井筒液面高度监测试验与现场应用

2021-10-25宋晓晟杨明清王文刚

录井工程 2021年3期

妥红宋晓晟杨明清杨凡王文刚

(①中国石油西部钻探吐哈录井工程公司；②上海欧申科技有限公司；③中石化石油工程技术服务有限公司；④中安联合投资集团有限公司博士后工作站)

0 引言

录井工作需要及时发现溢流、井漏，为钻井施工提供依据，保证钻井安全[1]。传统监测方法为钻井液池体积液面变化，在及时发现和准确预报溢流、井漏方面还存在诸多难题。另外，根据井身结构计算井筒内液面高度[2]，此方法监测时间滞后、计算误差较大。为了解决钻井液罐液面不稳的问题，韩军伟等[3]对钻井液面进行改进，取得了一定效果；国内一些专家建立了数据模型，对井涌、井漏进行数据分析[4]，由于并不是对钻井液面进行直接测量，而是进行相关计算求得结果，其误差较大；国外发展了FLAG井涌井漏早期监测及EKD早期井涌探测系统[5]，该设备监测准确性相对较高，但工艺复杂，成本较高。井筒液面监测技术通过对井筒液面高度实时连续监控，及时掌握井筒液位动态，预防钻井事故发生，始终保持在一级井控状态下，从而为工程预警、井控安全提供技术保障。

1 试验方案

1.1 试验设备原理

通过气枪声呐装置进行监测。为气枪充满一定压力的氮气，通过控制装置控制气枪，向井筒内突然释放氮气，产生声波，声波向井筒内传输，当遇到阻碍物(液面)时即可产生回声反射，反射声波被微音器接收，已知声波传递速度和回声发射时间，可以计算出障碍物(液面)和声源之间的距离，通过信号处理软件即可确定液面位置。该设备主要包括制氮装置、井口发声装置、控制装置、分析处理显示、电缆及其他附件。

1.2 试验设备性能

液面测深范围为20～3 000 m，测量误差不大于10 m/1 000 m；测压范围(选配)0～2 MPa，误差不大于0.2%FS；工作环境温度为-20～65℃；工作环境相对湿度小于95%；休眠电流3 μA、平均工作电流20 mA；电源为220 V交流充电器12.6 V输出；电池容量为12 V 4 Ah；防爆等级EXmbⅡT4Gb；数据传输模式有远距离无线模式、近距离Wifi信号模式连接、网线连接三种方法。该模式可通过数字无线接收机接收井口设备控制箱的无线数据，运行电脑软件并开始操作使用。该装置自动充气、连续供氮、自动化程度高。

1.3 试验方法

如图1所示，分别在钻机的压井管汇、圆井口1#阀门、钻具内、防溢管4处位置安装井口发声装置，采用不同发射压力进行试验，监测井筒液面高度，与理论计算液面高度进行比较，同时测量回波幅度，分析试验效果。

图1 安装位置监测分析

2 现场试验

2.1 压井管汇位置

如图2所示，将井口发声装置安装在压井管汇压力表附近位置，在压井管汇位置且井筒内有钻杆关井状态下进行监测。采用相同压力对不同漏失井段进行测量，如表1所示，通过计算高度与实际测量监测数据对比，理论高度由地质资料和邻井漏失井段计算得出。序号1～5，在2.0 MPa压力下对漏失井段进行连续测量，高度为324.64～327.63 m，与计算高度相比，最大误差0.43%，说明本井在继续井漏过程中；序号6～8，在灌注入2.0 m3钻井液时，进行测量，高度为306.28～306.35 m,说明环空液面升高21.28 m；在不同漏失井段，进行了“连续和单次”测量试验，与实际计算高度比较，最大误差0.44%。通过此位置监测试验，证明在关井状态下均能完成“连续和单次”监测作业，能够准确判断井筒液面高度，为工程提供技术保障。

表1 压井管汇位置监测数据

图2 压井管汇位置安装示意

如图3所示，从压井管汇位置液面高度回波监测图分析，在关井状态下，井筒形成密闭环空，测量接收回波有多个回波，回波幅度在150 mV左右，回波清晰易判断，回波幅度由大变小，证明封井器密封性好。此位置在关井状态下，能进行“连续和单次”监测作业，回波特征为回波多，幅度逐次减弱，有规则。证明该装置能在此位置第一时间准确分析判断井筒液面高度，为工程提供技术保障。

图3 压井管汇位置液面高度回波监测图

2.2 圆井口1#阀门位置

如图4所示，将井口发声装置安装在圆井口1#阀门专用接头处，此位置操作空间大，安装方便快捷，且监测效果与压井管汇位置相似，可在关井状态下进行“连续和单次”监测。

图4 圆井口1#阀门位置安装示意

如表2所示，在圆井口1#阀门位置关井状态下，采用相同压力对不同漏失井段测量，从监测数据表分析，序号1～3，在相同压力对井漏井段进行同一位置连续测量，测量高度为545.14～545.98 m，与实际计算高度比较，最大误差0.36%，说明环空液面未降，稳定在此位置；序号4～6，在灌注1.0 m3钻井液时，连续测量，测量高度为537.74～537.92 m，说明环空液面升高8.06 m，与实际计算高度比较，最大误差0.17%；序号7～8，连续灌注2.6 m3钻井液时，连续测量，测量高度为454.58～456.06 m,环空液面又升高81.86 m，与实际计算高度比较，最大误差0.45%。监测试验证明在关井状态下均能完成“连续和单次”监测作业，可以准确判断井筒液面高度，为工程提供技术保障。

表2 圆井口1#阀门位置监测数据

如图5所示，从圆井口1#阀门位置液面高度回波监测图分析，有多个回波，在压力为1.4 MPa时，回波幅度在217 mV左右，回波特征为回波多，幅度逐次减弱，有规则。证明该装置能在此位置第一时间准确分析判断井筒液面高度，为工程提供技术保障。

图5 圆井口1#阀门位置液面高度回波监测图

2.3 水眼钻具内钻台位置

如图6所示，将井口发声装置放置在钻杆口，进行钻杆内液面“连续和单次”监测作业。作业目的是开井或关井状态下，实时掌控钻杆水眼液面高度，为工程处理复杂提供技术保障。

图6 水眼钻具内钻台位置安置示意

如表3所示，在井漏过程中，采用相同压力进行水眼钻具内测量，序号1～3是同一根钻杆3次测量，液面平均高度69.84 m，与理论计算高度最大误差0.24%；序号4～6是下单根立柱进行3次测量，液面高度67.05 m左右，按照理论计算，下单柱钻杆液面升高2.65 m，通过监测液面升高2.68 m，与理论计算吻合；序号7～8是同一根钻杆，灌注0.38 m3钻井液时，进行2次测量，液面高度平均26.59 m，按照理论计算灌注0.38 m3钻井液时，钻杆液柱升高41.0 m，实测40.46 m，误差0.20%。通过对水眼钻具内监测应用，证明该设备能在水眼钻具内完成“连续和单次”监测作业，能够准确判断水眼液面高度，可以满足生产需求，为工程提供技术保障。

表3 水眼钻具内钻台位置监测数据

如图7所示，从水眼钻具内回波监测图分析，此位置在关井、开井状态下均能监测作业，在压力1.0 MPa时，回波幅度在1 865 mV左右,有多个回波。

图7 水眼钻具内监测回波图

这是因为钻杆内径小，内径无障碍，所以测量回波幅度大，有规则。通过监测应用，证明该设备能在此位置监测作业，能准确“连续和单次”监测水眼液面高度，回波清晰易判断。

2.4 防溢管位置

如图8所示，在防溢管位置焊接导声安装接头，焊接导声安装接头要求离防溢管钻井液出口管上部大于400 mm，与上部导管剩余量600 mm左右，为最佳高度，夹角为30°，实现设备安装与监测。

图8 防溢管导声安装接头焊接示意

如图9所示，将井口发声装置安装在导声安装接头上端，确保发射枪内微音器不被钻井液包裹，实现开井状态下“连续和单次”监测目的。

图9 防溢管位置安装示意

套管内径159.42 mm，环空内无钻杆，在开井工况下，采用相同压力对环空进行同一位置连续测量。如表4所示，从防溢管位置监测液面高度数据分析，在压力为2.0 MPa时，通过8次测量，高度介于504.76～505.52 m之间，与计算高度比较，误差范围在0.35%～0.50%。通过连续测量同一高度，可以确定高度的一致性，说明测量高度准确，符合井筒液面高度监测的规定。

表4 防溢管位置监测液面高度数据

如图10所示，在开井状态下，套管内径159.42 mm，环空内无钻杆，从防溢管位置回波监测图分析，此位置只能在开井状态进行监测作业，在压力为2.0 MPa时，回波幅度在68 mV左右,有多个回波，有规则，回波清晰易判断。因为套管内径大，无密封情况下，回波幅度较小，所以不同套管，测量回波幅度不一样。但是通过现场试验，回波幅度有规则易判断。证明该装置能在此位置，在开井状态下，发生井漏时第一时间“连续和单次”准确监测环空液面高度，能为工程提供技术保障，满足生产需求。

图10 防溢管位置回波监测图

2.5 不同测量位置对比分析

如表5所示，通过现场比对试验表明，可根据钻机型号、井型、井控要求等选择最优选位置进行监测，来满足不同生产需求。

表5 不同测量位置对比分析

3 现场应用

在防溢管位置进行应用，工程承压完井作业期间，为保证测试过程中不会受到井漏干扰，在套管内进行应用。如表6所示，承压作业前测量井筒液面平均高度为503.04 m，承压作业开始时往井筒内灌注水10.0 m3时，返出防溢管钻井液出口。计算验证，套管内径159.42 mm，井内无钻具，每米体积计算为0.019 9 m3，即为0.019 9×503.04=10.0 m3。通过体积法验证，承压作业前测量高度与试压灌注水量高度相符，证明该装置能在此位置在开井状态下，第一时间“连续和单次”准确监测环空液面高度，为工程提供技术保障。