許玉強，管志川，張會增，張洪寧

（1.中國石油大學（華東）石油工程學院；2.中海油研究總院）

深水鉆井氣侵程度實時定量描述方法

許玉強1，管志川1，張會增2，張洪寧1

（1.中國石油大學（華東）石油工程學院；2.中海油研究總院）

通過分析深水鉆井氣侵特點和現(xiàn)有氣侵監(jiān)測方法的不足，論證了在隔水管底部進行氣侵早期監(jiān)測的可行性，提出了基于隔水管底部超聲波氣侵監(jiān)測的氣侵程度實時定量描述方法。分析了多普勒超聲波監(jiān)測氣侵方法存在的問題，設計了隔水管底部透射式超聲波氣侵監(jiān)測實驗裝置，用于分析不同截面含氣率條件下的聲波衰減特性，給出了運用超聲波監(jiān)測隔水管處氣侵情況的解決方案。結合深水鉆井井筒環(huán)空氣液兩相流計算模型和含可信度的地層壓力預測，建立了基于隔水管底部截面氣侵監(jiān)測數(shù)據(jù)的井筒氣侵程度反算方法。該方法與常規(guī)方法相比可提前4 min左右檢測到氣侵，并可根據(jù)隔水管底部聲波響應數(shù)據(jù)準確確定氣侵發(fā)生的時刻、氣體到達井口所需時間、任一時刻的總溢流量及任一時刻不同井深處的截面含氣率。圖5參15

深水鉆井；氣侵監(jiān)測；透射式超聲波；氣侵程度；反算方法

0 引言

鉆井過程中若鉆遇高壓氣層會發(fā)生氣侵，在氣侵的初始階段很難通過鉆井液池流體增量（后文簡稱鉆井液池增量）監(jiān)測、流量差溢流監(jiān)測等方法檢測到[1]，且隨著井深的增加，提早發(fā)現(xiàn)氣侵的難度增大，留給井控的反應時間明顯減少，使得氣侵的早期監(jiān)測成為深井井控的重點和難點[2-3]。對于深水鉆井，首先，隨著水深的增加鉆井液安全密度窗口變窄，更容易發(fā)生氣侵；其次，在深水高靜壓環(huán)境下，氣泡的總體尺度較小，導致氣體進入隔水管時鉆井液池增量依然不會達到預警值[4-5]，難以通過常規(guī)方法及時檢測到氣侵。因此，深水鉆井中及時準確發(fā)現(xiàn)氣侵是井控工作的重點。

近年來，有不少學者針對深水鉆井氣侵的早期監(jiān)測進行了研究[6-9]。為了實現(xiàn)更準確的氣侵早期監(jiān)測，國內外學者將研究重點逐步轉移到隔水管處的氣侵早期監(jiān)測方法上，主要有基于MPD（Managed Pressure Drilling，控壓鉆井）技術的隔水管氣體風險控制技術[8]、基于隔水管處鉆井液密度測定的溢流監(jiān)測方法[10]和基于多普勒原理的隔水管氣侵監(jiān)測方法[11]等。其中，基于MPD技術的隔水管氣體風險控制技術是利用MPD技術本身的控壓優(yōu)勢及流體探測裝置對隔水管內的氣體進行處理以減小井噴風險；基于隔水管處鉆井液密度測定的溢流監(jiān)測方法通過安裝在隔水管底部的流體密度探測裝置測量密度的變化情況，由此確定是否有溢流或氣侵的發(fā)生，但在如何精確確定截面含氣率等方面還需進一步研究；基于多普勒原理的隔水管氣侵監(jiān)測方法是基于超聲波被流體中的固相顆粒或氣泡反射產(chǎn)生頻差來近似測量流體速度，測量結果反映的是固相顆粒和氣泡的速度，且只能測量信息窗口區(qū)域內的流體速度，測量結果反映的區(qū)域較小。此外，對于深水井控，不但需要及時準確地發(fā)現(xiàn)氣侵，還要對氣侵程度進行定量描述。因此，本文設計透射式超聲波氣侵測量裝置，結合隔水管底部氣侵監(jiān)測數(shù)據(jù)和深水鉆井井筒多相流模型實時模擬井底氣侵情況，為合理精確地控制氣侵提供技術支持。

1 隔水管底部氣侵監(jiān)測的可行性

以南中國海某深水井A為例，相關參數(shù)為：水深1 524 m，井深5 030 m，已固井段3 153 m，海水表面溫度15 ℃，隔水管外徑508 mm，循環(huán)排量28 L/s，鉆井液密度1.29 g/cm3，鉆井液導熱系數(shù)1.73 W/（m·K），稠度系數(shù)0.27，流性指數(shù)0.4，地層孔隙度0.3%，滲透率50×10-3μm2，地層導熱系數(shù)2.25 W/（m·K），原始地層壓力70 MPa。

圖1為氣侵發(fā)生后井筒環(huán)空中氣體到達位置及對應的鉆井液池增量。由圖1可知，氣侵發(fā)生后，氣體到達隔水管底部時，鉆井液池增量僅為0.56 m3，遠低于深水鉆井中預警值（1 m3）。同時由于鉆井液池增量監(jiān)測法本身的局限性，通常當溢流持續(xù)超過2 m3或觀察到有溢流發(fā)生時才會認為井下發(fā)生了氣侵，此時再進行井控操作[12]。而從圖1中可以看出，當鉆井液池增量達到2 m3時，氣體已經(jīng)在隔水管內運移了超過4 min，上升了350 m。因此，鉆井液池增量監(jiān)測法在深水氣侵監(jiān)測中明顯滯后，不利于及時發(fā)現(xiàn)氣侵。從圖1中還可以看出，氣體從隔水管底部運移至井口需要7.6 min，從氣體剛進入隔水管底部到溢流量達到1 m3預警值所需時間為2 min、達到2 m3預警值所需時間為4 min，因此，若能在隔水管底部對氣體進行有效監(jiān)測，可以贏得足夠的時間采取壓井等井控措施，及時有效地控制氣侵。

圖2為A井氣侵發(fā)生后隔水管底部截面含氣率隨時間的變化情況，可以看出：氣體到達隔水管底部（氣侵22 min）后，在8 min內截面含氣率便達到峰值，含氣率由1%增至23%只用了2 min。對于不同的井底氣侵量，截面含氣率隨時間的變化不同，因此可通過監(jiān)測隔水管底部截面含氣率隨時間的變化來揭示井底氣侵情況。

圖1 氣侵發(fā)生后井筒環(huán)空中氣體到達位置及對應鉆井液池增量

圖2 隔水管底部截面含氣率隨時間變化情況

對于A井，與常規(guī)方法相比，通過監(jiān)測隔水管底部的截面含氣率可提前4 min左右準確檢測到氣侵，并且可根據(jù)截面含氣率隨時間的變化情況計算出井底氣侵量大小，該方法在理論和技術上都是可行的。

2 隔水管底部超聲波氣侵監(jiān)測技術

2.1 理論依據(jù)

深水鉆井中的隔水管始終處于承壓狀態(tài)，且由于受到暗流、鉆井船漂移等因素的影響而處于復雜力學狀態(tài)，因此在此處監(jiān)測氣侵需要保證隔水管的完整性。有學者提出了在隔水管外側采用多普勒超聲波探頭對氣侵進行監(jiān)測，并通過實驗驗證了該方法對氣侵早期監(jiān)測的有效性，同時得出了超聲波頻移對含氣量的響應情況[11]。然而，多普勒超聲波測量方法主要是基于流體中的固相顆粒或氣泡反射產(chǎn)生的頻差來計算流速。根據(jù)多相流理論，井筒環(huán)空中的氣泡上升速度大于液體速度，而巖屑等固相顆粒速度小于液體速度，鉆井液本身的固相速度則等于液體速度。因此，采用多普勒超聲波法測量出的結果能夠綜合反映各種相態(tài)流體速度，可通過所測流速的變化定性檢測到氣侵的發(fā)生，但要做到定量描述氣侵程度還需要在以下方面進一步完善。

①氣泡上升速度信號的提取。只有準確測量出氣泡的實際上升速度，才可根據(jù)井筒多相流理論進一步確定井底氣侵情況；

②隔水管環(huán)空多相流場模擬。多普勒超聲波測量方法只可測量信息窗口（處于井筒環(huán)空流場的邊緣）內的流體速度，因此所測數(shù)據(jù)不能反映整個截面的流速情況，需要對流場分布進行模擬分析。

2.2 實驗設計

為了彌補多普勒超聲波監(jiān)測法的不足，同時實現(xiàn)在隔水管底部截面對氣侵進行有效監(jiān)測，本文利用聲波在氣液兩相流中的衰減特性來描述隔水管處的氣侵情況，并設計了透射式超聲波監(jiān)測氣侵實驗裝置（見圖3a）。裝置采用與實際尺寸1∶2的比例進行設計，可模擬不同截面含氣率條件下的隔水管環(huán)空多相流，并利用超聲波探頭實時測量聲波對含氣率的響應，用于分析超聲波信號特征參數(shù)與井筒截面含氣率的定量關系。井筒采用上部不銹鋼和下部有機玻璃相結合的設計，其中上部不銹鋼井筒可用于模擬隔水管，下部有機玻璃便于觀察氣泡在井筒中的運移情況。超聲波探頭通過加裝延遲塊實現(xiàn)井筒環(huán)空的對位安裝（見圖3b）。超聲波發(fā)生器采用900 V高電壓發(fā)生裝置，使得不同頻率的超聲波能夠穿透氣液兩相流，以便研究頻率對超聲波衰減規(guī)律的影響，從而選擇最優(yōu)頻率。

圖3 隔水管底部透射式超聲波監(jiān)測氣侵模擬裝置及超聲波探頭安裝位置圖

實驗中需要精確確定截面含氣率情況，以便定量分析超聲波信號特征參數(shù)與截面含氣率的關系。為了準確確定模擬裝置截面含氣率，根據(jù)裝置設計尺寸，基于氣液兩相流模型，建立了模擬井筒環(huán)空的截面含氣率計算模型，并編制了計算程序，通過氣體流量實時計算模擬井筒的截面含氣率，實現(xiàn)了模擬井筒截面含氣率的精確調節(jié)。

模擬時，開啟閥門1，空氣壓縮機產(chǎn)生的氣體通過調壓閥、流量計、節(jié)流閥、閥門1進入模擬井筒，經(jīng)由底部的發(fā)泡篩板形成均勻的泡狀流（可以通過改變發(fā)泡篩板的孔目數(shù)及尺寸改變模擬井筒內氣泡的密度和大?。ㄟ^改變氣體流量模擬不同截面含氣率情況；超聲波發(fā)射探頭由900 V高電壓超聲波發(fā)射裝置激勵產(chǎn)生超聲波，聲波經(jīng)由延遲塊、隔水管壁、多相流體等到達超聲波接收探頭，并由高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對聲波信號進行實時采集。

利用透射式超聲波在氣液兩相流中的衰減特性來反映截面含氣率，具有以下優(yōu)勢。

①超聲波穿透截面范圍較大，所測數(shù)據(jù)（聲幅、聲速等）更能真實、全面地反映截面含氣率。

②可以不考慮氣泡對超聲波的反射效應，只需處理接收探頭接收的信號即可。

③可以通過多組實驗，確定一定條件下（流體的類型、物性和流變性，流場和氣泡大小等）接收探頭信號與截面含氣率的對應關系，以便實現(xiàn)對井底氣侵情況的定量描述。

2.3 解決方案

由于超聲波在氣體和液體中的波速及衰減相差很大，聲波傳播路徑上一旦有氣泡，接收端信號便可靈敏準確地反映出來。因此，本文提出的隔水管底部超聲波監(jiān)測方法可用作氣侵的預警監(jiān)測。

運用本文的實驗裝置模擬實際工況（井身結構、鉆井液性能、巖屑濃度、排量等）下超聲波對氣侵的響應情況，建立超聲波接收信號（聲速、聲幅等）與截面含氣率的定量關系，用于計算實際工況下截面含氣率隨時間的變化率。

利用多普勒超聲波監(jiān)測法測定的流速數(shù)據(jù)，篩選出氣泡上升速度，結合隔水管環(huán)空流場分析，確定截面平均氣泡上升速度，用于計算實際工況下截面平均氣泡上升速度隨時間的變化率。

由此，可以得到反映隔水管底部氣侵情況的關鍵數(shù)據(jù)，即：截面含氣率、截面含氣率隨時間的變化率、截面平均氣泡上升速度及截面平均氣泡上升速度隨時間的變化率。

3 井底氣侵程度反算方法

隔水管處一旦檢測到氣侵，就需要根據(jù)氣侵情況判斷是否需要采取措施進行井控，而判斷的依據(jù)便是井底氣侵時間和氣侵程度等，可以結合隔水管底部的氣侵監(jiān)測數(shù)據(jù)和深水鉆井井筒環(huán)空氣液兩相流模型對井底的氣侵程度進行反算。

由圖2可知，氣侵發(fā)生后，隔水管底部的截面含氣率變化基本呈線性，尤其是含氣率較低（小于20%）時，且含氣率由1%上升到20%僅用了不到2 min，具有較強的時效性。因此，隔水管底部截面含氣率及其變化率可以作為判斷井底氣侵程度的指標。具體步驟如下。

①根據(jù)目標井的井身結構、鉆井液性能、施工參數(shù)和地層參數(shù)等，建立井筒氣液兩相流計算模型[13]。

②由于隨著井深的增加，地層壓力預測的誤差也隨之增大[14]，若直接用地層壓力單值作為基礎參數(shù)計算氣侵過程，難以真實反映井底氣侵情況。因此本文引入含可信度地層壓力預測方法[15]，假設目標井井底原始地層壓力為p0，通過計算確定目標井含可信度的井底地層壓力取值區(qū)間為[p1，pN]，對應的可信度為J，采用步驟①建立的井筒氣液兩相流計算模型模擬不同井底原始地層壓力條件下的氣侵過程，得到不同原始地層壓力條件下隔水管底部截面含氣率隨時間的變化情況。

③選取含氣率開始非零的時間點[t01，t0N]和截面含氣率達到EgM（根據(jù)實際需要選取）的時間點[t1，tN]，計算隔水管底部截面含氣率隨時間的變化率：

則t0i和Ki即為隔水管底部截面含氣率反映井底氣侵程度的特征參數(shù)。

④假設利用本文的超聲波氣侵監(jiān)測方法檢測到Δt時間內隔水管底部截面含氣率的變化率為Kc，檢測到氣泡的時刻為tc，若滿足，則認為Kj對應的地層壓力pj為真實的地層壓力。其中?根據(jù)實際情況取值。

⑤在步驟②中選取pj對應的井筒氣侵模擬結果，確定氣泡到達隔水管底部所用時間，即監(jiān)測到信號時氣侵已經(jīng)發(fā)生了t0j，則氣侵發(fā)生的時刻為tc-t0j，同時計算氣體到達井口所需時間tlim；總溢流量QZY根據(jù)目前常用的計算氣侵時井筒環(huán)空氣液兩相流控制方程[13]及（2）式—（3）式計算，從而實現(xiàn)根據(jù)隔水管底部截面含氣率實時確定氣侵發(fā)生后總溢流量的大小。此外，還可計算氣侵發(fā)生后任一時刻井筒環(huán)空中的氣體分布，即不同井深處的截面含氣率Eg(H,t)。

因此，可根據(jù)隔水管底部的聲波監(jiān)測數(shù)據(jù)準確確定氣侵發(fā)生的時刻、氣體到達井口所需時間、任一時刻的總溢流量及任一時刻不同井深處的截面含氣率，實現(xiàn)了井筒氣侵情況的實時定量描述。

4 實例分析

以A井為例，假設氣侵發(fā)生時的時刻為0，隔水管底部超聲波探頭監(jiān)測到氣侵的時刻為tc，隔水管處截面含氣率的變化率Kc為9%；根據(jù)地震資料，選取可信度90%預測井底壓力，得到井底壓力取值區(qū)間為[67.5，72.9]，EgM取10%，計算取值區(qū)間內井底壓力值對應的隔水管處截面含氣率的變化率，即Ki∈[8.2%，14.2%]，取Kj=Kc=9%，其對應的井底壓力值為68.2 MPa，認為該值為井底壓力的真實值，則隔水管底部截面含氣率隨時間的變化如圖4所示。由圖4可知，隔水管處監(jiān)測到氣侵時，氣侵已發(fā)生了T0j=Tc=22.3 min。同時，由圖1可知，氣體到達井口所需時間Tlim為7.6 min。圖5為總溢流量隨時間的變化情況。由此，可根據(jù)Tlim及圖4、圖5的相關數(shù)據(jù)采取必要的井控措施。

圖4 隔水管底部截面含氣率隨時間的變化

圖5 氣侵后總溢流量隨時間的變化

5 結論與建議

論證了在隔水管底部進行氣侵早期監(jiān)測的可行性及優(yōu)勢，與常規(guī)方法相比可提前4 min左右檢測到氣侵。

分析了多普勒超聲波法在隔水管底部截面監(jiān)測氣侵的不足并給出了進一步完善的建議。建立了基于超聲波衰減特性的透射式井筒氣侵監(jiān)測裝置，并給出了隔水管底部超聲波氣侵監(jiān)測技術的解決方案。

建立了基于隔水管底部截面氣侵監(jiān)測數(shù)據(jù)的井筒氣侵程度反算方法，在準確監(jiān)測氣侵的同時實現(xiàn)了井筒氣侵情況的實時定量描述。

建議進一步研究多因素影響下的井筒氣侵聲波響應規(guī)律，建立普適性較高的井筒截面含氣率-聲波響應計算模型；結合井筒環(huán)空截面的多相流場模擬計算，完善多普勒超聲波監(jiān)測法的數(shù)據(jù)處理，以便更準確地描述隔水管底部截面氣侵情況。

符號注釋：

A——環(huán)空橫截面積，m2；Eg——氣相的體積分數(shù)，%；EgM——氣侵發(fā)生時的隔水管底部截面含氣率，%；Eg(H,t) ——任一時刻不同井深處的截面含氣率，%；J——可信度，%；Kc——Δt時間內隔水管底部截面含氣率的變化率，%；Ki——隔水管底部截面含氣率的變化率，%；Kj——真實地層壓力下的截面含氣率變化率，%；N——地層壓力取值個數(shù)；p0——目標井井底原始地層壓力，MPa；p1，pN——目標井含可信度的井底地層壓力取值區(qū)間的最小值和最大值，MPa；pj——Kj對應的地層壓力，MPa；qo——泵流量，m3/s；QY——Δt時間內溢流量，m3；QZY(t) ——t時刻的總溢流量，m3；t——時間，s；t01——地層壓力取值為p1時對應的含氣率開始非零的時刻，s；t0j——監(jiān)測到信號時氣侵已經(jīng)發(fā)生的時間，s；t0N——地層壓力取值為pN時對應的含氣率開始非零的時刻，s；t1——地層壓力取值為p1時對應的截面含氣率達到EgM的時刻，s；tc——檢測到氣泡的時刻，s；tlim——氣體到達井口所需時間，s；tN——地層壓力取值為pN時對應的截面含氣率達到EgM的時刻，s；vo——井口流體流速，m/s；Δt——時間增量，s；?——截面含氣率變化率的迭代精度，%。

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（編輯 胡葦瑋）

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

國家自然科學基金（51574275）；國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973）項目（2010CB226706）；長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃（IRT1086）

TE28

A

1000-0747(2016)02-0292-05

10.11698/PED.2016.02.17

許玉強（1987-），男，山東聊城人，中國石油大學（華東）石油工程學院在讀博士研究生，主要從事井下信息與控制、深水鉆井及風險評價等方面的研究工作。地址：山東省青島市黃島區(qū)長江西路66號，中國石油大學（華東）石油工程學院，郵政編碼：266580。E-mail：auyuqiang@163.com

2015-06-01

2016-01-07