基于多普勒测量技术的深水隔水管气侵早期监测研究

隋秀香， 梁羽丰, 李轶明， 尹邦堂， 李相方

(1.中国石油大学(北京)石油工程学院，北京 102249；2.中国石油大学(华东)石油工程学院，山东青岛 266555)

无论是陆地钻井还是海洋钻井，国内外都曾发生过多起恶性井喷事故。研究认为，导致井喷事故发生的原因除了管理上的问题，主要原因还有2个：1)检测气体侵入的手段少，可靠性差；2)现有气侵检测系统报警迟缓，导致井喷一旦发生便难以及时进行井控，危害极大[1]。如2003年发生的重庆开县高含硫特大井喷事故、2006年发生的四川清溪1井特大可控井喷事件、2010年发生的墨西哥湾MC252井喷爆炸特大事故等，从发现气体到井喷中间时间极短，有的甚至不到5 min。而目前的深水钻井含气测量方法虽有很多种，但都存在一定的局限性。因此，如能研究出一种深水隔水管气侵早期监测方法，在气体进入隔水管早期就能及时识别和发现，将对深水钻井具有重要意义。为此，笔者基于多普勒测量技术，针对荔湾3-1及周边深水气田的具体情况，考虑侵入气沿深水井筒的分布规律，研制了非接触式深水超声波多普勒测量系统(UUDMS)，并进行了大量室内试验，以期在钻进及非钻进工况下，只要气体侵入隔水管中下部就能及时有效地监测到，为安全井控赢得时间，避免深水钻井恶性事故的发生。

1 深水钻井气侵早期测量现状分析

目前，国内外关于深水钻井气侵的早期监测主要有钻井参数异常变化检测法、气测值分析法、钻井液池液面检测法、流量检测法、LWD溢流检测法、APWD溢流检测法等。这些方法都有其优势，也都有其局限性。

1) 钻井参数异常变化检测法。该方法对钻遇地层的参数变化反应灵敏，可以帮助判断异常压力地层等，但是影响因素多，判断溢流有困难，需要有经验的技术人员来使用。该方法仅适合钻进工况。

2) 气测值分析法。该方法对气体的反应较灵敏，但发现气体时气体已经到达地面，现场可以采取应急措施的时间有限[2]。

3) 钻井液池液面检测法。该方法利用浮子式液位计或超声液位计等对钻井液罐的液位进行检测[3]，在许多情况下监测溢流有效，但实时性差。

4) 流量检测法。该方法在许多情况下监测溢流都非常有效，但若气侵量较小或油基钻井液在一定的泡点压力范围内，检测就会比较困难。该方法仅适合钻进工况。

5) LWD溢流检测法。该方法能够第一时间识别钻遇地层(包括油气藏)的性质，可以提示溢流发生的可能性，但不能评价溢流发生的时间及发生程度，需要借助专用软件并由专业人员判断。

6) APWD溢流检测法。该方法能够实时测量井底环空压力变化，对于溢流检测及压井都具有指导作用。但由于循环摩阻等问题，井下压力测量分辨率不高，对于气侵强度较低的情况，检测到的时间较晚。

在非钻进工况下，唯一可用的方法是钻井液池液面溢流检测法。但是起下钻过程中，钻井液池液面有时也发生变化，会干扰溢流检测的精度。只有一种检测方法适合于非钻进工况，与50%以上井控事故发生在非钻进工况不相适应，同时检测精度偏低。在大多数溢流情况下，目前的溢流检测方法是可以检测到的，但是都不能检测深水钻井几千米隔水管内钻井液的含气情况。

2 深水钻井井筒侵入气的分布规律

研究深水钻井井筒气液两相溢流规律发现[4-5]：井筒中的液相为水时，气侵发生后主要以泡状流存在，故截面含气率较小，随井深变化不大，只在近井口附近截面含气率突然增大；当井筒中为钻井液时，由于钻井液为非牛顿流体，气泡主要以段塞流形式存在，最大截面含气率都很大。

钻井液循环期间，井底附近为泡状流，但随气泡向上运移很快转变为段塞流，且段塞流气泡段越来越大，距离也越来越远。进气量不变时，段塞流平均截面的含气率沿程变化较小，只是在井口附近突然增大，如图1所示。

图1 段塞流平均截面含气率变化规律Fig.1 Changing discipline of average cross-section gas void fraction during slug flow

从图1可以看出，气体在井下距离井口500 m处时体积急剧膨胀，因此一旦发现地面的测量参数持续变化，就说明气体距离井口已经很近，并且在深水钻井中，循环期间的气体膨胀比非循环期间要大。

钻井过程中发生气侵时，气侵速度越大，井口溢流速度越大；并且随着气体向上运移，由于气体的膨胀及继续侵入，导致井口溢流速度不断增大。对于井深5 000 m的井，当气体运移到距井口500～1 000 m时，井口溢流速度变化幅度比较大。因此，尽早发现井内气侵，对安全生产至关重要。

3 非接触式深水超声波多普勒测量系统

3.1 多普勒测量原理

当信号源发射的超声波信号被一个与之存在相对运动的物体反射时，反射信号与发射信号的频率出现差异，这种现象称为多普勒效应。

在超声波多普勒测量方法中，超声波发射器为一固定声源，固体颗粒随流体一起运动，当超声波发射器所发射的超声波入射到这些固体颗粒上时，被反射到接收器上的超声波频率就会与发射频率之间有一个差值，这个频率差就是由于流体中固体颗粒运动而产生的多普勒频移。因此，进行超声波多普勒测量的一个必要条件就是:被测流体介质应含有一定数量可反射声波的固体粒子或气泡等。多普勒频移与流体流速之间的关系式可表示为[6]：

(1)

式中：u为流体速度，m/s；c为超声波传播速度，m/s；f1为超声波多普勒发射频率，Hz；f2为超声波多普勒接收频率，Hz；θ为超声波波速与流体运动速度的夹角，(°)。

实际测量发现，如果介质中气泡过大或过多都会严重影响测量的准确性[7]。室内试验研究也证明了这一点，即液体中的气泡过多或过大都会导致多普勒频移发生很大的偏移。

3.2 多普勒测量在隔水管气侵监测中的优势

1) 多普勒传感器采用的是非接触式测量，不与测量的介质直接接触，贴在隔水管的外面就能完成测量，对测量对象无任何损伤。安装方便快捷，不影响钻井作业的正常进行，适用于深水钻井。

2) 深水钻井中发生气侵时，随着气体向上运移，气体急速膨胀，流型也会随之改变。而过多、过大的气泡会导致多普勒频谱产生很大偏移，据此可以利用多普勒频谱受气体影响的特性实时监测隔水管内的气体情况。

3) 多普勒测量技术不受钻井工况影响，不管是在钻进状态还是非钻进状态，多普勒频移都能很好地反映深水隔水管内的气侵情况。

多普勒测量要求所测介质内含有一定数量的固体颗粒，深水钻井中钻井液所携带的固相物质或岩屑正好满足这一要求。总之，用非接触式超声波多普勒测量技术监测隔水管，既能尽早发现深水钻井中气体侵入的情况，又不影响钻井正常进行，为深水钻井气侵监测及安全井控提供了一条有效途径。

3.3 隔水管多普勒测量设计

为及时反映深水钻井中的气侵情况，拟沿隔水管外侧从泥线以上每隔一定的距离布置一组多普勒超声传感器(如图2所示)，以做到在较长距离内连续监测气泡的变化，形成对气体进入井筒的连续跟踪和测量，最大限度地争取井控时间。

图2 隔水管外侧沿程多普勒传感器布置Fig.2 Doppler sensor deployment along the outside of the riser

3.4 深水多普勒传感器的研制

对于深水钻井，需要专门设计能防爆、防水、耐高压的多普勒超声波传感器。而且，多普勒测量探头要安装在水下1 500 m甚至更深的地方，要求水下测量部分的结构尽可能简单，以方便安装，同时测量信号要稳定。

目前多普勒传感器采用双换能器(1个发射换能器和1个接收换能器)方式，2个换能器共同完成信号测量。在深水中，为使信号能有效发送和接收，同时简化水下安装程序，研究出适合深水钻井的单换能器超声波多普勒测量方式，1个换能器能同时完成发射和接收任务。将超声波发射和接收功能设计在1个换能器内，对保证信号的测量和方便安装都起到很大的作用。

测量时，将多普勒测量换能器放在水下，将信号处理部分放在平台上，多普勒测量探头的频谱信号通过电缆传至地面，然后分2部分进行分析：一个是将功率谱信号处理后转换成多普勒流量信号进行分析；另一个直接对放大后的功率谱信号进行分析。同时分析气体入侵后2个信号的变化，从而更深入地发现气体的侵入情况(见图3)。

图3 深水钻井单探头多普勒测量系统示意Fig.3 Schematic diagram of single-probe Doppler measu-ring system in deepwater gas fields

4 室内试验

设计了GYD-Ⅰ型多相流测量装置，该装置主要由液体循环系统、气体注入系统及测量系统组成。测量主管道可用有机玻璃管和金属管两种，有机玻璃管用来观察垂直管流、水平管流下气液两相流或多相流的流型，金属管用来模拟隔水管进行气侵监测试验。

4.1 水基钻井液中的模拟试验

为了更贴近生产现场的情况，试验中采用水基钻井液作为连续相，在不同流速、不同含气率下进行试验，每组试验采取固定钻井液流速、逐步增大含气率的方式进行。

以其中一组试验结果为例进行说明。该组试验采用的流速为0.566 m/s，钻井液密度1.24 kg/L，表观黏度24.5 mPa·s。对不同含气率下超声多普勒测量系统输出信号电压进行实时采集处理，求其平均值(见图4)。其中，对小含气率范围进行了适当加密，含气率分别为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%。

图4 输出信号电压与含气率的关系Fig.4 Relationship between measurement signal and gas void fraction

由图4可知，在水基钻井液中，超声波多普勒测量系统输出信号电压有随含气率上升而增大趋势，其他流速下的数据处理结果都有相似结论。

4.2 概率密度分析

为进一步加强对水基钻井液中含气量情况的分析，对超声波多普勒测量系统输出信号电压的概率密度分布进行了研究，结果如图5所示。

图5 不同含气率下的概率密度Fig.5 Probability density under different gas void fractions

从图5可以看出，在含气0.5%和1.0%的情况下，超声波多普勒输出信号的概率分布形式与不含气情况下的概率分布形式差别较小；含气率为3.0%的情况下，信号概率分布与不含气的情况相比差距较大，分布中心线之间的差距在200 mV左右；含气率超过5.0%后，信号概率分布与不含气的情况相比差距进一步增大，此现象可作为气侵监测预警依据。

5 结论与建议

1) 利用研制的深水多普勒测量系统进行深水隔水管气侵早期监测时，若隔水管内液相为水基钻井液，则超声波多普勒测量系统的输出信号随含气率的上升而增大。

2) 随着含气率的逐渐上升，信号概率分布与不含气条件下的概率分布的差别在逐步变大，据此可以推断井内含气量的大小，为安全井控提供保障。

3) 所研制的基于多普勒测量技术的深水隔水管气侵测量系统，不仅适合钻进状态，也适合非钻进状态。

4) 非接触式测量和单探头方式满足了深水生产环境测量和安装的要求，安全性和可靠性大大提高。

5) 截至目前只研究了隔水管内液相为水基钻井液的情况，建议继续对油基钻井液条件下的气侵情况进行试验研究。

参考文献
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