深水钻井气侵程度实时定量描述方法.pdf

2 9 2 2 0 1 6年 4月 石油勘探与开发 PETR0LEUM EXPL0RATI oN AND DEVEL0PM ENT Vb 1 ． 43 NO． 2 文章编号 1 0 0 0 ． 0 7 4 7 2 0 1 6 0 2 - 0 2 9 2 0 5 DOI 1 0 ． 1 1 6 9 8 ／ P E D． 2 0 1 6 ． 0 2 ． 1 7 深水钻井气侵程度实时定量描述方法 许玉强 ，管志川 ，张会增 2 ，张洪宁 1 ．中国石油大学 华东 石油工程学院；2 ．中海油研 究总院 基金项目国家自然科学基金 5 1 5 7 4 2 7 5 ；国家重点基础研究发展计划 9 7 3 项目 2 0 1 0 C B 2 2 6 7 0 6 ； 长江学者和创新 团队发展计划 I R T1 0 8 6 摘要 通过分析深水钻井气侵特 点和现有气侵监测方法的不足，论证了在隔水管底部进行气侵早期监测的可行性， 提 出了基于隔水管底部超声波气侵监测的气侵程度实时定量描述方法。分析 了多普勒超 声波监测气侵方法存在的问 题，设计了隔水管底部透射式超声波气侵监测实验装置，用 于分析不同截面含气率条件 下的声波衰减特性，给出了 运用超声波监测隔水管处气侵情况的解决方案。结合深水钻 井井筒环空气液两相流计算模型和含 可信度的地层压力 预测，建立 了基于隔水管底部截面气侵监测数据的井筒气侵程度反算方法。该方法与常规方法相 比可提前 4 m i n左 右检测到气侵 ，并可根据隔水管底部声波响应数据准确确定气侵发生的时刻、气体 到达井口所需时间、任一时刻的 总溢流量及任一时刻不同井深处的截面含气率。图5参 1 5 关键词 深水钻井；气侵监测；透射式超声波；气侵程度 ；反算方法 中图分类号 T E 2 8 文献标识码 A Th e q ua n t i t a t i v e d e s c r i p t i o n o f g a s - c ut de g r e e i n d e e pwa t e r dr i l l i n g XU Yuq i a n g ， GUAN Zh i c h u a n ， ZHANG Hui z e n g ， ZHANG Ho n g ni n g 1 ． C o l l e g e o fP e t r o l e u m E n g i n e e r i n g ， C h i n a U n i v e r s i ty o fP e t r o l e u m， Qi n g d a o 2 6 6 5 8 0 ， C h i n a ； 2 ． C NOO C R e s e a r c h I n s t i t u t e ， B e ij i n g 1 0 0 0 2 8 ， C h i n a Abs t r ac t Th r o ug h t he a n a l ys i s o f g a s - c u t f e a t u r e s i n d e e p wa t e r d r i l l i n g a nd s h o r t a g e s o f e x i s t i ng g a s c u t de t e c t i o n me t ho d s ，the f e a s i b i l i t y of e a r l y d e t e c t i o n o f g a s c u t a t the bo ao m o f ris e r wa s d e mo ns t r a t e d， an d a me t ho d wa s pr o p os e d f o r q uan t i t a t i ve d e s c r i p t i o n o f g a s - c u t de g r e e i n de e p wa t e r d r i l l i n g b a s e d o n ul t r a s on i c mo n i t o r i ng a t t h e b o so m o f r i s e r ．Th e pr o b l e ms o f Do p pl e r ul tra s o u n d g a s c ut d e t e c t i o n me tho d wa s a n a l yz e d a nd t he e x pe r i me n t a l d e vi c e of g a s c ut mo ni t o r i n g a t t h e b o Rom of r i s e r b a s e d o n t he ul t r a s on i c tra n s mi s s i o n wa s b ui l t ， wh i c h wa s u s e d t o a na l y z e the s o un d a t t e n ua t i o n c ha r a c t e ris t i c s u nd e r di ffe r e n t c o nd i t i o ns o f vo i d fra c t i on ．Th e s ol u t i o ns for u s i n g u l tra s o u nd t o mon i t o r ga s - c u t s i t u a t i on a t t h e b otto m of r i s e r wa s pr o po s e d． Co mb i ne d wi t h t h e ga s l i q ui d t wo- ph a s e mo d e l of we l l bo r e a n n ul us i n d e e p wa t e r dr i l l i n g a nd the f o r ma t i o n p r e s s ur e pr e di c t i o n me t h od wi t h c r e di b i l i t y,t h e i nv e r s e c a l c u l a t i o n me tho d of g a s - c u t de gr e e i n we l l bo r e wa s e s t a bl i s h e d ，wh i c h wa s b a s e d o n t he mo n i t o r i n g d a t a o f ga s c u t a t the b oao m s e c t i o n o f r i s e r ． Thi s me tho d c o ul d de t e c t t he g a s c u t a bo u t four mi n ut e s i n a d van c e c o mp a r e d wi th c o nv e n t i o na l me t ho ds ，an d the g as c ut oc c ur r i ng mo me n t ，the t i me l e f t for g a s t o r e a c h t h e we l l h e a d ， the t o t a l o ve r flo w r a t e a t a n y mo me nt ，a nd the v oi d fra c t i o n i n d i ffe r e nt d e p t h c o ul d b e a c c ura t e l y d e t e rm i n e d ba s e d o n the a c o u s t i c r e s po n s e da t a o f the b o tto m o f r i s e r ． Ke y wo r ds d e e p wa t e r d r i l l i n g； g a s - c u t mo ni t o rin g； u l tra s o ni c tran s mi s s i o n； g a s - c ut d e g r e e； i n ve r s e c a l c ul a t i o n me tho d 0引言 钻井过程中若钻遇高压气层会发生气侵 ，在气侵 的初始阶段很难通过钻井液池流体增量 后文简称钻 井液池增量 监测 、流量差溢流监测等方法检测到[ 1 ] ， 且随着井深 的增加 ，提早发现气侵的难度增大 ，留给 井控的反应 时间明显减少 ，使得气侵 的早期监测成为 深井井控 的重点和难点【 2 】 。对于深水钻井 ，首先 ，随 着水深的增加钻井液安全密度窗 口变窄 ，更容易发生 气侵；其次，在深水高静压环境下，气泡的总体尺度 较小 ， 导致气体进入隔水管时钻井液池增量依然不会达 到预警值 ] ，难以通过常规方法及时检测到气侵。因 此 ， 深水钻井 中及时准确发现气侵是井控工作的重点。 近年来 ，有不少学者针对深水钻井气侵 的早期监 测进行了研究 J 。为了实现更准确的气侵早期监测 ， 国内外学者将研究重点逐步转移到隔水管处 的气侵早 期监测方法上 ，主要有基于 MP D Ma n a g e d P r e s s u r e D r i l l i n g ， 控压钻井 技术的隔水管气体风险控制技术[ 8 ] 、 基于隔水管处钻井液密度测定的溢流监测方法[ 1 0 j 和基 于多普勒原理 的隔水管气侵监测方法[ 1 1 ] 等 。其 中，基 于 MP D 技术的隔水管气体风险控制技术是利用 MP D 技术本身的控压优势及流体探测装置对隔水管 内的气 2 0 1 6年 4月 许玉强 等深水钻井气侵程度实时定量描述方法 2 9 3 体进行处理 以减小井喷风险 ；基于隔水管处钻井液密 度测定的溢流监测方法通过安装在隔水管底部的流体 密度探测装置测量密度的变化情况 ，由此确定是否有 溢流或气侵的发生 ，但在如何精确确定截面含气率等 方面还需进一步研究 ；基于多普勒原理的隔水管气侵 监测方法是基于超声波被流体中的固相颗粒或气泡反 射产生频差来近似测量流体速度 ，测量结果反映的是 固相颗粒和气泡的速度 ，且只能测量信息窗口区域内 的流体速度 ，测量结果反映的区域较小。此外 ，对 于 深水井控 ，不但需要及时准确地发现气侵 ，还要对气 侵程度进行定量描述。因此 ，本文设计透射式超声波 气侵测量装置 ，结合隔水管底部气侵监测数据和深水 钻井井筒多相流模型实时模拟井底气侵情况 ，为合理 精确地控制气侵提供技术支持。 1隔水管底部气侵监测的可行性 以南中国海某深水井 A为例 ，相关参数为 水深 1 5 2 4 m，井深 5 0 3 0 m，已固井段 3 1 5 3 m，海水表面 温度 1 5℃，隔水管外径 5 0 8 mm，循环排量 2 8 L ／ s ， 钻井 液密度 1 ． 2 9 g ／ c m ，钻井液导 热系数 1 ． 7 3 W／ m K ，稠度系数 0 ． 2 7 ，流性指数 0 ． 4 ，地层孔隙度 0 ． 3 ％，渗透率 5 0 1 0 g m ，地层导热系数 2 ． 2 5 w／ m K ，原始地层压力 7 0 MP a 。 图 1为气侵发生后井筒环空中气体到达位置及对 应的钻井液池增量 。由图 1可知 ，气侵发生后 ，气体 到达隔水管底部时，钻井液池增量仅为 0 ． 5 6 m3 ，远低 于深水钻井 中预警值 1 m 。同时由于钻井液池增量 监测法本身的局限性 ，通常当溢流持续超过 2 m 或观 察到有溢流发生时才会认为井下发生了气侵 ，此时再 进行井控操作[ 】 。而从图 1中可以看出，当钻井液池 增量达到 2 m 时，气体已经在隔水管内运移了超过 4 mi n ，上升了 3 5 0 m。因此 ，钻井液池增量监测法在深 垂 O 一 1 0 o 0 - 2 0 0 0 - 3 0 0 0 - 40 0 0 - 5 0 0 0 气侵时间／ mi n 图 1 气侵发生后井筒环空中气体到达位置及 对应钻井液池增量 水气侵监测中明显滞后 ， 不利于及时发现气侵。 从 图 1 中还可以看出， 气体从隔水管底部运移至井 口需要 7 ． 6 mi n ，从气体刚进人隔水管底部到溢流量达到 1 m 预警 值所需时间为 2 m i n 、达到 2 m 预警值所需时间为 4 mi n ，因此 ，若能在隔水管底部对气体进行有效监测 ， 可以赢得足够的时间采取压井等井控措施 ，及时有效 地控制气侵 。 图 2为 A井气侵发生后隔水管底部截面含气率 随 时间的变化情况 ， 可以看 出 气体到达隔水管底部 气 侵 2 2 mi n后 ，在 8 mi n内截面含气率便达到峰值 ， 含气率 由 1 ％增至 2 3 ％只用了 2 mi n 。对于不同的井底 气侵量 ，截面含气率随时间的变化不同，因此可通过 监测隔水管底部截面含气率随时间的变化来揭示井底 气侵情况。 0 l 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 气侵时间／ mi n 图 2 隔水管底部截面含气率随时间变化情况 对于 A井 ，与常规方法相 比，通过监测隔水管底 部的截面含气率可提前 4 mi n左右准确检测到气侵 ， 并 且可根据截面含气率随时间的变化情况计算出井底气 侵量大小 ，该方法在理论和技术上都是可行 的。 2隔水管底部超声波气侵监测技术 2 ． 1理 论依 据 深水钻井 中的隔水管始终处于承压状态 ，且 由于 受到暗流 、钻井船漂移等因素 的影响而处于复杂力学 状态 ，因此在此处监测气侵需要保证隔水管的完整性。 有学者提出了在隔水管外侧采用多普勒超声波探头对 气侵进行监测 ，并通过实验验证了该方法对气侵早期 监测的有效性 ，同时得出了超声波频移对含气量 的响 应情况[ 】 。然而，多普勒超声波测量方法主要是基于 流体中的固相颗粒或气泡反射产生 的频差来计算 流 速。根据多相流理论 ，井筒环空中的气泡上升速度大 于液体速度 ，而岩屑等 固相颗粒速度小于液体速度 ， 钻井液本身的固相速度则等于液体速度。因此 ，采用 ∞ 如 ∞ ∞ 加 m 斟 扣恒柩聒 驻*隆 石 油勘探与开发 石油工程 V b 1 ． 4 3 NO ． 2 多普勒超声波法测量 出的结果能够综合反映各种相态 流体速度 ，可通过所测流速的变化定性检测到气侵的 发生 ，但要做到定量描述气侵程度还需要在以下方面 进一步完善。 ①气泡上升速度信号的提取。只有准确测量出气 泡的实际上升速度 ，才可根据井筒多相流理论进一步 确定井底气侵情况 ； ②隔水管环空多相流场模拟 。多普勒超声波测量 方法只可测量信息窗 口 处于井筒环空流场的边缘 内的流体速度 ，因此所测数据不能反映整个截面的流 速情况 ，需要对流场分布进行模拟分析。 2 ． 2 实验设 计 为了弥补多普勒超声波监测法的不足 ，同时实现 在隔水管底部截面对气侵进行有效监测 ，本文利用声 波在气液两相流中的衰减特性来描述隔水管处的气侵 情况 ，并设计了透射式超声波监测气侵实验装置 见 图 3 a 。装置采用与实际尺寸 1 2的比例进行设计 ， 可模拟不同截面含气率条件下的隔水管环空多相流， 并利用超声波探头实时测量声波对含气率的响应 ，用 于分析超声波信号特征参数与井筒截面含气率 的定量 关系。井筒采用上部不锈钢和下部有机玻璃相结合 的 设计 ，其中上部不锈钢井筒可用于模拟隔水管 ，下部 有机玻璃便 于观察气泡在井筒 中的运移情况 。超声波 探头通过加装延迟块实现井筒环空的对位安装 见图 3 b 。超声波发生器采用 9 0 0 V高电压发生装置 ，使得 不 同频率的超声波能够穿透气液两相流 ，以便研究频 率对超声波衰减规律的影响 ，从而选择最优频率。 a 模拟装置不意图 b 超声波探头安装位置图 图 3 隔水管底部透射式超声波监测气侵模拟 装置及超声波探头安装位置图 实验中需要精确确定截面含气率情况 ，以便定量 分析超声波信号特征参数与截面含气率 的关系。为了 准确确定模拟装置截面含气率 ，根据装置设计尺寸 ， 基于气液两相流模型，建立 了模拟井筒环空的截面含 气率计算模型 ，并编制了计算程序 ，通过气体流量实 时计算模拟井筒的截面含气率 ，实现了模拟井筒截 面 含气率的精确调节。 模拟时 ， 开启阀门 1 ， 空气压缩机产生的气体通过 调压阀、流量计 、节流阀、阀门 1进入模拟井筒 ，经 由底部 的发泡筛板形成均匀的泡状流 可 以通过改变 发泡筛板的孔 目数及尺寸改变模拟井筒内气泡的密度 和大小 ，通过改变气体流量模拟不同截 面含气率情 况 ；超声波发射探头由 9 0 0 V高电压超声波发射装置 激励产生超声波 ，声波经由延迟块 、隔水管壁 、多相 流体等到达超声波接收探头 ，并 由高速数据采集 系统 对声波信号进行实时采集。 利用透射式超声波在气液两相流中的衰减特性来 反映截面含气率 ，具有以下优势 。 ①超声波穿透截面范围较大 ，所测数据 声幅、 声速等 更能真实 、全面地反映截面含气率 。 ②可以不考虑气泡对超声波的反射效应 ，只需处 理接收探头接收的信号即可。 ③可以通过多组实验 ，确定一定条件下 流体 的 类型 、物性和流变性 ，流场和气泡大小等 接收探头 信号与截面含气率的对应关系，以便实现对井底气侵 情况的定量描述。 2 ． 3解决方案 由于超声波在气体和液体 中的波速及衰减相差很 大 ，声波传播路径上一旦有气泡 ，接收端信号便可灵 敏准确地反映出来 。因此 ，本文提出的隔水管底部超 声波监测方法可用作气侵的预警监测 。 运用本文 的实验装置模拟实际工况 井身结构 、 钻井液性能 、岩屑浓度 、排量等 下超声波对气侵的 响应情况 ，建立超声波接收信号 声速 、声幅等 与 截面含气率的定量关系 ，用于计算实际工况下截面含 气率随时间的变化率。 利用多普勒超声波监测法测定的流速数据 ，筛选 出气泡上升速度 ，结合隔水管环空流场分析 ，确定截 面平均气泡上升速度 ，用于计算实际工况下截面平均 气泡上升速度随时间的变化率。 由此 ，可以得到反映隔水管底部气侵情况 的关键 数据 ，即 截面含气率 、截面含气率随时间的变化率 、 截面平均气泡上升速度及截面平均气泡上升速度随时 间的变化率。 3井底气侵程度反算方法 隔水管处一旦检测到气侵 ，就需要根据气侵情况 2 0 1 6年 4月 许玉强 等深水钻井气侵程度实时定量描述方法 2 9 5 判断是否需要采取措施进行井控 ，而判断的依据便是 井底气侵时间和气侵程度等 ，可以结合 隔水管底部 的 气侵监测数据和深水钻井井筒环空气液两相流模 型对 井底 的气侵程度进行反算 。 由图 2可知 ，气侵发生后 ，隔水管底部的截面含 气率变化基本呈线性 ， 尤其是含气率较低 小于 2 0 ％ 时 ，且含气率由 1 ％上升到 2 0 ％仅用 了不到 2 mi n ，具 有较强的时效性。因此 ，隔水管底部截面含气率及其 变化率可以作为判断井底气侵程度的指标。具体步骤 如下 。 ①根据 目标井的井身结构 、钻井液性能 、施工参 数和地层参数等，建立井筒气液两相流计算模型[ ” 】 。 ②由于随着井深的增加 ，地层压力预测的误差也 随之增大[ 1 ，若直接用地层压力单值作为基础参数计 算气侵过程 ，难 以真实反映井底气侵情况 。因此本文 引入含可信度地层压力预测方法[ 】 ， 假设 目标井井底原 始地层压力为 P 。 ，通过计算确定 目标井含可信度的井 底地层压力取值区间为 ， P N ] ，对应的可信度为 ，采 用步骤①建立的井筒气液两相流计算模型模拟不同井 底原始地层压力条件下的气侵过程， 得到不同原始地层 压力条件下隔水管底部截面含气率随时间的变化情况。 ③选取含气率开始非零的时间点[ t ⋯ t o N ] 和截面含 气率达到 E g M 根据实际需要选取 的时间点I t 1 ，t N ] ， 计算隔水管底部截面含气率随时间的变化率 ． 生 f 1 ，2 ，⋯，Ⅳ 1 一 t o 则 t o 和 即为隔水管底部截面含气率反映井底气侵程 度的特征参数。 ④假设利用本文的超声波气侵监测方法检测到 A t 时间内隔水管底部截面含气率的变化率为 ，检测到 气泡的时刻为 ， 若满足I 一 J ， 则认为 对应 的地层压力 ， 为真实的地层压力。其 中 s根据实际情 况取值 。 ⑤在步骤②中选取 P J 对应 的井筒气侵模拟结果 ， 确定气泡到达隔水管底部所用时间 ，即监测到信号时 气侵已经发生了 ， ， 则气侵发生 的时刻为 t 。 一 t o ， ，同时 计算气体到达井 口所需时间 i ；总溢流量 Q z v 根据 目 前常用的计算气侵时井筒环空气液两相流控制方程[ 1 3 ] 及 2式一 3式计算 ，从而实现根据隔水管底部 截面含气率实时确定气侵发生后总溢流量的大小。此 外 ，还可计算气侵发生后任一时刻井筒环空中的气体 分布，即不同井深处的截面含气率 f 。 Q Y ’ 1 一 J A t q o A t 2 O z Y t 【 t A t Q Y 3 因此 ，可根据隔水管底部的声波监测数据准确确 定气侵发生的时刻 、气体到达井 口所需时间、任一时 刻 的总溢流量及任一时刻不同井深处的截面含气率 ， 实现了井筒气侵情况的实时定量描述。 4实例分析 以 A井为例 ，假设气侵发生时的时刻为 0 ，隔水 管底部超声波探头监测到气侵的时刻为 ， 隔水管处截 面含气率的变化率 为 9 ％；根据地震资料 ，选取可 信度 9 0 ％预测井底压力 ，得 到井底压力取值区间为 [ 6 7 ． 5 ，7 2 ． 9 ] ，E g M取 1 0 ％，计算取值区间内井底压力 值对应的隔水管处截面含气率的变化率， 即 K i ∈ 『 8 ． 2 ％， 1 4 ． 2 ％1 ，取 K pK c 9 ％，其对应的井底压力值为 6 8 ． 2 MP a ，认为该值为井底压力的真实值 ，则隔水管底部截 面含气率随时间的变化如图 4所示 。由图 4可知 ，隔 水管处监测到气侵时， 气侵已发生了 r o j T c 2 2 ． 3 mi n 。 同时 ，由图 1 可知 ，气体到达井 口所需时间 i 为 7 ． 6 mi n 。图 5为总溢流量随时间的变化情况。由此，可根 据 j 及图 4 、图 5的相关数据采取必要 的井控措施 。 2 5 O 2 O O n 。 1 o o 5 0 0 2 0 3 O 4 0 5 0 气侵时间／ min 图 4 隔水管底部截面含气率随时间的变化 1 o 2 0 3 0 4 0 5 O 6 O 气侵时间／ rai n 图 5 气侵后总溢流量随时间的变化 ∞ 如 如 加 0 瓣 姐恒柩聒 她*窿 2 9 6 石油勘探 与开发 石油工程 V b 1 ． 4 3 N o ． 2 5结论与建议 论证 了在隔水管底部进行气侵早期监测的可行性 及优势 ，与常规方法相比可提前 4 mi n左右检测到气侵。 分析了多普勒超声波法在隔水管底部截面监测气 侵的不足并给出了进一步完善的建议 。建立 了基于超 声波衰减特性 的透射式井筒气侵监测装置 ，并给出了 隔水管底部超声波气侵监测技术的解决方案。 建立 了基 于隔水管底部截面气侵监测数据的井筒 气侵程度反算方法 ，在准确监测气侵的同时实现了井 筒气侵情况的实时定量描述 。 建议进一步研究多因素影响下 的井筒气侵声波响 应规律 ，建立普适性较高的井筒截面含气率一 声波响应 计算模型 ；结合井筒环空截面的多相流场模拟计算 ， 完善多普勒超声波监测法的数据处理 ，以便更准确地 描述隔水管底部截面气侵情况。 符 号注释 环空横截面积 ，m ；E 气相的体积分数 ，％； E M 气侵发生时的隔水管底部截面含气率，％； E t 任一时刻不同井深处的截面含气率 ，％；． ， 一可信度 ，％； △ f 时间内隔水管底部截面含气率的变化率，％； 隔水管底部截面含气率的变化率 ，％； 真实地层压力 下的截面含气率变化率，％；Ⅳ 一地层压力取值个数； P 0 目标井井底原始地层压力，MP a ；P 1 ，P Ⅳ 目标井含可信 度的井底地层压力取值 区间的最小值和最大值，MP a ； P i 对应的地层压力 ，MP a ；q o 泵流量 ，r n ／ s ；QY △f 时间内溢流量 ，1T I 。 ；Q z Y f f 时刻的总溢流量，m3 ；f 时间 ，s ；t 0 1 地层压力取值为 P 1 时对应 的含气率开始非 零的时刻 ，S ；t o j 监测到信号时气侵已经发生的时间，s ； t o Ⅳ 地层压力取值为P Ⅳ 时对应的含气率开始非零的时刻 ， s ；t l 地层压力取值为 P 1 时对应 的截面含气率达到 E M的 时刻 ，s ；t c 检测到气泡的时刻 ，s ；t l i m 气体到达井 口 所需时间 ，S ； 地层压力取值为 P 时对应的截面含气 率达到 E M的时刻 ，S ；V o 井 口流体流速，r n ／ s ；A t 时 间增量 ，s ；8 截面含气率变化率的迭代精度，％。 参考文献 [ 1 ] 陈平，马天寿． 深水钻井溢流早期监测技术研究现状[ J ] l 石油学 报， 2 0 1 4 ， 3 5 3 6 0 2 ． 6 1 2 ． CHE N Pi n g ， M A Ti a ns h o u ．Re s e a r c h s t a t u s o f e a r l y mo n i t o r i n g t e c h n o l o g y f o r d e e p wa t e r d r i l l i n g o v e r fl o w[ J ] ． Ac t a P e t r o l e i S i n i c a ， 2 0 1 4 ， 3 5 3 6 0 2 - 6 1 2 ． [ 2 ] C HE N W．S t a t u s a n d c h a l l e n g e s o f C h i n e s e d e e p w a t e r o i l a n d g a s d e v e l o p me n t [ J ] ． P e t r o l e u m S c i e 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