劉金龍 ，李永杰 ，王延民 ，孟英峰 ，魏納 ，宋巍

（1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實驗室，四川 成都 610500；2.中國石油塔里木油田公司，新疆 庫爾勒 841000）

氣體鉆井是通過將空氣、氮?dú)獾葰怏w為連續(xù)相的循環(huán)介質(zhì)注入井筒，以實現(xiàn)清潔井眼、冷卻鉆頭等為目的的鉆井方式。目前，氣體鉆井技術(shù)在國內(nèi)多個油田及區(qū)塊得到了應(yīng)用，應(yīng)用目的也由非儲層的提速增效，拓展至保護(hù)儲層、提高產(chǎn)能，特別是致密砂巖氣藏，采用氣體鉆井技術(shù)鉆進(jìn)儲層的單井產(chǎn)能可達(dá)到常規(guī)鉆井的數(shù)十倍［1-2］。但是，氣體鉆井與常規(guī)鉆井相比［3-5］，為滿足不同井眼尺寸、不同井深、地層出水等影響下的井眼凈化要求，其循環(huán)介質(zhì)注入量大（100～300 m3/min）；再者，由于其工藝流程、取樣條件不同，取氣裝置不配套，氣測設(shè)備的工作特性缺陷等原因，氣體鉆井鉆遇產(chǎn)氣儲層后返出氣體的檢測方法還有待完善。

1 氣體檢測的意義

氣測是氣體鉆井過程中發(fā)現(xiàn)、評價儲層的重要手段。以氣體為循環(huán)介質(zhì)時，井底壓力最低（通常只有1～2 MPa），且消除了液相儲層傷害，含油氣儲層都能實現(xiàn)油氣向井筒的滲流［6-7］。因此，氣體鉆井往往會發(fā)現(xiàn)一些常規(guī)鉆井未被發(fā)現(xiàn)或被認(rèn)為沒有工業(yè)開采價值的新儲層。氣測就是通過測量全烴及各組分的含量變化，判斷是否有新儲層揭開，并評價儲層的產(chǎn)流能力。

及時、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)地層氣體產(chǎn)出及泄漏是保證氣體鉆井安全的關(guān)鍵。氣體鉆井由于井底滲流壓差大，若揭開儲層不恰當(dāng)，地層高壓突然釋放，大量的地層氣體涌入井筒，勢必導(dǎo)致井壁失穩(wěn)、井下燃爆等井下安全問題；若能在鉆開蓋層與儲層之間的過渡層時，及時檢測出地層氣體并預(yù)警，調(diào)整施工措施，放噴泄壓，就能有效降低氣體鉆井的井下安全風(fēng)險。同時，高速流動氣體對地面裝置、管線的沖蝕，極易導(dǎo)致地面裝備失效、刺漏；可燃、有毒氣體泄漏也會危及地面人員和裝備安全。所以，及時發(fā)現(xiàn)地層氣體泄漏并采取相關(guān)措施，是保障氣體鉆井地面安全的前提。

2 目前氣測存在的問題

目前氣體鉆井氣測存在的根本問題，在于不能實現(xiàn)及時和準(zhǔn)確檢測、發(fā)現(xiàn)地層氣體產(chǎn)出和地面管線氣體泄漏。氣體鉆井通常機(jī)械鉆速較高，氣體的遲到時間較短（2 000 m井深約為2 min），且注入較大氣量會稀釋產(chǎn)出的地層氣體［8-9］?，F(xiàn)場錄井通常使用一個較大的沉淀桶對氣樣除塵、凈化、干燥，再通過管線泵吸至室內(nèi)進(jìn)行檢測。但將沉淀桶內(nèi)氣體混合至真實體積分?jǐn)?shù)氣樣的時間、管線輸送氣樣至檢測器的時間，加上色譜儀分析氣樣的周期，致使地層氣體檢測的時間滯后2～5 min。

對于高產(chǎn)儲層，若以正常鉆井參數(shù)鉆進(jìn)，2～5 min鉆頭已經(jīng)揭開4 m以上儲層，一旦高于井底壓力數(shù)十倍的地層高壓突然釋放，大量的地層氣體就會進(jìn)入井筒，這無疑將增加井下安全風(fēng)險；而對于一些低產(chǎn)薄儲層，由于應(yīng)力敏感性、速敏等因素的影響，在儲層揭開后會出現(xiàn)“一股氣”現(xiàn)象，地層氣體不會持續(xù)產(chǎn)出，就有可能根本采集不到該段氣測信息，或采集信息不準(zhǔn)確，導(dǎo)致不能正確識別、評價儲層。

對于地面管線和裝置的氣體泄漏檢測，目前主要是使用管線壁厚檢測設(shè)備和便攜氣體檢測設(shè)備進(jìn)行周期性的人工檢測。這種方法以預(yù)防為主，沒有實現(xiàn)自動化實時在線檢測，極易導(dǎo)致地面安全事故的發(fā)生。以大邑縣X井為例，該井在實施氮?dú)忏@井過程中，在沙溪廟組地層意外鉆遇高壓高產(chǎn)氣層，最終地層氣體溢出地面閃爆著火，引發(fā)井噴事故。

3 氣體檢測方法及特性

氣體檢測分析屬于分析化學(xué)計量范疇，是通過標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、標(biāo)準(zhǔn)方法和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)等手段進(jìn)行量值溯源和傳遞的［10］。 目前針對不同氣體的檢測方法有數(shù)十種［11-12］，主要是通過檢測不同組分氣體物理、化學(xué)性質(zhì)的差異，實現(xiàn)對氣體組分的定性及定量分析。氣體的物理性質(zhì)主要指氣體的熱力學(xué)、光學(xué)特性，化學(xué)性質(zhì)主要是氣體發(fā)生氧化還原反應(yīng)伴隨的電荷轉(zhuǎn)移、溫度變化引起的檢測元件的屬性變化。

3.1 常用氣測方法

針對鉆井現(xiàn)場應(yīng)用需要及環(huán)境條件，本文列舉出幾種常用氣體傳感器的氣測原理和方法［10，13-16］。

2）熱導(dǎo)式：氣流通過測量熱絲時，熱絲被冷卻而導(dǎo)致其電阻產(chǎn)生相應(yīng)變化，由于不同氣體的熱導(dǎo)率不同，冷卻效果也不同，根據(jù)這一結(jié)果對氣體進(jìn)行檢測。

3）催化燃燒式：可燃?xì)怏w與空氣中的氧接觸發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生無焰催化燃燒熱，使敏感材料電阻值增大，根據(jù)電阻值的變化，來測量可燃?xì)怏w的性質(zhì)及體積分?jǐn)?shù)。

4）電化學(xué)式：利用兩個電極之間的化學(xué)電位差進(jìn)行氣體檢測，一個電極做固定的參比電極，另一個電極在氣體中檢測氣體體積分?jǐn)?shù)?？赏ㄟ^設(shè)定不同電位、電極材料、使用過濾膜來確定其對氣體的選擇性。

5）離子化檢測式：氣體分子在高能量下會被離子化，并在兩個電極之間產(chǎn)生電流，通過測量電流就可實現(xiàn)對氣體體積分?jǐn)?shù)的檢測。離子化檢測器是氣相色譜分析使用最普遍的檢測設(shè)備，根據(jù)離子化能量來源可分為光離子化檢測器和火焰離子化檢測器。

6）紅外線吸收式：氣體分子能吸收特定波長紅外光，通過測量氣體受紅外輻射能的影響變化，實現(xiàn)氣體體積分?jǐn)?shù)測量。該型氣體傳感器可通過限定輻射光譜波長范圍，實現(xiàn)對氣體的選擇性測量。

7）可調(diào)諧激光式：與紅外吸收式原理相同，但兩者使用的光源和光譜不同?？烧{(diào)諧激光型氣體檢測采用近紅外半導(dǎo)體激光器，通過調(diào)節(jié)電流的大小控制激光波長，克服了紅外波帶寬的缺點(diǎn)。

另外，還有氣相色譜檢測，是一種分離測定多組分混合物的氣體檢測方法。該方法基于不同物質(zhì)在流動相和固定相之間具有不同的分配系數(shù)，當(dāng)兩相作相對運(yùn)動時，組分在兩相間進(jìn)行連續(xù)多次分配，達(dá)到彼此分離的目的。其適用于揮發(fā)性及熱穩(wěn)定的物質(zhì)，能效高，選擇性強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣。

3.2 不同氣測方式的響應(yīng)特性

使用不同的氣體傳感器，由于氣測原理不同，檢測氣體的類型、體積分?jǐn)?shù)、檢測方式和使用范圍等響應(yīng)特性也不同（見表1）。

治療前三組的McCormack評分差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）；治療后，三組McCormack評分均低于治療前（P＜0.05），且C組低于A組及B組，B組低于A組（P＜0.05）。見表2。

表1 不同氣測方式的響應(yīng)特性對比

4 氣體鉆井氣測方法優(yōu)化

為保障氣體鉆井施工安全，就要針對氣體鉆井的具體情況，優(yōu)化和改進(jìn)氣測方式、方法；著重提高地層返出氣體檢測的反應(yīng)速度，縮短檢測時間，提高氣體檢測的精度，及時準(zhǔn)確地采集各層段氣測信息，提高地面泄漏有害氣體檢測的靈敏度，實現(xiàn)快速預(yù)警。根據(jù)氣體鉆井特點(diǎn)和施工現(xiàn)場環(huán)境條件，氣測方法作以下改進(jìn)：

1）采用多種檢測方式聯(lián)合檢測的方法，實現(xiàn)對氣體鉆井返出氣體的組分和體積分?jǐn)?shù)檢測。這樣既可提高檢測精度，又可降低檢測響應(yīng)時間。例如，對體積分?jǐn)?shù)低的可燃?xì)怏w采用半導(dǎo)體式檢測，體積分?jǐn)?shù)高的可燃?xì)怏w采用熱導(dǎo)式檢測，同時采用氣相色譜配置氫火焰離子監(jiān)測器定量檢測可燃?xì)怏w中C1—C5+的體積分?jǐn)?shù)，采用電化學(xué)式檢測O2體積分?jǐn)?shù)，采用紅外式檢測CO2體積分?jǐn)?shù)。

2）以光學(xué)氣測方法替代傳統(tǒng)檢測方法。光學(xué)氣測方法可對氣體鉆井現(xiàn)場泄漏氣體實施在線檢測，具有非接觸反應(yīng)、選擇性強(qiáng)等特點(diǎn)，不需要載氣和燃燒氣，檢測過程安全、程序簡單。該型氣測裝置能夠?qū)崿F(xiàn)光程內(nèi)的痕量氣體檢測，抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)，可以及時發(fā)現(xiàn)井下返出氣體，以及地面裝置或管線泄漏的有毒氣體，防止地面人員中毒和可燃?xì)怏w爆炸。但從實驗來看，其檢測精度和光學(xué)穩(wěn)定性還有待于提升［17］。

3）氣體鉆井過程中，氣測裝置應(yīng)置于排砂管線處就近檢測返出氣體組分及體積分?jǐn)?shù)，樣氣經(jīng)簡單地干燥凈化后即可直接檢測，無需經(jīng)管線輸送至室內(nèi)。

5 結(jié)論

1）及時、準(zhǔn)確地檢測分析返出氣體組分及體積分?jǐn)?shù)是保障氣體鉆井井下安全的關(guān)鍵，也有利于發(fā)現(xiàn)和評價儲層；同時，對地面氣體泄漏實施在線檢測，可確保地面人員與裝備的安全。

2）氣體鉆井現(xiàn)場氣測要本著裝置響應(yīng)快、靈敏度高、能持續(xù)在線工作的原則優(yōu)化改進(jìn)，以及時采集各層段氣測信息，并對地層產(chǎn)出氣預(yù)警。

3）對不同氣體檢測方法的原理及響應(yīng)特性對比分析看出，光學(xué)氣體檢測方法明顯優(yōu)于其他檢測方法。

［1］李皋，孟英峰，唐洪明，等.氣體鉆井高效開發(fā)致密砂巖氣藏［J］.天然氣工業(yè)，2009，27（7）：59-62.

［2］高成軍，張立春，張講麗.欠平衡鉆井技術(shù)的應(yīng)用與認(rèn)識［J］.斷塊油氣田，2009，16（5）：116-119．

［3］王春江，楊玉坤，翟建明．普光“三高”氣田安全鉆井技術(shù)［J］．石油鉆探技術(shù)，2011，39（1）：12-17．

［4］賈紅軍，孟英峰，李皋，等．鉆遇多壓力系統(tǒng)氣層溢漏同存規(guī)律研究［J］．?dāng)鄩K油氣田，2012，19（3）：359-363．

［5］劉剛，黃亮，金業(yè)權(quán)，等．高壓氣井鉆進(jìn)過程中控制回壓值研究［J］．?dāng)鄩K油氣田，2012，19（3）：370-372．

［6］Guo B Y，Ghalambor A.欠平衡鉆井氣體體積流量的計算［M］.胥思平，譯.北京：中國石化出版社，2005：9-31.

［7］方錫賢，王光鵬，梁華偉，等．氣測錄井資料在安深1井頁巖油氣評價中的應(yīng)用［J］．石油地質(zhì)與工程，2011，25（5）：34-37．

［8］李勝利，曹洪輝，孫少華，等．欠平衡鉆井綜合錄井技術(shù)研究［J］．?dāng)鄩K油氣田，2005，12（1）：24-26．

［9］吳鵬程，孟英峰，李皋，等．欠平衡鉆井錄井監(jiān)測技術(shù)研究［J］．?dāng)鄩K油氣田，2011，18（5）：653-655．

［10］鄧立三．氣體檢測與計量［M］．鄭州：黃河水利出版社，2009：92-128．

［11］陶成，孫明良，王曉鋒，等.自制前處理裝置與四極質(zhì)譜儀聯(lián)用分析稀有氣體組分［J］.石油實驗地質(zhì)，2011，33（3）：310-313.

［12］向斌，李益壽．熱解氣相色譜技術(shù)在吐哈油田錄井生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］．石油地質(zhì)與工程，2011，25（5）：38-40．

［13］Drnec M L，Spoerker H F.A critical evaluation of gas monitoring systems as currently implemented in hydrocarbon drilling operations［R］．SPE 40029，1998．

［14］張衛(wèi)，慈興華，張光華，等．鉆井液氣體分析檢測技術(shù)研究［J］．天然氣工業(yè)，2006，26（5）：64-66．

［15］鄭龍江，李鵬，秦瑞峰，等．氣體濃度檢測光學(xué)技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢［J］．激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2008，45（8）：24-32．

［16］夏慧，劉文清，張玉鈞，等．基于激光吸收光譜開放式長光程的空氣中甲烷在線監(jiān)測及分析［J］．光學(xué)學(xué)報，2009，29（6）：1454-1458．

［17］佘明軍，賈世亮，韓學(xué)巖，等．紅外光氣測錄井技術(shù)應(yīng)用研究［J］．錄井工程，2007，18（1）：1-4．