新型在線井筒液位監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)與測試

張緒亮 夏天果 張鑫磊 韓性禮 謝 平 賴擁斌

(①中國石油塔里木油田公司油氣工程研究院；②上海神開石油科技有限公司)

0 引 言

井控是鉆井工程安全生產(chǎn)的重中之重，鉆井過程中井筒內(nèi)鉆井液液面位置的準(zhǔn)確測量是確保鉆井作業(yè)安全的必要手段。傳統(tǒng)的井筒液位測量方法是測量隊(duì)在得到甲方通知后上井測量，需經(jīng)多次安裝并在關(guān)井條件下才能測量，存在無法連續(xù)實(shí)時(shí)測量、無法開井測量等問題；同時(shí)獨(dú)立的井下液位測量無法與現(xiàn)場錄井系統(tǒng)數(shù)據(jù)相結(jié)合，無法更為準(zhǔn)確地預(yù)測井下溢漏情況，監(jiān)測過程也沒有完整的證據(jù)鏈，因而無法滿足當(dāng)前越來越嚴(yán)格的井控要求。為此，進(jìn)行了新型在線井筒液位監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)攻關(guān)，從軟件、硬件、測量方式等方面進(jìn)行了大量的研究和論證，在設(shè)備安裝操作便捷性、環(huán)境適應(yīng)性方面提出了新的方案[1-3]，并成功研發(fā)了SK-OLM在線井筒液位監(jiān)測系統(tǒng)，通過現(xiàn)場測試驗(yàn)證了該系統(tǒng)技術(shù)、設(shè)備和測量方法的可行性。

1 液面測量原理及測量方法研究

SK-OLM在線井筒液位監(jiān)測系統(tǒng)，使用錄井房內(nèi)氮?dú)獍l(fā)生器為其前端遠(yuǎn)程控制發(fā)令槍提供氣源，實(shí)時(shí)分析井筒內(nèi)液面回波計(jì)算液面位置，生成連續(xù)實(shí)時(shí)液面曲線，同時(shí)與錄井大鉤負(fù)荷、出入口流量、池體積、立管壓力等判斷溢漏的重要指示參數(shù)相結(jié)合，及早預(yù)判井下可能發(fā)生的溢流滲漏，有利于現(xiàn)場鉆井過程中發(fā)生溢漏時(shí)的快速?zèng)Q策與處理，防止井控事故的發(fā)生及發(fā)展[4-5]。

1.1 在線井筒液位測量的基本原理

如圖1所示，安裝在井口的聲波脈沖發(fā)聲器發(fā)出的次聲波，沿環(huán)形空間向井底傳播，遇到井下環(huán)空液面后發(fā)生反射，反射波沿原路反向傳播到井口，被微音器接收，并將接收到的反射脈沖轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，再經(jīng)放大、轉(zhuǎn)換、運(yùn)算、顯示和存儲(chǔ)等處理，測出聲波傳播速度和反射時(shí)間，即可測出聲源與反射物之間的距離。其計(jì)算公式如下：

H=(V×T)/2

式中：H為液面位置，m；V為聲波在井筒內(nèi)給定套壓下的傳播速度，m/s；T為聲波從發(fā)射至接收到第一次回聲信號(hào)的間隔時(shí)間，s。

圖1 液位測量原理

1.2 在線井筒液位測量方法

鉆井作業(yè)在安全方面具有特殊性的嚴(yán)格要求，特別是在井口Ⅰ區(qū)安全作業(yè)范圍內(nèi)，傳統(tǒng)的聲彈、高壓氣體及人工敲擊發(fā)聲等方法存在一定的危險(xiǎn)性。鉆井起下鉆、下套管等作業(yè)是連續(xù)動(dòng)態(tài)的過程，要實(shí)現(xiàn)起下鉆等作業(yè)過程中井筒液面的動(dòng)態(tài)檢測，就要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制設(shè)備在開井狀態(tài)下實(shí)時(shí)連續(xù)測量，因此安裝位置的選擇至關(guān)重要。根據(jù)測量原理，測量位置必須選擇與井下環(huán)空直接相通處，才能實(shí)現(xiàn)聲波的發(fā)射和液位回波的接收。如圖2所示，井口設(shè)備包括防噴器、壓井管匯、節(jié)流管匯等多處接口都可與環(huán)空連通。通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)論證，圖2中A、C、E、G點(diǎn)處只能在關(guān)井狀態(tài)下才能準(zhǔn)確測量井筒液面，不能實(shí)現(xiàn)開井測量，只有F點(diǎn)(防溢管處)、B點(diǎn)(旁通處)、D點(diǎn)(1號(hào)閥處)可滿足開井狀態(tài)下連續(xù)測量的條件。以這三個(gè)點(diǎn)作為測量設(shè)備的安裝點(diǎn)，并針對性地開發(fā)了防溢管短節(jié)、防爆槍體等配套裝置，使其能在此位置處進(jìn)行在線連續(xù)開井狀態(tài)下的井筒液位測量。

圖2 井口測試點(diǎn)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在線井筒液位監(jiān)測系統(tǒng)主要由防爆槍體、防溢管短節(jié)、增壓供氣系統(tǒng)、氮?dú)獍l(fā)生器、設(shè)備控制箱及電腦系統(tǒng)組成(圖3)。其發(fā)聲槍體采用防爆設(shè)計(jì)，通過防溢管短節(jié)安裝在井口防溢管處，一次安裝即可長期使用；其他設(shè)備均放置在錄井房內(nèi)，通過控制電纜和氣管線與錄井房內(nèi)的電腦系統(tǒng)、設(shè)備控制箱、氮?dú)獍l(fā)生器及增壓系統(tǒng)相連接。

圖3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖4所示。軟件系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)接收井下液面位置數(shù)據(jù)和顯示曲線等基本功能的基礎(chǔ)上，還需要與綜合錄井的鉆井液出入口流量、鉆井液池體積、立管壓力等判斷溢漏的重要參數(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)分析和預(yù)測井下溢漏情況的功能。

圖4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

軟件系統(tǒng)采用串口、TCP(Server/Client)、UDP等通信方式通過WITS傳輸實(shí)時(shí)接收鉆井液出入口流量及鉆井液池液位等傳感器所測量的錄井參數(shù)，最終通過一定的邏輯算法模型來綜合判斷井下溢流、井漏或井涌的狀況。軟件功能界面如圖5所示，設(shè)有液位動(dòng)態(tài)畫面、液位變化曲線、關(guān)聯(lián)的錄井參數(shù)、液位信號(hào)波、安全警示儀表等界面?？梢愿櫽涗涖@井全過程，及時(shí)預(yù)告安全信息，并提供相關(guān)記錄報(bào)告。

圖5 在線井筒液面監(jiān)測系統(tǒng)軟件功能界面

3 現(xiàn)場測試

選取塔里木油田X 1、X 2井進(jìn)行SK-OLM在線井筒液位監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)場測試應(yīng)用，測試過程中對測量方法不斷改進(jìn)，在井口不同位置、不同鉆井狀態(tài)下進(jìn)行開井測量，均取得了較好的測量結(jié)果。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，由于上述三個(gè)安裝點(diǎn)中的B點(diǎn)(旁通處)環(huán)境較為復(fù)雜，不利于后期的發(fā)聲槍體保養(yǎng)維護(hù)，綜合考慮安裝位置選取在D點(diǎn)(管匯1號(hào)閥處)、F點(diǎn)(防溢管處)，該兩點(diǎn)處均可以進(jìn)行開井、關(guān)井兩種狀態(tài)下的測量(圖6)。

3.1 管匯1號(hào)閥處(D點(diǎn))測量

圖6 設(shè)備安裝位置

X 1井首先在管匯1號(hào)閥處(D點(diǎn))進(jìn)行井漏過程中的開井測試：該井鉆進(jìn)過程中發(fā)生井漏后，首先關(guān)井30 min觀察，如表1所示， 期間關(guān)井狀態(tài)下測量液面高度兩次分別為146.18 m、149.64 m，而后進(jìn)行開井狀態(tài)下測量，連續(xù)兩次測量液面分別下降至176.55 m、177.62 m，累計(jì)漏失鉆井液8.5 m3，之后每15 min環(huán)空入灌鉆井液0.6 m3，水眼灌入鉆井液0.3 m3，最后測得液面高度158.58 m，累計(jì)漏失鉆井液11.3 m3。從與之相對應(yīng)的液面測量回波圖(圖7)中也可以看出，開井測量回波位置明顯，能夠準(zhǔn)確識(shí)別出液面高度。X 1井處理井漏過程中，在線井筒液位監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測井下液面數(shù)據(jù)準(zhǔn)確及時(shí)，為鉆井施工方快速處理井漏打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，避免了井漏事故的進(jìn)一步惡化。

3.2 防溢管處(F點(diǎn))測量

選取塔里木油田X 2井進(jìn)行防溢管處的井筒內(nèi)環(huán)空液面高度測量，在非目的層段并確保井控安全的情況下，現(xiàn)場分別進(jìn)行了起鉆狀態(tài)下測量和灌鉆井液狀態(tài)下測量。起鉆狀態(tài)下的測量按照每起10柱鉆桿進(jìn)行一次測量，如表2和圖8所示，可以看出起鉆過程中所監(jiān)測的液面下降高度與理論下降高度基本一致，誤差較小，測量結(jié)果精度可滿足現(xiàn)場要求。需要指出的是，

表1 X 1井井漏測量數(shù)據(jù)及漏失情況

圖7 X 1井井漏過程中液面位置回波圖

表2 起鉆狀態(tài)下液面高度測量數(shù)據(jù)

表2中實(shí)測液面與理論液面有一定的差距，實(shí)測液面偏大，是因?yàn)槔碚撘好嬗?jì)算是按照環(huán)空液面的初始值為0開始計(jì)算的，但事實(shí)上，液面與井口存在一段距離。這是由于現(xiàn)場條件限制，難以控制初始液面為0，故實(shí)測液面大于理論液面符合實(shí)際情況。

該井后續(xù)在起鉆過程中需要吊罐補(bǔ)鉆井液，以補(bǔ)充因起鉆造成的環(huán)空液位下降。監(jiān)測系統(tǒng)測量液位與理論液位不符，判斷發(fā)生井漏，在靜止?fàn)顟B(tài)下測得環(huán)空液面連續(xù)下降。自井下65 m持續(xù)下降到93 m、101 m、103 m，漏失鉆井液7.1 m3，立即采取井控措施；配制濃度30%堵漏鉆井液30 m3，并灌入鉆井液9 m3，監(jiān)測環(huán)空液面63 m，繼續(xù)打堵漏鉆井液23 m3未返，監(jiān)測環(huán)空液面75 m，判斷原漏點(diǎn)復(fù)漏，水泥車試壓15 MPa；然后打前置液3 m3，打水泥漿14 m3，用鉆井液泵替漿11.5 m3，返出1.5 m3，起鉆11柱后循環(huán)替出多余水泥漿，無漏失，表明堵漏成功，累計(jì)測得漏失鉆井液108.9 m3。X 2井處理井漏過程中，在線井筒液位監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測井下液面數(shù)據(jù)及時(shí)準(zhǔn)確，再次為鉆井施工方處理井漏及時(shí)提供了數(shù)據(jù)依據(jù)，發(fā)揮了保障鉆井施工安全的作用。

圖8 X 2井起鉆狀態(tài)下井筒液面測量回波圖

3.3 與傳統(tǒng)測量方式對比分析

傳統(tǒng)測量方式通過服務(wù)小隊(duì)實(shí)施，每次按照井隊(duì)要求進(jìn)行人工手動(dòng)測量，每次都要重新安裝測量設(shè)備，無法做到在線實(shí)時(shí)測量，并且在只能在關(guān)井狀態(tài)下即可測量，如表3所示。在管匯1號(hào)閥位置，本系統(tǒng)在開井狀態(tài)下實(shí)施測量，而傳統(tǒng)設(shè)備在關(guān)井狀態(tài)下測量，結(jié)果顯然是本系統(tǒng)測量值更為準(zhǔn)確，誤差更?。煌瑫r(shí)，傳統(tǒng)測量系統(tǒng)無法像本系統(tǒng)一樣可以在防溢管處在線實(shí)時(shí)測量井下液面高度。這表明該新型在線井筒液位監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)勢更加明顯。

表3 新型在線液面監(jiān)測系統(tǒng)與傳統(tǒng)測量系統(tǒng)對比結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)現(xiàn)場試用證明采用井筒液面監(jiān)測系統(tǒng)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)井下溢漏事故，尤其當(dāng)發(fā)生井漏失返時(shí)，進(jìn)行液面監(jiān)測有利于準(zhǔn)確監(jiān)測井筒液面位置，判斷地層漏失的性質(zhì)和嚴(yán)重程度，測算合理的鉆井液密度，制定有效的堵漏方案，從而大幅減少鉆井液漏失量并縮短堵漏施工時(shí)間。

(2)新型在線井筒液位監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)勢在于可在線監(jiān)控液面變化，及時(shí)掌握液面的變化動(dòng)態(tài)，能彌補(bǔ)錄井和傳統(tǒng)液位測量對溢漏異常預(yù)報(bào)不精準(zhǔn)不及時(shí)的缺陷，尤其在高溫、高壓、易漏地層的鉆井施工過程中，為井控作業(yè)爭取時(shí)間，把風(fēng)險(xiǎn)降低到最小。

(3) 傳統(tǒng)液面監(jiān)測方法每次測量至少開關(guān)三個(gè)閥門和開關(guān)防噴器一次。新型在線井筒液位監(jiān)測系統(tǒng)主要在室內(nèi)進(jìn)行操作和監(jiān)測，安裝后可避免頻繁開關(guān)閥門、開關(guān)井帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)，特別是規(guī)避緊急狀態(tài)下忘記狀態(tài)復(fù)原等人為安全風(fēng)險(xiǎn)。