生产测井基本方法-煤层气开采工艺

生产测井的基本方法有温度测井、流体识别测井、压力测井、流量测井及其他方法测井。

（1）温度测井

温度是反映系统热平衡的一个状态参数，自然界中任何物理、化学过程都紧密地与温度相联系。气田勘探开发过程中，气层温度和井内流体温度的变化是非常重要的参数和信息。温度测井是用电缆温度仪下入井内，测量记录某一深度的井温或沿井剖面的温度变化。温度测井资料可用于确定气层温度，了解井内流体流动状态，确定产气、产液位置，检查管柱泄漏、窜槽，评价酸化、压裂效果等多个方面。

①岩石及流体的热学性质。温度测井基于井眼周围地层是一个热稳定体的假定，自然温度梯度是由地球热扩散形成。当热平衡的正常条件被改变时，井内的温度梯度或径向温度分布就会发生变化。温度测井通过测量温度梯度或局部温度异常来反映这些变化，是基于对岩石和流体热学性质的了解，推断可能发生的情况。

产层温度主要来自地球内部的热能，在常温层以下，地壳的温度是随深度的增加而增加的，所以，产层温度的高低主要取决于在地壳中的埋藏深度。在常温层下，深度每增加100m时温度的变化称为地温梯度。对于不同的气藏，地温梯度是不同的，有的不到20℃／100m，有的却高达100℃／100m以上。把1g岩石的温度升高1℃所需的热量定义为岩石的比热容，一般为（0.15～0.5）×4.186J／（g·℃）。沉积岩的比热容变化范围较小，在（0.19～0.25）×4.186J／（g·℃）之间。岩石的热导率表征岩石传播热量的能力大小，在相当大的程度上取决于岩石的矿物组成、孔隙度及含水饱和度。

产层温度还可能受到地下循环水的影响。在存在活跃的边水区域性流动的条件下，当水温高于产层温度时，在开采过程中系统测量温度、观察温度的升高，可预测舌进和水锥。在气层开发过程中，气层温度直接影响着气体在流体中的溶解度、流体的黏度、游离气体的状态和性质等。

气井产气时，在井的单位深度上将产生均匀的升温或降温。除了流量极低的情况，井内一般是紊流状态。紊流流体的有效热导率较高，而且由于井眼半径很小，故在径向上流体的温度变化可以忽略。另外，与轴向热对流相比，沿深度方向的轴向热传导可以忽略。井内任何深度流体的温度变化是流量、时间、流体热学性质的函数，温度测井一般是在几小时内完成的。

②温度测井仪工作原理。温度测井仪由井下温度计和电子线路组成，生产测井常用的有普通井温仪、纵向微差井温仪、径向微差井温仪3种类型。井下温度计是温度测井仪的探头，其作用原理决定着仪器的工作方式，目前采用的主要有电阻温度计、PN结温度计和热电偶温度计。

温度测井仪多采用电阻温度计，精确度高而且测温范围大，见图7－12。电阻温度计采用桥式电路，受热时金属导体中的自由电子运动中互相碰撞的概率增高，因而电阻率发生变化，即可利用不同金属材料电阻元件的温度系数差异，间接求出温度的变化。

PN结温度计是利用结形二极管的正向电压随温度变化特性进行测温，见图7－13。PN结温度计灵敏度高，时间常数小，并且传感器尺寸小，系一次性产品，井下仪器无附加电路，组装简单，维修方便。

图7－12　电阻温度计结构

图7－13　PN结温度计结构

热电偶温度计是利用两种不同材料所组成封闭回路的热电效应测量温度或温度差，见图7－14。两种不同材料的导体A和B，两端连在一起，一端温度为T0，另一端温度为T，这个回路中将产生一个与温度T0和T有关的电势Eab（T，T0），如此构成的热电变换元件叫作热电偶，称A、B二导体为热电极。热电偶输出的信号为电势，因此，一般测量时可以不要外加电源，使用比较方便。并且热电偶结构简单，测温范围广，便于快速多点测量和自动记录，所以在工业中广泛使用。

图7－14　热电偶原理示意图

③井温测量要求。温度测井对仪器标定、测速控制和测井条件选择都有严格要求，以保证测取合格的井温曲线。温度测井可以在稳定生产或注入的流动条件下进行，也可以在关井后的静止条件下测量。为获得最优资料，对于流动测井，要求测前48h内生产或注入条件（流量、压力和温度等）保持稳定；对于静态测井，不允许有注入或泄漏以避免干扰测井信息。

温度测井应在所有测井项目中首先下井测量，并在仪器下放过程中进行，以免仪器与电缆运动破坏原始的温度场。如果需要重复测井，应将仪器提到测量井段上部停数小时，使被搅动的温度场恢复平衡后再进行测量。

④井温曲线定性应用。井温曲线在完井解释中是一种重要资料，在高压物性分析和区域性地温梯度对比中都有应用，原始地温梯度也是开采过程中温度测井对比的基础。井温资料解释目前仍以定性分析为主，分析的基本方法是将温度测井曲线同地温梯度线对比或将多次测量曲线进行比较，发现异常并分析产生异常的原因，从而对井下可能发生的情况做出推断。通过温度测井可确定地温梯度、产液层位、产气层位，还可检查水泥窜槽、评价酸化、压裂效果。

地温梯度值随地区不同差异很大，地温梯度应取值于注入或采气前的基准温度测井资料。如果没有基准温度资料，可以利用不同时间测量的井底温度恢复曲线求出原始地层温度，然后确定区域的地温梯度。

在生产井中，由于产出流体携带的热量，加上流动过程摩擦作用产生的热量，使井温比地温高。虽然流进井筒的产液温度可能不同，但产层上部的井温曲线最终都在地温梯度线上方。

当自由气从储层的高压状态进入井筒较低压力环境时，气体分子扩散、体积膨胀而吸热，从而在出气口附近形成局部低温异常。用井温仪测量这个变化，就可以确定产气层位，以便对气层采取措施。为了增大温度异常，可在测井前用热液洗井，然后在稳定生产状态下测量。图7－15中的梯度井温曲线和梯度微差井温曲线均有明显异常，而且负异常随生产气量加大而更加突出。

图7－15　气层的井温测井曲线

1.气嘴φ3mm；2.气嘴φ5mm

但是，出气口负异常显示并不是绝对的。当气体在地层中流动由于摩擦而产生的热比它膨胀时吸收的热多时，井温曲线上不会产生负异常。另外，当生产一段时间再关井时，气体膨胀在井温曲线上造成的负异常马上就会消失。

因为固井施工或其他井下作业问题，致使管外水泥环窜槽，造成层间窜流时，由于窜流的流体和原有的地层温度不同，从而井温曲线可记录到异常。图7－16是一口井的气向下窜流，从裸眼井段顶部流入井眼的情形。这个气窜现象是由于井温曲线在气顶高于地温梯度线，而在尾管底部有明显负异常而反映出来的，该井的补救办法是对尾管进行二次固井。

进行酸化处理时，挤入地层的酸液和地层中堵塞通道的化合物反应，产生放热效应。酸化后测井温，曲线上的正异常显示可确定酸液进入层位。(www.xing528.com)

压裂作业时，会有一定数量的压裂液挤入被压裂的地层。如果压裂液的温度与地层温度不同，则压裂后恢复期间测量井温，根据曲线异常变化便可确定被压裂开的层位。图7－17是一口井压裂后紧接着关井测量的温度恢复曲线。曲线上的负异常表明B层和D层被压裂开。通过不同时间测量的井温曲线对比，发现D层温度比B层恢复慢，说明D层吸入了更多的压裂液。

图7－16　井温测井示出套管外气窜

图7－17　井底处理后关井测量温度示意图

⑤井温资料定量解释。温度测井资料在有利条件下还可用于估算产出或吸入的流体流量。从理论上讲，通过求解适当单值性条件下的热扩散方程，可以求出已知性质流体的质量流量。实际上，由于温度测井结果影响因素非常复杂，目前还只能给出一定条件下的观察和研究结果。但近年来，由于重视井温理论的研究，用数值模型对热传导进行数学推导，并广泛应用计算机手段，使井温资料的定量解释正在不断发展。

（2）流体识别测井

生产井中，不同层段或同一厚层的不同部位，可能产出不同性质的流体。准确判断井底任意深度下流体的性质，对于评价产层特性，求解各相流量，都是非常重要的。目前，生产测井主要通过测量井内流体的密度或持水率以识别流体。测量流体密度的仪器有压差密度计和伽马密度计，测量混合流体持水率的仪器有电容式含水率仪、放射性含水率仪等。资料解释的主要任务是识别流体的类型，求解井眼中实际存在的各相流体比例。

此外，生产井中如果出现水泥窜槽或套管裂缝、穿孔等问题，流体还可能在套管和地层之间流动，即发生管外流动现象。管外流体识别对于评价井下机械效率、采取技术措施保证气井正常生产都是非常必要的。噪声测井可以判断管外流动，并可以识别管外流体的性质。氧活化水流测井可以识别水的流动是发生在管内还是管外，同时估算出水的流量大小。

①压差密度计测井。压差密度计的压敏箱和伸缩腔内充满密度为ρ0的煤油，当仪器置于密度为ρ的流体内时，流体便对压敏箱产生一个作用力使浮动连管及与其相连的磁性插棒一起移动，从而使换能器的线圈内输出一个同井内流体密度ρ有关的信号。

②伽马流体密度计测井。伽马流体密度计的测井原理与地层岩石密度测井仪类似，是利用流体对伽马射线的吸收特性测定流体密度，当窄束伽马射线穿过物质时，与物质发生光电效应、康普顿效应和电子对效应，射线强度衰减。伽马流体密度计测井曲线如图7－18所示，伽马流体密度计测井资料的应用与压差密度计相同。

（3）压力测井

压力是煤层气开发中的一个重要参数，储层压力一是来源于上覆岩层的静压力；二是来源于边水或底水的水柱压力。由于储层是一个连通的水动力系统，当气藏边界在供水区时，在水柱压力的作用下，储层的各个水平面上将具有相应的压力数值。有些储层虽然没有供水区，但在气藏形成过程中，由于流体运移时的水动力作用或地质变异时的动力、热力及生物化学等现象的作用，也会使储层内具有一定数值的压力。

气田投入开发前，整个储层处于均匀受压状态，这时储层内部各处的压力称为原始地层压力。原始地层压力的数值大小与气藏形成的条件、埋藏深度以及与地表的连通状况等有关。

气田投入开发后，采气、注水使原始地层压力的平衡状态被破坏，地层压力的分布状况发生变化，这一变化贯穿于气田开发的整个过程。处于变化状态的地层压力，包括静止地层压力和流动压力，主要通过生产井和观察井内的压力测量取得。在气藏的一定深度处，覆盖层压力等于流体压力与在个别岩石质点之间作用的颗粒压力之和。在某一特定深度处，覆盖层压力通常是常数，流体压力下降将导致颗粒压力相应增加。通常所说的压力实际上是指岩石孔隙内的流体压力。

图7－18　伽马流体密度计测井曲线

工程测试中的压力实际上是物理学中的压强，指作用在单位面积上的压力。

压力测量在生产井和注入井中完成，常用的压力计有应变压力计和石英晶体压力计，通过将所测频率信号转换成相应的压力值。通常同时测量压力和温度，用所测的温度值对测得的压力进行校正，以保证压力的正确性。

压力测量分两种类型：一种是梯度测量，即在流体流动或关井条件下沿井眼测量某一目的深度上的压力；另一种是静态测量，即仪器静止，流体可以流动也可以是在关井的条件下测量。生产测井通常是以第一种测量方式采集数据，试井压力分析通常以第二种方式完成采集数据。前一种方式所测压力数据主要用于套管、油管流动状态分析，试井分析测量（静态测量）主要用于确定储层参数。

应变式压力计：

应变式压力计由一个圆柱体构成，该圆柱体底部含有一个筒状压力空腔。一个参考线圈绕于柱体的实体部分，一个应变线圈绕于压力空腔部分。压力计外部置于大气压下，当压力空腔承受压力时，空腔的外部筒体产生弹性形变，这一形变传递至应变线圈，从而导致线圈的电阻发生变化，电阻的变化用惠斯通电桥进行差分测量。

石英晶体压力计：

石英晶体压力计是测量精度较为精确的压力计，石英晶体是压力传感器，呈圆筒状，通过缓冲管与井管相连，石英晶体的上端与下端用垫圈密封，晶体中间抽成真空形成谐振腔。温度恒定时，谐振腔的谐振频率与压力大小有关。井筒压力改变时，谐振腔的频率将发生变化。

（4）流量测井

流量是表征气井动态变化和评价产层生产特性的一个重要参数。生产测井的流量测量对象是井内流动的流体。单位时间内流过某一流道截面的流体体积，取决于流体流动的速度。流量测井实际上是测取与流体速度相关的信息，然后求出平均流速，再与截面积相乘求出体积流量。

流量测井中，目前应用最普遍的是涡轮流量计测井，放射性示踪测井、热导流量计和其他类型的流量计只有少数地区在特定情况下使用。涡轮流量计是利用流体的流动使涡轮转动，通过测量转速而求出流量，属间接测量方式。放射性示踪测井是利用放射性同位素作标记物，通过测量标记物的移动速度或浓度分布，间接求出井内流体的流量或相对流量。

（5）其他测井方法

除以上常用方法，生产测井还可根据具体需要和工程条件采用伽马测井、磁定位测井、中子寿命测井、碳氧比能谱测井、脉冲中子氧活化测井、套管工程检测测井等方法。