深水鉆井沿隔水管超聲波氣侵實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究*

耿亞楠 李軼明 朱 磊 馬昭華 朱連望 周云健

(1.中海油研究總院 北京 100028； 2.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 北京 102249)

深水鉆井沿隔水管超聲波氣侵實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究*

耿亞楠1李軼明2朱 磊1馬昭華2朱連望2周云健2

(1.中海油研究總院 北京 100028； 2.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 北京 102249)

早期溢流監(jiān)測(cè)對(duì)預(yù)防石油開(kāi)發(fā)鉆井過(guò)程中井噴失控惡性事故具有至關(guān)重要的作用。深水鉆井作業(yè)過(guò)程中在不破壞鉆井隔水管力學(xué)結(jié)構(gòu)的前提下，基于非接觸式超聲波測(cè)量手段沿程監(jiān)測(cè)隔水管內(nèi)部鉆井液流動(dòng)特征參數(shù)，設(shè)計(jì)了適合深水鉆井隔水管氣侵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)?zāi)M分析了深水鉆井隔水管氣侵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)超聲波時(shí)差法和超聲波多普勒法的氣侵監(jiān)測(cè)效果，結(jié)果表明：超聲波時(shí)差法雖然在清水中可以實(shí)現(xiàn)含氣率測(cè)量，但是對(duì)于水基鉆井液并不適合；極小含氣情況下，多普勒頻移量出現(xiàn)極大衰減，并隨著含氣率的增加而下降，因此超聲波多普勒方法對(duì)氣侵早期識(shí)別具有可行性。上述成果對(duì)于深水鉆井早期溢流監(jiān)測(cè)有指導(dǎo)意義。

深水鉆井；隔水管；氣侵監(jiān)測(cè)；井噴；超聲波多普勒法；超聲波時(shí)差法

石油鉆探過(guò)程中井噴事故時(shí)有發(fā)生，而深水作業(yè)發(fā)生井噴事故所造成的損失遠(yuǎn)超陸地與淺水，事故處理也更加復(fù)雜[1-2]。統(tǒng)計(jì)表明，井噴事故發(fā)生前的一定時(shí)間內(nèi)會(huì)先出現(xiàn)溢流現(xiàn)象，如2003年重慶開(kāi)縣的12·23井噴事故[3]發(fā)生前約5 min發(fā)現(xiàn)溢流；2006年四川宣漢縣清溪1井嚴(yán)重溢流事故實(shí)施關(guān)井前約5 min發(fā)現(xiàn)鉆速異常和溢流；2010年墨西哥灣的深水地平線號(hào)井噴著火前幾分鐘也發(fā)現(xiàn)溢流。如果地層流體剛進(jìn)入井眼就能發(fā)現(xiàn)，那么井控相對(duì)容易，但目前的溢流監(jiān)測(cè)方法還很難做到。目前主要溢流監(jiān)測(cè)方法有泥漿池液面增量法、鉆井液流量監(jiān)測(cè)法、聲波氣侵監(jiān)測(cè)法和隨鉆氣侵監(jiān)測(cè)法等[4-7]。其中泥漿池液面增量法由于計(jì)量精度和人為因素的影響做到早期預(yù)警難度較大[8]，鉆井液流量監(jiān)測(cè)法受質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量原理限制不能應(yīng)用于存在開(kāi)口管路的系統(tǒng)上或流體不完全充滿管路的情況下，聲波氣侵監(jiān)測(cè)法[9]采用泥漿泵產(chǎn)生的聲波探測(cè)鉆井液中含氣液柱異常反射波來(lái)判斷井筒內(nèi)是否出現(xiàn)氣侵，而隨鉆氣侵監(jiān)測(cè)法則利用隨鉆測(cè)井技術(shù)監(jiān)測(cè)地層異常和井筒內(nèi)壓力異常，但不適合鉆具不在井底情況。

相對(duì)于陸地與淺水，深水鉆井有500～3 000 m暴露在海水環(huán)境中的隔水管系統(tǒng)。若能利用這段空間加裝氣侵監(jiān)測(cè)傳感器，尤其采用沿程多點(diǎn)監(jiān)測(cè)方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)，既可以較早發(fā)現(xiàn)氣侵，同時(shí)還可以跟蹤評(píng)價(jià)氣體運(yùn)移，將會(huì)給深水井控帶來(lái)可靠的安全信息，這是對(duì)常規(guī)監(jiān)測(cè)方法的補(bǔ)充。本文在分析“海洋石油981”鉆井平臺(tái)在荔灣3-1及周邊氣田鉆井狀況的基礎(chǔ)上，基于深水鉆井特點(diǎn)及隔水管組成特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種適合深水鉆井的隔水管氣侵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用非接觸式測(cè)量技術(shù)，在水下沿隔水管分布式布置傳感器對(duì)隔水管內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氣侵早期預(yù)警功能。

1 沿隔水管監(jiān)測(cè)氣侵點(diǎn)設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)

1.1 隔水管及沿程氣侵監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)

深水鉆井隔水管是連接海底和頂部水面鉆機(jī)設(shè)備的物質(zhì)輸運(yùn)通道，同時(shí)將水下防噴器組等鉆井設(shè)備與海面船只和工具相連，其主要作用之一是利用隔水管與鉆桿之間的環(huán)形空間將鉆井液輸運(yùn)至水面。“海洋石油981”鉆井平臺(tái)所使用的鉆井隔水管外部安裝有浮力塊，每根標(biāo)準(zhǔn)隔水管單根長(zhǎng)度23.22 m，外徑533.4 mm，根據(jù)下入不同深度的耐壓要求，隔水管壁面厚度最厚為25.4 mm;隔水管之間的連接采用雙排鎖耳，頂端為陰螺紋，底端為陽(yáng)螺紋，在2根隔水管連接位置處存在0.5 m長(zhǎng)未被浮力塊覆蓋的裸露區(qū)域，本文提出的隔水管氣侵監(jiān)測(cè)設(shè)備可安裝在這一區(qū)域(圖1)，并隨隔水管下入水下。

圖1 帶浮力塊隔水管氣侵監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝示意圖

在深水鉆井過(guò)程中，鉆井液從水下防噴器位置流入鉆桿和隔水管之間的環(huán)形空間，而后運(yùn)移至平臺(tái),這一距離一般超過(guò)500 m。正常鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆井液由泥線運(yùn)移到平臺(tái)的時(shí)間至少在20 min以上，如果隔水管超過(guò)1 500 m，運(yùn)移時(shí)間將超過(guò)1 h。將非接觸式測(cè)量裝置沿隔水管布置，可有效提前氣侵發(fā)現(xiàn)時(shí)間。另外,采用多點(diǎn)布置方式也可保證檢測(cè)精度和準(zhǔn)確性。具體布置方式為：深度小于1 000 m時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置間隔為100～150 m；深度為1 000～2 000 m時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置間隔為200 m左右；深度大于2 000 m時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置間隔為300～500 m，總體符合上密下疏的原則。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)備的信號(hào)線纜和供電線纜可在隔水管下入過(guò)程中固定到隔水管輔助管線上，并同時(shí)下入水中。圖2為深水鉆井隔水管氣侵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及傳感器布置示意圖。

由此可見(jiàn)，沿隔水管全程監(jiān)測(cè)方法可以對(duì)鉆井液向上運(yùn)移的整個(gè)過(guò)程中的流動(dòng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)監(jiān)測(cè)隔水管內(nèi)部鉆井液中的氣體含氣率、流體相態(tài)及速度等參數(shù)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)溢流，可實(shí)現(xiàn)氣侵的早期預(yù)警，減少深水鉆井井噴事故及其所導(dǎo)致的惡性事故發(fā)生的概率。本文提出的超聲波非接觸式隔水管氣侵測(cè)量方法不僅可以在鉆進(jìn)過(guò)程中應(yīng)用，同樣也適合非鉆進(jìn)期間氣侵溢流監(jiān)測(cè)，尤其是在鉆具不在井底的起下鉆過(guò)程中常規(guī)隨鉆測(cè)量方法無(wú)法對(duì)井筒內(nèi)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的情況。

圖2 深水鉆井隔水管氣侵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及傳感器布置示意圖

1.2 基于多測(cè)量點(diǎn)對(duì)氣侵監(jiān)測(cè)的評(píng)價(jià)

深水鉆井會(huì)采用油基鉆井液，天然氣等氣體在油基鉆井液中會(huì)出現(xiàn)溶解現(xiàn)象，井筒中流體溫度變化范圍為從原始油氣藏溫度(可達(dá)約105℃)到海底溫度(4℃)，再到海平面溫度(30℃左右)。當(dāng)井底條件下體積含氣率低于50%時(shí)，海底處的壓力均高于泡點(diǎn)壓力，這時(shí)天然氣均溶于油基鉆井液中，沒(méi)有氣體存在。只有當(dāng)壓力小于泡點(diǎn)壓力(即水深在1 000 m附近)時(shí)溶解氣才能析出，沿隔水管進(jìn)行多點(diǎn)布置的沿程氣侵監(jiān)測(cè)法可有效避免天然氣溶解在油基鉆井液中所帶來(lái)的問(wèn)題。對(duì)于水基鉆井液，含氣率同樣存在隨水深減小而出現(xiàn)增大的現(xiàn)象，多點(diǎn)監(jiān)測(cè)和上密下疏的監(jiān)測(cè)方法也是提高氣侵監(jiān)測(cè)響應(yīng)時(shí)間的有效方法。

在進(jìn)行氣侵監(jiān)測(cè)方法評(píng)價(jià)的過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)氣體滑脫速度、油基鉆井液脫氣位置及兩相流含氣率和流型隨壓力變化規(guī)律等因素對(duì)監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行全面分析。給定水深、隔水管參數(shù)、鉆井液流變參數(shù)、傳感器分布，在假設(shè)氣侵量的情況下計(jì)算氣體上升速度、井底壓力降低規(guī)律等，通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M的手段進(jìn)行多點(diǎn)氣侵監(jiān)測(cè)方法的敏感性分析。

2 測(cè)量裝置及評(píng)價(jià)

2.1 方法選擇和室內(nèi)評(píng)價(jià)方法

為了不破壞隔水管系統(tǒng)力學(xué)特征，最佳的方式是采用非接觸測(cè)量手段對(duì)隔水管內(nèi)部進(jìn)行監(jiān)測(cè)。超聲波聲學(xué)方法是通過(guò)聲源發(fā)出的聲波在介質(zhì)中的傳播，利用接收得到的聲波變化間接反映介質(zhì)特征的測(cè)量方法。氣侵監(jiān)測(cè)可利用超聲波在不同含氣率的兩相流中聲學(xué)特征變化規(guī)律對(duì)含氣率進(jìn)行識(shí)別。

本文使用超聲波設(shè)備在室內(nèi)進(jìn)行鉆井液或清水中的含氣率測(cè)量實(shí)驗(yàn)，分析不同含氣率下超聲波信號(hào)的特征，驗(yàn)證不同測(cè)量方法在深水鉆井中早期監(jiān)測(cè)應(yīng)用的準(zhǔn)確性和可行性。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)在中國(guó)石油大學(xué)(北京)多相管流實(shí)驗(yàn)室GYD-I型多相流模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)可進(jìn)行垂直、水平及任意角度情況下管流兩相流實(shí)驗(yàn)，并可觀察管流中氣液兩相流的流動(dòng)型態(tài)。選用的檢測(cè)設(shè)備是適用于海洋鉆井隔水管非接觸測(cè)量的超聲波多普勒測(cè)量設(shè)備和超聲波時(shí)差測(cè)量設(shè)備。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可以得到信號(hào)隨流體含氣率的變化規(guī)律，從而對(duì)深水海洋鉆井氣侵溢流監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖3為超聲波氣侵監(jiān)測(cè)方法室內(nèi)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，整套系統(tǒng)包括儲(chǔ)氣罐、儲(chǔ)水罐、鉆井液儲(chǔ)罐、空氣壓縮機(jī)、氣液混合器、柱塞泵、氣體質(zhì)量流量計(jì)、井筒模擬實(shí)驗(yàn)段、超聲波發(fā)射接收設(shè)備以及A/D采集板等?？諝饨?jīng)壓縮機(jī)加壓后儲(chǔ)存到儲(chǔ)氣罐中，儲(chǔ)氣罐中的空氣在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中維持0.8 MPa可保證進(jìn)氣的穩(wěn)定，空氣由調(diào)節(jié)閥控制并通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量后進(jìn)入氣液混合器。水或鉆井液通過(guò)柱塞泵并經(jīng)過(guò)電磁流量計(jì)計(jì)量后進(jìn)入氣液混合器，柱塞泵可通過(guò)變頻電機(jī)控制轉(zhuǎn)速來(lái)改變流量?？諝夂退?或鉆井液)經(jīng)充分混合后形成氣液兩相流進(jìn)入井筒模擬實(shí)驗(yàn)段，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)氣量和柱塞泵排量可實(shí)現(xiàn)井筒中不同氣侵量的模擬。井筒模擬實(shí)驗(yàn)段由不銹鋼圓管和有機(jī)玻璃管制成，內(nèi)徑為50 mm和200 mm兩種，外壁裝有超聲波發(fā)射探頭和接收探頭。儲(chǔ)水罐和鉆井液儲(chǔ)罐均為開(kāi)口罐體，氣液兩相流流經(jīng)井筒實(shí)驗(yàn)段后返回罐體，氣體自然分離，液體繼續(xù)進(jìn)入循環(huán)管路。采用多路A/D采集板采集實(shí)驗(yàn)信號(hào)，包括氣體質(zhì)量流量、電磁流量計(jì)流量和超聲波接收探頭輸出信號(hào)等。

圖3 超聲波氣侵監(jiān)測(cè)方法室內(nèi)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2.2 超聲波時(shí)差法氣侵監(jiān)測(cè)可行性評(píng)價(jià)

2.2.1 超聲波時(shí)差法含氣率檢測(cè)原理

超聲波在流體中的傳播速度由聲波速度、流體速度和聲波方向與流動(dòng)方向夾角共同決定，超聲波時(shí)差計(jì)算公式為

(1)

式(1)中：X是2個(gè)換能器在管線方向上的間距，m；c為聲波在介質(zhì)中的傳播速度，m/s；V為流體流速，m/s；θ為聲波與速度方向之間的夾角，(°)；Δt為2個(gè)換能器接收到超聲波的時(shí)間差，s。

在單相流動(dòng)中,超聲波的傳播速度不變，液體流速可由時(shí)間差得到。而在氣液兩相流中，超聲波的傳播速度會(huì)受到氣液界面的影響。因此，對(duì)于固定流速的氣液兩相流，超聲波時(shí)差得到的測(cè)量速度不是流體的真實(shí)流速，這一測(cè)量值與含氣率直接相關(guān)，利用這一特性可以測(cè)量鉆井液中的含氣率水平，實(shí)現(xiàn)氣侵監(jiān)測(cè)。

2.2.2 對(duì)清水含氣率的監(jiān)測(cè)

以清水為連續(xù)相進(jìn)行氣侵模擬實(shí)驗(yàn)，每隔300 s調(diào)整一次空氣注入流量，用以模擬井筒中不同的含氣率。實(shí)驗(yàn)?zāi)M了從不含氣的單相流動(dòng)到最終含氣率上升至15%，共計(jì)12種情況，每種情況下均調(diào)整液相流量使主流流速保持不變。超聲波時(shí)差傳感器的瞬時(shí)測(cè)量結(jié)果如圖4所示，可以看出隨著含氣率的上升，雖然井筒中的流體速度保持不變，但超聲波時(shí)差傳感器測(cè)量得到的流速卻不斷降低。

圖4 超聲波時(shí)差法速度測(cè)量瞬時(shí)值隨含氣率變化

不同主流流速超聲波時(shí)差法測(cè)量流速平均值隨含氣率變化如圖5所示，可以看出每種主流流速下均出現(xiàn)測(cè)量值隨含氣率增加而降低的現(xiàn)象。雖然曲線的斜率與主流流速有關(guān)，但是單獨(dú)就某一流速得到的結(jié)果來(lái)看，測(cè)量值基本呈單調(diào)遞減趨勢(shì)。在含氣率超過(guò)5%時(shí)，超聲波法信號(hào)下降幅度超過(guò)20%。由此可知，利用超聲波時(shí)差測(cè)量原理可以識(shí)別清水為連續(xù)相的氣液兩相流中的含氣率水平，并且具有很高的敏感性。

2.2.3 對(duì)水基鉆井液含氣率的監(jiān)測(cè)

為了評(píng)價(jià)在水基鉆井液中超聲波時(shí)差法對(duì)氣侵水平的識(shí)別度，進(jìn)一步對(duì)不同含氣率的水基鉆井液進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。不同含氣率情況下采用超聲波時(shí)差法測(cè)量的瞬時(shí)結(jié)果如圖6所示，其中粗紅線為120s內(nèi)超聲波時(shí)差法對(duì)單相水基鉆井液的測(cè)量瞬時(shí)值，其他顏色曲線是含氣率不為零的情況下的測(cè)量結(jié)果。與清水為連續(xù)相的測(cè)量結(jié)果不同，含氣率與測(cè)量值并不存在單調(diào)遞減關(guān)系，因此無(wú)法對(duì)含氣率進(jìn)行識(shí)別和區(qū)分。由此可以得到：由于水基鉆井液物性與清水不同，含氣鉆井液中聲波傳播速度受到鉆井液的影響較大，與含氣率并不能形成單值對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此在鉆井液含氣監(jiān)測(cè)中會(huì)帶來(lái)較大誤差，無(wú)法區(qū)分含氣率水平，也就無(wú)法正常進(jìn)行氣侵監(jiān)測(cè)。

圖5 不同主流流速超聲波時(shí)差法測(cè)量流速平均值隨含氣率變化

圖6 不同含氣率水基鉆井液中超聲波時(shí)差法測(cè)量瞬時(shí)值

2.3 超聲波多普勒氣侵監(jiān)測(cè)可行性評(píng)價(jià)

2.3.1 超聲波多普勒法含氣率監(jiān)測(cè)原理

超聲波多普勒氣侵監(jiān)測(cè)方法是利用超聲波多普勒效應(yīng)對(duì)隔水管內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于單相流動(dòng)，多普勒測(cè)量原理是通過(guò)測(cè)量超聲波發(fā)射頻率和由流體中的微小顆粒產(chǎn)生的反射聲波頻率之間的頻率差得到流體中固體顆?；蛘呶⑿馀莸倪\(yùn)動(dòng)速度。假設(shè)流體速度遠(yuǎn)小于聲速，速度與多普勒頻移量之間的關(guān)系為[10]

u=cfD/(2f0cosβ)

(2)

式(2)中：u為反射聲波顆粒的速度，m/s；c為超聲波在流體中的聲速，m/s；f0為超聲波發(fā)射頻率，Hz；fD為多普勒頻移量，Hz；β為入射聲波與流動(dòng)方向之間的夾角，(°)。

超聲波發(fā)射探頭和接收探頭與壁面之間加聲耦合劑，以減少聲波的損失。圖7為超聲波多普勒速度測(cè)量原理示意圖。

圖7 超聲波多普勒速度測(cè)量原理示意圖

為了消除溫度的影響，超聲波接收探頭前端安裝有聲楔結(jié)構(gòu)[11-12]，根據(jù)聲波的折射定理可將式(2)變形為

u=c1fD/(2f0sinβ)

(3)

式(3)中：c1為超聲波在聲楔中的傳播速度，m/s。由于聲楔為固體材料，超聲波在其中的傳播速度隨溫度變化與在流體中相比小了一個(gè)數(shù)量級(jí)，可以近似為常數(shù)。

與超聲波時(shí)差法類似，當(dāng)流體介質(zhì)為兩相流情況下，多普勒測(cè)量方法同樣會(huì)受到流動(dòng)介質(zhì)的影響，因此實(shí)驗(yàn)中針對(duì)氣液兩相流進(jìn)行了研究，用于評(píng)價(jià)超聲波多普勒法對(duì)氣侵的敏感性和可行性。

2.3.2 對(duì)水基鉆井液氣液兩相流含氣率的監(jiān)測(cè)

對(duì)于單相液體的測(cè)量，根據(jù)式(3)通過(guò)采集超聲波接收探頭輸出信號(hào)并作時(shí)頻分析，可以得到不同時(shí)刻管道內(nèi)的瞬時(shí)流速，主流流速為0.47 m/s時(shí)的多普勒測(cè)量瞬時(shí)速度分布如圖8所示。通過(guò)向管路注氣并維持主流流速不變，得到不同含氣率的兩相流，對(duì)多普勒信號(hào)同樣作時(shí)頻分析也可得到瞬時(shí)多普勒頻移量。多普勒測(cè)量瞬時(shí)速度um的計(jì)算公式為

um=c1fD-m/(2f0sinβ)

(4)

式(4)中：fD-m為氣液兩相流中測(cè)量得到的多普勒頻移量，Hz。

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),含氣情況下測(cè)量得到的速度值與不含氣情況下的測(cè)量值是不同的，含氣率為24%時(shí)測(cè)量速度衰減到0.28 m/s左右。這是由于氣液兩相流中超聲波多普勒頻移量與單相液體中不同，雖然主流流速相同，但是在氣液兩相流中存在大量的氣泡，超聲波在經(jīng)過(guò)氣液界面時(shí)出現(xiàn)了頻率變化，這也體現(xiàn)在氣液兩相流中的聲波波速發(fā)生變化[13]。但由于本實(shí)驗(yàn)引入聲楔結(jié)構(gòu)，流體中的聲速不出現(xiàn)在式(4)中，測(cè)量值與流體真實(shí)流速之間的偏差僅由頻移的偏差量決定。通過(guò)引入修正系數(shù)，可得真實(shí)流速與測(cè)量流速和頻移量之間的關(guān)系

圖8 含氣與不含氣情況下超聲波多普勒測(cè)量瞬時(shí)速度分布對(duì)比

(5)

式(5)中：ua為主流真實(shí)流速，m/s；um為多普勒測(cè)速設(shè)備測(cè)量的速度，m/s；λ為氣液兩相流中多普勒測(cè)量修正系數(shù)。

通過(guò)改變進(jìn)氣量可以得到不同含氣率的速度測(cè)量瞬時(shí)信號(hào)，而通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間采樣并作時(shí)間平均可以得到不同含氣率多普勒測(cè)量值的平均值。不同含氣率下多普勒測(cè)量瞬時(shí)速度平均值分布如圖9所示。根據(jù)式(5)可以得到不同含氣率超聲波多普勒頻移修正系數(shù)(圖10)。從圖10可以看出，微小進(jìn)氣時(shí)(含氣率為0.6%)，超聲波的波速就會(huì)受到較大的影響，多普勒頻移量也出現(xiàn)突變，修正系數(shù)接近0.62；隨著含氣率的上升，多普勒頻移量繼續(xù)下降，當(dāng)含氣率接近15%左右，修正系數(shù)達(dá)到極小值；當(dāng)含氣率進(jìn)一步上升時(shí)，修正系數(shù)出現(xiàn)增加趨勢(shì)。因此，修正系數(shù)與含氣率之間的關(guān)系呈現(xiàn)二次曲線分布形式(含氣率大于0，小于24%的區(qū)間內(nèi))。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)含氣率小于15%時(shí)，隨著含氣率的增加，單位體積內(nèi)氣泡的數(shù)目增加，由此帶來(lái)氣液界面數(shù)目的增加，超聲波經(jīng)過(guò)氣液界面出現(xiàn)了頻率的降低，并導(dǎo)致速度測(cè)量值的降低；當(dāng)含氣率超過(guò)15%時(shí)，氣泡發(fā)生聚并現(xiàn)象，小氣泡聚并形成大氣泡，但此時(shí)流型仍然保持為泡狀流，單位體積內(nèi)的氣泡數(shù)量出現(xiàn)降低趨勢(shì)，氣液界面數(shù)目也隨之降低，因而多普勒頻移的偏差量也會(huì)隨之增加，即速度測(cè)量值出現(xiàn)上升趨勢(shì)。也就是說(shuō)，當(dāng)隔水管內(nèi)出現(xiàn)氣侵時(shí)，尤其是早期含氣少的情況下，超聲波多普勒頻移量會(huì)出現(xiàn)突變，測(cè)量速度大幅降低。因此，在隔水管外部加裝多普勒測(cè)量設(shè)備可以檢測(cè)出井筒或者隔水管內(nèi)部出現(xiàn)的早期氣侵，并具有很高的敏感度。

圖9 超聲波多普勒測(cè)量速度平均值與含氣率之間的關(guān)系

圖10 含氣情況下超聲波多普勒頻移修正系數(shù)

3 結(jié)論

1) 超聲波測(cè)量作為一種非接觸式測(cè)量手段，可以在不破壞隔水管力學(xué)結(jié)構(gòu)的前提下對(duì)隔水管內(nèi)部鉆井液沿程流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因此結(jié)合氣液兩相流的特征和天然氣在高壓情況下溶于油基鉆井液現(xiàn)象等前提下，采用上密下疏的傳感器布置方式可有效監(jiān)測(cè)隔水管內(nèi)部出現(xiàn)的氣侵現(xiàn)象。

2) 超聲波時(shí)差法對(duì)以清水為連續(xù)相的氣液兩相流含氣率有很好的區(qū)分度，可用來(lái)測(cè)量含氣率的大小。但是對(duì)于水基鉆井液的氣液兩相流，由于測(cè)量值與含氣率不存在單值對(duì)應(yīng)性，在隔水管氣侵監(jiān)測(cè)時(shí)會(huì)帶來(lái)很大的誤差，因此該方法不適于深水鉆井隔水管氣侵監(jiān)測(cè)。

3) 超聲波多普勒測(cè)量設(shè)備在測(cè)量水基鉆井液兩相流的過(guò)程中，由于被測(cè)介質(zhì)中含有大量氣液界面，超聲波波速及頻率均會(huì)出現(xiàn)變化，極小含氣情況下就會(huì)帶來(lái)多普勒頻移量的大幅衰減，而且通過(guò)修正系數(shù)可以將測(cè)量速度進(jìn)行修正，修正系數(shù)在泡狀流流型分布情況下呈現(xiàn)二次曲線分布。因此，在含氣情況下，超聲波多普勒測(cè)量速度的平均值或瞬時(shí)值大幅衰減，在氣侵發(fā)生早期即可出現(xiàn)多普勒頻移瞬態(tài)信號(hào)偏移現(xiàn)象，由此作為判據(jù)可實(shí)現(xiàn)隔水管內(nèi)部氣侵早期預(yù)警。

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(編輯：孫豐成)

Study on real-time ultra-sonic kick detection technique along riser during deep water drilling operations

Geng Yanan1Li Yiming2Zhu Lei1Ma Zhaohua2Zhu Lianwang2Zhou Yunjian2

(1.CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China; 2.ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China)

Early kick detection is of great significance to prevent blowout in well drilling operations. During deep water drilling operations, early kick detection can be realized by using non-intrusive ultrasonic measurements to monitor the flow characteristics of the drilling fluid inside the riser without changing the riser’s mechanical structure. And then the kick detection system for deep water drilling operations was designed. The phenomena of kicking inside the riser were experimentally investigated in the laboratory by ultrasonic time difference method and ultrasonic Doppler method. It is found that the time difference method is suitable to measure the void fraction of water, but not for the water-based drilling fluid. It is also found that the frequency shift of Doppler severely attenuates when the void fraction is tiny, and it keeps decreasing as the void fraction increases. Hence the feasibility of using Doppler method to detect the early kick inside the riser is proved from this study. The above findings can be used for guiding the early kick detection during deep water drilling operations.

deep water drilling; riser; kick detection; blowout; ultrasonic Doppler method; ultrasonic time difference method

*“十二五”國(guó)家科技重大專項(xiàng)“荔灣3-1及周邊氣田鉆井井筒油氣流動(dòng)監(jiān)控與鉆井相關(guān)數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)研究(編號(hào)：2011ZX05056-001-04)”、中國(guó)石油大學(xué)(北京)科研基金項(xiàng)目“隔水管超聲波溢流監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)研究(編號(hào)：2462015YQ0216)、海洋浮式設(shè)施安全風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)多場(chǎng)感知與控制(編號(hào)：2462015YQ0403)”部分研究成果。

耿亞楠，男，高級(jí)工程師，1989年畢業(yè)于原石油大學(xué)(華東)，主要從事海洋石油鉆采相關(guān)研究。地址：北京市朝陽(yáng)區(qū)太陽(yáng)宮南街6號(hào)院2號(hào)樓(郵編：100028)。E-mail：geyn@cnooc.com.cn。

李軼明，男，講師，2014年畢業(yè)于北京大學(xué)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)主要從事井控、油氣井流體力學(xué)、多相流及實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)等方向研究。地址：北京市昌平區(qū)府學(xué)路18號(hào)中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院(郵編：102249)。E-mail：ymli@cup.edu.cn。

1673-1506(2016)01-0086-07

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.01.013

TE28

A

2015-04-09 改回日期：2015-04-21

耿亞楠,李軼明,朱磊，等.深水鉆井沿隔水管超聲波氣侵實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[J].中國(guó)海上油氣，2016,28(1)：86-92.

Geng Yanan,Li Yiming,Zhu Lei,et al.Study on real-time ultra-sonic kick detection technique along riser during deep water drilling operations[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(1):86-92.