气体钻井过程中地层出水的微波随钻监测方法.pdf

石油天然 气学报 江汉石油学院学报2 0 1 4 年 5 月 第 3 6 卷 第5 期 J o u r n a l o f O i l a n d G a s T e c h n o l o g y J ． J g I Ma y ． 2 0 1 4 V o ． 3 6 N o ． 5 气体钻 井过程 中地层 出水 的微 波随钻监测方法 刘清友 ，包 凯 ，任文希 油 气藏 地质及开 发工程国家重点实验室 西南石油大学 ， 四J l I 成都6 1 0 5 0 0 [ 摘要] 针对 目前气体 钻井过程 中地 层 出水预测方法不够完善 ，往 往导致预测 结果滞后 ，尤其 是在 刚钻遇 水层或地层微量 出水 时难 以准确 判断井下 出水 状况 ，提 出 了一种 基于微 波技术 的随钻监 测气体 钻井地层 出水 的新方法 ，依据微 波谐振腔 的微扰原理 ，通过 测量微 波谐振 腔 的谐 振 频率偏移 ，以实现 对 空气钻 井 过程 中返 出气体湿度 的连 续在 线监 测，并根 据气体 钻 井现场 工况 ，对微 波谐振 腔传 感器进 行优 化设 计。 室内模拟试验表 明，该项监测技术测量结果 同实际值 基本相符，误 差约为 7 ，且具有 灵敏、连续及操作 方便 等优点 ，能够及 时有效地反 映返 出气体 的湿度 变化 ，表 明提 出的监测技 术是可 靠 的，且 具有 一定 的 现场参考价值 。 [ 关键词] 气体钻 井；地 层出水；微 波技术；随钻监测；试验研究 [ 中图分类号]T E 2 4 2 [ 文献标志码]A [ 文章编号]1 0 0 0 9 7 5 2 2 0 1 4 O 5 0 0 9 3 一O 4 气体钻井技术是利用气体循环介质替代传统液体循环介质的钻井新方法__ 1 q] 。气体钻井作为欠平衡 钻 井技 术 的一个 重 要 分 支 ，近 年 来 以 其 独 特 的 技 术 优势 在 油气 田开 发 中广 泛 推 广 ，其 主 要 特 点 如 下 ①大幅度提高机械钻速 ，缩短建井周期 ；②避免漏失问题 ；③有效预防储层损害，极大地保护了地层 的 原始产能_ 4 ] 。但 “ 气体钻井怕水”一直是困扰气体钻井发展的主要技术瓶颈之一 ，地层出水后 ，若未能 及时发现和处理 ，可能会导致井壁失稳 、钻具泥包、卡钻等井下复杂事故 ，严重威胁钻井施工安全 。 目前 预测气 体钻 井时 地层 出水 的方 法 主 要 有 3类 ① 利 用 已有 的测 井 资 料对 出水 地 层 进 行 钻前 预 测 ；② 钻井 过程 中 ，对 地层 出水 进 行实 时监 测 ；③通 过钻井 施工 过程 中地 面反 映 出的各种 参数 数据 、现 象来 判 断地层 出水 情况 ，如立管 压力 、转 盘扭 矩变 化 、排砂 管 喷势等 。前 两类方 法大 多基 于测井 数据 和 渗流力学模型来对地层出水进行预测 ，由于存在测量误差且采用理想化模型的缘故 ，得出的结果 同实际 数据往往存在一定 的差距 ；后一类现场采用的简易判断方法 ，多依据工作经验 ，对于刚钻遇水层或地层 微量出水 时，往往 难 以准确判 断井下 出水状 况 ，容易 贻误气 液转 换 时机，甚 至引起 更 为严重 的后 果L 5 ] 。此外文献 [ 9 ，l o ]指出 ，气体钻井过程 中地层微量 出水有利于泥饼在井壁堆积，泥饼过厚导 致环空间隙变小 ，进而造成环空憋堵等井下复杂情况。地层微量出水往往具有隐蔽性强、难以监测的特 点 ，因此实现对地层微量出水的监测极其重要 。笔者基于微波谐振腔的微扰原理，建立了返出气体湿度 与谐振腔的谐振频率偏移 的数学模型 ，通过测量谐振腔的谐振频率偏移 ，以实现对返出气体湿度的连续 在线 监测 。 微 波技术 监测 方案及机理 1 ． 1微 波技术 监测 方 案 气体钻井是利用压缩机向井内注入压缩气体 ，依靠环空高压气体的能量 ，把钻屑从井底经排砂管带 到地面，并在地面进行固体气体分离 。在注气循环或钻进过程中，为了实现对地层 出水的随钻监测 ，笔 者提出在排砂管上安装气体取样管 ，环空返排的混合气流通过微波传感器 ，引起微波传感器腔 内混合物 介电常数的变化 ，导致微波谐振频率也产生变化 ，当返出的混合气流温度 、压力一定时 ，通过检测微波 传感器 的谐振频率变化来确定返出气流的湿度 ，进而实现对地层 出水情况的判断，气体钻井微波技术随 [ 收稿日期]2 0 1 31 1 0 5 [ 基 金项目]国家自然科学基金项 目 5 1 1 3 4 0 0 4 。 [ 作者简介]刘清友 1 9 6 5 一 ，男 ，1 9 8 6年西南石油学院毕业 ，教授 ，博士生导师 ，长江学者特聘教授 ，主要从 事石油天然气装备 、 油气井工程力学、井下爬 行器、计 算机仿 真等 方面的教学和科研 工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 6 卷第 5 期 刘清友 等气体钻井过程中地层出水的微波随钻监测方法 振腔传感器极易受外界环境的影响，特别是温度 的影响 ，应尽可能减小温度的变化，以保证高谐振频率 的稳定性 ；③谐振腔内壁应涂有 良好的导体层 ，以提高其品质 因素 ，使频率的变化能准确反映混合气流 湿度 的变 化 。 2 ． 2 微 波谐振 腔传 感器 特 点 微波谐振腔传感器示意图见图 2 。该传感器具有 如下 特点 ① 所设 计 的谐 振 腔 为反 射 式 ，只有 一个 耦 合机构，兼作信号输入和输出，谐振腔与矩形波导之 间靠磁场耦合 ，耦合装置为耦合小孔 ，谐振频率点谐 振 腔 与矩形 波 导相 匹配 ，实 现 最大 信 号 的输 出 ，输 出 信号通过处理后频率范 围为 0 ～1 0 MHz ；②环形分隔 器与谐振腔同轴，位于谐振腔两端 ，保证谐振腔两端 在电气上短路 ，使电磁波在两端发 生全反射 ，使谐振 腔发生谐振，同时使通过谐振腔 内的混合气流平稳均 匀，便于精确测量 ；③进 口处气体取样管直接与气管 1 矩形波导 0 J J 进口 U 出口 一 L 一 耦合小孔 一 、 一 ． ， 一 一 一 一 一 分隔器 一 TT _ I l 图 2微波谐振腔传感器 快插接头相连，出口处尾气管直接与气管快插接头相连，方便测试与更换 。 3 试验研究 为进一 步验 证该 微波 监测技 术 在气体 钻 井过程 中的可行 性 、实用 性 ，笔者设 计室 内模 拟试 验 ，采 用 分流法产生不同湿度的气体代替气体钻井过程 中返 出的混合气流 。分流法原理是将干燥空气与饱和水蒸 气的湿空气按一定比例混合，从 而获得所需湿度的气体 。空气压缩机产生的气流分两部分 ，一部分 经 由流量计 1 进 入饱 和槽 再进入 试 验 槽 ；另 一 部 分 通过 干燥 器 后 的 空气 ，经 流量 计 2后 直 接进 入 试 验 槽 。两路空气的压力 与温度相同，且与试验槽 内充分混合的气体一致 。将不同湿度的气体连续通过微波 谐振腔传感器 ，通过对谐振频率信号的采集 ，检测混合气体的湿度 ，并与标准湿度值进行对比分析。 3 ． 1室 内模 拟试 验方 案设 计 试 验 主 要 由 两 部 分 组 成 。 第 1部 分 为 标 准 湿 度 气 体 发 生 装 置 ，从 时 刻 到 t 时 刻 ，气体 湿 度 先 逐 渐 增 加 再 减 小 ， 以 模 拟 气体 钻 井 过程 中返 出 的不 同湿 度 的混 合气 流 ；第 2部 分 为 微 波 传 感 器 检 测 系统 ，一 定 湿 度 的 混 合 气 体 进 入 微 波 谐 振 腔 传 感 器 ， 通过 对 谐 振频 率 信号 的采 集 ，计算 出气 体 空 盛 {盏 1合 成 器 1、 ＼＼、发 生器 ／／ ▲ 混合 气 I 压 p 试 气 体 缩 r 一 验 出口 通信收发系统 机 流 l 槽 与驱动 ． ． 干 量 ⋯⋯一 二 ⋯⋯～ 燥 臣 蟊 计 数 据 存 储 、分析 2 、 r 器 r 恒温槽 及 显示鬃统 注 V 、 V 分别为流量计 1 和 2的读数 ； 户为试 验压 力 ； p 为饱和蒸汽压力 。 图 3 室 内模拟试验方案 微 波 传 感 器 系 统 湿 度 。室 内模拟 试验 方案 流程 示意 图如 图 3所示 。 3 ． 2试 验 结果 及分 析 ． 试验过程中，分流法产生的标准湿度气体温度为 2 5 ℃，调节通过流量计 1与流量计 2气体体积的 比值 ，产生湿度大小为 4 5 ～9 8 的混合气体，具体参数如表 1 所示。 如微波谐振腔传感器工作环境温度为 2 5 ℃，在对应的 t 时刻记录谐振腔偏频 的大小 ，并计算 出气体 的湿度 ，结果如表 2所示 ，在 t 时刻 ，微波传感器 出口观察到有液滴 ，随着湿度减小 ，液滴消失。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 6 石 油天 然 气工程 2 0 1 4 年 5 月 表 1分流法标准湿度发生数据 表 2 微波传感器所测数据 对比分流法产生的标 准湿 度与该时刻微波传感器检测 计算所得的湿度 ，结果如图 4所示。 从 图 4可 以看 出 ，理 论 值 与微 波 技 术 监 测试 验 值 相 符 合 ，误 差约 为 7 9 ／ 6 ，分 析 主要 原 因为 转 子 流量 计 测 量 精 度 、 娄 微波 扫频仪 测量 精度 及试 验环境 的影 响 。 4 结论 与认识 ． 1 针对 目前气体钻井过程 中地层 出水预测方法反应较 为迟 缓 、且 在地 层 出水 量 较 小 时难 以准 确判 断 井 下 出水 状 况 的不足 ，提 出 了一 种 基 于 微 波 技术 的 随钻 监 测 气 体 钻 井 地 层 出水 的新 方法 。 t ． ‘t t 图 4 微 波 传 感 器 检 测 结 果 与 标 准 结 果 对 比 2 针 对气 体钻井 现 场工况 ，设 计 了一种微 波谐 振 腔传 感 器 ，并 进 行 了室 内模 拟试 验 ，试 验 结 果 与 理论值基本相符，误差约为 7 ，表明利用微波谐振腔微扰技术测量流动气体湿度具有可行性。 3 微波谐振腔传感器的测湿效果明显，具有灵敏 、连续及操作方便等优点 ，能够较好地适用于刚 钻遇水层或地层微量 出水时等特殊情况 ，有利于早期识别和控制井下复杂情况 ，对气体钻井具有一定的 现场 指导 意义 。该方 法还 需进 一步 完善 ，并进 行现 场试 验验证 。 [ I 4 ] [ 1 5 ] [ 1 6 3 [ 1 7 ] [ 参考文献] 张书瑞 ．大庆油 田气体 钻井关键技术研究 [ D ]．大庆 东北石 油大学 ，2 0 1 1 ． 刘彪 ，刘刚 ， 刘成 ，等 ．空气钻井预测地层出水量的探讨[ J ]．断块油气 田， 2 0 0 9 ，1 6 3 9 3 ～9 5 ． 刘金龙 ，李永杰 ，王延 民，等 ．气体钻井返 出气体检测方法研究_ J ]．断块油气田 ， 2 O 1 3 ，2 0 1 6 ～9 ． 李 皋 ， 孟英峰 ，唐洪 明，等 ．气体钻井高效开发致密砂岩气藏 r J ]．天然气工业 ， 2 0 0 7 ，2 7 7 5 9 ～6 2 ． 邹灵 战，邓金根 。汪海阁 ．气体钻井地层 出水定量预测技术 [ J ]．石油钻探技术 ，2 0 0 9 ，3 7 3 3 o ～3 3 ． 任双双，刘刚 ，沈飞 ．空气钻井的应用发展 [ J ]．断块油气 田，2 0 0 6 ，1 3 6 6 2 ～6 4 ． 石建刚，陈一健 ，王赞，等 ．气体钻井地层 出水监测新方法 [ J ]．石油钻探技术 ， 2 0 0 9 ，3 7 2 3 2 ～3 4 ． 刘 晓旭，胡勇 ，朱斌 ，等 ．气体低速 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