基于低頻彈性波特征響應(yīng)的油氣鉆井氣侵井下監(jiān)測模擬實驗系統(tǒng)1)

王子振 張 輝 舒騰飛 王 翔 趙 儒 王 健 張 銳

?(中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東青島 266580)

?(中國石油化工股份有限公司華北油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，鄭州 450006)

??(中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，四川廣漢 618300)

氣侵是指地層氣由于壓差或替代作用進入井筒環(huán)空，是一種危險性較高的鉆井復(fù)雜情況。隨著深地鉆井所面對的地質(zhì)環(huán)境進一步復(fù)雜化，氣侵發(fā)生的可能性大幅上升，如果處理不當(dāng)就會發(fā)展為溢流甚至井噴，特別是含H2S 氣體的高壓氣井，氣侵后風(fēng)險更高。我國四川開縣“12.23” 羅家16 井井噴事故、美國墨西哥灣“深水地平線”鉆井平臺井噴漏油事故都是氣侵發(fā)現(xiàn)滯后、處理失控導(dǎo)致的重大安全事故，教訓(xùn)深刻。

目前氣侵監(jiān)測技術(shù)可分為地面監(jiān)測和井下監(jiān)測兩大類[1]。無論是地面還是井下監(jiān)測，其原理都是監(jiān)測氣侵前后鉆井液密度、體積、壓力、聲波、電阻率等特性的變化，目前主要圍繞流量、壓力、彈性波的氣侵響應(yīng)實施監(jiān)測[1-3]。為了盡早發(fā)現(xiàn)氣侵，開展氣侵井下監(jiān)測很有必要，將監(jiān)測點由井口或近井口轉(zhuǎn)移到井下，保障氣侵早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)警、早處理。

明確含氣泡液體的聲學(xué)特性是基于彈性波響應(yīng)進行氣侵井下監(jiān)測的基礎(chǔ)。目前測量含氣泡液體聲學(xué)特性的實驗裝置主要在超聲波頻段[3-7]，向裝滿水的圓管中注氣形成含氣泡液體，再采用超聲波探頭在圓管的軸向或者徑向進行超聲波信號的激發(fā)與接收，從而實現(xiàn)對含氣泡液體超聲頻段特性的測量分析。但超聲波(頻率> 20 kHz) 在鉆井液中衰減很大。劉飛等[8]采用50 kHz 信號在常用鉆井液中進行室內(nèi)測試，當(dāng)鉆井液密度增大到1.65 g/cm3時，有效監(jiān)測距離不足30 cm。隨鉆聲波測井儀器頻率一般在2～20 kHz 范圍內(nèi)，發(fā)射器與接收器間距為1～3 m，但當(dāng)氣侵發(fā)生時，彈性波衰減顯著，首波能量不足以先后觸發(fā)相鄰的兩個接收器，產(chǎn)生“周波跳躍”。從保障響應(yīng)信號質(zhì)量的角度考慮，在氣侵井下監(jiān)測中采用低頻彈性波具有更高可靠性。但受氣泡生成控制、低頻震源、模型尺寸等因素的限制[9-11]，含氣泡液體低頻聲學(xué)特性的實驗測量技術(shù)尚不成熟。

綜上所述，本文將以多相流理論、彈性波動理論為基礎(chǔ)，設(shè)計基于低頻彈性波特性的油氣鉆井氣侵井下監(jiān)測模擬實驗系統(tǒng)，利用該實驗系統(tǒng)可以直觀地觀察氣侵后氣泡的運移和分布規(guī)律，探索低頻彈性波特性與含氣率、氣泡尺寸等氣侵參數(shù)的關(guān)系，為研發(fā)基于低頻彈性波特性的氣侵井下監(jiān)測技術(shù)提供實驗平臺。

1 基于低頻彈性波特性的氣侵井下監(jiān)測可行性分析

根據(jù)Wood 方程[12]，當(dāng)液體中混入氣體后，彈性波在其中傳播的相速度對含氣率的變化非常敏感，在含氣率χ較低(χ<1%)時，相速度就會顯著降低，這種響應(yīng)特征適于氣侵的早期快速識別。Commander等[13]考慮含氣率、氣泡尺寸、流體黏度、界面張力等多因素的影響，構(gòu)建了含氣泡流體中彈性波傳播速度和衰減的理論模型(C&P 模型)，預(yù)測低頻條件(～102Hz)下，含氣泡液體中彈性波的衰減與含氣率密切相關(guān)且變化顯著，因此低頻彈性波衰減是含氣率的潛在指示參數(shù)，有利于氣侵的定量預(yù)測。

氣侵發(fā)生后，氣泡隨鉆井液向上運移過程中，氣泡半徑逐漸變大；在含氣率較低的泡狀流階段，氣泡體積膨脹主要受井筒壓力、溫度控制，可忽略氣泡的聚并作用。假設(shè)氣侵發(fā)生處井深3500 m，儲層巖石平均孔喉半徑1.5 μm，初始氣侵速率0.045 L/s，不考慮氣體在鉆井液中的溶解和氣泡聚并，則可計算泡狀流階段氣泡半徑與含氣率的運移變化規(guī)律[14-18]，進而根據(jù)C&P 模型預(yù)測低頻彈性波的響應(yīng)特征，結(jié)果如圖1 所示。

從圖1 可以看出，在低含氣率條件下，氣泡沿井筒上移膨脹引起含氣率升高，低頻彈性波在其中傳播的相速度快速減小、衰減系數(shù)顯著增大。同時，井下關(guān)鍵噪音，如泥漿泵壓力波動、鉆柱振動等主頻較低(< 20 Hz)，與本文方案使用的低頻彈性波(～102Hz)具有顯著的主頻差異，為實現(xiàn)監(jiān)測信號識別分離提供了有利基礎(chǔ)，對于氣侵監(jiān)測的靈敏性和可靠性具有較好的保障。因此，低含氣率的泡狀流階段是進行氣侵井下監(jiān)測的有利窗口期，如果能在此時利用低頻彈性波的響應(yīng)特征成功監(jiān)測到氣侵，將為井控贏取寶貴時間，大大降低鉆井風(fēng)險。

圖1 泡狀流階段低頻彈性波(f =100 Hz) 相速度和衰減系數(shù)隨含氣率的變化規(guī)律Fig.1 Variation of the phase velocity and attenuation coefficient of the low-frequency elastic wave (f =100 Hz)with the gas fraction in the bubbly flow stage

2 低頻彈性波氣侵井下監(jiān)測技術(shù)方案

基于低頻彈性波(～102Hz) 特征響應(yīng)的氣侵井下監(jiān)測的整體技術(shù)思路如圖2 所示：綜合考慮井筒溫壓分布和鉆井液性質(zhì)，基于井筒多相流計算，在井下合適深度范圍等間距安裝多個井下監(jiān)測短節(jié)。每個井下監(jiān)測短節(jié)下端沿鉆井液上返方向連續(xù)發(fā)射低頻脈沖信號，并被井下監(jiān)測短節(jié)上端的接收器采集。如果某個監(jiān)測段內(nèi)有效捕捉到氣泡，則接收信號會產(chǎn)生特征響應(yīng)(如相速度、衰減、頻譜分布等)。井下監(jiān)測短節(jié)內(nèi)部裝有信號處理單元，可對接收信號的連續(xù)動態(tài)特征響應(yīng)進行智能識別。考慮不同工程條件下氣侵風(fēng)險的控制需求不同，監(jiān)測短節(jié)入井前，可在信號處理單元預(yù)先設(shè)置氣侵預(yù)警閾值。工作過程中，一旦確定發(fā)生氣侵，則井下監(jiān)測短節(jié)優(yōu)先發(fā)出預(yù)警信息，并通過井下信息無線傳輸系統(tǒng)將預(yù)警信號快速傳到地面，保障氣侵“早預(yù)警”。然后，地面控制中心通過處理不同位置井下監(jiān)測短節(jié)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行氣侵定量預(yù)測，為制定科學(xué)的氣侵處理方案提供依據(jù)。

圖2 基于低頻彈性波特征響應(yīng)的氣侵早期井下監(jiān)測方法示意圖Fig.2 Schematic diagram of downhole detection of early gas kick based on the characteristic response of low-frequency elastic wave

3 基于低頻彈性波特性的氣侵監(jiān)測模擬實驗系統(tǒng)研發(fā)

3.1 模擬實驗系統(tǒng)設(shè)計與構(gòu)建

根據(jù)上述氣侵井下監(jiān)測分析與技術(shù)方案，設(shè)計并構(gòu)建了基于低頻彈性波特性的氣侵監(jiān)測模擬實驗系統(tǒng)(如圖3 所示)。該實驗系統(tǒng)主要由模擬井筒、氣液控制系統(tǒng)、低頻彈性波信號收發(fā)系統(tǒng)三部分組成。為便于觀察，模擬井筒采用透明加厚有機玻璃管制成，內(nèi)徑10 cm，有效高度2 m，可通過供水管向模擬井筒內(nèi)注入工作液。氣液控制系統(tǒng)主要由空氣壓縮機、穩(wěn)壓閥、單向閥、氣泡發(fā)生器組成，氣體通過增壓、穩(wěn)壓、流量調(diào)控后，經(jīng)氣泡發(fā)生器進入充滿工作液的模擬井筒，并在模擬井筒內(nèi)形成隨機氣泡；同時在模擬井筒側(cè)面架設(shè)高速攝像機，觀測氣泡分布與運移情況。低頻彈性波信號收發(fā)系統(tǒng)主要由信號發(fā)生器、功率放大器、激振器、聲壓傳感器和動態(tài)信號采集箱組成，信號發(fā)生器與功率放大器配合使用，為安裝在模擬井筒頂部的激振器提供電流信號。四個聲壓傳感器等間距安裝在模擬井筒壁上，并通過動態(tài)信號采集箱與電腦相連。

圖3 基于低頻彈性波特性的氣侵監(jiān)測模擬實驗系統(tǒng)Fig.3 Experiment system of gas kick detection based on the characteristic response of low-frequency elastic wave

為保障實驗測量的可靠性和可重復(fù)性，本實驗系統(tǒng)開發(fā)了氣泡發(fā)生器和含氣率測試方法。

3.1.1 氣泡發(fā)生器

在實驗室中產(chǎn)生氣泡的方法目前主要包括物理法和化學(xué)法兩類。物理法的關(guān)鍵是構(gòu)造微小氣流通道，如毛細管[4,10]、孔板[6,19]、篩網(wǎng)[20]等，當(dāng)氣體以合適速度通過這些微小通道進入液相后，即可在表面張力作用下形成氣泡。氣泡的尺寸和形態(tài)受氣流通道結(jié)構(gòu)的影響?；瘜W(xué)法[21]主要通過化學(xué)藥劑反應(yīng)、電解水反應(yīng)等產(chǎn)生氣泡。

通過大量試驗和工藝優(yōu)化，本系統(tǒng)基于人造巖心和毛細管簇，研制了兩種氣泡發(fā)生器(如圖4 所示)，能形成直徑0.5～3.0 mm 的隨機氣泡，模擬氣侵初期的泡狀流。可采用高速攝像機[22]觀測氣泡運移情況、統(tǒng)計氣泡尺寸分布。人造巖心氣泡發(fā)生器產(chǎn)生的氣泡尺寸基本符合均勻隨機分布(如圖4(a) 所示)，通過調(diào)整石英砂粒徑、巖心孔隙度，可以改變氣泡的尺寸范圍。毛細管簇氣泡發(fā)生器產(chǎn)生的氣泡尺寸基本符合正態(tài)隨機分布(如圖4(b) 所示)，通過調(diào)整毛細管的直徑，可以改變氣泡的平均尺寸。比較而言，毛細管簇氣泡發(fā)生器產(chǎn)生的大多數(shù)氣泡尺寸相差不大，具有較好的可重復(fù)性，便于試驗數(shù)據(jù)的定量分析。

圖4 氣泡發(fā)生器及其產(chǎn)生氣泡照片和氣泡半徑概率密度分布Fig.4 Bubble generators with their generated bubbles and bubble radius distribution

3.1.2 含氣率測量

含氣率是影響含氣泡液體低頻彈性波特性的重要因素。實驗過程中，通過調(diào)節(jié)閥可控制氣體進入氣泡發(fā)生器的速度，進而調(diào)控含氣率。但氣體流量計只能監(jiān)控氣體流量的大小，并不能直接反映含氣率的高低。

為測定模擬井筒中的含氣率，在模擬井筒的底部側(cè)壁連通一個U 形管，如圖3 所示，由于U 形管內(nèi)徑(0.5 cm) 遠小于模擬井筒內(nèi)徑，U 形管內(nèi)不會有氣泡進入，U 形管內(nèi)液面高度變化反映了模擬井筒內(nèi)氣液混合物的等效密度變化。由U 形管壓力平衡原理，可得出含氣率(χ) 與U 形管液面高度變化值(Δh) 的關(guān)系為

式中，ρl為實驗工作液的密度，ρg為氣體的密度。

采用清水為工作液，空氣為氣體介質(zhì)，測量了不同氣體流量下對應(yīng)的U 形管液面高度變化，進而由式(1) 計算含氣率，建立了氣體流量Q與含氣率之間的換算關(guān)系(如圖5 所示)。對于不同類型的工作液和氣體組合(如密度、黏度、界面張力不同)，可按照該方法建立相應(yīng)的氣體流量-含氣率換算關(guān)系。

圖5 氣體流量與模擬井筒內(nèi)含氣率的換算關(guān)系Fig.5 Conversion relation between gas flow rate and gas fraction in simulated wellbore

3.2 實驗操作流程

該實驗系統(tǒng)可用于探究頻率、含氣率、工作液性質(zhì)(密度、黏度) 對低頻彈性波傳播特性的影響。以不同含氣率下低頻彈性波傳播特性實驗測量為例，采用清水、空氣作為實驗介質(zhì)，說明實驗流程如下。

(1)首先在模擬井筒底部安裝選定型號的氣泡發(fā)生器，并按順序依次連接進氣管匯及空氣壓縮機，確保各個設(shè)備及閥門連接正確、密封良好；

(2) 通過注水管向模擬井筒內(nèi)注入工作液(清水)，當(dāng)模擬井筒內(nèi)液面超過其有效高度2～3 cm 后，關(guān)閉注水管；打開U 形管閥門，待液面穩(wěn)定后記錄U 形管液面初始高度h1；

(3) 連接傳感器、動態(tài)信號采集箱和電腦，打開數(shù)據(jù)采集控制軟件，設(shè)置采樣頻率，采集4 個傳感器的背景信號F0；

(4) 開啟空氣壓縮機，打開穩(wěn)壓閥，根據(jù)氣體流量計示數(shù)緩慢調(diào)節(jié)氣體調(diào)節(jié)閥，U 形管液面基本穩(wěn)定后，記錄U 形管液面高度h2和流量計示數(shù)Q；啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集4 個傳感器的響應(yīng)信號F1；

(5) 連接信號發(fā)生器、功率放大器和激振器，設(shè)置輸出信號類型和頻率，依次開啟信號發(fā)生器、信號采集系統(tǒng)和功率放大器，緩慢調(diào)節(jié)功率放大器增益旋鈕，使激振器在合理幅值平穩(wěn)振動，采集4 個傳感器的響應(yīng)信號F2；

(6) 一次試驗結(jié)束，保存數(shù)據(jù)，關(guān)閉激振器；待模擬井筒內(nèi)氣泡全部排出，恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)后，重復(fù)步驟(2)～(5)，改變含氣率，直至完成所設(shè)計的實驗方案。

3.3 數(shù)據(jù)處理方法

試驗采集的原始動態(tài)信號除了有效的低頻激振信號外，還包含各種噪音，如圖6(a) 所示，需要對采集數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，達到去除噪點、增強信號特征的目的。數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括去除背景壓力、濾波降噪兩個部分。實驗系統(tǒng)中沿模擬井筒軸線方向等間距分布4 個傳感器，在沒有啟動激振器之前，不同位置傳感器所處的背景壓力(對應(yīng)高度的液柱壓力)不同，為凸顯低頻彈性波激勵引起的聲壓波動，需要在原始動態(tài)信號的基礎(chǔ)上，扣除對應(yīng)的背景壓力。濾波降噪包括移動平均濾波和小波降噪。預(yù)處理完成后的動態(tài)信號如圖6(b) 所示。

圖6 信號數(shù)據(jù)處理方法Fig.6 Signal data processing method

原始信號經(jīng)過預(yù)處理得到平滑曲線后，選取至少包含一個波峰的時間窗T，以相鄰兩個傳感器的信號進行互相關(guān)計算，確定兩個信號之間的時間延遲為

式中，Y(t) 和X(t) 為上下兩相鄰傳感器對應(yīng)的動態(tài)信號序列，互相關(guān)函數(shù)RXY(τ) 曲線峰值位置對應(yīng)的τ即為兩列信號間的延遲時間(如圖6(c) 和圖6(d)所示)。本實驗系統(tǒng)有4 個傳感器，相鄰兩傳感器信號進行互相關(guān)運算后，可得到3 個延遲時間τ12，τ23，τ34，則計算的低頻彈性波在含氣泡液體中的傳播相速度為

式中，L為相鄰兩傳感器之間的距離。

3.4 實驗系統(tǒng)可靠性分析

為驗證實驗系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理方法的科學(xué)性和可靠性，采用清水、空氣作為實驗介質(zhì)，以毛細管簇氣泡發(fā)生器生成氣泡，氣泡平均直徑2 mm，在50 Hz，80 Hz，100 Hz 條件下分別進行不同含氣率的實驗測量，并按照前述方法進行數(shù)據(jù)處理與計算。將實驗測量結(jié)果與經(jīng)典的C&P 模型進行對比，結(jié)果如圖7 所示。從圖中可以看出，本實驗系統(tǒng)測量結(jié)果與C&P 模型預(yù)測結(jié)果吻合良好，特別是在激振頻率為80 Hz 和100 Hz 時，實驗測量數(shù)據(jù)與理論模型預(yù)測結(jié)果偏差小于10%，該實驗系統(tǒng)測量精度能夠滿足氣侵井下監(jiān)測的數(shù)據(jù)模擬分析需求。

圖7 實驗系統(tǒng)測量結(jié)果對比驗證Fig.7 Verification of the experiment system by comparing its measurements with theoretical model

4 結(jié)語

(1)針對油氣鉆井氣侵井下監(jiān)測問題，研發(fā)了低頻彈性波氣侵監(jiān)測模擬實驗系統(tǒng)，包括模擬井筒、氣液控制系統(tǒng)、低頻彈性波信號收發(fā)系統(tǒng)三部分，并構(gòu)建了配套的實驗數(shù)據(jù)處理方法。該實驗系統(tǒng)可直觀地呈現(xiàn)氣侵后氣泡的運移和分布規(guī)律，觀測氣侵前后低頻彈性波在速度、衰減方面的變化特征。

(2) 實驗測量結(jié)果表明，當(dāng)有少量氣體侵入(含氣率<1.0%)時，含氣泡流體的彈性波速度出現(xiàn)顯著降低，可由此監(jiān)測氣侵是否發(fā)生。該實驗系統(tǒng)測量結(jié)果與Commander & Prosperetti 理論模型預(yù)測結(jié)果吻合良好，可用于研究分析頻率、含氣率、工作液性質(zhì)(密度、黏度) 對含氣泡液體低頻彈性波特性的影響，為基于低頻彈性波特性的氣侵定量預(yù)測構(gòu)建了基礎(chǔ)實驗平臺，也為含氣泡液體其他物理性質(zhì)的實驗測量提供了有益借鑒。

(3)考慮油氣鉆井的井下工況與環(huán)境，在后續(xù)系統(tǒng)升級中可考慮完善井筒壓力溫度控制和巖屑循環(huán)模塊、增加鉆柱振動模塊，使實驗系統(tǒng)更加接近工程實況。