氣體鉆井返出氣體檢測方法研究

劉金龍 ，李永杰 ，王延民 ，孟英峰 ，魏納 ，宋巍

（1.西南石油大學油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川 成都 610500；2.中國石油塔里木油田公司，新疆 庫爾勒 841000）

氣體鉆井是通過將空氣、氮氣等氣體為連續(xù)相的循環(huán)介質(zhì)注入井筒，以實現(xiàn)清潔井眼、冷卻鉆頭等為目的的鉆井方式。目前，氣體鉆井技術(shù)在國內(nèi)多個油田及區(qū)塊得到了應用，應用目的也由非儲層的提速增效，拓展至保護儲層、提高產(chǎn)能，特別是致密砂巖氣藏，采用氣體鉆井技術(shù)鉆進儲層的單井產(chǎn)能可達到常規(guī)鉆井的數(shù)十倍［1-2］。但是，氣體鉆井與常規(guī)鉆井相比［3-5］，為滿足不同井眼尺寸、不同井深、地層出水等影響下的井眼凈化要求，其循環(huán)介質(zhì)注入量大（100～300 m3/min）；再者，由于其工藝流程、取樣條件不同，取氣裝置不配套，氣測設備的工作特性缺陷等原因，氣體鉆井鉆遇產(chǎn)氣儲層后返出氣體的檢測方法還有待完善。

1 氣體檢測的意義

氣測是氣體鉆井過程中發(fā)現(xiàn)、評價儲層的重要手段。以氣體為循環(huán)介質(zhì)時，井底壓力最低（通常只有1～2 MPa），且消除了液相儲層傷害，含油氣儲層都能實現(xiàn)油氣向井筒的滲流［6-7］。因此，氣體鉆井往往會發(fā)現(xiàn)一些常規(guī)鉆井未被發(fā)現(xiàn)或被認為沒有工業(yè)開采價值的新儲層。氣測就是通過測量全烴及各組分的含量變化，判斷是否有新儲層揭開，并評價儲層的產(chǎn)流能力。

及時、準確地發(fā)現(xiàn)地層氣體產(chǎn)出及泄漏是保證氣體鉆井安全的關(guān)鍵。氣體鉆井由于井底滲流壓差大，若揭開儲層不恰當，地層高壓突然釋放，大量的地層氣體涌入井筒，勢必導致井壁失穩(wěn)、井下燃爆等井下安全問題；若能在鉆開蓋層與儲層之間的過渡層時，及時檢測出地層氣體并預警，調(diào)整施工措施，放噴泄壓，就能有效降低氣體鉆井的井下安全風險。同時，高速流動氣體對地面裝置、管線的沖蝕，極易導致地面裝備失效、刺漏；可燃、有毒氣體泄漏也會危及地面人員和裝備安全。所以，及時發(fā)現(xiàn)地層氣體泄漏并采取相關(guān)措施，是保障氣體鉆井地面安全的前提。

2 目前氣測存在的問題

目前氣體鉆井氣測存在的根本問題，在于不能實現(xiàn)及時和準確檢測、發(fā)現(xiàn)地層氣體產(chǎn)出和地面管線氣體泄漏。氣體鉆井通常機械鉆速較高，氣體的遲到時間較短（2 000 m井深約為2 min），且注入較大氣量會稀釋產(chǎn)出的地層氣體［8-9］。現(xiàn)場錄井通常使用一個較大的沉淀桶對氣樣除塵、凈化、干燥，再通過管線泵吸至室內(nèi)進行檢測。但將沉淀桶內(nèi)氣體混合至真實體積分數(shù)氣樣的時間、管線輸送氣樣至檢測器的時間，加上色譜儀分析氣樣的周期，致使地層氣體檢測的時間滯后2～5 min。

對于高產(chǎn)儲層，若以正常鉆井參數(shù)鉆進，2～5 min鉆頭已經(jīng)揭開4 m以上儲層，一旦高于井底壓力數(shù)十倍的地層高壓突然釋放，大量的地層氣體就會進入井筒，這無疑將增加井下安全風險；而對于一些低產(chǎn)薄儲層，由于應力敏感性、速敏等因素的影響，在儲層揭開后會出現(xiàn)“一股氣”現(xiàn)象，地層氣體不會持續(xù)產(chǎn)出，就有可能根本采集不到該段氣測信息，或采集信息不準確，導致不能正確識別、評價儲層。

對于地面管線和裝置的氣體泄漏檢測，目前主要是使用管線壁厚檢測設備和便攜氣體檢測設備進行周期性的人工檢測。這種方法以預防為主，沒有實現(xiàn)自動化實時在線檢測，極易導致地面安全事故的發(fā)生。以大邑縣X井為例，該井在實施氮氣鉆井過程中，在沙溪廟組地層意外鉆遇高壓高產(chǎn)氣層，最終地層氣體溢出地面閃爆著火，引發(fā)井噴事故。

3 氣體檢測方法及特性

氣體檢測分析屬于分析化學計量范疇，是通過標準物質(zhì)、標準方法和標準數(shù)據(jù)等手段進行量值溯源和傳遞的［10］。 目前針對不同氣體的檢測方法有數(shù)十種［11-12］，主要是通過檢測不同組分氣體物理、化學性質(zhì)的差異，實現(xiàn)對氣體組分的定性及定量分析。氣體的物理性質(zhì)主要指氣體的熱力學、光學特性，化學性質(zhì)主要是氣體發(fā)生氧化還原反應伴隨的電荷轉(zhuǎn)移、溫度變化引起的檢測元件的屬性變化。

3.1 常用氣測方法

針對鉆井現(xiàn)場應用需要及環(huán)境條件，本文列舉出幾種常用氣體傳感器的氣測原理和方法［10，13-16］。

2）熱導式：氣流通過測量熱絲時，熱絲被冷卻而導致其電阻產(chǎn)生相應變化，由于不同氣體的熱導率不同，冷卻效果也不同，根據(jù)這一結(jié)果對氣體進行檢測。

3）催化燃燒式：可燃氣體與空氣中的氧接觸發(fā)生氧化反應，產(chǎn)生無焰催化燃燒熱，使敏感材料電阻值增大，根據(jù)電阻值的變化，來測量可燃氣體的性質(zhì)及體積分數(shù)。

4）電化學式：利用兩個電極之間的化學電位差進行氣體檢測，一個電極做固定的參比電極，另一個電極在氣體中檢測氣體體積分數(shù)。可通過設定不同電位、電極材料、使用過濾膜來確定其對氣體的選擇性。

5）離子化檢測式：氣體分子在高能量下會被離子化，并在兩個電極之間產(chǎn)生電流，通過測量電流就可實現(xiàn)對氣體體積分數(shù)的檢測。離子化檢測器是氣相色譜分析使用最普遍的檢測設備，根據(jù)離子化能量來源可分為光離子化檢測器和火焰離子化檢測器。

6）紅外線吸收式：氣體分子能吸收特定波長紅外光，通過測量氣體受紅外輻射能的影響變化，實現(xiàn)氣體體積分數(shù)測量。該型氣體傳感器可通過限定輻射光譜波長范圍，實現(xiàn)對氣體的選擇性測量。

7）可調(diào)諧激光式：與紅外吸收式原理相同，但兩者使用的光源和光譜不同。可調(diào)諧激光型氣體檢測采用近紅外半導體激光器，通過調(diào)節(jié)電流的大小控制激光波長，克服了紅外波帶寬的缺點。

另外，還有氣相色譜檢測，是一種分離測定多組分混合物的氣體檢測方法。該方法基于不同物質(zhì)在流動相和固定相之間具有不同的分配系數(shù)，當兩相作相對運動時，組分在兩相間進行連續(xù)多次分配，達到彼此分離的目的。其適用于揮發(fā)性及熱穩(wěn)定的物質(zhì)，能效高，選擇性強，應用范圍廣。

3.2 不同氣測方式的響應特性

使用不同的氣體傳感器，由于氣測原理不同，檢測氣體的類型、體積分數(shù)、檢測方式和使用范圍等響應特性也不同（見表1）。

治療前三組的McCormack評分差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）；治療后，三組McCormack評分均低于治療前（P＜0.05），且C組低于A組及B組，B組低于A組（P＜0.05）。見表2。

表1 不同氣測方式的響應特性對比

4 氣體鉆井氣測方法優(yōu)化

為保障氣體鉆井施工安全，就要針對氣體鉆井的具體情況，優(yōu)化和改進氣測方式、方法；著重提高地層返出氣體檢測的反應速度，縮短檢測時間，提高氣體檢測的精度，及時準確地采集各層段氣測信息，提高地面泄漏有害氣體檢測的靈敏度，實現(xiàn)快速預警。根據(jù)氣體鉆井特點和施工現(xiàn)場環(huán)境條件，氣測方法作以下改進：

1）采用多種檢測方式聯(lián)合檢測的方法，實現(xiàn)對氣體鉆井返出氣體的組分和體積分數(shù)檢測。這樣既可提高檢測精度，又可降低檢測響應時間。例如，對體積分數(shù)低的可燃氣體采用半導體式檢測，體積分數(shù)高的可燃氣體采用熱導式檢測，同時采用氣相色譜配置氫火焰離子監(jiān)測器定量檢測可燃氣體中C1—C5+的體積分數(shù)，采用電化學式檢測O2體積分數(shù)，采用紅外式檢測CO2體積分數(shù)。

2）以光學氣測方法替代傳統(tǒng)檢測方法。光學氣測方法可對氣體鉆井現(xiàn)場泄漏氣體實施在線檢測，具有非接觸反應、選擇性強等特點，不需要載氣和燃燒氣，檢測過程安全、程序簡單。該型氣測裝置能夠?qū)崿F(xiàn)光程內(nèi)的痕量氣體檢測，抗環(huán)境干擾能力強，可以及時發(fā)現(xiàn)井下返出氣體，以及地面裝置或管線泄漏的有毒氣體，防止地面人員中毒和可燃氣體爆炸。但從實驗來看，其檢測精度和光學穩(wěn)定性還有待于提升［17］。

3）氣體鉆井過程中，氣測裝置應置于排砂管線處就近檢測返出氣體組分及體積分數(shù)，樣氣經(jīng)簡單地干燥凈化后即可直接檢測，無需經(jīng)管線輸送至室內(nèi)。

5 結(jié)論

1）及時、準確地檢測分析返出氣體組分及體積分數(shù)是保障氣體鉆井井下安全的關(guān)鍵，也有利于發(fā)現(xiàn)和評價儲層；同時，對地面氣體泄漏實施在線檢測，可確保地面人員與裝備的安全。

2）氣體鉆井現(xiàn)場氣測要本著裝置響應快、靈敏度高、能持續(xù)在線工作的原則優(yōu)化改進，以及時采集各層段氣測信息，并對地層產(chǎn)出氣預警。

3）對不同氣體檢測方法的原理及響應特性對比分析看出，光學氣體檢測方法明顯優(yōu)于其他檢測方法。

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