用差分色谱法消除气测背景气及外源气干扰的可行性探讨

1、用差分色谱法消除气测背景气及外源气干扰的可行性探讨作者：李志强 一、问题的提出众所周知，气相色谱分析技术以其自动、直观、连续、有效和经济等特点，长期以来在现场钻井地质录井过程中一直扮演着一个举足轻重的角色。它在快速发现、捕捉和评价油气水显示方面具有其它录井技术和方法无法取代的地位和作用。传统的现场色谱分析系统是通过连续采集出口钻井液中的脱出气体进行分析的，而出口钻井液中所包含的碳氢化合物气体成分的来源是多种多样的：即可能产生于被钻头破碎的含油气地层本身（也就是通常所说的“破碎气”和“产出气” ） ，也可能是由于起下钻或油气水浸所产生的二次循环气，还可能来自人为混入的各种钻井液有机添加剂（如原油、磺化沥青等）所产生的外源气等等。前者是钻井地质录井所重点关注的目标和对象，而后两者因会产生背景气或常常与地层破碎气混合在一起产生迭加作用，往往会掩盖地层真实的油气水显示，也给现场油气水层的评价和解释带来了更多的不确定因素。因此，如何从出口钻井液所测得的气体含量中消除气测背景值和钻井液添加剂的影响，以便较真实地反映地层“破碎气”和“产出气”的含量，这已成为传统气体检测手段提高数据源可靠性的一个急需

2、解决的问题。围绕提高地面录井采集数据源可靠性和可用性的问题，多年来国内外录井界做出了不懈的努力，采用了诸如定量脱气器、热真空蒸馏脱气（VMS） 、地化油显示分析及定量荧光分析等许多方法来消除对采集和分析数据的干扰因素，尽量间接反映地层真实的含气量。但是这些方法要么无法排除背景气或外源气（来自除地层气以外的其它污染气体）的干扰，要么受其分析方法的局限，无法做到象色谱分析那样具有连续、快速、直接、方便的特点。因此，寻求一种既能尽量消除背景气或外源气的干扰、而又可保留色谱分析特点的新方法就显得十分必要且具有重要的现实意义。二、差分色谱的概念及其实现方法在钻井液从入口处（上水罐）被泵入井眼到返回至出口脱气器的整个过程中，如果不考虑钻井液中有机添加剂的物理化学变化、气体散失、气体上串、出入口钻井液性能和温度等因素的影响，理论上在正常情况下（地层中不含油气水的情况下） ，入口钻井液中的气体含量背景值应该与出口钻井液中所测得的气体含量相同。也就是说，任一时刻出口处钻井液中的气体含量减去一个循环周期之前被泵入的钻井液中的气体背景值-我们称之为“差分”的结果应该接近为零。这样当地层中有油气进入钻井液中并

3、被地面色谱分析检测到时，通过“差分”处理得到的色谱分析结果就应该是消除了钻井液中背景气的干扰、来自地层的真实油气显示。因此我们把某一时刻出口钻井液色谱分析结果与推算到一个循环周期之前入口钻井液色谱分析结果相减所得到的差值称为“差分色谱” 。为实现差分色谱的目的，硬件上要求在钻井液上水罐处安装一套与出口脱气器脱气量和脱气效率相近的脱气装置，同样在录井仪器房内也必须有两套性能基本相同的色谱分析系统。在正常钻进过程中，两套色谱仪分别分析来自出口脱气器与入口脱气器所脱出的钻井液中的可燃气体。如果把当前某一时刻从出口钻井液脱出的气体色谱分析结果看作实时数据，那么这股钻井液在被泵入井眼之前-即相对于当前出口这一时刻的一个循环周期之前从入口钻井液脱出的气体色谱分析结果应该被称作迟到数据。这样实时色谱差分数据就是用当前出口色谱的每一组组分的浓度值减去距一个循环周期时间之前最近的一组入口色谱组分的浓度值（严格说来，此处的“循环一周”概念是指钻井液从入口脱气器处开始，经地面循环管汇沿钻具下行至井底，然后上返至出口脱气器处的时间。与传统的“循环周期”概念不同的是多了一段钻井液从入口处到达井口的时间） 。由此

4、获得的色谱数据代表消除了泥浆背景气（包括泥浆添加剂）的来自地层的含气量。从软件上来说，差分色谱的计算还应扣除色谱分析周期及出、入口脱气器管线延迟时间所造成的时间差。事实上在现场，色谱分析周期和管线延迟时间可以事先通过实测得到，而循环一周时间也可以通过理论计算和实测校正相结合的方法准确获得。这样入口色谱的“采样时间” （此处“采样时间”的定义是色谱从脱气器处开始进样的时刻）就等于：计算机采集到入口色谱分析结果的时刻入口色谱分析周期入口色谱管线延迟时间如果基于“采样时间”保存一张入口色谱的分析结果表，那么当前某一时刻出口色谱所对应的“迟到色谱”数据就可以通过下式所计算的时刻从表中查出：计算机采集到出口色谱分析结果的时刻出口色谱分析周期出口色谱管线延迟时间循环 1 周时间由此可以得到对应于当前某一时刻出口色谱的差分色谱“分析”结果：差分色谱出口色谱分析结果迟到色谱数据为了充分利用出、入口色谱数据和差分色谱数据进行事后分析、解释和评价，可按照WITS 标准分别建立基于出口色谱采样时间的出口色谱周期表、基于迟到井深的出口色谱井深表、基于入口色谱采样时间的入口色谱周期表、基于采样井深的入口色谱井深

5、表、以及基于出口色谱采样时间的色谱差分周期表和基于迟到井深的色谱差分井深表。在实际应用过程中，基于井深的色谱数据可取整米之中组分 C1 百分含量为最大的一组峰值。三、差分色谱的测量条件及其影响因素为使差分色谱的计算结果具有一定的理论基础和实际应用价值，差分色谱的测量应该至少满足以下四个条件：出、入口脱气器的脱气量和脱气效率应保持恒定和一致出、入口色谱仪的工作条件和性能应十分接近采用相同类型和长度的出、入口色谱样品气管线，以消除样品气管线体积不同所造成的差异出、入口色谱的标定结果应尽量接近或一致事实上，影响现场色谱测量环境和条件的因素有很多，出口色谱与其对应的迟到色谱数据不可避免地会出现不吻合的情况，致使差分色谱计算数据不合理甚至出现负值现象。就目前所知，影响差分色谱计算结果的可能因素有：钻井液中的气体在上返至近地面的过程中的散失可能会导致二次循环气入口色谱的分析值高于一个循环周期后出口色谱的值，使差分色谱数据失真或出现负值在近平衡或欠平衡钻井条件下，气体上串的结果会使实际循环时间（即钻井液循环时间）缩短，以该时间来查询对应的入口色谱数据（迟到色谱数据）就会使两者无法实际对应和吻合，计算

6、的差分色谱数据就会不准确钻井液有机添加剂从入口处加入后通常要经过几个循环周期才能循环均匀；有些添加剂只有在经过井下高温分解后才会产生对气测有影响的气体两个上水罐的交替使用会使未安装脱气器的活动池的入口色谱失真在停、开泵之后的一段时间内，出口色谱值很小或无值，而入口色谱保持恒定，在这种情况下有可能会出现差分负值即便在采用定量脱气器的条件下，由于出口钻井液与入口钻井液之间的温度、粘度和密度方面的实际差异也会导致在相同脱气量的情况下脱气效率的不同。对于因开关泵造成的差分色谱负值，可以通过“色谱有效性验证”的方法加以消除。 “色谱有效性”的概念是：在停泵并延时一段时间（管线延迟时间）之后的色谱值为无效；在开泵并延时一段时间（管线延迟时间）之前的色谱值无效；以此可能会消除不必要的差分负值。用关系式表示色谱有效性为：（开泵时间+开泵提前） 采样时间 （停泵时间+停泵延时）除以上影响因素以外，如果“循环一周时间”计算不准，将会导致出口色谱数据与“迟到”色谱数据之间不吻合而使差分色谱计算不合理。 “循环一周时间”应该包括钻井液从入口脱气器开始沿地面管汇循环至井口的时间、钻井液沿钻柱下行至钻头的下行时间

7、以及沿环空上返的迟到时间三个部分。在已知地面管汇、钻柱各分段的内径和长度及环空各段数据的前提下，上述三个部分的循环时间可以很方便地通过入口流量计算得到。而入口流量本身又与泥浆泵的属性和性能有关。因此准确计算入口流量是获得“循环一周时间”的前提。今后如能考虑使用入口流量计传感器实测入口流量，那么不仅迟到时间的计算会更加可信，而且平均井径和井眼容积的计算也会更加准确。 “循环一周时间”可以像传统的实测迟到时间的方法那样测得，以便用于校正理论计算的值。但跟踪物的投放地点不是在钻台上的钻杆接头处，而应该采用电石碎块从上水罐的入口脱气器处放入。这种实测方法是否有效，尚需通过实践验证。总之，影响差分色谱的因素有很多，而有些影响因素在目前条件下并没有有效的方法能够排除，这势必会影响差分色谱方法的实际应用价值。至于差分“负值”也并非都没有使用价值。在实际操作过程中应分析产生差分“负值”的原因，针对不同的情况区别对待和分析。五、差分色谱在录井现场的应用实例为了测试差分色谱的实际使用效果，我们在东北油田某录井现场进行了实际测试。测试过程中采用由上海神开科技工程有限公司生产的两台 SK-3Q04 智能化快速

8、色谱仪（分析周期30 秒） 。出口脱气器采用常规电动脱气器；入口脱气器采用浮子式电动脱气器。同时采用两根相同尺寸和长度的不吸附样品气管线，以消除管线体积的不同而产生的误差。表示在入口上水罐加入钻井液添加剂后，入口总烃呈上升趋势；而出口总烃在一个循环周期之后也开始升高。在无油气显示的情况下，此时所获得的差分总烃接近零值，从而有效消除了钻井液添加剂对气测的干扰。当入口上水罐中加入钻井液添加剂（消泡剂）后，出、入口两台色谱的总烃在实时分析曲线变化情况。曲线横坐标表示从当前时间（右边界）向左往前推最近一个小时的总烃分析曲线。当入口上水罐加入添加剂后，入口总烃开始上升；在一个循环周期之后（35 分钟左右） ，先前加入的添加剂随钻井液返出地面并被出口色谱检测到，则出口总烃开始上升，结果这一段的差分色谱接近为零。遗憾的是，针对差分色谱的两次现场试验结果并未达到设计的理想效果，主要原因是现场未能满足差分色谱测的测试环境和条件。有关差分色谱的效果和可行性尚须进一步测试。六、差分色谱在现场油气水解释中的意义1差分色谱能够自动连续消除背景气、二次循环气对真实异常油气显示的掩盖，有利于油气显示的发现和确定。2现场实践经验表明，有机添加剂特别是原油（或柴油）对重组分的影响十分严重，致使采用常规气测数据无法对这种情况下新钻揭的油气显示层进行解释和评价。在满足差分色谱测量条件的前提下，差分色谱可在很大程度上消除原油（或柴油）等有机添加剂或混油钻井液的干扰，有利于采用常规气测解释方法进行油气水层的评价。3差分色谱因消除了钻井液背景气的影响，可利用差分色谱各组分之和连续计算地面含气量，为实现气测录井半定量或定量解释提供了一种方法和途径。

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