妥 紅 宋曉晟 楊明清 楊 凡 王文剛

(①中國石油西部鉆探吐哈錄井工程公司；②上海歐申科技有限公司；③中石化石油工程技術(shù)服務有限公司；④中安聯(lián)合投資集團有限公司博士后工作站)

0 引 言

錄井工作需要及時發(fā)現(xiàn)溢流、井漏，為鉆井施工提供依據(jù)，保證鉆井安全[1]。傳統(tǒng)監(jiān)測方法為鉆井液池體積液面變化，在及時發(fā)現(xiàn)和準確預報溢流、井漏方面還存在諸多難題。另外，根據(jù)井身結(jié)構(gòu)計算井筒內(nèi)液面高度[2]，此方法監(jiān)測時間滯后、計算誤差較大。為了解決鉆井液罐液面不穩(wěn)的問題，韓軍偉等[3]對鉆井液面進行改進，取得了一定效果；國內(nèi)一些專家建立了數(shù)據(jù)模型，對井涌、井漏進行數(shù)據(jù)分析[4]，由于并不是對鉆井液面進行直接測量，而是進行相關計算求得結(jié)果，其誤差較大；國外發(fā)展了FLAG井涌井漏早期監(jiān)測及EKD早期井涌探測系統(tǒng)[5]，該設備監(jiān)測準確性相對較高，但工藝復雜，成本較高。井筒液面監(jiān)測技術(shù)通過對井筒液面高度實時連續(xù)監(jiān)控，及時掌握井筒液位動態(tài)，預防鉆井事故發(fā)生，始終保持在一級井控狀態(tài)下，從而為工程預警、井控安全提供技術(shù)保障。

1 試驗方案

1.1 試驗設備原理

通過氣槍聲吶裝置進行監(jiān)測。為氣槍充滿一定壓力的氮氣，通過控制裝置控制氣槍，向井筒內(nèi)突然釋放氮氣，產(chǎn)生聲波，聲波向井筒內(nèi)傳輸，當遇到阻礙物(液面)時即可產(chǎn)生回聲反射，反射聲波被微音器接收，已知聲波傳遞速度和回聲發(fā)射時間，可以計算出障礙物(液面)和聲源之間的距離，通過信號處理軟件即可確定液面位置。該設備主要包括制氮裝置、井口發(fā)聲裝置、控制裝置、分析處理顯示、電纜及其他附件。

1.2 試驗設備性能

液面測深范圍為20～3 000 m，測量誤差不大于10 m/1 000 m；測壓范圍(選配)0～2 MPa，誤差不大于0.2%FS；工作環(huán)境溫度為-20～65℃；工作環(huán)境相對濕度小于95%；休眠電流3 μA、平均工作電流20 mA；電源為220 V交流充電器12.6 V輸出；電池容量為12 V 4 Ah；防爆等級EXmbⅡT4Gb；數(shù)據(jù)傳輸模式有遠距離無線模式、近距離Wifi信號模式連接、網(wǎng)線連接三種方法。該模式可通過數(shù)字無線接收機接收井口設備控制箱的無線數(shù)據(jù)，運行電腦軟件并開始操作使用。該裝置自動充氣、連續(xù)供氮、自動化程度高。

1.3 試驗方法

如圖1所示，分別在鉆機的壓井管匯、圓井口1#閥門、鉆具內(nèi)、防溢管4處位置安裝井口發(fā)聲裝置，采用不同發(fā)射壓力進行試驗，監(jiān)測井筒液面高度，與理論計算液面高度進行比較，同時測量回波幅度，分析試驗效果。

圖1 安裝位置監(jiān)測分析

2 現(xiàn)場試驗

2.1 壓井管匯位置

如圖2所示，將井口發(fā)聲裝置安裝在壓井管匯壓力表附近位置，在壓井管匯位置且井筒內(nèi)有鉆桿關井狀態(tài)下進行監(jiān)測。采用相同壓力對不同漏失井段進行測量，如表1所示，通過計算高度與實際測量監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，理論高度由地質(zhì)資料和鄰井漏失井段計算得出。序號1～5，在2.0 MPa壓力下對漏失井段進行連續(xù)測量，高度為324.64～327.63 m，與計算高度相比，最大誤差0.43%，說明本井在繼續(xù)井漏過程中；序號6～8，在灌注入2.0 m3鉆井液時，進行測量，高度為306.28～306.35 m,說明環(huán)空液面升高21.28 m；在不同漏失井段，進行了“連續(xù)和單次”測量試驗，與實際計算高度比較，最大誤差0.44%。通過此位置監(jiān)測試驗，證明在關井狀態(tài)下均能完成“連續(xù)和單次”監(jiān)測作業(yè)，能夠準確判斷井筒液面高度，為工程提供技術(shù)保障。

表1 壓井管匯位置監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖2 壓井管匯位置安裝示意

如圖3所示，從壓井管匯位置液面高度回波監(jiān)測圖分析，在關井狀態(tài)下，井筒形成密閉環(huán)空，測量接收回波有多個回波，回波幅度在150 mV左右，回波清晰易判斷，回波幅度由大變小，證明封井器密封性好。此位置在關井狀態(tài)下，能進行“連續(xù)和單次”監(jiān)測作業(yè)，回波特征為回波多，幅度逐次減弱，有規(guī)則。證明該裝置能在此位置第一時間準確分析判斷井筒液面高度，為工程提供技術(shù)保障。

圖3 壓井管匯位置液面高度回波監(jiān)測圖

2.2 圓井口1#閥門位置

如圖4所示，將井口發(fā)聲裝置安裝在圓井口1#閥門專用接頭處，此位置操作空間大，安裝方便快捷，且監(jiān)測效果與壓井管匯位置相似，可在關井狀態(tài)下進行“連續(xù)和單次”監(jiān)測。

圖4 圓井口1#閥門位置安裝示意

如表2所示，在圓井口1#閥門位置關井狀態(tài)下，采用相同壓力對不同漏失井段測量，從監(jiān)測數(shù)據(jù)表分析，序號1～3，在相同壓力對井漏井段進行同一位置連續(xù)測量，測量高度為545.14～545.98 m，與實際計算高度比較，最大誤差0.36%，說明環(huán)空液面未降，穩(wěn)定在此位置；序號4～6，在灌注1.0 m3鉆井液時，連續(xù)測量，測量高度為537.74～537.92 m，說明環(huán)空液面升高8.06 m，與實際計算高度比較，最大誤差0.17%；序號7～8，連續(xù)灌注2.6 m3鉆井液時，連續(xù)測量，測量高度為454.58～456.06 m,環(huán)空液面又升高81.86 m，與實際計算高度比較，最大誤差0.45%。監(jiān)測試驗證明在關井狀態(tài)下均能完成“連續(xù)和單次”監(jiān)測作業(yè)，可以準確判斷井筒液面高度，為工程提供技術(shù)保障。

表2 圓井口1#閥門位置監(jiān)測數(shù)據(jù)

如圖5所示，從圓井口1#閥門位置液面高度回波監(jiān)測圖分析，有多個回波，在壓力為1.4 MPa時，回波幅度在217 mV左右，回波特征為回波多，幅度逐次減弱，有規(guī)則。證明該裝置能在此位置第一時間準確分析判斷井筒液面高度，為工程提供技術(shù)保障。

圖5 圓井口1#閥門位置液面高度回波監(jiān)測圖

2.3 水眼鉆具內(nèi)鉆臺位置

如圖6所示，將井口發(fā)聲裝置放置在鉆桿口，進行鉆桿內(nèi)液面“連續(xù)和單次”監(jiān)測作業(yè)。作業(yè)目的是開井或關井狀態(tài)下，實時掌控鉆桿水眼液面高度，為工程處理復雜提供技術(shù)保障。

圖6 水眼鉆具內(nèi)鉆臺位置安置示意

如表3所示，在井漏過程中，采用相同壓力進行水眼鉆具內(nèi)測量，序號1～3是同一根鉆桿3次測量，液面平均高度69.84 m，與理論計算高度最大誤差0.24%；序號4～6是下單根立柱進行3次測量，液面高度67.05 m左右，按照理論計算，下單柱鉆桿液面升高2.65 m，通過監(jiān)測液面升高2.68 m，與理論計算吻合；序號7～8是同一根鉆桿，灌注0.38 m3鉆井液時，進行2次測量，液面高度平均26.59 m，按照理論計算灌注0.38 m3鉆井液時，鉆桿液柱升高41.0 m，實測40.46 m，誤差0.20%。通過對水眼鉆具內(nèi)監(jiān)測應用，證明該設備能在水眼鉆具內(nèi)完成“連續(xù)和單次”監(jiān)測作業(yè)，能夠準確判斷水眼液面高度，可以滿足生產(chǎn)需求，為工程提供技術(shù)保障。

表3 水眼鉆具內(nèi)鉆臺位置監(jiān)測數(shù)據(jù)

如圖7所示，從水眼鉆具內(nèi)回波監(jiān)測圖分析，此位置在關井、開井狀態(tài)下均能監(jiān)測作業(yè)，在壓力1.0 MPa時，回波幅度在1 865 mV左右,有多個回波。

圖7 水眼鉆具內(nèi)監(jiān)測回波圖

這是因為鉆桿內(nèi)徑小，內(nèi)徑無障礙，所以測量回波幅度大，有規(guī)則。通過監(jiān)測應用，證明該設備能在此位置監(jiān)測作業(yè)，能準確“連續(xù)和單次”監(jiān)測水眼液面高度，回波清晰易判斷。

2.4 防溢管位置

如圖8所示，在防溢管位置焊接導聲安裝接頭，焊接導聲安裝接頭要求離防溢管鉆井液出口管上部大于400 mm，與上部導管剩余量600 mm左右，為最佳高度，夾角為30°，實現(xiàn)設備安裝與監(jiān)測。

圖8 防溢管導聲安裝接頭焊接示意

如圖9所示，將井口發(fā)聲裝置安裝在導聲安裝接頭上端，確保發(fā)射槍內(nèi)微音器不被鉆井液包裹，實現(xiàn)開井狀態(tài)下“連續(xù)和單次”監(jiān)測目的。

圖9 防溢管位置安裝示意

套管內(nèi)徑159.42 mm，環(huán)空內(nèi)無鉆桿，在開井工況下，采用相同壓力對環(huán)空進行同一位置連續(xù)測量。如表4所示，從防溢管位置監(jiān)測液面高度數(shù)據(jù)分析，在壓力為2.0 MPa時，通過8次測量，高度介于504.76～505.52 m之間，與計算高度比較，誤差范圍在0.35%～0.50%。通過連續(xù)測量同一高度，可以確定高度的一致性，說明測量高度準確，符合井筒液面高度監(jiān)測的規(guī)定。

表4 防溢管位置監(jiān)測液面高度數(shù)據(jù)

如圖10所示，在開井狀態(tài)下，套管內(nèi)徑159.42 mm，環(huán)空內(nèi)無鉆桿，從防溢管位置回波監(jiān)測圖分析，此位置只能在開井狀態(tài)進行監(jiān)測作業(yè)，在壓力為2.0 MPa時，回波幅度在68 mV左右,有多個回波，有規(guī)則，回波清晰易判斷。因為套管內(nèi)徑大，無密封情況下，回波幅度較小，所以不同套管，測量回波幅度不一樣。但是通過現(xiàn)場試驗，回波幅度有規(guī)則易判斷。證明該裝置能在此位置，在開井狀態(tài)下，發(fā)生井漏時第一時間“連續(xù)和單次”準確監(jiān)測環(huán)空液面高度，能為工程提供技術(shù)保障，滿足生產(chǎn)需求。

圖10 防溢管位置回波監(jiān)測圖

2.5 不同測量位置對比分析

如表5所示，通過現(xiàn)場比對試驗表明，可根據(jù)鉆機型號、井型、井控要求等選擇最優(yōu)選位置進行監(jiān)測，來滿足不同生產(chǎn)需求。

表5 不同測量位置對比分析

3 現(xiàn)場應用

在防溢管位置進行應用，工程承壓完井作業(yè)期間，為保證測試過程中不會受到井漏干擾，在套管內(nèi)進行應用。如表6所示，承壓作業(yè)前測量井筒液面平均高度為503.04 m，承壓作業(yè)開始時往井筒內(nèi)灌注水10.0 m3時，返出防溢管鉆井液出口。計算驗證，套管內(nèi)徑159.42 mm，井內(nèi)無鉆具，每米體積計算為0.019 9 m3，即為0.019 9×503.04=10.0 m3。通過體積法驗證，承壓作業(yè)前測量高度與試壓灌注水量高度相符，證明該裝置能在此位置在開井狀態(tài)下，第一時間“連續(xù)和單次”準確監(jiān)測環(huán)空液面高度，為工程提供技術(shù)保障。

表6 防溢管位置環(huán)空監(jiān)測液面數(shù)據(jù)

在開井狀態(tài)下，套管內(nèi)徑159.42 mm，環(huán)空內(nèi)無鉆桿，從防溢管位置回波監(jiān)測圖分析，在壓力2.0 MPa時，回波幅度在55 mV左右,有多個回波，通過驗證在開井狀態(tài)下能完成“連續(xù)和單次”測量，有規(guī)則，回波清晰易判斷，能為工程提供技術(shù)保障，滿足生產(chǎn)需求。

4 結(jié)論與建議

(1)現(xiàn)場通過對不同位置進行試驗、應用，該裝置在防溢管位置，開井狀態(tài)下“連續(xù)和單次”監(jiān)測環(huán)空液面高度，改變了國內(nèi)外井筒液面監(jiān)測技術(shù)在關井狀態(tài)下作業(yè)的方法，為“早發(fā)現(xiàn)、早報告、早處理、早控制”工程異常，提供技術(shù)保障。

(2)一般來說，在相同發(fā)射壓力情況下，回波幅度大小依次為水眼鉆具內(nèi)鉆臺位置、圓井口1#閥門位置，其次為壓井管匯位置、防溢管位置。

(3)通過分析對比，防溢管位置是最佳位置，及時性強，操作簡單，將井口發(fā)聲裝置長期安裝在防溢管位置，需要測量時，從錄井房遠程發(fā)出指令，實施“連續(xù)和單次”監(jiān)測，避免頻繁開關井，給工程帶來安全隱患。

(4)下一步將導聲安裝接頭制作成喇叭口式，上端直徑80 mm,下端開口直徑108 mm，斜度為30°，擴大下端接頭內(nèi)徑，將使接收回波面積增大，提高回波幅度，提升監(jiān)測效果，易于分析判斷。

(5)下一步將井筒液面高度監(jiān)測數(shù)據(jù)與錄井數(shù)據(jù)相結(jié)合，形成一套集綜合錄井、井筒液面高度監(jiān)測、鉆井事故預警為一體的綜合錄井技術(shù)，進一步提高錄井綜合服務能力。