深水钻井气侵程度实时定量描述方法

许玉强，管志川，张会增，张洪宁

（1.中国石油大学（华东）石油工程学院；2.中海油研究总院）

深水钻井气侵程度实时定量描述方法

许玉强1，管志川1，张会增2，张洪宁1

（1.中国石油大学（华东）石油工程学院；2.中海油研究总院）

通过分析深水钻井气侵特点和现有气侵监测方法的不足，论证了在隔水管底部进行气侵早期监测的可行性，提出了基于隔水管底部超声波气侵监测的气侵程度实时定量描述方法。分析了多普勒超声波监测气侵方法存在的问题，设计了隔水管底部透射式超声波气侵监测实验装置，用于分析不同截面含气率条件下的声波衰减特性，给出了运用超声波监测隔水管处气侵情况的解决方案。结合深水钻井井筒环空气液两相流计算模型和含可信度的地层压力预测，建立了基于隔水管底部截面气侵监测数据的井筒气侵程度反算方法。该方法与常规方法相比可提前4 min左右检测到气侵，并可根据隔水管底部声波响应数据准确确定气侵发生的时刻、气体到达井口所需时间、任一时刻的总溢流量及任一时刻不同井深处的截面含气率。图5参15

深水钻井；气侵监测；透射式超声波；气侵程度；反算方法

0 引言

钻井过程中若钻遇高压气层会发生气侵，在气侵的初始阶段很难通过钻井液池流体增量（后文简称钻井液池增量）监测、流量差溢流监测等方法检测到[1]，且随着井深的增加，提早发现气侵的难度增大，留给井控的反应时间明显减少，使得气侵的早期监测成为深井井控的重点和难点[2-3]。对于深水钻井，首先，随着水深的增加钻井液安全密度窗口变窄，更容易发生气侵；其次，在深水高静压环境下，气泡的总体尺度较小，导致气体进入隔水管时钻井液池增量依然不会达到预警值[4-5]，难以通过常规方法及时检测到气侵。因此，深水钻井中及时准确发现气侵是井控工作的重点。

近年来，有不少学者针对深水钻井气侵的早期监测进行了研究[6-9]。为了实现更准确的气侵早期监测，国内外学者将研究重点逐步转移到隔水管处的气侵早期监测方法上，主要有基于MPD（Managed Pressure Drilling，控压钻井）技术的隔水管气体风险控制技术[8]、基于隔水管处钻井液密度测定的溢流监测方法[10]和基于多普勒原理的隔水管气侵监测方法[11]等。其中，基于MPD技术的隔水管气体风险控制技术是利用MPD技术本身的控压优势及流体探测装置对隔水管内的气体进行处理以减小井喷风险；基于隔水管处钻井液密度测定的溢流监测方法通过安装在隔水管底部的流体密度探测装置测量密度的变化情况，由此确定是否有溢流或气侵的发生，但在如何精确确定截面含气率等方面还需进一步研究；基于多普勒原理的隔水管气侵监测方法是基于超声波被流体中的固相颗粒或气泡反射产生频差来近似测量流体速度，测量结果反映的是固相颗粒和气泡的速度，且只能测量信息窗口区域内的流体速度，测量结果反映的区域较小。此外，对于深水井控，不但需要及时准确地发现气侵，还要对气侵程度进行定量描述。因此，本文设计透射式超声波气侵测量装置，结合隔水管底部气侵监测数据和深水钻井井筒多相流模型实时模拟井底气侵情况，为合理精确地控制气侵提供技术支持。

1 隔水管底部气侵监测的可行性

以南中国海某深水井A为例，相关参数为：水深1 524 m，井深5 030 m，已固井段3 153 m，海水表面温度15 ℃，隔水管外径508 mm，循环排量28 L/s，钻井液密度1.29 g/cm3，钻井液导热系数1.73 W/（m·K），稠度系数0.27，流性指数0.4，地层孔隙度0.3%，渗透率50×10-3μm2，地层导热系数2.25 W/（m·K），原始地层压力70 MPa。

图1为气侵发生后井筒环空中气体到达位置及对应的钻井液池增量。由图1可知，气侵发生后，气体到达隔水管底部时，钻井液池增量仅为0.56 m3，远低于深水钻井中预警值（1 m3）。同时由于钻井液池增量监测法本身的局限性，通常当溢流持续超过2 m3或观察到有溢流发生时才会认为井下发生了气侵，此时再进行井控操作[12]。而从图1中可以看出，当钻井液池增量达到2 m3时，气体已经在隔水管内运移了超过4 min，上升了350 m。因此，钻井液池增量监测法在深水气侵监测中明显滞后，不利于及时发现气侵。从图1中还可以看出，气体从隔水管底部运移至井口需要7.6 min，从气体刚进入隔水管底部到溢流量达到1 m3预警值所需时间为2 min、达到2 m3预警值所需时间为4 min，因此，若能在隔水管底部对气体进行有效监测，可以赢得足够的时间采取压井等井控措施，及时有效地控制气侵。

图2为A井气侵发生后隔水管底部截面含气率随时间的变化情况，可以看出：气体到达隔水管底部（气侵22 min）后，在8 min内截面含气率便达到峰值，含气率由1%增至23%只用了2 min。对于不同的井底气侵量，截面含气率随时间的变化不同，因此可通过监测隔水管底部截面含气率随时间的变化来揭示井底气侵情况。

图1 气侵发生后井筒环空中气体到达位置及对应钻井液池增量

图2 隔水管底部截面含气率随时间变化情况

对于A井，与常规方法相比，通过监测隔水管底部的截面含气率可提前4 min左右准确检测到气侵，并且可根据截面含气率随时间的变化情况计算出井底气侵量大小，该方法在理论和技术上都是可行的。

2 隔水管底部超声波气侵监测技术

2.1 理论依据

深水钻井中的隔水管始终处于承压状态，且由于受到暗流、钻井船漂移等因素的影响而处于复杂力学状态，因此在此处监测气侵需要保证隔水管的完整性。有学者提出了在隔水管外侧采用多普勒超声波探头对气侵进行监测，并通过实验验证了该方法对气侵早期监测的有效性，同时得出了超声波频移对含气量的响应情况[11]。然而，多普勒超声波测量方法主要是基于流体中的固相颗粒或气泡反射产生的频差来计算流速。根据多相流理论，井筒环空中的气泡上升速度大于液体速度，而岩屑等固相颗粒速度小于液体速度，钻井液本身的固相速度则等于液体速度。因此，采用多普勒超声波法测量出的结果能够综合反映各种相态流体速度，可通过所测流速的变化定性检测到气侵的发生，但要做到定量描述气侵程度还需要在以下方面进一步完善。

①气泡上升速度信号的提取。只有准确测量出气泡的实际上升速度，才可根据井筒多相流理论进一步确定井底气侵情况；

②隔水管环空多相流场模拟。多普勒超声波测量方法只可测量信息窗口（处于井筒环空流场的边缘）内的流体速度，因此所测数据不能反映整个截面的流速情况，需要对流场分布进行模拟分析。

2.2 实验设计

为了弥补多普勒超声波监测法的不足，同时实现在隔水管底部截面对气侵进行有效监测，本文利用声波在气液两相流中的衰减特性来描述隔水管处的气侵情况，并设计了透射式超声波监测气侵实验装置（见图3a）。装置采用与实际尺寸1∶2的比例进行设计，可模拟不同截面含气率条件下的隔水管环空多相流，并利用超声波探头实时测量声波对含气率的响应，用于分析超声波信号特征参数与井筒截面含气率的定量关系。井筒采用上部不锈钢和下部有机玻璃相结合的设计，其中上部不锈钢井筒可用于模拟隔水管，下部有机玻璃便于观察气泡在井筒中的运移情况。超声波探头通过加装延迟块实现井筒环空的对位安装（见图3b）。超声波发生器采用900 V高电压发生装置，使得不同频率的超声波能够穿透气液两相流，以便研究频率对超声波衰减规律的影响，从而选择最优频率。

图3 隔水管底部透射式超声波监测气侵模拟装置及超声波探头安装位置图

实验中需要精确确定截面含气率情况，以便定量分析超声波信号特征参数与截面含气率的关系。为了准确确定模拟装置截面含气率，根据装置设计尺寸，基于气液两相流模型，建立了模拟井筒环空的截面含气率计算模型，并编制了计算程序，通过气体流量实时计算模拟井筒的截面含气率，实现了模拟井筒截面含气率的精确调节。

模拟时，开启阀门1，空气压缩机产生的气体通过调压阀、流量计、节流阀、阀门1进入模拟井筒，经由底部的发泡筛板形成均匀的泡状流（可以通过改变发泡筛板的孔目数及尺寸改变模拟井筒内气泡的密度和大小），通过改变气体流量模拟不同截面含气率情况；超声波发射探头由900 V高电压超声波发射装置激励产生超声波，声波经由延迟块、隔水管壁、多相流体等到达超声波接收探头，并由高速数据采集系统对声波信号进行实时采集。

利用透射式超声波在气液两相流中的衰减特性来反映截面含气率，具有以下优势。

①超声波穿透截面范围较大，所测数据（声幅、声速等）更能真实、全面地反映截面含气率。

②可以不考虑气泡对超声波的反射效应，只需处理接收探头接收的信号即可。

③可以通过多组实验，确定一定条件下（流体的类型、物性和流变性，流场和气泡大小等）接收探头信号与截面含气率的对应关系，以便实现对井底气侵情况的定量描述。

2.3 解决方案

由于超声波在气体和液体中的波速及衰减相差很大，声波传播路径上一旦有气泡，接收端信号便可灵敏准确地反映出来。因此，本文提出的隔水管底部超声波监测方法可用作气侵的预警监测。

运用本文的实验装置模拟实际工况（井身结构、钻井液性能、岩屑浓度、排量等）下超声波对气侵的响应情况，建立超声波接收信号（声速、声幅等）与截面含气率的定量关系，用于计算实际工况下截面含气率随时间的变化率。

利用多普勒超声波监测法测定的流速数据，筛选出气泡上升速度，结合隔水管环空流场分析，确定截面平均气泡上升速度，用于计算实际工况下截面平均气泡上升速度随时间的变化率。

由此，可以得到反映隔水管底部气侵情况的关键数据，即：截面含气率、截面含气率随时间的变化率、截面平均气泡上升速度及截面平均气泡上升速度随时间的变化率。

3 井底气侵程度反算方法

隔水管处一旦检测到气侵，就需要根据气侵情况判断是否需要采取措施进行井控，而判断的依据便是井底气侵时间和气侵程度等，可以结合隔水管底部的气侵监测数据和深水钻井井筒环空气液两相流模型对井底的气侵程度进行反算。

由图2可知，气侵发生后，隔水管底部的截面含气率变化基本呈线性，尤其是含气率较低（小于20%）时，且含气率由1%上升到20%仅用了不到2 min，具有较强的时效性。因此，隔水管底部截面含气率及其变化率可以作为判断井底气侵程度的指标。具体步骤如下。

①根据目标井的井身结构、钻井液性能、施工参数和地层参数等，建立井筒气液两相流计算模型[13]。

②由于随着井深的增加，地层压力预测的误差也随之增大[14]，若直接用地层压力单值作为基础参数计算气侵过程，难以真实反映井底气侵情况。因此本文引入含可信度地层压力预测方法[15]，假设目标井井底原始地层压力为p0，通过计算确定目标井含可信度的井底地层压力取值区间为[p1，pN]，对应的可信度为J，采用步骤①建立的井筒气液两相流计算模型模拟不同井底原始地层压力条件下的气侵过程，得到不同原始地层压力条件下隔水管底部截面含气率随时间的变化情况。

③选取含气率开始非零的时间点[t01，t0N]和截面含气率达到EgM（根据实际需要选取）的时间点[t1，tN]，计算隔水管底部截面含气率随时间的变化率：

则t0i和Ki即为隔水管底部截面含气率反映井底气侵程度的特征参数。

④假设利用本文的超声波气侵监测方法检测到Δt时间内隔水管底部截面含气率的变化率为Kc，检测到气泡的时刻为tc，若满足，则认为Kj对应的地层压力pj为真实的地层压力。其中ɛ根据实际情况取值。

⑤在步骤②中选取pj对应的井筒气侵模拟结果，确定气泡到达隔水管底部所用时间，即监测到信号时气侵已经发生了t0j，则气侵发生的时刻为tc-t0j，同时计算气体到达井口所需时间tlim；总溢流量QZY根据目前常用的计算气侵时井筒环空气液两相流控制方程[13]及（2）式—（3）式计算，从而实现根据隔水管底部截面含气率实时确定气侵发生后总溢流量的大小。此外，还可计算气侵发生后任一时刻井筒环空中的气体分布，即不同井深处的截面含气率Eg(H,t)。

因此，可根据隔水管底部的声波监测数据准确确定气侵发生的时刻、气体到达井口所需时间、任一时刻的总溢流量及任一时刻不同井深处的截面含气率，实现了井筒气侵情况的实时定量描述。

4 实例分析

以A井为例，假设气侵发生时的时刻为0，隔水管底部超声波探头监测到气侵的时刻为tc，隔水管处截面含气率的变化率Kc为9%；根据地震资料，选取可信度90%预测井底压力，得到井底压力取值区间为[67.5，72.9]，EgM取10%，计算取值区间内井底压力值对应的隔水管处截面含气率的变化率，即Ki∈[8.2%，14.2%]，取Kj=Kc=9%，其对应的井底压力值为68.2 MPa，认为该值为井底压力的真实值，则隔水管底部截面含气率随时间的变化如图4所示。由图4可知，隔水管处监测到气侵时，气侵已发生了T0j=Tc=22.3 min。同时，由图1可知，气体到达井口所需时间Tlim为7.6 min。图5为总溢流量随时间的变化情况。由此，可根据Tlim及图4、图5的相关数据采取必要的井控措施。

图4 隔水管底部截面含气率随时间的变化

图5 气侵后总溢流量随时间的变化

5 结论与建议

论证了在隔水管底部进行气侵早期监测的可行性及优势，与常规方法相比可提前4 min左右检测到气侵。

分析了多普勒超声波法在隔水管底部截面监测气侵的不足并给出了进一步完善的建议。建立了基于超声波衰减特性的透射式井筒气侵监测装置，并给出了隔水管底部超声波气侵监测技术的解决方案。

建立了基于隔水管底部截面气侵监测数据的井筒气侵程度反算方法，在准确监测气侵的同时实现了井筒气侵情况的实时定量描述。

建议进一步研究多因素影响下的井筒气侵声波响应规律，建立普适性较高的井筒截面含气率-声波响应计算模型；结合井筒环空截面的多相流场模拟计算，完善多普勒超声波监测法的数据处理，以便更准确地描述隔水管底部截面气侵情况。

符号注释：

A——环空横截面积，m2；Eg——气相的体积分数，%；EgM——气侵发生时的隔水管底部截面含气率，%；Eg(H,t) ——任一时刻不同井深处的截面含气率，%；J——可信度，%；Kc——Δt时间内隔水管底部截面含气率的变化率，%；Ki——隔水管底部截面含气率的变化率，%；Kj——真实地层压力下的截面含气率变化率，%；N——地层压力取值个数；p0——目标井井底原始地层压力，MPa；p1，pN——目标井含可信度的井底地层压力取值区间的最小值和最大值，MPa；pj——Kj对应的地层压力，MPa；qo——泵流量，m3/s；QY——Δt时间内溢流量，m3；QZY(t) ——t时刻的总溢流量，m3；t——时间，s；t01——地层压力取值为p1时对应的含气率开始非零的时刻，s；t0j——监测到信号时气侵已经发生的时间，s；t0N——地层压力取值为pN时对应的含气率开始非零的时刻，s；t1——地层压力取值为p1时对应的截面含气率达到EgM的时刻，s；tc——检测到气泡的时刻，s；tlim——气体到达井口所需时间，s；tN——地层压力取值为pN时对应的截面含气率达到EgM的时刻，s；vo——井口流体流速，m/s；Δt——时间增量，s；ɛ——截面含气率变化率的迭代精度，%。

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（编辑 胡苇玮）

The quantitative description of gas-cut degree in deepwater drilling

XU Yuqiang1,GUAN Zhichuan1,ZHANG Huizeng2,ZHANG Hongning1
(1.College of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Qingdao 266580,China; 2.CNOOC Research Institute,Beijing 100028,China)

Through the analysis of gas-cut features in deepwater drilling and shortages of existing gas-cut detection methods,the feasibility of early detection of gas cut at the bottom of riser was demonstrated,and a method was proposed for quantitative description of gas-cut degree in deepwater drilling based on ultrasonic monitoring at the bottom of riser.The problems of Doppler ultrasound gas-cut detection method was analyzed and the experimental device of gas-cut monitoring at the bottom of riser based on the ultrasonic transmission was built,which was used to analyze the sound attenuation characteristics under different conditions of void fraction.The solutions for using ultrasound to monitor gas-cut situation at the bottom of riser was proposed.Combined with the gas-liquid two-phase model of wellbore annulus in deepwater drilling and the formation pressure prediction method with credibility,the inverse calculation method of gas-cut degree in wellbore was established,which was based on the monitoring data of gas cut at the bottom section of riser.This method could detect the gas cut about four minutes in advance compared with conventional methods,and the gas cut occurring moment,the time left for gas to reach the wellhead,the total overflow rate at any moment,and the void fraction in different depth could be accurately determined based on the acoustic response data of the bottom of riser.

deepwater drilling; gas-cut monitoring; ultrasonic transmission; gas-cut degree; inverse calculation method

国家自然科学基金（51574275）；国家重点基础研究发展计划（973）项目（2010CB226706）；长江学者和创新团队发展计划（IRT1086）

TE28

A

1000-0747(2016)02-0292-05

10.11698/PED.2016.02.17

许玉强（1987-），男，山东聊城人，中国石油大学（华东）石油工程学院在读博士研究生，主要从事井下信息与控制、深水钻井及风险评价等方面的研究工作。地址：山东省青岛市黄岛区长江西路66号，中国石油大学（华东）石油工程学院，邮政编码：266580。E-mail：auyuqiang@163.com

2015-06-01

2016-01-07