隋秀香， 梁羽豐, 李軼明， 尹邦堂， 李相方

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京 102249；2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東青島 266555)

無論是陸地鉆井還是海洋鉆井，國(guó)內(nèi)外都曾發(fā)生過多起惡性井噴事故。研究認(rèn)為，導(dǎo)致井噴事故發(fā)生的原因除了管理上的問題，主要原因還有2個(gè)：1)檢測(cè)氣體侵入的手段少，可靠性差；2)現(xiàn)有氣侵檢測(cè)系統(tǒng)報(bào)警遲緩，導(dǎo)致井噴一旦發(fā)生便難以及時(shí)進(jìn)行井控，危害極大[1]。如2003年發(fā)生的重慶開縣高含硫特大井噴事故、2006年發(fā)生的四川清溪1井特大可控井噴事件、2010年發(fā)生的墨西哥灣MC252井噴爆炸特大事故等，從發(fā)現(xiàn)氣體到井噴中間時(shí)間極短，有的甚至不到5 min。而目前的深水鉆井含氣測(cè)量方法雖有很多種，但都存在一定的局限性。因此，如能研究出一種深水隔水管氣侵早期監(jiān)測(cè)方法，在氣體進(jìn)入隔水管早期就能及時(shí)識(shí)別和發(fā)現(xiàn)，將對(duì)深水鉆井具有重要意義。為此，筆者基于多普勒測(cè)量技術(shù)，針對(duì)荔灣3-1及周邊深水氣田的具體情況，考慮侵入氣沿深水井筒的分布規(guī)律，研制了非接觸式深水超聲波多普勒測(cè)量系統(tǒng)(UUDMS)，并進(jìn)行了大量室內(nèi)試驗(yàn)，以期在鉆進(jìn)及非鉆進(jìn)工況下，只要?dú)怏w侵入隔水管中下部就能及時(shí)有效地監(jiān)測(cè)到，為安全井控贏得時(shí)間，避免深水鉆井惡性事故的發(fā)生。

1 深水鉆井氣侵早期測(cè)量現(xiàn)狀分析

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于深水鉆井氣侵的早期監(jiān)測(cè)主要有鉆井參數(shù)異常變化檢測(cè)法、氣測(cè)值分析法、鉆井液池液面檢測(cè)法、流量檢測(cè)法、LWD溢流檢測(cè)法、APWD溢流檢測(cè)法等。這些方法都有其優(yōu)勢(shì)，也都有其局限性。

1) 鉆井參數(shù)異常變化檢測(cè)法。該方法對(duì)鉆遇地層的參數(shù)變化反應(yīng)靈敏，可以幫助判斷異常壓力地層等，但是影響因素多，判斷溢流有困難，需要有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員來使用。該方法僅適合鉆進(jìn)工況。

2) 氣測(cè)值分析法。該方法對(duì)氣體的反應(yīng)較靈敏，但發(fā)現(xiàn)氣體時(shí)氣體已經(jīng)到達(dá)地面，現(xiàn)場(chǎng)可以采取應(yīng)急措施的時(shí)間有限[2]。

3) 鉆井液池液面檢測(cè)法。該方法利用浮子式液位計(jì)或超聲液位計(jì)等對(duì)鉆井液罐的液位進(jìn)行檢測(cè)[3]，在許多情況下監(jiān)測(cè)溢流有效，但實(shí)時(shí)性差。

4) 流量檢測(cè)法。該方法在許多情況下監(jiān)測(cè)溢流都非常有效，但若氣侵量較小或油基鉆井液在一定的泡點(diǎn)壓力范圍內(nèi)，檢測(cè)就會(huì)比較困難。該方法僅適合鉆進(jìn)工況。

5) LWD溢流檢測(cè)法。該方法能夠第一時(shí)間識(shí)別鉆遇地層(包括油氣藏)的性質(zhì)，可以提示溢流發(fā)生的可能性，但不能評(píng)價(jià)溢流發(fā)生的時(shí)間及發(fā)生程度，需要借助專用軟件并由專業(yè)人員判斷。

6) APWD溢流檢測(cè)法。該方法能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量井底環(huán)空壓力變化，對(duì)于溢流檢測(cè)及壓井都具有指導(dǎo)作用。但由于循環(huán)摩阻等問題，井下壓力測(cè)量分辨率不高，對(duì)于氣侵強(qiáng)度較低的情況，檢測(cè)到的時(shí)間較晚。

在非鉆進(jìn)工況下，唯一可用的方法是鉆井液池液面溢流檢測(cè)法。但是起下鉆過程中，鉆井液池液面有時(shí)也發(fā)生變化，會(huì)干擾溢流檢測(cè)的精度。只有一種檢測(cè)方法適合于非鉆進(jìn)工況，與50%以上井控事故發(fā)生在非鉆進(jìn)工況不相適應(yīng)，同時(shí)檢測(cè)精度偏低。在大多數(shù)溢流情況下，目前的溢流檢測(cè)方法是可以檢測(cè)到的，但是都不能檢測(cè)深水鉆井幾千米隔水管內(nèi)鉆井液的含氣情況。

2 深水鉆井井筒侵入氣的分布規(guī)律

研究深水鉆井井筒氣液兩相溢流規(guī)律發(fā)現(xiàn)[4-5]：井筒中的液相為水時(shí)，氣侵發(fā)生后主要以泡狀流存在，故截面含氣率較小，隨井深變化不大，只在近井口附近截面含氣率突然增大；當(dāng)井筒中為鉆井液時(shí)，由于鉆井液為非牛頓流體，氣泡主要以段塞流形式存在，最大截面含氣率都很大。

鉆井液循環(huán)期間，井底附近為泡狀流，但隨氣泡向上運(yùn)移很快轉(zhuǎn)變?yōu)槎稳鳎叶稳鳉馀荻卧絹碓酱?，距離也越來越遠(yuǎn)。進(jìn)氣量不變時(shí)，段塞流平均截面的含氣率沿程變化較小，只是在井口附近突然增大，如圖1所示。

圖1 段塞流平均截面含氣率變化規(guī)律Fig.1 Changing discipline of average cross-section gas void fraction during slug flow

從圖1可以看出，氣體在井下距離井口500 m處時(shí)體積急劇膨脹，因此一旦發(fā)現(xiàn)地面的測(cè)量參數(shù)持續(xù)變化，就說明氣體距離井口已經(jīng)很近，并且在深水鉆井中，循環(huán)期間的氣體膨脹比非循環(huán)期間要大。

鉆井過程中發(fā)生氣侵時(shí)，氣侵速度越大，井口溢流速度越大；并且隨著氣體向上運(yùn)移，由于氣體的膨脹及繼續(xù)侵入，導(dǎo)致井口溢流速度不斷增大。對(duì)于井深5 000 m的井，當(dāng)氣體運(yùn)移到距井口500～1 000 m時(shí)，井口溢流速度變化幅度比較大。因此，盡早發(fā)現(xiàn)井內(nèi)氣侵，對(duì)安全生產(chǎn)至關(guān)重要。

3 非接觸式深水超聲波多普勒測(cè)量系統(tǒng)

3.1 多普勒測(cè)量原理

當(dāng)信號(hào)源發(fā)射的超聲波信號(hào)被一個(gè)與之存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體反射時(shí)，反射信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的頻率出現(xiàn)差異，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。

在超聲波多普勒測(cè)量方法中，超聲波發(fā)射器為一固定聲源，固體顆粒隨流體一起運(yùn)動(dòng)，當(dāng)超聲波發(fā)射器所發(fā)射的超聲波入射到這些固體顆粒上時(shí)，被反射到接收器上的超聲波頻率就會(huì)與發(fā)射頻率之間有一個(gè)差值，這個(gè)頻率差就是由于流體中固體顆粒運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的多普勒頻移。因此，進(jìn)行超聲波多普勒測(cè)量的一個(gè)必要條件就是:被測(cè)流體介質(zhì)應(yīng)含有一定數(shù)量可反射聲波的固體粒子或氣泡等。多普勒頻移與流體流速之間的關(guān)系式可表示為[6]：

(1)

式中：u為流體速度，m/s；c為超聲波傳播速度，m/s；f1為超聲波多普勒發(fā)射頻率，Hz；f2為超聲波多普勒接收頻率，Hz；θ為超聲波波速與流體運(yùn)動(dòng)速度的夾角，(°)。

實(shí)際測(cè)量發(fā)現(xiàn)，如果介質(zhì)中氣泡過大或過多都會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量的準(zhǔn)確性[7]。室內(nèi)試驗(yàn)研究也證明了這一點(diǎn)，即液體中的氣泡過多或過大都會(huì)導(dǎo)致多普勒頻移發(fā)生很大的偏移。

3.2 多普勒測(cè)量在隔水管氣侵監(jiān)測(cè)中的優(yōu)勢(shì)

1) 多普勒傳感器采用的是非接觸式測(cè)量，不與測(cè)量的介質(zhì)直接接觸，貼在隔水管的外面就能完成測(cè)量，對(duì)測(cè)量對(duì)象無任何損傷。安裝方便快捷，不影響鉆井作業(yè)的正常進(jìn)行，適用于深水鉆井。

2) 深水鉆井中發(fā)生氣侵時(shí)，隨著氣體向上運(yùn)移，氣體急速膨脹，流型也會(huì)隨之改變。而過多、過大的氣泡會(huì)導(dǎo)致多普勒頻譜產(chǎn)生很大偏移，據(jù)此可以利用多普勒頻譜受氣體影響的特性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隔水管內(nèi)的氣體情況。

3) 多普勒測(cè)量技術(shù)不受鉆井工況影響，不管是在鉆進(jìn)狀態(tài)還是非鉆進(jìn)狀態(tài)，多普勒頻移都能很好地反映深水隔水管內(nèi)的氣侵情況。

多普勒測(cè)量要求所測(cè)介質(zhì)內(nèi)含有一定數(shù)量的固體顆粒，深水鉆井中鉆井液所攜帶的固相物質(zhì)或巖屑正好滿足這一要求?？傊?，用非接觸式超聲波多普勒測(cè)量技術(shù)監(jiān)測(cè)隔水管，既能盡早發(fā)現(xiàn)深水鉆井中氣體侵入的情況，又不影響鉆井正常進(jìn)行，為深水鉆井氣侵監(jiān)測(cè)及安全井控提供了一條有效途徑。

3.3 隔水管多普勒測(cè)量設(shè)計(jì)

為及時(shí)反映深水鉆井中的氣侵情況，擬沿隔水管外側(cè)從泥線以上每隔一定的距離布置一組多普勒超聲傳感器(如圖2所示)，以做到在較長(zhǎng)距離內(nèi)連續(xù)監(jiān)測(cè)氣泡的變化，形成對(duì)氣體進(jìn)入井筒的連續(xù)跟蹤和測(cè)量，最大限度地爭(zhēng)取井控時(shí)間。

圖2 隔水管外側(cè)沿程多普勒傳感器布置Fig.2 Doppler sensor deployment along the outside of the riser

3.4 深水多普勒傳感器的研制

對(duì)于深水鉆井，需要專門設(shè)計(jì)能防爆、防水、耐高壓的多普勒超聲波傳感器。而且，多普勒測(cè)量探頭要安裝在水下1 500 m甚至更深的地方，要求水下測(cè)量部分的結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)單，以方便安裝，同時(shí)測(cè)量信號(hào)要穩(wěn)定。

目前多普勒傳感器采用雙換能器(1個(gè)發(fā)射換能器和1個(gè)接收換能器)方式，2個(gè)換能器共同完成信號(hào)測(cè)量。在深水中，為使信號(hào)能有效發(fā)送和接收，同時(shí)簡(jiǎn)化水下安裝程序，研究出適合深水鉆井的單換能器超聲波多普勒測(cè)量方式，1個(gè)換能器能同時(shí)完成發(fā)射和接收任務(wù)。將超聲波發(fā)射和接收功能設(shè)計(jì)在1個(gè)換能器內(nèi)，對(duì)保證信號(hào)的測(cè)量和方便安裝都起到很大的作用。

測(cè)量時(shí)，將多普勒測(cè)量換能器放在水下，將信號(hào)處理部分放在平臺(tái)上，多普勒測(cè)量探頭的頻譜信號(hào)通過電纜傳至地面，然后分2部分進(jìn)行分析：一個(gè)是將功率譜信號(hào)處理后轉(zhuǎn)換成多普勒流量信號(hào)進(jìn)行分析；另一個(gè)直接對(duì)放大后的功率譜信號(hào)進(jìn)行分析。同時(shí)分析氣體入侵后2個(gè)信號(hào)的變化，從而更深入地發(fā)現(xiàn)氣體的侵入情況(見圖3)。

圖3 深水鉆井單探頭多普勒測(cè)量系統(tǒng)示意Fig.3 Schematic diagram of single-probe Doppler measu-ring system in deepwater gas fields

4 室內(nèi)試驗(yàn)

設(shè)計(jì)了GYD-Ⅰ型多相流測(cè)量裝置，該裝置主要由液體循環(huán)系統(tǒng)、氣體注入系統(tǒng)及測(cè)量系統(tǒng)組成。測(cè)量主管道可用有機(jī)玻璃管和金屬管兩種，有機(jī)玻璃管用來觀察垂直管流、水平管流下氣液兩相流或多相流的流型，金屬管用來模擬隔水管進(jìn)行氣侵監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。

4.1 水基鉆井液中的模擬試驗(yàn)

為了更貼近生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的情況，試驗(yàn)中采用水基鉆井液作為連續(xù)相，在不同流速、不同含氣率下進(jìn)行試驗(yàn)，每組試驗(yàn)采取固定鉆井液流速、逐步增大含氣率的方式進(jìn)行。

以其中一組試驗(yàn)結(jié)果為例進(jìn)行說明。該組試驗(yàn)采用的流速為0.566 m/s，鉆井液密度1.24 kg/L，表觀黏度24.5 mPa·s。對(duì)不同含氣率下超聲多普勒測(cè)量系統(tǒng)輸出信號(hào)電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采集處理，求其平均值(見圖4)。其中，對(duì)小含氣率范圍進(jìn)行了適當(dāng)加密，含氣率分別為0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%、6.0%、8.0%、10.0%、12.0%和15.0%。

圖4 輸出信號(hào)電壓與含氣率的關(guān)系Fig.4 Relationship between measurement signal and gas void fraction

由圖4可知，在水基鉆井液中，超聲波多普勒測(cè)量系統(tǒng)輸出信號(hào)電壓有隨含氣率上升而增大趨勢(shì)，其他流速下的數(shù)據(jù)處理結(jié)果都有相似結(jié)論。

4.2 概率密度分析

為進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)水基鉆井液中含氣量情況的分析，對(duì)超聲波多普勒測(cè)量系統(tǒng)輸出信號(hào)電壓的概率密度分布進(jìn)行了研究，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同含氣率下的概率密度Fig.5 Probability density under different gas void fractions

從圖5可以看出，在含氣0.5%和1.0%的情況下，超聲波多普勒輸出信號(hào)的概率分布形式與不含氣情況下的概率分布形式差別較小；含氣率為3.0%的情況下，信號(hào)概率分布與不含氣的情況相比差距較大，分布中心線之間的差距在200 mV左右；含氣率超過5.0%后，信號(hào)概率分布與不含氣的情況相比差距進(jìn)一步增大，此現(xiàn)象可作為氣侵監(jiān)測(cè)預(yù)警依據(jù)。

5 結(jié)論與建議

1) 利用研制的深水多普勒測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行深水隔水管氣侵早期監(jiān)測(cè)時(shí)，若隔水管內(nèi)液相為水基鉆井液，則超聲波多普勒測(cè)量系統(tǒng)的輸出信號(hào)隨含氣率的上升而增大。

2) 隨著含氣率的逐漸上升，信號(hào)概率分布與不含氣條件下的概率分布的差別在逐步變大，據(jù)此可以推斷井內(nèi)含氣量的大小，為安全井控提供保障。

3) 所研制的基于多普勒測(cè)量技術(shù)的深水隔水管氣侵測(cè)量系統(tǒng)，不僅適合鉆進(jìn)狀態(tài)，也適合非鉆進(jìn)狀態(tài)。

4) 非接觸式測(cè)量和單探頭方式滿足了深水生產(chǎn)環(huán)境測(cè)量和安裝的要求，安全性和可靠性大大提高。

5) 截至目前只研究了隔水管內(nèi)液相為水基鉆井液的情況，建議繼續(xù)對(duì)油基鉆井液條件下的氣侵情況進(jìn)行試驗(yàn)研究。

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