Application of Direct-Push Storage Logging Technology in the Northwest Oilfield
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摘要: 西北油田碳酸盐岩油气藏钻遇放空漏失或溢流的情况较多,从施工安全角度考虑,无法进行常规电缆测井;因井深及硫化氢含量高,部分斜井或水平井中钻具与套管环空间隙过小,无法进行电缆钻具输送测井。为了解决西北油田复杂环境下取全测井资料困难的问题,引进了一种无电缆、免对接的直推式存储测井工艺。介绍了直推式存储测井系统组成和主要技术指标,分析了其工艺特点。顺北、塔河及部分外围区块应用结果表明:直推式存储测井工艺的安全性、可靠性更高,可缩短测井占用井口的时间,大幅提高完井效率;在井况复杂或存在井控风险的井中,能够保证井下仪器的使用安全和井口安全,取全测井资料,且目的层测井资料获取率大幅提高(如顺北区块目的层测井资料获取率从31.25%提高至90.91%)。研究表明,直推式存储测井工艺取得的测井资料真实、可靠,可以满足储层评价需求,值得推广应用。Abstract: Conventional wireline logging cannot be carried out safely in the Northwest Oilfield due to lost circulation or overflow which often occurs in carbonate reservoirs. Because of well depth and high hydrogen sulfide content, as well as the small space between casing and drilling string in some inclined or horizontal wells, it is impossible to carry out wireline logging. To solve the difficulties in acquiring full logging data in complex environments of Northwest Oilfield, a new direct-push storage logging technology free of cables and docking was introduced. Further, introductions of the components, main technical indexes of this logging system were made, and the its technological characteristics were analyzed. Practical applications in Shunbei, Tahe and some peripheral blocks confirmed its higher safety and reliability, and it could shorten the time of occupying wellhead for logging and greatly improve completion efficiency. Besides, this new technology allows one to acquire full logging data while ensuring the safe service of downhole instruments and wellhead safety under complex well conditions or in wells with risks in well control. The acquisition rate of logging data in the target layers was significantly improved, for example, that of the Shunbei area was improved from 31.25% to 90.91%. The research results showed that the direct-push storage logging technology could acquire accurate and reliable data, and could meet the needs of reservoir evaluation, making it worthy of popularization and application.
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Keywords:
- direct-push logging /
- storage logging /
- logging system /
- logging technology /
- leakage /
- overflow /
- Northwest Oilfield
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随着测井技术迅速发展[1-2],国内外目前已研究形成了随钻方位电阻率测井仪、随钻中子测井仪、随钻密度测井仪、随钻声波测井仪、随钻电磁波测井仪和随钻电成像测井仪等一系列测井仪器,并在各大油田广泛应用[3-8]。随钻测井仪通常由钻铤、电路骨架和流道转换器等部件组成。井下作业时,将不同种类的随钻测井仪串联,每支随钻测井仪一般需装配2个流道转换器,流道转换器的作用是将中心(环空)流道转换成环空(中心)流道,使用数量较多,是随钻测井仪的常用部件,也是关键部件之一。若流道转换器内流道截面设计不当,不仅会造成随钻测井仪内流道局部流场紊乱,使仪器局部冲刷严重,造成仪器使用寿命缩短;还会导致仪器压力损失偏高,影响仪器的适用性[9-10]。
目前,国内外鲜见采用数值计算分析方法对流道转换器进行内流道设计优劣对比的研究。笔者采用计算流体力学(computational fluid dynamics,简称CFD)方法,对某型随钻测井仪流道转换器设计方案进行了全三维数值模拟[11-13],对比分析了影响内流道流场设计的关键因素,研究结果为流道转换器的优化设计提供了理论依据。
1. 控制方程
流体的运动可以用质量、动量和能量守恒定律来描述,并采用方程组的形式来表述。对于理想的黏性流体,此方程组称为Navier-Stokes方程组[14]。其中,质量守恒定律描述动力学特性,在流体系统内部没有新质量源的情况下,该系统质量的变化等于通过系统边界的质量流量。因此,质量守恒方程也称为连续方程,可以表示为:
\frac{{\partial \rho }}{{\partial t}} + {\bf{\nabla}} \cdot \left( {\rho {\boldsymbol{v}}} \right) = 0 (1) 式中:
\rho 为密度,{\rm{kg}}/{{\rm{m}}^3} ;t为时间,s;{\boldsymbol{v}} 为速度,m/s;{\bf{\nabla}} 为散度算子。动量守恒方程表明,流体系统的动量对时间的变化率等于外界作用在系统上的外力矢量和。在笛卡尔坐标系下,动量守恒方程在
x,y,z 方向的分量为:\frac{{\partial \left( {\rho {v_x}} \right)}}{{\partial t}} + {\bf{\nabla}} \cdot \left( {\rho {v_x}{\boldsymbol{v}}} \right) = - \frac{{\partial P}}{{\partial x}} + \frac{{\partial {\tau _{xx}}}}{{\partial x}} + \frac{{\partial {\tau _{yx}}}}{{\partial y}} + \frac{{\partial {\tau _{zx}}}}{{\partial z}} + {F_x} (2) \frac{{\partial \left( {\rho {v_y}} \right)}}{{\partial t}} + {\bf{\nabla}} \cdot \left( {\rho {v_y}{\boldsymbol{v}}} \right) = - \frac{{\partial P}}{{\partial y}} + \frac{{\partial {\tau _{xy}}}}{{\partial x}} + \frac{{\partial {\tau _{yy}}}}{{\partial y}} + \frac{{\partial {\tau _{zy}}}}{{\partial z}} + {F_y} (3) \frac{{\partial \left( {\rho {v_z}} \right)}}{{\partial t}} + {\bf{\nabla}} \cdot \left( {\rho {v_z}{\boldsymbol{v}}} \right) = - \frac{{\partial P}}{{\partial z}} + \frac{{\partial {\tau _{xz}}}}{{\partial x}} + \frac{{\partial {\tau _{yz}}}}{{\partial y}} + \frac{{\partial {\tau _{zz}}}}{{\partial z}} + {F_z} (4) 式中:P为压力,N;
{\tau _{ii}}\left( {i = x,y,z} \right) 为黏性力张量{\boldsymbol{\tau}} 在各个方向的分量,N;{F_i}\left( {i = x,y,z} \right) 为彻体力{\boldsymbol{F}} 在各个方向的分量,N;{v_i}(i = x,y,z) 为速度{\boldsymbol{v}} 在各个方向的分量,m/s。能量守恒定律在热力学上又称为热力学第一定律。该定律表明流体系统能量的变化等于作用在该系统上的力所作的功与传递到系统内的热量之和。因此,能量守恒方程可以表示为:
\frac{{\partial \left( {\rho E} \right)}}{{\partial t}} + {\bf{\nabla}} \cdot \left( {\rho E{\boldsymbol{v}}} \right) = {\bf{\nabla}} \cdot \left( {\kappa {\bf{\nabla}} T} \right) + {\bf{\nabla}} \cdot \left( { - p{\boldsymbol{v}} + {\boldsymbol{\tau}} \cdot {\boldsymbol{v}}} \right) + {W_F} + {q_{\rm{H}}} (5) 式中:
E 为单位总能,J;\kappa 为热导率,W/(m·K);T 为温度,K;W{}_F 为彻体力功,J;q{}_{\rm{H}} 为热源项,{\rm{W}}/{\rm{m}} 。2. 流道转换器优化设计
设计流道转换器时主要考虑以下因素:一是实现流道转换功能;二是流道转换器加工的难易程度,曲面越简单,加工越容易;三是钻井液流经流道转换器时的压力损失低,可降低仪器串压耗,提高仪器现场使用的适应性;四是流道转换器内流道的流场要均匀,减小紊流,提高仪器抗冲刷性,延长仪器的使用寿命。
随钻测井仪流道转换器原始设计如图1(a)所示(图中,α为扩张角,(°);d为截面突变尺寸,mm),加工工艺简单,可以实现流道转换功能。流场性能分析结果表明,原始设计会导致较大的压力损失,同时在流道内形成较为严重的紊流。分析认为原始设计方案存在以下问题:1)截面尺寸突变,会使出口流场形成紊流;2)扩张角较大,使内流道截面积变化快(流速变化快),导致压力损失较大。因此,分别设计了3种优化方案(见图1(b)—(d)),优化方案1和原始设计相比扩张角为45°不变,减小截面突变尺寸;优化方案2和优化方案1相比,截面突变尺寸不变,扩张角由45°减小为30°;优化方案3的扩张角进一步减小至20°,截面尺寸由突变改为连续。扩张角越大,截面突变尺寸越大,加工工艺越好。原始设计及优化方案1和2为分体结构,加工工艺较简单;优化方案3为整体式结构,加工工艺复杂。4种设计方案的结构参数如表1所示。
表 1 流道转换器设计方案Table 1. Design schemes for the flow passage converter设计方案 α/(°) d/mm 结构类型 加工工艺 原始设计 45 16 分体式,流道突变 简单 优化方案1 45 6 分体式,流道突变 较简单 优化方案2 30 6 分体式,流道突变 较简单 优化方案3 20 0 整体式,流道连续 复杂 3. 流道转换器性能分析
3.1 数值模型的建立
采用NUMECA Automesh 4G生成非结构化全六面体网格。为保证对比分析的可行度,第一层网格的厚度及主流区的网格尺度相同。为了计算边界层的摩擦损失,要求
Y + < 10 (Y+ 为无量纲化的避免距离),第一层网格的厚度为0.01 mm。同时,为了保证计算的稳定性及准确性,将流道转换器进口和出口的长度延长为流道转换器外径的2倍,原始设计模型的网格总数约为100万个。流道转换器的流体计算域如图2所示,流体计算域网格划分如图3所示。3.2 数值方法及边界条件
采用NUMECA的HEXSTREAM求解器对流场进行求解,空间离散采用中心差分格式辅助人工黏性项,采用四步Rung-Kutta法进行迭代求解,用全多重网格法、局部时间步法和隐式残差光顺加速迭代收敛,湍流模型选用低雷诺数Spalart-Allmaras模型[15]。通过求解质量、动量和能量方程,对4种设计方案进行流体力学仿真分析。
为了比较流道转换器4种设计方案的性能,设置边界条件相同。进口边界给定总温总压条件,流动方向垂直于进口面;出口给定流量边界条件,固体壁面均设置为绝热黏性壁面。
3.3 数值模拟与对比分析
流道转换器中主要存在2种流动损失:一是钻井液和流道管壁之间的摩擦损失;二是非稳定流动(主要是漩涡)所引起的压力损失。采用总压损失系数来评估流道转换器流动损失为:
\sigma = \frac{{{{p}}_{{\rm{in}}} - p_{{\rm{out}}}}}{{{{p}}_{{\rm{in}}}}} (6) 式中:
\sigma 为总压损失系数;p_{\rm{in}} 为进口压力,Pa;p_{\rm{out}} 为出口压力,Pa。计算得到流道转换器4种设计方案的总压损失系数的对比情况(见表2),可以看出原始设计的总压损失最大,优化方案1—3的总压损失依次减小。
表 2 流道转换器4种设计方案流动压力损失计算结果Table 2. Calculated flow pressure loss in four design schemes of the flow passage converter设计方案 进口压力/kPa 出口压力/kPa 总压损失系数,% 原始设计 10 000 9 853.8 1.462 优化方案1 10 000 9 880.8 1.192 优化方案2 10 000 9 886.0 1.140 优化方案3 10 000 9 959.3 0.407 在流道转换器上沿流动方向(Z轴)按照等间距截取66个特征截面,提取各截面上的特征参数(如流通面积、轴向速度)进行对比分析,4种设计方案的内流道截面积沿流向变化情况如图4所示,其中横坐标流向为所截取的特征截面的序号。从图4可以看出,原始设计的截面突变尺寸较大,导致流通面积在前半部分有一个台阶状的陡然增大,在这个位置必然存在流动分离,造成了极大的流动损失。优化方案3的流通面积与其他3个方案相比变化最为平缓,说明设计更加合理,因此流动损失小。
内流道截面积的变化直接引起流体轴向速度的变化,流体轴向速度变化情况如图5所示。从图5可以看出,原始设计的流体轴向速度在流道前半部分出现阶跃式降低,这是由于流通面积变化所引起的。优化方案3的流体轴向速度在前半部分下降较快,后半部分下降较为平缓。与其他3个设计方案相比,优化方案3的流体轴向速度最为平缓,根据伯努利方程,压力升高更为平缓,逆压梯度更小,更容易抑制流动分离,流场也更为稳定。
4种设计方案纵截面上的湍流黏性云图如图6所示(图中,湍流黏性比是湍流黏度与动力黏度的比值,根据该参数可以得到涡流的扩散云图)。4种设计方案均为对称模型,优点在于其可改善出口流场的均匀度。但在流体力学中,对称模型并不能保证流场对称,形成流场不对称的原因是:从中心(环空)流道向环空(中心)流道的过渡过程中存在扩张角,扩张角越大,流通面积的变化越剧烈,从而造成压力梯度较大,引起了流动分离,最终导致流场时间上的不对称,其中原始设计尤为明显。此外,从图6还可以看出,原始设计流道流场内部存在大量漩涡,从而导致流动损失较大,说明设计不合理;优化方案3的流道流场均匀性最好,流动损失最小,说明截面设计最合理。
4种设计方案出口截面上流体轴向速度分布如图7所示。从图7可以看出,优化方案3的出口截面上轴向速度变化最小,流场也最均匀。
对比原始设计与优化方案1可知,扩张角相同情况下,流道截面突变尺寸越小,流通面积变化梯度越小,流场越均匀;对比优化方案1和2可知,截面突变尺寸相同的情况下,扩张角越小,流通面积变化梯度越小,压力损失越小;对比优化方案2和3可知,截面尺寸从突变改为连续后,流通面积变化梯度更小,压力损失更小,流场更均匀。综合考虑加工工艺复杂程度,原始设计加工简单,压力损失大,流场不均匀;优化方案3加工较复杂,但是压力损失较小,流场较均匀。
4. 试验验证
采用水力循环测试装置(见图8),以清水为流动介质,对4种设计方案进行水力循环试验,电动泵排量均为1.8 m3/min。为了比较4种设计方案的优劣,将4种流道转换器分别组装到随钻测井仪中,在进口与出口处分别安装压力传感器1与压力传感器2,测量流道转换器进出口的压力。
试验测得的4种流道转换器设计方案的压力损失情况如表3所示。对比表2与表3可知,4种设计方案的总压损失系数理论值与试验值对应的差值不大于0.076%,且变化趋势均与上述分析结果相同。
表 3 流道转换器4种设计方案的流动压力损失试验结果Table 3. Experimental flow pressure loss in four design schemes for the flow passage converter设计方案 进口压力/kPa 出口压力/kPa 总压损失系数,% 原始设计 520.0 512.0 1.538 优化方案1 585.0 577.7 1.248 优化方案2 514.0 508.0 1.167 优化方案3 477.0 475.0 0.419 5. 结论与建议
1)流体力学数值分析表明,流道转换器的扩张角越大,轴向速度变化梯度越大,流场均匀性越差,压力损失越大;内流道截面突变尺寸越大,轴向速度变化梯度越大,流场均匀性越差,压力损失也越大。
2)水力循环试验结果表明,4种设计方案的总压损失系数理论值与试验值的差值在合理范围内,且变化趋势均与数值计算分析相同。
3)设计流道转换器时,建议不仅考虑加工工艺的复杂性,还应该考虑扩张角和内流道截面突变对流场性能的影响。
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表 1 直推式存储测井工艺与其他测井工艺的特点对比
Table 1 Comparison of the characteristics of direct-push storage logging technology with other logging Technologies
测井工艺 影响因素 抗拉压强度 测井方式 测井项目 测井质量 井控风险 电缆钻具输
送测井钻井液杂质、湿接头工具、电缆、电路稳定性 抗拉≤77.0 kN
抗压≤18.0 kN上测/
下测常规+能谱+成像类、井径≤120.7 mm无法施工 高 需耗时抢装工具剪断电缆压井 泵出式存储
测井保护套悬挂、投球泵出、电路稳定性 抗拉≤68.0 kN
抗压≤18.0 kN上测 常规 中 泵出前后可随时循环压井 直推式存储
测井电路稳定性 抗拉≤167.0 kN
抗压≤49.9 kN上测/
下测常规+能谱+偶极子 高 随时循环压井 表 2 井深8 000.00 m、测量井段500.00 m条件下不同测井工艺测井用时对比
Table 2 Comparison of logging time at depth of 8,000.00 m and logging section of 500.00 m with different logging technologies
测井工艺 各阶段用时/h 测井总用时/h 仪器组装 下钻 起钻 循环顶通 投球释放 对接及导向 裸眼测井 电缆钻具输送测井 ≥2 ≥26 ≥20 ≥4 0 ≥4 ≥4.0 ≥60 泵出式存储测井 ≥4 ≥20 ≥20 ≥4 ≥1.5 0 ≥3.5 ≥53 直推式存储测井 ≥2 ≥20 ≥20 正常灌浆 0 0 ≥4.0 ≥46 -
[1] 刘宝增. 塔里木盆地顺北地区油气差异聚集主控因素分析:以顺北1号、顺北5号走滑断裂带为例[J]. 中国石油勘探,2020,25(3):83–95. LIU Baozeng. Analysis of main controlling factors of oil and gas differential accumulation in Shunbei Area, Tarim Basin: taking Shunbei No. 1 and No. 5 strike slip fault zones as examples[J]. China Petroleum Exploration, 2020, 25(3): 83–95.
[2] 杨海军,陈永权,田军,等. 塔里木盆地轮探1井超深层油气勘探重大发现与意义[J]. 中国石油勘探,2020,25(2):62–72. YANG Haijun, CHEN Yongquan, TIAN Jun, et al. Great discovery and its significance of ultra-deep oil and gas exploration in Well Luntan-1 of the Tarim Basin[J]. China Petroleum Exploration, 2020, 25(2): 62–72.
[3] 漆立新. 塔里木盆地顺托果勒隆起奥陶系碳酸盐岩超深层油气突破及其意义[J]. 中国石油勘探,2016,21(3):38–51. doi: 10.3969/j.issn.1672-7703.2016.03.004 QI Lixin. Oil and gas breakthrough in ultra-deep Ordovician carbonate formations in Shuntuoguole Uplift, Tarim Basin[J]. China Petroleum Exploration, 2016, 21(3): 38–51. doi: 10.3969/j.issn.1672-7703.2016.03.004
[4] 陈强路,席斌斌,韩俊,等. 塔里木盆地顺托果勒地区超深层油藏保存及影响因素:来自流体包裹体的证据[J]. 中国石油勘探,2020,25(3):121–133. doi: 10.3969/j.issn.1672-7703.2020.03.011 CHEN Qianglu, XI Binbin, HAN Jun, et al. Preservation and influence factors of ultra-deep oil reservoirs in Shuntuoguole Area, Tarim Basin: evidence from fluid inclusions[J]. China Petroleum Exploration, 2020, 25(3): 121–133. doi: 10.3969/j.issn.1672-7703.2020.03.011
[5] 焦方正. 塔里木盆地顺北特深碳酸盐岩断溶体油气藏发现意义与前景[J]. 石油与天然气地质,2018,39(2):207–216. doi: 10.11743/ogg20180201 JIAO Fangzheng. Significance and prospect of ultra-deep carbonate fault-karst reservoirs in Shunbei Area, Tarim Basin[J]. Oil & Gas Geology, 2018, 39(2): 207–216. doi: 10.11743/ogg20180201
[6] 焦方正. 塔里木盆地顺托果勒地区北东向走滑断裂带的油气勘探意义[J]. 石油与天然气地质,2017,38(5):831–839. doi: 10.11743/ogg20170501 JIAO Fangzheng. Significance of oil and gas exploration in NE strike-slip fault belts in Shuntuoguole Area of Tarim Basin[J]. Oil & Gas Geology, 2017, 38(5): 831–839. doi: 10.11743/ogg20170501
[7] 张正玉. 泵出式测井系统在四川地区复杂井中的应用[J]. 测井技术,2012,36(4):426–430. doi: 10.3969/j.issn.1004-1338.2012.04.021 ZHANG Zhengyu. Application of pump-out logging system to complex wells in Sichuan Oilfield[J]. Well Logging Technology, 2012, 36(4): 426–430. doi: 10.3969/j.issn.1004-1338.2012.04.021
[8] 赵业卫. 存储式多参数生产测井技术[J]. 测井技术,2006,30(3):276–279. doi: 10.3969/j.issn.1004-1338.2006.03.028 ZHAO Yewei. Memory multi-parameter production logging technique[J]. Well Logging Technology, 2006, 30(3): 276–279. doi: 10.3969/j.issn.1004-1338.2006.03.028
[9] 曹博凡,刘湘政,张雄辉,等. 存储式测井仪器状态监测系统设计[J]. 测井技术,2018,42(3):347–351. CAO Bofan, LIU Xiangzheng, ZHANG Xionghui, et al. Design of logging tool condition monitoring system for storage logging technology[J]. Well Logging Technology, 2018, 42(3): 347–351.
[10] 刘广华,段润梅. 无电缆存储式测井技术在水平井中的应用[J]. 化工管理,2017(22):120. doi: 10.3969/j.issn.1008-4800.2017.22.104 LIU Guanghua, DUAN Runmei. Application of cableless storage logging technology in horizontal well[J]. Chemical Enterprise Management, 2017(22): 120. doi: 10.3969/j.issn.1008-4800.2017.22.104
[11] 徐俊博,信毅,吴兴能,等. SL6000LWF钻杆输送无电缆测井在塔里木油田的应用[J]. 国外测井技术,2013(2):14–17. XU Junbo, XIN Yi, WU Xingneng, et al. SL6000LWF drilling pipe conveyance cableless logging application in Tarim Oilfield[J]. World Well Logging Technology, 2013(2): 14–17.
[12] 罗荣,李双林,罗军. 超深侧钻水平井测井工艺在塔河油田的应用[J]. 测井技术,2012,36(3):300–303. doi: 10.3969/j.issn.1004-1338.2012.03.017 LUO Rong, LI Shuanglin, LUO Jun. The appliacation of the ultra-deep sidetrack horizontal well logging technology in Tahe Oil-field[J]. Well Logging Technology, 2012, 36(3): 300–303. doi: 10.3969/j.issn.1004-1338.2012.03.017
[13] 蒋建平,罗荣,崔光. 超深、超长水平井测井工艺技术研究与应用[J]. 中外能源,2013,18(11):40–45. doi: 10.3969/j.issn.1673-579X.2013.11.008 JIANG Jianping, LUO Rong, CUI Guang. Research and application of the logging technology for super deep and super long horizontal well[J]. Sino-Global Energy, 2013, 18(11): 40–45. doi: 10.3969/j.issn.1673-579X.2013.11.008
[14] 罗荣. 顺南地区复杂条件下测井工艺研究与应用[J]. 中外能源,2016,2(21):54–58. LUO Rong. Research and application of logging technology under complex conditions in Shunnan Area[J]. Sino-Global Energy, 2016, 2(21): 54–58.
-
期刊类型引用(6)
1. 许期聪,陈东,冯思恒. 大排量直井段随钻测斜工具的研制与应用. 石油钻探技术. 2024(02): 174-180 . 本站查看
2. 单玉奇,殷晓丹. 石油探井用流道转换器加工方法研究. 现代制造技术与装备. 2024(05): 118-120 . 百度学术
3. 杨恒灿,张玉霖,林颢屿,菅志军,鲍东升,黄玥. 旋转导向钻井系统三肋流道转换器设计研究. 石油矿场机械. 2024(06): 56-61 . 百度学术
4. 卢华涛,药晓江,王清华,丁元皓,菅光霄. 随钻测斜仪扶正器优化设计与流体仿真. 中国石油和化工标准与质量. 2022(10): 73-75 . 百度学术
5. 简旭,李皋,王军,韩旭,黄兵,王松涛. 气体钻井声波超前测距方法与数值模拟. 石油钻探技术. 2022(03): 132-138 . 本站查看
6. 张正玉,袁军,李阳兵. 高强度高温高压直推存储式测井系统在超深井的应用. 石油钻探技术. 2022(05): 117-124 . 本站查看
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