油燃而声 第23期 | 走向井底、走向油气层
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张烈辉 | 《油气简史》
油燃而声 第23期
（第二版 富媒体）
在我们通过给地球做 CT 检查（地震）发现地下深处可能埋藏油气的位置以后，则需要去证实这个位置是否真的存在油气，那就需要进行像医学检查中的“穿刺”一样，通过“穿刺”不同深度的岩层并使穿刺前端进入“CT”认为可能埋藏油气的地方，通过取出原位置的岩层等样品来确定。这种对地球的“穿刺”就是石油工程中所称“油气钻井”。“穿刺”也是建立油气从地下深处流向地面通道的过程。地下深处的岩层实际上也是地面各种形态（地貌）的岩层在数以亿计的年代里缓慢下沉下去的，因此在对地球深部进行“CT”时会发现地下同一年代的岩层也像现在地面形态一样。也可以说如果揭开聚集油气的岩层以上的地层来看，它其实和现今大家看到的地面地貌差不多，也存在各种各样的山峰、沟谷等复杂的“地貌”、崇山峻岭等情况。也会有很多悬崖、异峰地形，在崖下的山麓往往集聚碎石、岩块，形成岩块堆积。油气钻井过程就是在地下建油气流动的“隧道”，也会面临各种各样的岩层，软泥岩、破碎层、裂缝、大溶洞现象时常碰见，因此如何通过“穿刺”走向井底、认识油气藏并设计好保护参数对降低 井下“隧道坍塌”至关重要。目前认识地层的主要手段有：下入“千里眼”看地层情况（测井）、利用钻井过程中的地面返出物看地层情况（称为录井）、从地下几千米位置取样（岩样和流体样）分析以及目标油气层的生产测试等手段。
“千里眼”看地层——测井技术
俗话说，“上天容易入地难”“钻头不到，油气不冒”，生动 地总结了油气建井工程的特点：是一种隐蔽的地下工程，由于井眼尺寸小、进入地层深，加上地质不均质性，在钻头未钻达之前，对钻头即将进入的“位置”是无法精确掌握的。因此，“走向”最终的目标井底的过程，是一个循序渐进的过程。大家可能在想，现在科技这么发达，能不能在钻头上安装 “眼睛”呢？答案是肯定的，科学家们早已经想到了这一点。在实际钻井过程中，钻井工程师在钻头后面安装上一个仪器（称之为随钻测井仪），这相当于钻头长了“千里眼”，有了它，在前进的过程中就可以看到地下几千米甚至十几千米钻头所到之处井眼周围的情况，包括是什么样的岩石、地层流体的组分和压力、井眼最终目标、途经的地层岩性、分层界面、可能出现的工程复杂情况等，用于指导施工作业，避免在漆黑的夜晚“摔跟头”，这就是通常所说的测井技术。打个比方，与外科医生在做微创手术时的内窥镜相似。
▲(a) 钻前地震资料解释确定待钻井的轨迹
▲(b) 由预测的地层资料确定钻井轨迹方案
一口井从钻井开始，到油气藏采掘过程中，至油气藏枯竭，直至油气井废弃全生命周期，都需要测井。测井是勘探地下油气藏的重要方法，是油气藏勘探开发过程中非常有效的检查和监测手段。在目前的石油天然气勘探及开发开采工程技术中，测井提供的资料是最重要、最直接、分辨率最高的一种资料，无疑对石油天然气工业具有十分重要的意义和作用（详细内容请参见知识小讲堂“地球物理测井”）。
录井
“千里眼”看地层效果较好，但是大多数需要在钻井期间钻至一定深度后单独进行测量，认识地层存在一定滞后且花钱太多。为了在钻井过程中及时识别地层情况，准确发现油气层，人们又想出了利用钻井过程中的“地面排出物”看地层情况，这称之为“岩屑录井”。钻井过程中，钻头在井底钻碎的岩石碎屑称为岩屑，它通过钻井液循环，不断地返至地面。如果岩屑录井资料完整，并经过有经验的地质学家解释，通过这些岩屑就能获得相关地层的十分重要的消息。岩屑是及时认识井眼周围地层岩性和油气层的直观材料。按岩屑返排到地面的时间进行捞取和深度记录，并对每次取得的混杂样品进行挑选，排除上部坍塌的岩屑后，进行肉眼或显微镜下地质观察、描述、定名，粗略估算不同岩屑样品的质量或体积百分比，确定不同取样深度的岩石类别，可以做出井下地层岩性剖面柱状图，通过此图可以清晰地认识地下岩性组合特征。在此工作中还要用荧光灯照射某些层段的岩屑以识别其含油气性，以上工作统称为岩屑录井。录井所获得的岩屑含有所属地层的多种信息，包括岩石类型、钻遇的地层、岩石的地质年代、钻遇地层的井深、地层可钻性、孔隙度和渗透率参数等，可推断所属地层的物理化学性质、含油气情况等。岩屑录井具有费用少、了解地下情况及时、资料系统性强、成本低、简便易行等优点，是油气勘探中必须进行的一项工作。
▲岩屑
对于探井而言，通常是在全井段按一定规律间隔获取岩屑样，对于开发井而言，只需对目的层获取岩屑样，无需全井段大范围取样。
在进行岩屑样的采集时务必要当心，必须确保记录的钻井时间与相应的地层深度匹配，否则会漏掉信息，漏掉地层。
录井，除了岩屑录井之外，还有钻井液录井。简言之，就是指在钻井过程中利用专用器具和设备按一定深度或时间对返出井口的钻井液密度、黏度、温度、电导率、失水量、滤饼、含砂量、切力、pH 值、氯离子含量、含油气显示情况与性质、钻井液漏失量、涌出量等各种资料进行观察、化验与记录。通过钻井液录井可以及时发现油气水漏迹象，对安全、快速钻井和判断地下油气水层十分有意义。
除此之外，录井还有岩心录井。简言之，就是指在钻井过程中，用专用取心工具在井下从地层中取出岩石样品，并对这些岩石样品进行整理、丈量、归位，对岩石的岩性、颜色、结构、成分、构造、孔洞缝特征、含油气水情况进行观察与描述，并根据油气田勘探开发需要进行相应实验分析，从而了解地层的岩性、时代、沉积特征、岩石物理化学性质和含油、气、水状况，是计算石油储量、编制合理开发方案、提高采收率等必不可少的基础资料。
不言而喻，录井是油气勘探与开发活动中最基本的一项技术，是成功走向井底，发现油气藏、认识油气藏、评估油气藏、改造油气藏、保护油气藏最及时、最直接的手段，它具有获取地下信息及时、多样，分析、解释和评价快速的特点。岩屑录井已成为一种不可或缺的资料获取方法。
从地下几千米位置取样（岩石样品、流体样品）分析
岩屑录井成本低，效果好，但是不能完全反映地层岩石的整体情况，测井可以很好地推测油层的某些性质（如孔隙度、渗透率、地层厚度等），但不能取代在油气藏岩石上进行直接测定，因此，有时候还需要从地层岩石中做小型“穿刺”取“活体”样本，叫取心，即为了解地层地质情况，对所钻地层进行岩石取样的过程，是最早采用的一种地层评价方式。类似去医院做“活检”。取心需要向地层几千米的位置下入专业工具，成本较高，但取心是获得地下岩层样品的最佳途径。取心的工序是：从井中起出钻柱，然后将取心钻头或井壁取心器下入井中进行取心。将所取的岩石样品在实验室进行分析，如粒度分析、岩心薄片观察鉴定、电子显微镜观察、CT、核磁分析等，就可以获得地层岩石的孔隙度、渗透率、压缩性、含油含水饱和度等性质。
取心提供了研究一口井中从浅到深的岩石序列性质的机会。它可以记录所钻遇地层的岩性，并且可与测井资料进行对比。根据对取出的样品储层物性（孔隙度和渗透率）的测定就能够定量表示这个井段储集油气的岩层特性。此外，从所取的岩心中钻取的岩样也可以用于研究连通孔隙空间的流动特征和流体特性等。
▲岩样
▲取岩样工具
▲现场井下流体取样
通常，取心有两种情况。包括油气藏投入采掘前取心和采掘过程中取心。在油气藏投入采掘前，在勘探阶段通过钻井获取地下岩心，对其分析可以获得地层的年代，油气层起伏（构造形态）、分布、面积、埋深、厚度等。在油气藏采掘过程中取心，通过取心井获取岩心，对其分析可以获得注入水的推进情况及波及范围、油气层水淹状况、剩余油气分布及富集区域等。
显然，利用岩心可以直观分析油气层的性质，推断油层中含油含气、油气层的好坏等，从而获得重要的勘探开发信息。
当钻到目标油气层时，将对目标油气层中的流体进行取样（包括地下取样和地面取样），然后送到实验室分析这些流体（油、气、水）的 PVT 性质，即在不同温度压力下流体性质（如黏度、气油比、压缩性等）的变化。
▲井下流体取样器
生产测试
通过地震勘察、钻井、录井、测井、取样等手段初步确实可能含油（气）层位，为了确定是否具有经济价值或是否达到工业油气产量的基本要求，需要进行试油（试气）。即首先通过放喷的方式，计量在不同压力下的井口产出油气量的速度（或称为日产量）。
▲海上生产测试
▲陆上生产测试
除了上面所说的证实是否具有工业开采价值的试油（试气）外，在油气井生产初期或在某个阶段，我们需要知道该井产油岩层的流动条件、供液和供气能力，常常也进行测试，需要向井底下入不同类型的工具来开展工作。这些测试包括了解地层流动性质的测试、产能测试（供液 / 供气能力测试）和了解产油岩层在不同深度的出油能力差异等。了解地层流动性质的测试是在井底下入温度和压力计，记录在井口开井和关井的时间段内油气井的井底压力和温度的变化数据，然后通过相应的数学方法来了解和解释产油气层位的岩层流动条件。供液能力和供气能力测试也称为油气井的产能测试，它是通过记录逐渐改变井口产量时井底流动压力的变化数据，通过对比生产压差（原始地层压力和井底流动压力的差）和产量的关系，求取不同生产压力差下的产量关系式。而了解产油气层位不同深度 的出油能力，主要是通过将特定的仪器下入井筒，可测试地下岩层不同深度段的产出情况。
▲井筒至井底入工具情况（左图，胡文瑞，2021）
地球物理学家通过地球物理勘探可以预测石油和天然气富集的最有可能的地理位置及可能发现油气的地质年代，但具有不确定性，还有很多“模糊”的问题需要回答。而回答这些不确定性问题的就是钻井工程师，他们通过钻井钻遇地层，通过各种方法（例如测井、录井、取样、测试）来确定和挖掘钻遇地层包含的所有信息，对油气层评价来说非常重要，例如查明油（气）藏构造形态、含油（气）面积、储量规模、流体性质及生产能力等一系列情况。
我们下期再见
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