苗海龍 馬躍 石釗睿 邱正松

1.中國石油大學(華東)石油工程學院 2.中海油田服務股份有限公司油田化學事業(yè)部 3.浙江探芯科技有限公司

在油氣田開發(fā)過程中,井漏是一種后果較為嚴重的復雜情況,可導致鉆井液大量損失,如果井漏失控,會發(fā)生井控和井壁垮塌的嚴重情況,從而造成非生產(chǎn)時間增加和巨大的經(jīng)濟損失[1]。對于堵漏作業(yè)來說,首先需要解決的問題是漏失點的定位。過去的文獻中提到了幾種定位漏失地層的方法,但這些方法需要先另外下入井下測量工具以獲取目標地層的信息,然后再定位漏失點,從而大大增加作業(yè)的成本。所以,研究一種經(jīng)濟性好的準確定位漏失層位的方法是非常重要的。

針對上述問題,研究人員開展了一系列研究。Shea[2]開展了漏失點深度定位的研究,通過在鉆井液中加入放射性的材料后將其泵入井下,然后下入錄井儀器追蹤放射信號來定位漏失鉆井液的位置。Owings[3]提到了一種通過對比實際循環(huán)壓力場和正常時循環(huán)壓力場來定位漏失地層的方法。Han 介紹了一種使用多普勒效應的原位測量泥漿流量裝置。Dacoord等[5]介紹了一種管狀的裝置,其外部安裝有傳感器,用于測量流體的流速并將數(shù)據(jù)傳輸至地表,而這個數(shù)據(jù)可以用于定位漏失層和分析漏失的嚴重程度。Dakin 等[6]闡述了一種使用4種不同液體來定位漏失層的方法。Horne[7]在現(xiàn)場通過注入冷卻水測試來確定漏失點,在該方法中,地表的冷卻水被泵入井下,同時下入錄井工具進行溫度采集,觀察溫度變化以判斷漏點。Dokhani等[8]開發(fā)了一種瞬態(tài)熱交換模擬算法來計算井筒循環(huán)時和靜止時的壓力場和溫度場情況。該算法考慮了包含泥漿漏失量及排量變化等多種現(xiàn)場參數(shù)的影響。

井下測量微芯片是一種微尺寸的球形或膠囊形儀器,內部包含微控制單元、內存、傳感器、數(shù)據(jù)傳輸模塊及微型可充電鋰電池,所有的電路和元器件被包裹在球形或膠囊形的保護性材料內,整個系統(tǒng)的直徑約為8～12 mm。微芯片所使用的保護性材料具有極高的強度和玻璃化溫度,可以保證其內部電路及元器件能承受井下的高溫高壓環(huán)境。微芯片可以在井下隨鉆井液循環(huán)并回收,測量并存儲流經(jīng)位置的溫度和壓力數(shù)據(jù),回收后可以下載讀取這些數(shù)據(jù)并進行分析和處理。

朱祖楊研究了一種基于微芯片示蹤器實現(xiàn)漏失位置檢測的方法：首先下入多個測量短節(jié),然后再投入一批微芯片示蹤器進行測量,測量完之后再通過幾個不同位置的測量短節(jié)數(shù)據(jù)對微芯片數(shù)據(jù)進行深度標定,最后通過使用標定后的數(shù)據(jù)觀察溫度突變點,從而確定漏失點。

1 理論模型

基于研究使用微芯片測量數(shù)據(jù)來定位漏失點及確定漏速,其主要原理是通過鉆井液發(fā)生漏失后引起鉆井液流速的改變,進而導致整個溫度場溫度發(fā)生變化,通過微芯片所測量數(shù)據(jù)來監(jiān)控該變化,進而定位其發(fā)生變化所在的層位。主要的理論方法為通過建立井下的瞬態(tài)傳熱模型來進行分析。以某深水井為例,其井筒的結構和鉆井液的流動情況如圖1所示(1 ℉=17.2 2℃,1 ft=0.305 m)。在漏失發(fā)生之前,鉆井液以一個固定的流量(wp)流經(jīng)鉆桿內和環(huán)空段。假設在環(huán)空段有一個軸向的流體均勻通過,那么鉆井液的流速會因為分流至有漏失的地層而降低。而由于鉆井液流速降低,整個井下鉆桿、環(huán)空和地層之間的熱交換平衡將發(fā)生改變。同時,由于流量降低,流經(jīng)環(huán)空漏失點上端的鉆井液將會被進一步冷卻。該技術既可以應用在陸地井,也可以應用在海上井。但應用于海上井時,要考慮海水對溫度場的影響。由于海上井較陸地井分析更為復雜,在模型推導中,為了更清晰地進行理論分析,故以海上井為例,把整個井下結構分為3段：第1段為海床以上部分;第2段為海床到漏失點之間的部分;第3段為漏失點以下部分。

井下的熱量可以源于一團物質的進入而帶來的焓,也可來自外界物質的熱傳導、熱對流及熱輻射。同樣的,熱量也可通過相同的方式離開系統(tǒng)。累積的整個能量都是以內部能量形式存在的(井下的動勢能可忽略)。系統(tǒng)整體的熱平衡見式(1)～式(4)：

(1)

(2)

式中：V為體積,ft3(1 ft3=0.028 m3);T為時間,h。

如果不考慮體積因為時間推移發(fā)生的變化,那么式(2)中的第2項可以被省略,即：

(3)

式中：CV為單位體積的比熱,BTU/(lb·℉);m為質量,lb;T為時間,h。

結合式(1)和式(3),可得式(4)：

(4)

式中：P為壓力,lb/ft2(1 lb/ft2=47.88 Pa);u為單位內能,Btu/lb;ρ為密度,lb/ft3(1 lb/ft3=16 kg/m3)。

在通常的井下熱傳導應用中,式(4)中的第1項比內能u遠遠大于式中第2項的值。因此,式(4)中的第2項在實際應用中可以省略。對井筒的3段分別單獨應用熱平衡進行分析,從而可以分別獲取鉆井液在鉆桿內、環(huán)空及地層的支配方程。具體推導出的熱平衡方程見式(5)：

鉆桿內(第1段、第2段、第3段)：

(5)

環(huán)空(第1段)：

(6)

環(huán)空(第2段)：

(7)

環(huán)空(第3段)：

(8)

式中：haf為環(huán)空流體和地層之間的對流傳熱系數(shù),Btu/(hr·℉·ft2)。

立管(第1段)：

(9)

式(9)被定義為立管的邊界條件外部表面溫度,因此,在計算中可被假設為正常的海水溫度分布：

(10)

地層(第2段、第3段)：

環(huán)空段的泥漿和地層之間的熱交換通過井壁發(fā)生,因此可得：

(11)

式中：Tf為地層流體溫度,℉;kf為地層的熱導率,Btu/(h·ft·℉)。

地層的熱交換主要來自熱傳導和熱對流,支配方程見式(12)：

(12)

式中：αf為地層熱擴散率,ft2/hr;ρf為地層密度,lbm/ft3;ρfl為空隙流體密度,lbm/ft3;cf為地層比熱,Btu/(lbm·℉);cfl為孔隙流體比熱,Btu/(lbm·℉);Pf為地層流體壓力,lbf/ft2。

井下的孔隙壓力分布為：

(13)

(14)

式中：αc為壓力擴散常數(shù),ft2/hr;Kf為地層的熱導率,Btu/(h·ft·℉);φ為內能,BTU;μfl為孔隙流體單位內能,BTU。

2 計算方法

通過微芯片現(xiàn)場測試,獲取全井筒溫度和壓力原始測量值,使用深度標定計算方法將原始數(shù)據(jù)轉換為井深數(shù)據(jù),并利用移動平均法進行數(shù)據(jù)平滑處理。在實際計算中,可以通過調整移動平均的時期個數(shù)來實現(xiàn)合適的數(shù)據(jù)平滑處理結果。最后,計算溫度梯度(dT/dZ)變化對應井深的完整結果,形成溫度梯度(dT/dZ)曲線用于實際的漏點定位。

在實際的漏點判斷中,計算獲取的環(huán)空溫度梯度曲線(dT/dZ)一般遵循以下規(guī)則：當dT/dZ<0時,鉆井液向上運動時溫度逐漸升高(通常發(fā)生在環(huán)空下段);當dT/dZ>0時,鉆井液向上運動時溫度逐漸降低(通常發(fā)生在環(huán)空上段)。當溫度梯度(dT/dZ)曲線發(fā)生明顯的正向突變時,說明了環(huán)空中的液體在加速冷卻,或是在減速升溫,表明可能存在以下情況：①井下結構發(fā)生明顯變化;②地溫梯度發(fā)生明顯變化;③漏失情況發(fā)生。在實際應用中,井下結構的變化和地溫梯度的變化情況可以被排除,因此可以確定漏失點位置。

3 基于微芯片測量數(shù)據(jù)定位漏失點的循環(huán)管路實驗

3.1 循環(huán)管路實驗裝置

為了進一步驗證上述方法,在實驗室搭建了一套專門用于微芯片的模擬井筒循環(huán)管路實驗系統(tǒng),同時在管路處設置一處開路,系統(tǒng)可以控制此開路來模擬井下漏失的發(fā)生。該系統(tǒng)可以很好地觀察和記錄微芯片在鉆桿內和環(huán)空的運動狀態(tài)。整個循環(huán)管路長11 m,斜度為75°,系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

在整個深度標定實驗管路系統(tǒng)的基礎上,本實驗在井深7 m處井筒上額外添加了一處裂縫,整體由哈夫節(jié)(Hough section)包圍,并接上排水裝置,井底有加熱裝置,最高可加熱至50 ℃,最大壓力為0.14 MPa。管路系統(tǒng)內安裝有多個扶正器,以確保鉆桿無偏心問題。

哈夫節(jié)又稱柔性伸縮器,是一種管道堵漏器。主要結合塑形接觸密封和彈性接觸密封兩種技術,能夠在管道表面緊固并貼合,起到密封作用,以控制介質的泄漏。

3.2 實驗步驟

(1) 由于循環(huán)管路長度有限,測試前需調整微芯片采樣頻率至最高頻率(0.1 Hz)。

(2) 提前打開電子加熱裝置,并打開泵開啟液體循環(huán)。

(3) 實驗前將微芯片充滿電后激活,并開始計時。

(4) 先關閉漏失點水閥,投入激活的微芯片循環(huán)測試。

(5) 將模擬漏失點水閥調至半開狀態(tài),投入激活的微芯片循環(huán)測試。

(6) 將模擬漏失點水閥調至全開狀態(tài),投入激活的微芯片循環(huán)測試。

(7) 分別記錄微芯片在鉆桿內和環(huán)空段的運動時間。

(8) 微芯片排出至泥漿罐中,回收微芯片,下載數(shù)據(jù)。

在設計微芯片之初,考慮了井下溫度和壓力對其傳感系統(tǒng)的損害,故采用的材料都是耐高溫和高壓力的。在實際應用中存在著回收率的問題,只要在振動篩中收集到微芯片并采集其中數(shù)據(jù),就意味著應用成功,對于失返性漏失,通過投擲微芯片的方法是無法完成的,另一種方式是利用井下工具攜帶的微芯片釋放信號的方式進行,并通過泥漿脈沖返回數(shù)據(jù),與井下測量相比,此方式可以大幅節(jié)省成本。

3.3 實驗結果和分析

測試完成后,對回收的微芯片進行數(shù)據(jù)下載,其原始溫度測量結果如圖3所示。

分別在3次不同漏失量(無漏失、輕微漏失、漏失)的微芯片原始測量數(shù)據(jù)的基礎上進行深度標定計算,得到3種不同漏失情況下的微芯片溫度場數(shù)據(jù),結果如圖4所示。

將無漏失、輕微漏失及漏失3種場景下的微芯片溫度場數(shù)據(jù)進行平滑處理后進行對比,可以發(fā)現(xiàn)溫度場的斜率(溫度梯度)在井深7 m附近有明顯不同,即無漏失情況下無明顯斜率突變,輕微漏失情況下有一定斜率突變,漏失情況下有明顯斜率突變,如圖5所示。

這個溫度梯度的突變說明了在井深7 m處,流體的溫度場被加速冷卻,在排除了井身結構和外界溫度的影響后可以得出結論：井深7 m處附近有漏失點,這與實際的實驗裝置情況完全一致。實驗結果很好地證明了基于微芯片測量數(shù)據(jù)定位漏失點的理論計算方法的準確性。在更多的現(xiàn)場實際應用案例中,該方法可以準確地提供現(xiàn)場實際漏失點位置。

4 應用測試

測試井是位于沙特一口井深為10 843 ft(3 356 m)直井,該井發(fā)生漏失時,進行微芯片測試,目的是判斷漏失位置。通過對獲取到的兩組微芯片(分別命名為微芯片1、微芯片2)的溫度數(shù)據(jù)進行分析,深度標定計算后得到溫度場測量數(shù)據(jù)如圖5所示。兩組微芯片溫度場數(shù)據(jù)具有較好的一致性,相互差別在1 ℃以內,結果表明其測量的準確性,同時,發(fā)現(xiàn)鉆井液最高溫度發(fā)生在井深大約9 400 ft(2 865 m)的位置,而不是井底。 基于以上兩組溫度測量數(shù)據(jù),計算得到溫度梯度原始和平滑后的結果,分別如圖6和圖7所示。

從圖6和圖7顯示的結果可以看出,經(jīng)過平滑處理后的兩組微芯片溫度變化梯度數(shù)據(jù)的噪聲更小,經(jīng)過處理后的溫度梯度數(shù)據(jù)平均的波動幅度是0.005 ℃/ft。更重要的一點是,兩組微芯片的數(shù)據(jù)均顯示出在裸眼段的3 109～3 200 m(10 200～10 500 ft)處溫度梯度有巨大變化,說明在此處有很大可能發(fā)生了漏失,這與鉆井日報中顯示的3 207 m(10 522 ft)上方遇到漏失的結論非常一致。另外,在實際微芯片現(xiàn)場測試完成后,根據(jù)現(xiàn)場記錄,現(xiàn)場工程師對該井進行了堵漏作業(yè),重點目標堵漏區(qū)域為井深3 100～3 200 m的裸眼井段,經(jīng)過有針對性的堵漏作業(yè),最終順利實現(xiàn)堵漏并繼續(xù)鉆進。這說明,通過微芯片測量數(shù)據(jù)預測的漏失點位置確實與實際情況高度匹配,具有很好的準確性。

4 結論

(1) 通過建立井下的瞬態(tài)傳熱模型進行分析,建立了微芯片定位漏點的理論模型,通過分析微芯片的測量結果可以定位漏失點。同時,通過使用壓力微芯片的測量數(shù)據(jù)還可以計算出實際的漏速,這個方法特別需要全井壓力場在未發(fā)生漏失前的基準值。

(2) 完成基于研究的微芯片深度標定方法的實驗室測試,通過對比深度標定計算出的結果和實際測量結果,證明了該深度標定方法的精確性和可靠性,也驗證了基于微芯片測量數(shù)據(jù)進行深度標定和定位漏失點技術的精度和可靠性。