气体钻井的录井监测方法

唐家琼 郑永 熊驰原 庞江平 韩贵生

川庆钻探工程公司地质勘探开发研究院

气体钻井的录井监测方法

唐家琼 郑永 熊驰原 庞江平 韩贵生

川庆钻探工程公司地质勘探开发研究院

唐家琼等.气体钻井的录井监测方法.天然气工业,2010,30(3):12-15.

由于气体钻井循环系统的流体介质改变——由常规的液态变为气态,致使传统的录井方法无法适应,表现为:①粉尘状岩屑采集困难且样品质量很难满足要求;②因出口样气中粉尘掺混,易产生管路堵塞,影响气测分析结果的精度;③综合录井仪原有的密度、电导率等参数无法监测,切断了地层流体信息识别和井下工况异常的及时报警。针对这些难题,通过现场调研和探索,分别研制出“岩屑自动取样装置”、“气体净化装置”和“气体钻井实时监测系统”,实现了气体钻井连续、自动录取岩屑,提高了钻井地质剖面的符合率;实现了样品气的连续、干燥、无尘获取,确保了气测分析精度的需要;在出口管线的适当位置加装湿度和硫化氢等集成传感器,实现了气体钻井出口参数的实时监测和工程、地质异常的预警,为安全钻井施工方案的制订提供了依据。该方法与技术经现场多口井应用与推广,取得了良好的效果,获得了2项实用新型专利并申请了1项软件著作权登记。

气体钻井 录井 自动化 取样 监测 实时 报警装置 方法

气体钻井是用气体(空气、氮气等)作为钻井流体所进行的一项钻井工艺[1],近年来在川渝地区被广泛采用。仅2007年1月至2008年6月,川渝地区就进行了100余井次的空气或氮气钻井,使钻井机械钻速提高了3～15倍[2]。目前,在中国石油天然气集团公司重点工程中,实现钻井提速的主要技术思路仍是采用气体钻井。

1 气体钻井的录井现状

1.1 岩屑采集困难

由于气体钻井技术的普遍应用,无法在原来的振动筛处进行岩屑采集,录井岩屑取样被迫改变环境。目前现场岩屑取样,主要是在气体出口管线的下方焊接一个简易取样管,由管口闸门开关控制取样。由于是手动开闸取样,录井人员劳动强度大,且取出的岩屑样品为不连续的——是开闸瞬时的样品,致使气体钻井段的岩屑剖面符合率较低,不能满足要求。同时,由于气体介质对岩屑的悬浮能力远远低于液相介质,岩屑在井下被机械重复破碎[3-4],直到可以被气体介质带出井口为止。如果取样方法不当,会造成岩样不能客观反映真实地层岩性的情况。

1.2 样气净化难度大

在气体钻井中,由于气体介质的出口样气粉尘极多,常堵塞管线,维护难度很大。现场采用的简易过水净化方法,由于水对有些气体的溶解性及其不同气体溶解度的差别(如 H2S较CH4、CO2等的溶解度大),仍然会影响监测结果。

1.3 出口参数录取困难

在常规钻井中,综合录井仪针对液态循环介质对出口参数进行录取,并以出口参数的变化来进行井漏、气侵、井涌等异常预警。在气体钻井中,循环介质改为了气态,钻井工艺流程发生了变化,综合录井仪原有的出口参数无法采集,直接影响了地层流体的识别及井下工况异常的及时预警。

2 气体钻井的录井监测方法

2.1 研制了“岩屑自动取样装置”

“岩屑自动取样装置”由岩屑收集、岩屑存储和自动控制3部分组成。在气体出口管线的上方或侧面安装取样管,取样管的插入端为“斜口”,其作用是有助于岩屑进入取样管。岩屑经上阀门到岩屑收集筒,岩屑收集筒下端连接下阀门,下阀门之下为岩屑存储筒(图1)。

图1 岩屑自动取样装置原理图

上阀门和下阀门的开启与关闭,由阀门控制器和电脑根据迟到井深信号进行自动控制。

2.2 样气净化方法

根据井口高压气体自行向前运动,设计了不同的净化方式,气体经过“三重净化”后(图2),进入综合录井色谱仪,达到了连续、干燥、无尘的目的,提高了气测分析的准确度。

图2 气体净化装置原理图

2.2.1 第一次净化

在进样管线上安装一个粉尘过滤器,对样气进行第一次净化。

2.2.2 第二次净化

经第一次净化后的样气通过水罐对残留的粉尘进行第二次净化。水罐用有机玻璃制造,便于观察内部情况。水罐底部做成漏斗形状,便于取样和排污。

2.2.3 第三次净化

利用井口高压气体自行向前运动,样气在色谱仪的抽吸作用下通过干燥筒进行第三次净化,最终达到气相色谱仪所需要的样气标准。

2.3 研发“气体钻井实时监测系统”,对地质、工程异常进行监测和预警

2.3.1 加装“集成传感器”

基于对气体钻井的井下安全及人员安全考虑,在出口管线的适当位置加装“集成传感器”。即在出口管线上安装湿度、温度、硫化氢、氧气、二氧化碳和可燃气体等传感器,并开发“气体钻井实时监测系统”软件,实现了对气体钻井出口参数的实时监测和地质、工程异常的及时预警。

2.3.2 录井监测方法

2.3.2.1 地层出水的监测方法

气体钻井中,一旦地层出水,会导致裸眼井段的泥页岩水化膨胀,造成井壁坍塌[5]或在井壁上形成“泥饼环”。当地层出水危及井下安全时,应停止钻进,并根据井下情况分析确定下步措施[6-7]。所以地层出水的及时监测及时预警就显得十分重要。

在出口管线上加装“湿度”传感器,录井根据监测的湿度值变化,对地层出水情况进行定性而快速的检测。

值得注意的是,气体钻进刚开始时,检测到的湿度值可能是高值,这与井壁的干燥程度有关。如果湿度值随钻进时间的增加而逐渐下降,说明原来的井壁逐步吹干;如果湿度值一直居高不下或在某一时段突发升高,加之出口返出岩屑量的减少,则要引起高度重视,及时预警。

2.3.2.2 “地层出气”的快速监测方法

天然气与空气的混合气体容易发生“井下燃爆”。一旦发生“井下燃爆”,轻则造成井下钻柱断裂,重则导致井塌甚至使所钻井报废,危害程度极大。也许没有绝对的方法能阻止井下燃爆,但是可以采取措施以减小井下引燃的发生几率[8]。

在出口管线上加装“可燃气体”、“硫化氢”等传感器,对第一次净化后的气体进行快速检测,当发现检测的参数发生变化时,录井人员可及时综合分析及时预警。

2.3.2.3 “井下燃爆”的监测方法

在出口管线上加装氧气、二氧化碳、一氧化碳等传感器,对井下燃爆情况进行实时监测。当监测的氧气值降低或二氧化碳、一氧化碳值升高时,即有可能发生了井下燃爆。

2.3.2.4 钻具异常的监测方法

为了更好地进行钻具异常预警,在出口管线上加装压力传感器,结合综合录井监测的其他参数变化,对井下钻具异常进行预警。

当发现立压值下降或其他参数发生变化时,有可能井下发生了“钻具刺”;当发现立压值下降、悬重值降低时,有可能井下发生了“钻具断裂”事故。

2.3.2.5 空气锤(或钻头)异常的监测方法

当发现扭矩值增加或钻时明显增加时,有可能是空气锤(或钻头)发生了异常,录井人员应及时综合分析及时预警。

2.3.2.6 地层坍塌或产生泥饼环的监测方法

当发现扭矩值增加,注气压力增大,出口返出的岩屑增多或减少、起下钻遇阻或遇卡等异常时,则可能发生了地层坍塌或产生了泥饼环,录井人员应及时综合分析及时预警。

3 应用效果

3.1 “岩屑自动取样装置”应用效果

LG23井,试验(氮气)井段3130.00～3683.00m。该井用自动取样装置所取岩样(每4m取1个样)建立的录井剖面,与测井解释剖面符合率为87%(图3)。

图3 LG23井录井剖面解释图注:1in=2.54cm

该井试验(氮气)井段由于是每4m取样,录井岩屑剖面解释就显得较粗,如煤层,录井剖面只能定为4m或8m,而测井解释煤层厚仅1～2m。

用“岩屑自动取样装置”之前,录井的岩屑剖面符合率为60%～70%;应用“岩屑自动取样装置”之后,录井的岩屑剖面符合率提高至80%～90%。

3.2 录井监测的应用效果

3.2.1 对出口气体介质的“湿度”进行实时监测,及时预警地层出水情况

L G172井,于2009年11月27日从井深3106.00m开始进行氮气钻进,排量90m3/min。

钻至井深3320.63m时湿度开始快速升高,至井深3321.00m上升至78%(图4);观察出口返出的岩屑较少,颜色深,具湿润感,部分呈团块状,经综合分析,判断地层出水,及时进行了预警。

此次地层出水预警,是通过监测出口气体的“湿度”变化并结合岩屑返出情况进行分析和判断的,为下一步钻井决策提供了依据。

图4 LG172井地层出水实时监测图

3.2.2 对出口可燃气体进行实时监测,及时预警地层出气情况

L G172井,2009年11月28日氮气钻进在12:54时发现可燃气体参数明显升高,至12:58时井深3255.58m发现综合录井仪的气测总烃含量明显升高——含量由0.0723%}6.6719%。“气体钻井实时监测系统”连续弹出“气测异常”报警对话框(图5)。

从图5可看出,可燃气体的曲线形态与总烃的变化趋势一致,且时间上要早于全烃的变化,提前4min进行预警,达到快速监测的目的,为下一步的工程处理赢取了宝贵的时间。

图5 LG172井地层出气实时监测图

4 认识与建议

1)研制的“岩屑自动取样装置”改进了常规钻井条件下的岩屑取样方法,由过去瞬间开闸取“点式”样变成自动集成取“连续”样,且取样时间实现了电脑自动控制,保证了气体钻井条件下的岩屑剖面真实性,又减轻了录井人员的劳动强度。“岩屑自动取样装置”已获国家实用新型专利。

2)研究的“样气净化”方法解决了气体钻井条件下气体检测的难度和精度问题。“综合录井样气净化装置”已获国家实用新型专利。

3)加装出口“集成传感器”,研发了“气体钻井实时监测系统”软件,对出口参数进行实时监测和异常预警。

4)对气体钻井的地层出气、地层出水、“井下燃爆”等井下异常的监测方法进行了研究,取得了新的成果。

5)“岩屑自动取样装置”仅适用于干气体介质状态下(即井筒内为气、固两相流)。建议对雾化、泡沫等气、液相介质状态下(即井筒内为气、液、固三相流)的“岩屑取样”进行专题研究,以解决实际应用中的岩屑取样问题。

[1]新疆石油管理局钻井工艺研究院,胜利石油管理局钻井工艺研究院.SY/T6543.1—2008欠平衡钻井技术规范[S]∥国家发展和改革委员会.北京:石油工业出版社,2008.

[2]魏武,许期聪,邓虎,等.气体钻井技术在七北101井的应用与研究[J].天然气工业,2005,25(9):48-50.

[3]郭建华,李黔,王锦,等.气体钻井岩屑运移机理研究[J].天然气工业,2006,26(6):66-67.

[4]黄进军,崔茂荣.空气雾化钻井中液滴尺寸及其分布[J].西南石油学院学报,1994,16(3):39-43.

[5]许期聪,刘奇林,侯伟,等.四川油气田气体钻井技术[J].天然气工业,2007,27(3):60-62.

[6]Q/CNPC-CY807—2006天然气、氮气、柴油机尾气钻井操作规程[S]∥四川石油管理局.成都:[出版者不详],2006.

[7]Q/CNPC-CY808—2006空气钻井技术规范[S]∥四川石油管理局.成都:[出版者不详],2006.

[8]L YONS W C.空气和气体钻井手册[M].曾义金,译.北京:中国石化出版社,2006.

(修改回稿日期 2010-01-15 编辑 韩晓渝)

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.03.003

Tang Jiaqiong,senior engineer,was born in1966.He has long been engaged in drilling and geologic technology management and research of logging techniques.

Add:No.83,Sec.1,North Jianshe Rd.,Chengdu,Sichuan610051,P.R.China

Tel:+86-28-86015005 E-mail:tjq66102@163.com

Logging monitoring methods in gas drilling

Tang Jiaqiong,Zheng Yong,Xiong Chiyuan,Pang Jiangping,Han Guisheng
(Geologic Ex ploration and Development Research Institute,CN PC Chuanqing Drilling Engineering Co., L td.,Chengdu,Sichuan610051,China)

NATUR.GAS IND.VOLUME30,ISSUE3,pp.12-15,3/25/2010.(ISSN1000-0976;In Chinese)

Traditional logging methods are no longer applicable in gas drilling as the fluid medium changes from conventional liquid to gas.There are three major challenges.Firstly,it is difficult to sample dust-like cuttings and the quality of the samples is often low. Secondly,the dust mixed in the sampled gas can plug the pipelines,influencing the analysis of gas test results.Thirdly,the original parameters of the compound logging tools such as density and conductivity can not be monitored,making it impossible to acquire the information of formation fluid and timely warn downhole anomalies.In viewing of these problems,we developed"automatic cutting sampling system","gas purification system"and"real-time monitoring system of gas drilling",realizing continuous automatic sampling of cuttings and improving the coincidence rate of drilling geologic section,making continuity,drying and dustlessness of the sampled gas possible,ensuring the accuracy of analysis of gas testing results.Moisture and hydrogen sulfide sensors are installed in appropriate locations of the outlet pipeline to make real-time monitoring of outlet parameters and early warning of engineering and geologic anomalies possible.These methods and techniques,two of which were awarded by the Utility Model Patent and one was registered in application for the software copyright,have been applied in gas drilling of several wells and the results are significant,providing reliable reference for safe drilling project design.

gas drilling,logging,automation,sampling,monitoring,real-time,warning device,method

book=12,ebook=282

10.3787/j.issn.1000-0976.2010.03.003

唐家琼,女,1966年生,高级工程师;长期从事钻井地质技术管理与录井技术研究工作。地址:(610051)四川省成都市建设北路1段83号。电话:(028)86015005。E-mail:tjq66102@163.com