的折射率接近于1，水的约为1.35，原油的是1.5。

因为油和水具有类似的流体光学折射系数，所以光学探针被用来从液体中辨别出气体。

从原始数据中也可得到气泡计数，用来确定第一个产气点的位置。

光学探针的持气率测量不需要刻度，因为其信号是二进制的。

2.2 水平井多相流动解释
光纤探针持气率测量是基于油气水三相流中气相中的气体和液相中的油、水对光的折射率不同，当光纤探针接触三相流体中的气体时，光在光纤探针上产生全反射现象，光线返回到传感器接收端，输出高电平；当光纤探针接触到三相中的水或油时，因为介质折射率增大，致使全反射的临界角增大，光线折射入水或油相中，不满足全反射条件，传感器输出低电平。

传感器输出电平的宽度表示气的大小，实时采集传感器输出脉冲并对其进行统计，测量一定时间内光纤探针中传输光强反映到探测器的次数及脉冲宽度可计算出持气率值。

光学探针和电探针结合在一起，可提供同一深度三相持率的数据。

水持率计算为：Yw=低信号时间/全部时间，气体持率：Yg =红色区域时间/总时间。

3 应用试验
3.1 试验一：评价页岩气藏含气特征及产能
A井是位于川东南地区焦石坝构造的一口评价井，井深3653.99m，井斜在87.68°，水平段长1007.9m，测试目的是系统评价焦石坝地区志留系龙马溪组页岩气含气特征及产能。

采用爬行器输送FSI仪器方式进行数据采集。

分别在6×104 m3/d、9×104 m3/d和12×104 m3/d产量稳定时，以6 m/min测速从2600.0m开始下测，采集数据，直到井底3550.0m。

关闭爬行器以15 m/min 速度上提电缆上测。

在地面计量产量为6×104 m3/d的生产制度下，水平井剖面测试过程中，仪器受井下复杂条件影响较大，部分数据缺失。

将FSI仪器提出井筒，发现仪器中夹杂着大块杂物，转子已经损坏，一些探针也遭到破坏，说明井下条件非常恶劣。

基于取得的资料解释结果如下（图4）：
图4 A井FSI测井解释成果图
注：第一道（Depth）：深度；第二道（Z）：分段；第三道（QZI）：各压裂段产量；第四道（QZT）：井筒中累积产量分布图；第五道（Well View #1）：井筒持率剖面；第六道（Gas rate match）：产气率匹配；第七道（Imagie View #1）：FSI持率探针结
果图；第八道（DEVI）：井斜。

（1）从产气剖面解释结果来看，按压裂级段，主要贡献是12～15段，占总产气量90％，2～11段贡献小，产气量仅占10％。

36个射孔簇，13个没有产量，有效率64％。

2769.0m～2770.0m 射孔簇贡献31.7％
（2）地面产水微量，但在井下斜井段发现有水回流现象，水平段积液较多。

3.2 试验二：评价各段、簇压裂生产能力
B井是位于重庆市涪陵地区的一口页岩气评价井，井深4350.0m，完钻层位为志留系下统龙马溪组，井底井斜89.8°，水平段长1500.0m。

为了解该井各段、簇产出情况，评价各段、簇压裂生产出力情况，为后续各井的轨迹优化、分段压裂参数优化、射孔井段优选提供依据，采用2"光纤-连续油管携带FSI流体扫描成像测井仪对目的层段进行产气剖面测试。

开井至27×104 m3/d的产量稳定状态，进行了一次下测和一次上测，测试深度为2751.0～3525.0m（压裂段9～15段）。

测试过程中，仪器下放多次遇阻，两次通井之后打捞筒内捞出较多的卡瓦碎屑、胶皮和泥沙。

根据上测下测FSI采集数据进行解释，采用相应的水平井滑脱模型以及流速校正因子，利用
MPT多传感器处理模块，从而计算出油相和水相在每个深度的产量。

参考地面估算产气为27×104 m3/d。

由于本井为套管内径118mm油层套管射孔完井，共压裂15段，但测试深度为第9～15压裂段，数据解释时按7段压裂段和21个射孔簇进行解释，根据5个转子流量计的响应，持水率探针读值，解释出结果如图5。

图5 B井FSI产气剖面测井解释成果图
注：第一道（Depth）：深度；第二道（Z）：分段；第三道（QZI）：各压裂段产量；第四道（QZT）：井筒中累积产量分布图；第五道（Well View #1）：井筒持率剖面；第六道（Imagie View #1）：FSI持率探针结果图。

根据转子转速和转子转速与流体速度刻度数据表，应用MPT计算出的产气剖面结果如下：（1）测井解释计算地面产气为34℃时270745.6m3/d。

（2）在此产量制度下，第9～15段，所有压裂段均有气体贡献。

（3）第9压裂段以下产气贡献占全井产量的60.13%。

（4）第9～15段井筒中没有水，全部为气。

3.3 试验三：评价气井产能以确定合理工作制度
C井是部署在上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组下部页岩气层的一口评价井。

井深4245.0m，井底井斜89.7°，水平段长度1344.1m。

采用2"光纤-连续油管携带FSI测井仪对目的层段2836.0～4207.0m进行产气剖面测井，评价不同工作制度下的产气情况以及气井产能，确定合理工作制度，指导气井合理配产。

开井至20×104 m3/d的产量稳定状态，组合仪器串以8m/min速度下测到4188.0m，然后以15m/min 进行上测到2802.0m，分析数据后，又以10m/min速度下测到4188.0m附近。

上提仪器，上提过程中，调整产量到29×104 m3/d，并等稳产。

开井至29×104 m3/d的产量稳定状态，组合仪
器串以10m/min速度下测到4188.0m附近，然后以15m/min 进行上测到2802.0m。

测得两种工作制度下产气剖面测井资料(图6)。

解释结果：
工作制度：20×104 m3/d工作制度：29×104 m3/d
图6 两种工作制度下C井产出剖面测井解释成果对比图
注：第一道（Depth）：深度；第二道（Z）：分段；第三道（Well View #1）：井筒持率剖面；第四道（Imagie View #1）：FSI持率（1）该井射开层位基本上都有产出，且分布相对均匀，两种生产制度下，产层主要产出情况略有差异。

（2）第一制度下，第一主产气层为第6段，产气4.14×104 m3/d，占总产量的14.3%；第7段产少量水，4.02 m3/d。

（3）第二制度下，第一主产气层为第12段，产气2.85×104 m3/d，占总产量的14.19%；基本不产水。

（4）第一制度29×104 m3/d，对下部6～9段储层开采较为有利；第二制度20×104 m3/d，对中部11～14段储层开采较为有利。

（5）水平段井斜均小于90°，井下有积水，流动中存在积水的回流现象；第二制度积水更多，回流现象更明显。

4 主要认识
（1）对于套管完井的水平井产气剖面测井作业，爬行器和光纤-连续油管传输是目前最佳传输方式。

为了保证FSI仪器在井下正常工作从而取全取准资料，测试前，要确保井筒干净，钻塞后要反复循环洗井，将残屑彻底清除出井筒。

（２）FSI流体扫描成像测井仪通过集成的多个涡轮和传感器，同时测量水平井流动截面上不同深度的流速及各相持率，解决了居中测量的常规测井仪器在水平井或斜井中出现性能指标下降及响应结果产生纵向片面性等问题。

同时，不同传感器测量得到的同一水平井流动截面的不同目标参数，极大地简化了水平井产出剖面测井解释的算法和难度，提高了解释精度。

（3）通过产气剖面测试能够了解各压裂层段产气情况，确定气井的最佳工作制度，检测到井筒中流体的分布流态，对下一步开发方案具有指导作用。

Application Test of Gas Production Profile Logging Technology in the Horizontal Wells of Fuling Shale Gas Field
QIN Yuqiao1, SHI Wenrui1, SHI Yuanhui2, ZHANG Zhihua2, Ge Hua2
(1.Geophysics and Oil Resources Institute of Yangtze University，Wuhan 430100, China；
2. Jianghan Oilfield Service Corporation Logging Company, Qianjiang 433123, Hubei, China)
[Abstract]Fuling shale gas oilfield has features of long horizontal section and high production. In order to know the dynamic capacity of each fractured zone and determine the proper working system of a well to implement low-cost and high-efficiency development of the field, FSI gas production profile logging tool, which is conveyed by the tractor or optic fiber-coiled tube, has been used in 25 wells. The results show that the tractor or optic fiber-coiled tube can transmit the logging tool safely and efficiently to the bottom of a well and meet the need of operation; there is a great difference in gas production between the fractured zones even if in the same or similar shale gas layers; the formation fracturing fluid displacement of Well C increases greatly under the working system of 30×104m3/d compared with that of 20×104m3/d which has no fluid displacement. The research findings have been used to instruct determination of the working system of a single well in Fuling gas field. It is of significance and reference for the same kind shale gas development in China.
[Key words]shale gas; horizontal well; gas production profile logging; multi-facies flow; optic fiber-coiled tube convey; tractor; FSI logging tool
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本文作者在此对审稿老师所付出的辛苦工作以及提出的宝贵意见表示衷心的感谢！
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