油氣井早期溢流監(jiān)測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望

范翔宇, 帥竣天, 李枝林, 周躍云, 馬天壽, 趙鵬斐, 呂 達(dá)

(1油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué) 2西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院 3中石油川慶鉆采工程技術(shù)研究院 4中石化西南石油工程公司鉆井工程研究院)

隨著全球已探明非常規(guī)油氣資源儲(chǔ)量不斷地刷新上限[1]與石油天然氣行業(yè)技術(shù)高速發(fā)展[2-3]，油氣勘探領(lǐng)域不斷延伸，鉆井與井控難度越來越大[4]，溢流更是成為鉆探過程中常見現(xiàn)象；若溢流發(fā)現(xiàn)不及時(shí)或處理不當(dāng)，極易誘發(fā)井噴，導(dǎo)致井眼報(bào)廢甚至造成大量人員傷亡。

根據(jù)鉆井平臺(tái)工具和傳感器安裝位置不同，溢流監(jiān)測(cè)方法可歸納為兩種類型：井口監(jiān)測(cè)和井下監(jiān)測(cè)。回顧這兩大類研究現(xiàn)狀、技術(shù)原理及其特點(diǎn)，將各方法優(yōu)勢(shì)與局限對(duì)比分析，并結(jié)合物理模型及深度學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)模型，構(gòu)建起綜合性智能溢流早期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)于及早發(fā)現(xiàn)井下溢流、采用合理的鉆采工藝及壓井方案、預(yù)防井噴事故具有重大意義。

一、井口參數(shù)監(jiān)測(cè)法研究現(xiàn)狀

井口監(jiān)測(cè)法主要是以井口鉆井液返出情況和鉆機(jī)各參數(shù)為依據(jù)的監(jiān)測(cè)手段和方法，有鉆井液液位高度監(jiān)測(cè)、流量計(jì)監(jiān)測(cè)、立套壓監(jiān)測(cè)、綜合錄井等方法。這四種方法是目前現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用最廣泛也是技術(shù)最成熟的溢流監(jiān)測(cè)方法，但是這些參數(shù)測(cè)量具有明顯的受干擾性及滯后性，不能及時(shí)監(jiān)測(cè)井下狀況，限制了其在鉆井中的應(yīng)用。近年來國(guó)內(nèi)外各企業(yè)高校相繼在傳感器種類、算法與穩(wěn)定性做出改進(jìn)，大大提高了監(jiān)測(cè)精度，發(fā)展出了緩沖罐液面監(jiān)測(cè)[5]、井口導(dǎo)管液面監(jiān)測(cè)(開井)、分離器液面監(jiān)測(cè)(關(guān)井)[6]、液面高度放大裝置、上下限多傳感器[7-8]、主副腔室監(jiān)測(cè)罐裝置[9]、超聲波液面監(jiān)測(cè)[10]、科里奧氏質(zhì)量流量計(jì)監(jiān)測(cè)[11]、X射線流量計(jì)監(jiān)測(cè)[12]和立套壓變化趨勢(shì)監(jiān)測(cè)[13]等方法。

2016年Ayesha[14]等人設(shè)計(jì)了一套室內(nèi)井筒氣侵模擬發(fā)生裝置，實(shí)驗(yàn)研究表明壓力傳感器和科里奧氏質(zhì)量流量計(jì)在氣侵發(fā)生后相比出口電導(dǎo)率與密度給出了更快的指示，這是由于當(dāng)?shù)貙恿黧w侵入井筒后，環(huán)空流速增加，出口流量短時(shí)間內(nèi)會(huì)明顯升高；且隨著流體不斷侵入環(huán)空，流體密度降低和環(huán)空摩阻的升高，井筒壓力場(chǎng)也隨之變化。井底壓力信號(hào)(泥漿脈沖)傳到井口僅需幾秒時(shí)間[15]，因此通過綜合錄井儀對(duì)進(jìn)出口流量、立壓套壓等參數(shù)連續(xù)測(cè)量和量化的分析判斷[16-18]，可實(shí)現(xiàn)初步的溢流早期監(jiān)測(cè)。目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)大多數(shù)應(yīng)用仍然停留在閾值預(yù)警和人工觀察階段，缺乏規(guī)?；瘧?yīng)用基于綜合錄井儀實(shí)時(shí)測(cè)量信息的智能溢流預(yù)警方法[19-20]。

二、井下監(jiān)測(cè)法研究現(xiàn)狀

1.聲波氣侵監(jiān)測(cè)

聲波氣侵檢測(cè)目前有隨鉆聲波時(shí)差、泵沖、聲波干擾儀、超聲波多普勒氣侵監(jiān)測(cè)、聲波阻抗監(jiān)測(cè)等方法。隨鉆聲波時(shí)差監(jiān)測(cè)法主要是通過安裝在井下鉆具及套管的聲波發(fā)送接收器，比較聲波在氣侵后鉆井液與純鉆井液傳播的時(shí)間差，以此判斷氣侵；聲波干擾儀是一個(gè)能在相對(duì)平行兩個(gè)井壁收發(fā)聲波的儀器，它對(duì)低密度鉆井液氣泡很敏感，因此對(duì)監(jiān)測(cè)淺層氣侵有非常好的效果，由于在高密度鉆井液中聲波衰減嚴(yán)重，對(duì)氣泡敏感性降低，聲波干擾儀并不適用高密度鉆井液；超聲波多普勒氣侵監(jiān)測(cè)利用超聲波多普勒效應(yīng)測(cè)量環(huán)空流速、振幅和光譜形狀，當(dāng)鉆井液中含有顆粒和較大的氣泡均會(huì)導(dǎo)致多普勒頻譜發(fā)生很大的偏移。該監(jiān)測(cè)具有技術(shù)成熟、成本低、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是在高密度鉆井液中超聲波能量衰減嚴(yán)重[21-22]；聲波阻抗監(jiān)測(cè)法原理詳見貝克休斯井下氣侵監(jiān)測(cè)工具美國(guó)專利[23]，該工具能測(cè)量氣侵后鉆井液聲阻抗(等于鉆井液的密度與聲波在鉆井液中傳播的速度的乘積)變化，以此為依據(jù)判斷是否氣侵。

在實(shí)際鉆井中，聲波信號(hào)傳輸和接收處理受現(xiàn)有技術(shù)及施工因素影響較大，因此上述四種方法目前并未獲得廣泛工程應(yīng)用，但聲波氣侵監(jiān)測(cè)仍是早期溢流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(EKD)發(fā)展的一個(gè)重大方向[24]。

2.井下微流量

基于地面微流量和控壓鉆井技術(shù)，西南石油大學(xué)研制了一種井下微流量測(cè)量裝置[25-26]。該裝置利用節(jié)流壓差法并通過壓差水力模型計(jì)算出環(huán)空流量，通過MWD向地面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)，將實(shí)時(shí)計(jì)算出的環(huán)空流量與鉆井液入口量對(duì)比，可反映井底流量變化情況，且節(jié)流元件實(shí)測(cè)端壓力傳感器反映的是井底實(shí)時(shí)壓力，這為井下監(jiān)測(cè)溢流提供了更多可靠的數(shù)據(jù)。該技術(shù)作為一種新技術(shù)，有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展?jié)摿Γ壳皣?guó)內(nèi)外研究并不深入，不可避免存在一系列問題，例如缺少隨鉆井徑測(cè)量功能(無法實(shí)時(shí)掌握過流面積)、裝置設(shè)計(jì)尺寸及井下安裝位置的優(yōu)化等因素都有待進(jìn)一步研究與提高。

3.井下流體實(shí)驗(yàn)室

由于隨鉆地層測(cè)試器并不具備地層流體分析取樣功能，國(guó)外石油公司在隨鉆地層壓力測(cè)試的基礎(chǔ)上開展了隨鉆地層流體取樣及分析技術(shù)的攻關(guān)，提出了基于光學(xué)、聲學(xué)和核磁共振的井下流體實(shí)驗(yàn)室分析方法，該技術(shù)主要是依托于地層測(cè)試器中植入的傳感器模塊對(duì)采樣流體分析[27]，得到地層流體組分、氣油比(GOR)和含水量、色度、pH值、流體密度、礦化度、黏度、電阻率、介電常數(shù)和碳?xì)浠衔餄舛鹊葏?shù)，這給在復(fù)雜儲(chǔ)層條件下地層流體或環(huán)空流體的定量表征提供了準(zhǔn)確的依據(jù)[28]。井下流體實(shí)驗(yàn)室技術(shù)不僅具有隨鉆地層壓力測(cè)試技術(shù)所有的優(yōu)點(diǎn)，還具有井下流體分析和取樣的優(yōu)勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)中石油川慶鉆探工程公司和西南石油大學(xué)已經(jīng)做出了原理樣機(jī)，但還處于引進(jìn)、模仿國(guó)外相應(yīng)儀器的階段；國(guó)外油田服務(wù)公司處于壟斷地位，成功應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的有SLS公司的MEMS色譜儀、Schlumberger公司的IFA光學(xué)分析儀、Halliburton公司的Geo-Tap IDS[29]光學(xué)分析儀、NWR核磁檢測(cè)儀、MOC光學(xué)分析儀和Baker Atlas公司的IFX聲學(xué)檢測(cè)儀等?，F(xiàn)有泥漿脈沖傳輸技術(shù)有限性與滯后性是井下流體實(shí)驗(yàn)室技術(shù)發(fā)展的瓶頸。

4.智能鉆柱

為了克服無線隨鉆傳輸方法不足，20世紀(jì)90年代國(guó)外把重點(diǎn)放在新一代有線傳輸技術(shù)——智能(有線)鉆柱系統(tǒng)。智能鉆柱是在鉆柱內(nèi)植入多芯銅導(dǎo)線，用絕緣材料包裹銅線，形成在鉆桿內(nèi)壁、環(huán)形的復(fù)合層內(nèi)的高速電子通道，傳輸速率高達(dá)1×104～2×106bps，智能鉆柱井下鉆具組合(BHA)與常規(guī)鉆柱相同，不同在于各部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與加工形式；智能鉆柱不同截面處裝有壓力傳感器，視井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可多達(dá)30～40個(gè)，當(dāng)?shù)貙恿黧w從任意位置進(jìn)入井筒，都會(huì)引起該處壓力傳感器發(fā)生變化，通過壓力變化值和流體流量進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，可以知道是否發(fā)生溢流以及溢流程度。智能鉆柱成本高昂，規(guī)?；瘧?yīng)用還有待時(shí)日。

三、基于數(shù)值模型早期綜合溢流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展，越來越多物理學(xué)的高階水力模型與具備深度學(xué)習(xí)功能的智能數(shù)據(jù)模型在油氣井溢流預(yù)警系統(tǒng)上得到應(yīng)用。復(fù)雜的數(shù)值模型結(jié)合多相流、溫度、流體性質(zhì)、扭矩、阻力以及幾個(gè)子模型，計(jì)算出流速、流體入侵量、氣錐、井底壓力等變量。預(yù)測(cè)出的溢流的模型集與傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)修正匹配，可以判斷溢流及其他事故。2001年Hargreaves等人提出基于貝葉斯(Bayes)概率的溢流早期預(yù)警系統(tǒng)，貝葉斯判別分析能自動(dòng)校準(zhǔn)波動(dòng)數(shù)據(jù)，在中高噪音鉆井環(huán)境下，新系統(tǒng)傳感器靈敏度可提高10倍。2010年Kamyab等人提出了基于動(dòng)態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)早期溢流預(yù)警系統(tǒng)，與貝葉斯判別分析相比，該系統(tǒng)不需要前期大量地質(zhì)資料，其運(yùn)行基于實(shí)時(shí)處理傳感器返回的大量鉆井參數(shù)。

相較于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)貝葉斯判別分析更能充分的利用先驗(yàn)信息，不斷修正物理模型，減少誤判。而且貝葉斯判別分析給出的溢流監(jiān)測(cè)結(jié)果是一個(gè)概率形式，鉆井工程師根據(jù)概率趨勢(shì)變化進(jìn)一步確認(rèn)是否發(fā)生溢流。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和貝葉斯兩種智能算法有一個(gè)共同的局限性，在使用前都需要大量培訓(xùn)測(cè)試和構(gòu)建不同層次預(yù)警網(wǎng)絡(luò)；此外，溢流監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性和可靠性完全受先驗(yàn)知識(shí)和訓(xùn)練數(shù)據(jù)限制。目前基于數(shù)值模型早期溢流監(jiān)測(cè)技術(shù)取得了很大的進(jìn)展，國(guó)外Atbalance公司DAPC動(dòng)態(tài)環(huán)空壓力控制系統(tǒng)、Halliburton公司MPD控壓鉆井系統(tǒng)、Weatherford公司MFC微流量控制鉆井系統(tǒng)、Mezurx公司的FADS流體異常監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及國(guó)內(nèi)川慶CQMPD-I精細(xì)控壓系統(tǒng)均已初步實(shí)現(xiàn)了早期溢流監(jiān)測(cè)，但受限于傳感器種類、精度與可靠性、機(jī)械與環(huán)境噪聲、物理及數(shù)據(jù)模型本身與實(shí)際鉆井條件匹配程度以及軟件智能化程度，應(yīng)用于大位移井、深水鉆井和窄密度窗口等復(fù)雜環(huán)境鉆井仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

四、展望

(1)在現(xiàn)有基礎(chǔ)上充分利用地質(zhì)信息、鄰井資料、測(cè)錄井資料、實(shí)鉆工程數(shù)據(jù)等綜合錄井資料,形成專家知識(shí)庫(kù)，并不斷的完善與優(yōu)化風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別模型，完成結(jié)合綜合錄井軟件與現(xiàn)場(chǎng)特色作業(yè)(LWD、MPD)數(shù)據(jù)為一體的智能化預(yù)警組態(tài)軟件的研發(fā)。

(2)隨著不斷鉆遇高含H2S/CO2、高溫高壓氣藏與油基鉆井液在頁(yè)巖氣和深水鉆井等非常規(guī)油氣藏鉆井中的廣泛使用，時(shí)常面臨超臨界態(tài)H2S/CO2和天然氣溶進(jìn)鉆井液中導(dǎo)致的溢流監(jiān)測(cè)難的問題。針對(duì)此類溢流監(jiān)測(cè)隱蔽性和突發(fā)性等難點(diǎn)，我們應(yīng)該深入開展油基鉆井液和超臨界流體多相流運(yùn)移規(guī)律及溶解氣特性研究，并加大對(duì)井下傳感器精度、穩(wěn)定性和算法等技術(shù)層面的攻關(guān)，如井下烴類感應(yīng)器和井下流體實(shí)驗(yàn)室技術(shù)等。

(3)深水鉆井具有浮式裝置搖動(dòng)、井涌余量隨水深增加而減小、泥線處低溫高壓(易生成水合物)、井身復(fù)雜、溫度環(huán)境、淺層氣、淺層流和海水噪聲等特點(diǎn)，這對(duì)深水溢流監(jiān)測(cè)及井控來說是個(gè)巨大挑戰(zhàn)。著重研究海水段(隔水管段)氣液兩相運(yùn)移規(guī)律，在泥線處到井口段視水深和井身結(jié)構(gòu)采用多點(diǎn)聲波傳感器監(jiān)測(cè)溢流，并根據(jù)海水噪聲特性適當(dāng)優(yōu)化其濾波算法，以提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可靠性及精確性。

(4)海域、凍土天然氣水合物都具有埋藏淺、弱膠結(jié)、能量大的成藏特點(diǎn)，因此在對(duì)其鉆探過程中由于井周水合物分解會(huì)遇到井眼擴(kuò)徑、垮塌、天然氣大量析出(天然氣突出現(xiàn)象)等事故，且天然氣突出后發(fā)展成為井噴事故時(shí)間極短，為此早期溢流監(jiān)測(cè)技術(shù)顯得尤為重要。針對(duì)天然氣水合物埋藏淺的特點(diǎn)，優(yōu)選在淺層溢流監(jiān)測(cè)中具有良好的適應(yīng)性的聲波氣侵監(jiān)測(cè)法。

五、結(jié)束語(yǔ)

(1)井口參數(shù)法是溢流表征最基本也是最終的防線，可靠性高但具有明顯的滯后性，其中科里奧氏質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量的出口流量是當(dāng)下最好的溢流監(jiān)測(cè)方式之一；井下參數(shù)法能快速響應(yīng)井底發(fā)生的狀況，極大增強(qiáng)鉆井過程控制能力，降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)和事故率。其中井下流體實(shí)驗(yàn)室技術(shù)是溢流表征最直接的監(jiān)測(cè)方式，雖受信息傳輸技術(shù)制約未能廣泛使用，但仍然是時(shí)下溢流監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展中重要一環(huán)。

(2)根據(jù)溢流發(fā)生時(shí)各參數(shù)響應(yīng)時(shí)間，可優(yōu)選出鉆時(shí)、進(jìn)出口流量差、立套壓、環(huán)空壓力、環(huán)空溫度等敏感性參數(shù)；結(jié)合井口井下參數(shù)法，集井場(chǎng)大數(shù)據(jù)一體的智能化早期溢流綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可有效實(shí)現(xiàn)溢流的早期預(yù)警，并對(duì)安全、高效鉆井作業(yè)提供保障，是早期溢流監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。