連續油管光纖測井技術及其在頁巖氣井中的應用

王偉佳中石化江漢石油工程有限公司頁巖氣開采技術服務公司

連續油管光纖測井技術及其在頁巖氣井中的應用

王偉佳
中石化江漢石油工程有限公司頁巖氣開采技術服務公司

水平井復合橋塞分段壓裂是國內頁巖氣井的主要開發方式，由于頁巖氣井快優鉆井造成的井眼軌跡及井深結構的特殊性、鉆塞結束后井筒內殘留部分橋塞碎屑、水平段多相流的復雜性等，常規產出剖面測井技術難以滿足頁巖氣井的測試要求。針對頁巖氣井數量眾多，鉆塞后井筒金屬碎屑較多的特性，測井前利用強磁打撈器進行打撈兼通井以提高施工成功率，采用連續油管內穿光纖并下掛流體掃描成像測井儀FSI的工藝進行產氣剖面測井，能得到較真實的產氣產液剖面、各射孔簇產氣產液貢獻，可以有效評價各級壓裂效果。連續油管光纖測井方法在頁巖氣井中的應用前景良好。

連續油管；光纖測井；流體掃描成像測井儀FSI；頁巖氣井；生產測井

目前，國內頁巖氣井主要以叢式井、長水平段、多級射孔、大規模拉鏈式加砂壓裂方式進行完井試氣，試氣產量和壓力不穩定，無法落實單井產能，難以正確認識地層的實際產出情況，影響開發配產方案的制定［1］。針對頁巖氣特殊的完井方式，目前動態監測技術沒有行之有效的手段，甄選國內外壓后評價技術，產氣剖面測試技術為解決上述難題最經濟有效的手段。

國內常規測試所使用的井下工具多為多陣距、單轉子，測試工作繁雜、轉子需較大的啟動速度，監測誤差大，無法清晰判別井下流體類型。以連續油管為載體的光纖生產剖面測試技術，在頁巖氣井超長水平段、多級壓裂開發模式下，能直觀清晰地找出主力產層、描述井底積液現狀，同時采用光纖作為數據傳輸手段，抗干擾能力強，井下監測工具電信號轉換成光信號，更快、更準傳遞數據，工具串中的FSI生產測井儀擁有多級轉子，更加清晰識別井下流體動態，具有檢測精度高、解釋成果可靠等特點。

1 連續油管光纖生產剖面測試系統Test system for coiled tubing optical fiber production profile

1.1配套連續油管機組

Supporting coiled tubing unit

連續油管光纖生產剖面測試是將井下儀器連接在內部穿有光纖的連續油管頂端，由連續油管上提或下放帶動儀器完成測試，儀器輸送動力較大、成功率高、深度控制方便。根據國內頁巖氣井的實際情況，一般選用外徑?50.8 mm、長度大于5 000 m的連續油管，同時要求連續油管作業機組的提升能力大于360 kN。

1.2ACTIVE光纖傳輸系統

ACTIVE optical fiber transmission system

ACTIVE光纖傳輸系統通過連續油管傳輸可實時獲得井下數據，包括井底壓力（連續油管內外）、實際深度、井下工具受力情況、井底溫度、全井筒溫度分布曲線等，在施工過程中可隨時優化作業方案，迅速準確判斷井下情況，降低作業風險。主要包括光纖、井下儀器及地面電子設備3部分。

1.2.1光纖 ACTIVE光纖傳輸系統是將4條光纖安置在鉻鎳鐵合金光纖載體中，光纖載體又被安放在連續油管內。這4條光纖中有2條用于井下工具的信號傳輸，另外的1條或者2條可用來獲取井筒溫度曲線。鎳鉻鐵合金光纖載體直徑只有?1.8 mm，重量10 kg/1 000 m，比電纜更小、更輕。使用該系統的連續油管可以進行正常投球、正常泵送液體、不受酸或者其他腐蝕性溶劑的腐蝕，光纖松弛度處理也相對簡單。

1.2.2井下儀器 ACTIVE光纖傳輸系統的井下儀器主要包括3部分，可以單獨或者組合組裝：（1）光纖頭，光纖在光纖頭的終止端終止后，可以連接任何種類的傳統連續油管井下工具；（2）PTC-G-TC，可實時監測井下溫度、井底壓力（連續油管內外）、井下工具受力情況，可通過節箍定位器和伽馬射線確定連續油管下入深度；（3）光電信號轉化器，可連接電纜產量測井平臺，無需更換為帶電纜的連續油管和其他的電纜測井設備。

1.2.3地面電子設備 使用地面電子設備，數據會通過無線傳輸方式，從連續油管傳遞到操作間的電腦上，電腦軟件會解讀和顯示井下的實時數據。如果需要測量全井筒溫度分布曲線，需要安裝一個井下Ultra盒子并連接到連續油管里面的光纖上，進行測量。

1.3流體掃描成像測井儀FSI

Fluid scanning imaging logging tool

斜井中井下流態復雜，包括層流、霧狀流和循環流。分異、流態和井斜微小變化都會影響流動剖面。常規儀器測量存在井筒頂端泡狀流、重相循環流或、不適合以不同流速流動的分層流動斜井等問題。流動回路實驗也表明了常規測井儀器在多相流中無效。FSI 水平井和斜井生產測井系統是特別為大斜度井、水平井和近水平井開發的。如圖1所示，該儀器一個儀器臂上有4個微轉子流量計，測量流動速度剖面，另一個臂上有5個電探針和5個光學探針，分別測量局部的持水率和持氣率。另外，儀器殼體上還有第五個轉子流量計和第六對電探針和光學探針，測量井筒底端的流動。該儀器為偏心儀器，測量時儀器主體位于井筒的底端，測量臂可展開，最大可到井筒的內直徑，像井徑儀一樣，提供計算流動速率所需要的井筒內全范圍測量［2］。

圖1　流動掃描成像掃描儀Fig.1 Fluid scanning imaging scanner

如圖2所示，FSI 測量沿井筒直徑方向的速度剖面，可測量到單個居中轉子測不出的速度變化，測量混合和分層流態，包括多相流水平井中氣相流速的獨立測量，甚至可以探測到井下水相的循環流動。5個微型轉子中的每個可直接測量到流經其位置的流體速度，從而計算多相流速度剖面［3-4］。Flow Scanner通過6個低頻探針測量流體阻抗來探測水。因為水導電，但油氣不能，設定一個限值可使儀器能辨別出油、氣和水。當連續水相中的油滴或氣泡，或連續油氣相的水滴接觸到探針針尖時，探針會產生一個二進制信號。根據電路接通的時間可計算出持水率，持水率剖面精確地表現了井筒內的流態。

FSI 配備了用于氣檢測的光學探針，6個持氣率光學探針對流體的光學折射系數敏感。氣的折射率接近于1，水的約為1.35，原油的是1.5。油和水具有類似的流體光學折射系數，所以光學探針用來從液體中辨別氣體。從原始數據中也可得到氣泡計數，用來確定第一個產氣點的位置。光學探針和電探針結合可提供同一深度三相持率數據。

流體掃描成像測井儀的特點：可與生產測井平臺和其他套管井測井儀器組合；因儀器長度短，可在狗腿度嚴重的井中作業；在同一深度進行完全的三相持率測量；通過傳感器掃描，更準確探測各相之間的界面；測量混合和分離流態；在多相水平井中獨立測量氣相流速。

圖2　流動掃描成像掃描儀轉子分布Fig.2 Rotor distribution on FSI

2 測井工藝Logging technology

由于連續油管光纖測井技術需要通過光纖來傳遞測井工具在井筒中采集的數據，而光纖又需要以連續油管作為輸送設備，因此必須將光纖從連續油管內部穿越才能與下部的測井工具進行連接。連續油管穿光纖時需要通過水力泵送（如圖3所示）：光纖從光纖滾筒中出來，通過一根內徑很小的速度管，依靠摩擦力送入油管滾筒，進入油管后，由于光纖內徑外徑很小，僅依靠水力即可送達油管另一端。雖然光纖自身重量很小且外層鉻鎳鐵合金強度較大，發生光纖纏繞的可能性較小，但隨著光纖在使用過程中隨油管的頻繁起下及自身重力、循環時的水力等影響，光纖有可能在油管底端余量較大。因此每進行2～3口井作業，光纖需進行一次余量管理，即從油管尾端循環清水，使聚集在油管尾端的光纖均勻分布于油管中。

圖3　連續油管穿光纖示意Fig.3 The schematic of optical fiber through coiled tubing

由于國內頁巖氣井前期對鉆塞技術認識不足，對鉆塞完后的井筒處理不干凈，產生一系列問題：井筒碎屑聚集，造成部分井連續油管遇阻，未能下至目的深度，最終未能取全所有井段生產數據；井筒聚集的碎屑造成FSI測井工具損壞或者影響轉子和探針的正常工作；測井工具攜帶的碎屑帶到井口后，隨氣體流至地面生產流程，導致可調式針型節流閥堵塞。連續油管光纖測井技術針對頁巖氣投產在國內相繼應用了20余口井，形成了一套不影響正常開采的完整施工工藝。

（1）前期井筒處理。針對生產井減少泵注的要求，及井筒內碎屑多為復合橋塞金屬卡瓦的實際情況，設計產出剖面測試專用強磁打撈器。在正式測試前增加連續油管強磁打撈器通井及打撈碎屑作業。該打撈器由于受采氣井口限制最大外徑為?73 mm，采用凹槽式設計，瓷片在槽內，增加了可吸附碎屑容積。該強磁打撈器在測試前期井筒處理上取得了良好的應用效果，有效地降低了井筒碎屑聚集造成的連續油管遇阻及井下儀器損壞現象。同時該強磁打撈器現已應用于鉆塞結束后的碎屑打撈中，在試氣過程中有效增加了橋塞碎屑的返排率。

（2）連續油管本體保護措施。為確保施工安全，建議連續油管本體所受外力不超過7 MPa，否則在井下受力情況下油管存在擠毀可能。國內頁巖氣井在投產前期普遍存在井口壓力高的特點，部分井可能高達30 MPa，因此在進行測試時建議在油管內部用液氮進行補壓，使油管內外壓差不超過5 MPa。

（3）測試制度的選擇。為取得良好的采氣貢獻率分析，建議選用2種制度進行測試，兩種制度之間產量間距5×104m3/d以上。由于連續油管入井后占有一定體積，套管容積有所減少，對于套管生產井來說具有一定的排水效果，建議在通井前就選用產量的較大測試制度生產，測試時也可先進行產量較大的制度測試，效果較好。

（4）測試速度的選擇。為確保解釋成果，測試時進行下放測量及上提測量兩次測試，同時在保證安全的前提下盡量加快油管上提下放的速度，油管速度越快，解釋結果越準確。

（5）由于氣井全程帶壓作業，確保井控安全意義重大，井口設備必須定期檢測，同時建議測井連續油管配備在線檢測裝置，防止因油管物理損傷引起油管刺漏或斷裂。

3 應用實例Application examples

在四川盆地的一口井進行了連續油管光纖產出剖面測試，該井人工井底4 214.14 m，水平段長1375 m，共分16段壓裂。測試時該井井口壓力30.1 MPa，采用液氮在油管內進行補壓作業，第一趟強磁打撈作業共從井筒中撈出橋塞卡瓦牙3.47 kg，最大卡瓦牙直徑?16 mm，有效清除了井筒內的碎屑，測試分別在地面計量產量為20×104m3/d和29×104m3/d的工作制度下進行。

測試解釋成果顯示：產液剖面測試結果顯示所有壓裂段均有產氣量貢獻，其中16個射孔簇（35.6%）產量低于平均產量的1/3，17個射孔簇（37.8%）產量高于平均產量，和美國頁巖氣均勻分段壓裂結果符合［5］；16段中有4段產氣貢獻值較大，8段貢獻值較低，4段貢獻值處于平均值，其中8段貢獻值較低的壓裂段中有3段在壓裂過程中出現加砂困難；2個工作制度下，產量變化較大的壓裂段有8段，其余壓裂段產氣量變化不大。29×104m3/d制度下，井筒中水持率明顯比20×104m3/d制度下水持率低；井下流態以水平層流為主，測量井段井斜的變化較小。從不同深度的井筒截面圖可得出流態分布規律：水平井筒中，水在井筒中的最下部，氣在井筒中的中上部，水滯留在井筒中，氣體流速快。在水平井井筒中，井筒中水持率隨深度增加而增加，伴隨井斜變化，經常可以觀察到“回流”現象，影響單個轉子儀器的響應。

4 結論Conclusions

（1）連續油管光纖產出剖面測試能得到真實產氣產液剖面、各射孔簇產氣產液貢獻，操作方便，測試精度高，解釋成果可靠，有效評價各級壓裂效果。

（2）連續油管光纖產出剖面測試技術可實時獲得井下數據，包括井底壓力（連續油管內、外）、實際深度、井下工具受力情況、井底溫度、全井筒溫度分布曲線等，在施工過程中可隨時優化作業方案，迅速準確判斷井下情況，降低作業風險。

（3）FSI測井儀設置5個微型轉子，6對探針，可直接測量到流經其位置的流體速度，計算多相流速度剖面，結合6對探針得來的流相，可真實得到井下流體的產出剖面。

（4）針對井筒碎屑聚集，增加連續油管強磁打撈器通井及打撈碎屑作業，可適當緩解部分井連續油管遇阻、井下儀器損壞、井口流程堵塞的問題。可進一步研究采用泵注氮氣驅動螺桿鉆具帶動磨鞋進行通井的工藝可行性。

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（修改稿收到日期 2015-12-20）

〔編輯 李春燕〕

Well logging via coiled tubing fiber optic infrastructures and its application in shale gas wells

WANG Weijia
Shale Gas Mining Technology Service Company， Jianghan Petroleum Engineering Co. Ltd.， SINOPEC， Wuhan， Hubei 430074， China

Staged fracturing of horizontal wells by composite bridge plug is the main development mode of domestic shale gas wells. Due to the particularity of wellbore trajectory and well depth configuration caused by optimized fast drilling of shale gas wells，some plug debris still remaining in the wellbore after the plug is drilled out and the complexity of multiphase-flow in horizontal section，the well logging technology for conventional producing profile cannot meet the requirement of shale gas wells. In view of large numbers of shale gas wells， it is urgent to evaluate the drilled and completed wells and fracturing effectiveness in order to guide further fracturing. Gas producing profile logging was carried by FSI （fluid scanning imaging logging instrument） technique， in which optical fiber goes through the coiled tubing with fluid scanning imaging tool hanging below. This technique can obtain real gas and fluid producing profiles and gas and fluid production of all perforation clusters and effectively evaluated the effectiveness of all staged fracturing. In line with the characteristics that production logging is mostly carried out after drilling out the bridge plug in shale gas wells and there is a lot of metal debris in wellbore， so strong magnet was used to remove the debris and drift the well prior to logging， which could improve logging success rate. This method of fiber-optic well logging through coiled tubing has a good prospect of application in shale gas wells.

coiled tubing； optical fiber； FSI； shale gas wells； production logging

Wang Weijia. Well logging via coiled tubing fiber optic infrastructures and its application in shale gas wells［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（2）： 206-209.

P631.81

B

1000 -7393（ 2016 ） 02 -0206-04

10.13639/j.odpt.2016.02.015

王偉佳（1983-），2011年畢業于西南石油大學石油工程測井專業，碩士研究生，現主要從事連續油管技術的研究工作，工程師。通訊地址： （408014）重慶市涪陵區焦石鎮興焦路44號。電話：0728-6597074。E-mail： weijia07@163.com

引用格式：王偉佳.連續油管光纖測井技術及其在頁巖氣井中的應用［J］.石油鉆采工藝，2016，38（2）：206-209.