“三高”油氣井溢流監測方法研究

岳煒杰 孫偉峰 戴永壽 李立剛 張亞南

（中國石油大學信息與控制工程學院，山東東營 257061）

“三高”油氣井溢流監測方法研究

岳煒杰 孫偉峰 戴永壽 李立剛 張亞南

（中國石油大學信息與控制工程學院，山東東營 257061）

井噴是鉆井過程中最為嚴重的鉆井事故，溢流是井噴的先兆，優化溢流監測方法，提高監測的實時性和可靠性，對實現安全、高效、經濟鉆井具有重要意義。分析了溢流發生的原因及其表現形式，根據所采用的參數和監測形式的不同將現有的溢流監測方法總結為6類，對這6類監測方法的優缺點、適用性以及所涉及到的數據處理方法作了深入剖析比較。在此基礎上，提出了一套基于隨鉆壓力測量、微流量監測與綜合錄井參數的溢流先兆在線監測與預警系統。最后對控壓鉆井技術、隨鉆測井技術和隨鉆壓力測量技術在溢流監測方面的應用和發展趨勢做了展望，并指出了限制溢流監測的主要因素。

溢流監測；井噴；控壓鉆井；隨鉆測井；隨鉆壓力測量

防止井噴、監控溢流是安全鉆井的前提和保證［1-5］。目前，一般通過監測鉆井液池液位的變化來判斷溢流，以達到防止井噴的目的［6］。液位的監測主要由作業人員坐崗和鉆井液液位監測儀來完成，人工坐崗監測雖然可行但是實時性和可靠性不能保證；液面監測儀受鉆井液結垢等因素的影響可能會導致錯報和誤報。此外，鉆井液池液位的變化與實際的地層流體進入井筒之間存在著較長的時間延遲，當鉆井液池液面變化達到一定高度時，實際的溢流已經十分嚴重，井噴預測缺乏實時性。在天然氣鉆井中，出現液面變化到發生井噴的時間較短，大多數井從發現溢流到井噴時間只有5～10 min，有的時間更短，甚至溢流和井噴同時發生，幾乎沒有應急處理的時間。溢流監測的原理并不復雜，但是由于溢流現象的模糊性和不確定性，測量條件和設備的限制以及監測方案的缺陷，使得溢流監測達不到預期的效果。尤其是在高溫、高壓、高含硫地區的勘探開發過程中，復雜的地質環境使溢流頻繁發生；而且以高風險、高投資、高難度為特點的深水鉆井，溢流監測的難度更大，形勢更加嚴峻［7-10］。筆者闡述了引發溢流的原因及其溢流發生后的表現形式。把現有的溢流監測方法總結為6類：利用鉆井液相關參數的變化監測溢流；通過綜合錄井儀采集的相關錄井參數監測溢流；聲波氣侵監測法；基于控壓鉆井技術監測溢流；基于隨鉆井底測量技術監測溢流；分析地層巖性和孔隙度進行溢流預警，并具體分析其優缺點、適用性。同時，歸納了應用于溢流監測的5種數據處理方法：閾值法、數學建模法、人工神經網絡、專家系統、貝葉斯判別分析。在此基礎上，提出了一套基于隨鉆壓力測量、微流量監測與綜合錄井參數的溢流先兆在線監測與預警系統。并指出了限制溢流監測效果的主要原因。

1 溢流發生的原因及表現形式

1.1 溢流發生的原因

溢流發生的直接原因是地層孔隙壓力大于井筒環空壓力，地層孔隙壓力升高或井筒環空壓力降低都有可能引發溢流。在實際鉆井過程中，引發溢流有以下原因［11］：

（1）鉆遇異常高壓地層，地層壓力驅使地層流體侵入井筒，引發溢流。

（2）地層壓力掌握不準，設計的鉆井液密度過低；下套管時，引發地層破裂。

（3）在井底壓力近平衡狀態時停泵，環空壓耗消失，地層流體侵入井筒，引發溢流。

（4）起下鉆時，抽汲作用引發溢流。

（5）起鉆時未按規定灌入鉆井液，使井筒液面下降，當鉆井液液柱壓力降低到不能平衡地層壓力時，地層流體侵入井筒，引發溢流。

（6）井漏時鉆井液補充不足，使井筒液面下降或補充的鉆井液密度不足以平衡地層壓力，地層流體侵入井筒，引發溢流。

（7）鄰井采油實施注水開發，導致地層流體侵入本井。

（8）其他原因。中途測試控制不好，鉆到鄰井中去；以過快的速度鉆穿含氣的砂巖層，射孔時控制不住，固井時水泥的失重等情況都可能造成井內的靜液柱壓力不足以平衡或超過地層壓力，引發溢流。

1.2 溢流的表現形式

當溢流發生時，在地面上可以看到一些相關的征兆或者參數的變化，盡管這些征兆和參數變化不一定意味著有溢流發生，但預示著有潛在的溢流存在。其征兆和參數變化［11］有：

（1）鉆井液相關參數的變化，由于地層流體侵入井筒，井口返出液體不僅有鉆井液，還包括侵入井筒的地層流體，導致鉆井液出口流量增加，鉆井液池體積增加，鉆井液密度減小，鉆井液電導率升高或降低，鉆井液溫度升高或降低等。

（2）泵壓和立管壓力短時上升繼而下降，鉆開高壓層后，井底壓力增加，泵壓和立管壓力短時上升，但由于油、氣、水的侵入使鉆井液密度降低，泵壓和立管壓力轉而下降。

（3）大鉤負荷增加［2］，井內液體對鉆具有浮力作用，當地層流體侵入井筒后，鉆井液密度降低，浮力作用減小，大鉤負荷增加；當地層流體侵入量很大時，鉆具受到向上的推力，大鉤負荷會短時減小，是即將發生井噴的前兆。

（4）硫化氫濃度、烴類或氯根含量增高，氣體檢測出現單根峰值增大，氣體基值升高，后效氣升高，停泵氣顯示升高［12-13］。

（5）井底參數的變化，井底環空壓力升高，井底環空溫度升高或降低［14］。

（6）鉆速突然增加，鉆壓、扭矩和鉆時突然下降、懸重突升，即出現放空現象，這說明可能鉆遇異常高壓地層或油、氣、水層。

（7）停泵后鉆井液外溢。

（8）起鉆時井內流體外溢或鉆井液的減少量小于上提鉆具的體積。

（9）下鉆和下套管時，返出的鉆井液量大于鉆具的排潛量。

（10）返出的鉆井液中有油花、氣泡，這是進入油氣層的直接標志。

2 溢流監測方法

最原始的溢流監測是人工坐崗制，監測鉆井液成分和鉆井液池液位的變化，完全憑個人經驗判斷是否發生溢流。隨著電子技術、傳感器技術、計算機技術、自動化技術的快速發展，為溢流監測提供了更多的途徑和方法，現有的溢流監測方法可總結為以下幾類。

2.1 利用鉆井液相關參數的變化來監測溢流［15-17］

鉆井液相關參數包括總池體積、分離器液面、井口導管液面、環空液面、密度（井口、井底）、溫度、流量、流速（進、出口，井下環空）。其中，通過對井口導管流量及分離器液面進行監測的微流量監測技術可靠性好、監測精度高，基于微流量參數的溢流監測在鉆井現場取得了較好的應用效果；此外，在起鉆等鉆井液停止循環的工況下，通過實時監測井筒環空液位的變化判斷溢流也取得了較為理想的效果。

（1）基于鉆井液總池體積的溢流監測。這種方法在溢流監測的早期被廣泛應用，其優點是成本低，實施方便。但是監測不夠靈敏，不能及時發現早期微量溢流，實時性差，具有很明顯的滯后，可靠性不高。

（2）微流量溢流監測［18-19］。這是近期興起的溢流監測新方法之一，能夠發現早期溢流，技術成熟。但是需要對現有設備進行改造，在與井口防溢管相連的導管處旁引一個L型的支管，在支管上安裝聲納探測裝置；或者，在與井口防溢管連接的導管上安裝流量計，通過測量返出鉆井液流量的變化實現深井早期微量溢流監測。高精度流量計要比聲納探測裝置價格高，在長期工作過程中計量精度會受到影響。這種監測方法現場應用證明實時性較好，當溢流發生時，井口導管處鉆井液流量或液面會立即發生相應變化。

（3）基于環空液面的溢流監測。實際鉆井數據表明，起下鉆過程中發生溢流的概率占溢流發生總量的55%，這種方法最大的優勢是能夠監測起鉆過程中的溢流情況。同樣也需要對現有設備進行改造，在套管閥處安裝環空液位檢測傳感器，一般為非接觸測量傳感器。1998年Schubert［20］提出在套管閥處安裝聲波液位傳感器，監測起鉆過程中環空液面的變化，并將其投入現場應用。結果表明，實時性較高，當溢流發生時，環空液位上升或者其降低量小于所起出鉆具體積對應的降低量；可靠性較高。

2.2 通過由綜合錄井儀采集的相關錄井參數監測溢流［21-24］

常用的錄井參數有鉆壓、大鉤負荷、轉盤轉速、鉆井液進出口流量、立管壓力、鉆井液密度、烴類濃度等。綜合錄井可實現對鉆井工程異常的連續監測和量化的分析判斷，國內外在地面獲取錄井參數的技術比較成熟，成本低，可準確及時地檢測和預報工程異常，此方法被廣泛采用。但是由于鉆柱與井壁相互作用復雜，間接獲取參數精度較差，會對溢流監測結果有所影響。現場應用表明，這種方法的實時性較高，錄井參數可對井底變化做出實時響應。綜合錄井儀一般以1 Hz的采樣頻率對錄井參數進行采集，從錄井參數獲取到對溢流做出判斷需要的時間包括：參數采集時間（1s）+網絡傳輸時間+計算時間，應該可以控制在秒級；依靠單個參數所做出的結論可靠性較差，需要綜合多個錄井參數進行綜合判斷。

2.3 聲波氣侵監測法

聲波在氣液兩相流中傳播速度明顯低于在純鉆井液中的速度，在立管處和井口環空處分別安裝聲波脈沖發生器和聲波脈沖接收器，通過測量聲波傳播時間來檢測氣侵情況［25-27］，這種方法理論上能夠發現早期氣侵。但是聲波信號易受鉆井現場存在的鉆具旋轉等干擾的影響，降低聲波氣侵檢測精度；鉆井液壓力脈沖隨著井深的增加衰減很快，適應井深有限；而且在實時性方面存在一定的延遲，聲波在純鉆井液中的傳播速度達到每秒上千米，而在含氣鉆井液的氣液兩相流中的傳播速度卻僅有每秒幾十米，從發生溢流到發現溢流的時間延遲在分鐘量級。此方法在實際應用中可靠性不高。Bang［25］于1994年提出這種方法，并做了相關的模擬試驗，試驗效果比較理想，但是并沒有投入現場應用。

2.4 基于隨鉆的井底測量技術監測溢流

基于隨鉆壓力測量（PWD）和隨鉆測井（LWD）技術的相關參數監測溢流［10，28-29］，地層流體侵入井眼，必將引起井底環空壓力、溫度和鉆井液組份、性能的變化，改變鉆井液的溫度、密度和電導率，因此可以利用這些參數進行溢流早期監測。這種方法最大的優點是能夠及時準確地測量井底參數，溢流監測最為直接，但是井底參數的測量和傳輸仍存在一定的問題。首先，壓力與溫度傳感器受井下高溫、高壓條件限制，國內井底壓力與溫度傳感器的最高工作溫度為 150 ℃，最高承受壓力為 105 MPa［30］，國外性能良好的井下工程參數測量儀，適應環境壓力為140 MPa，環境溫度為 150 ℃［31］。其次，受傳輸速度及解碼速度影響，實時性不高，現場應用中一般通過鉆井液脈沖進行信息傳輸，國內產品信息上傳速率只有0.5～5 b/s，國外最高也只有10 b/s。以此上傳速率計算，PWD參數的傳輸時間國內可控制在1 min之內，國外最快可控制在30 s之內。若采用電磁隨鉆傳輸，上傳速率可以達到200 b/s，但是電磁隨鉆傳輸的有效深度一般不能超過6 000 m，而且不同地層時環井電阻率存在很大差異以及鉆桿與鉆桿連接螺紋存在接觸電阻，接觸電阻在鉆井過程中因振動會產生變化從而影響鉆柱中信號電流的穩定性，使傳輸質量變差［5］。LWD和PWD參數測量可靠性較高，但是實際鉆井過程中受現場條件限制，此種溢流監測方法應用較少，未見應用效果較好的現場報道。

2.5 基于控壓鉆井技術監測溢流

基于控壓鉆井技術監測溢流［32-35］是通過分析實時采集的鉆井液的流量、密度、質量、井口回壓等參數判斷是否發生溢流，這種方法能在2 min內自動檢測到地層流體侵入并且加以控制，使地層流體侵入總量限制在0.24 m3以內［34］。相對其他的溢流監測方法更加準確、及時。但是這種方法需要對鉆井設備做出很大的改造，其關鍵技術：隨鉆壓力測量（PWD）、地層壓力預測與隨鉆測量、水力學計算模型、控制機構和軟件控制系統等，實現均有較大的難度。目前，現場應用效果較好的有Weatherford公司的MFC系統、Schlumberger公司的DAPC系統、Halliburton公司的MPD系統，溢流監測的實時性好，可靠性高。

2.6 分析地層巖性和孔隙度，進行溢流預警

如果能夠得到所鉆區域的地質資料、地震資料、鄰井資料，則系統中可對這些資料進行分析，確定可能發生溢流的層位和井段進行鉆前異常預報。

3 溢流監測的數據處理方法

3.1 閾值法

閾值法是通過采集的相關參數與設定的閾值相比較，從而得出是否發生溢流的結果。其特點是原理簡單、容易實現，但是功能過于單一，只能監測參數的閾值，不能綜合分析多個參數的變化趨勢和規律，而且若溢流監測完全依賴于參數的閾值，會產生較高的誤報和嚴重的滯后。然而，作為溢流監測的有效數據處理方法之一，可以將其與其他數據處理方法相結合應用于溢流監測。

3.2 數學建模法

數學建模的方法主要是針對溢流監測這個問題建立一個數學模型，通過多個相關參數的變化得出所建模型的結果。其特點是原理簡單、容易實現，比單一閾值法有所改進，但是由于溢流的復雜性以及不確定性，很難建立一個公認比較準確的、時效性比較高的數學模型用于溢流監測。梅大成［27］曾提出一種溢流監測的數學模型，經實際鉆井數據驗證具有一定的監測效果。

3.3 人工神經網絡［5］

BP網絡是目前研究最多的神經網絡模型之一，具有逼近任意非線性函數的能力，所以可以有效地監測溢流。但監測溢流時也存在一定的問題。首先，需要大量的錄井數據來訓練BP網絡，因為地質環境的差異，用當地的鉆井數據訓練的網絡模型不一定適用于其他地區的溢流監測。限制了BP網絡的應用。除此之外，BP網絡的應用也缺少一定的理論支持，例如，隱層神經元個數的選取、學習效率的設置完全是根據經驗而確定，沒有合理的計算和精確的推導。

3.4 專家系統

專家系統是根據人們在某一領域內的知識、經驗和技術而建立的解決問題和做決策的計算機軟件系統，能對復雜問題給出專家水平的決策結果。專家系統也需要大量的專門知識與經驗，根據所有的知識和經驗進行推理和判斷模擬人類專家的決策過程，以便解決那些需要人類專家處理的復雜問題。溢流是一個復雜的、模糊的綜合體，影響因素很多，變異性和時空差異大，在不同工況下溢流的表現形式也不是完全相同。然而，當前的專家系統在建模中多是利用簡單的數學回歸模型，這些模型一般只考慮了部分反映溢流的因素，如何把多因素綜合考慮到建模中，僅依靠現在常用的方法是達不到要求的［36］。所以僅靠專家系統并不能完全準確地反映溢流的發生，但是可以把專家系統作為一種輔助以及驗證系統加入到溢流監測中，實現多種方法的有機結合，達到優勢互補的效果，提高智能化水平和現場適應性，從而使智能系統能不斷豐富積累知識，并完善系統性能，提高診斷的準確性、實時性［37］。

3.5 貝葉斯判別分析［7］

貝葉斯判別分析的理論基礎是貝葉斯定理

貝葉斯判別分析法同樣需要大量的鉆井數據訓練判別模型，但是相對人工神經網絡和專家系統貝葉斯判別分析更能充分地利用先驗知識，減少誤判。而且貝葉斯判別分析給出的溢流監測結果是一個概率形式，不是一個簡單的是或否的結果，司鉆可以通過概率值變化的趨勢進一步確認是否發生溢流。

在以上5種數據處理方法中，閾值法和數學建模法原理比較簡單，實現也比較容易，所以應用最為廣泛。但是由于這2種方法本身的缺陷，在現有條件下溢流監測的實時性和可靠性較低。人工神經網絡、專家系統、貝葉斯判別分析這3種智能算法存在一個共同的局限性，即在使用前均需要大量的先驗知識或訓練數據；而且溢流監測的準確性、實時性、可靠性完全受限于先驗知識和訓練數據。

4 基于PWD、微流量監測與綜合錄井參數的溢流監測方案

綜合分析溢流監測方法和數據處理方法的優缺點之后，提出了一套基于PWD、微流量監測與綜合錄井參數的溢流先兆在線監測與預警系統。該系統在溢流監測方法方面以監測井底環空壓力、溫度等井底參數的變化為基礎，并結合鉆井液進出口流量和相關綜合錄井參數的變化，在地層流體還沒有返到地面時，提前發現溢流，提高井噴預警的時效性；在數據處理方法方面采用以貝葉斯判別分析為核心，以專家決策系統為輔助，并結合以閾值法綜合判斷是否發生溢流，溢流監測的結果以一個概率的形式給出。其原理如圖1所示。

圖1 溢流先兆在線監測與預警系統原理框圖

如圖1所示，從綜合錄井儀服務器、鉆井液進出口流量計、PWD地面解碼系統分別采集相關錄井參數。在溢流判別分析方面，首先，由閾值法判斷鉆井液總池體積等參數是否超出所設定的報警值；然后，由專家決策系統中所設定的規則模式判斷是否發生溢流；若均沒有監測到反映溢流發生的異常數據，最后由貝葉斯判別法，通過所選取的用于溢流監測的屬性變量的取值給出發生溢流可能性的大小。表1是由川慶鉆探工程有限公司提供的龍崗7井的錄井數據得到的實驗結果之一。

表1 溢流監測實驗結果

由表1中的數據可得，在03:39:19時刻出口流量明顯大于入口流量，該系統給出一個較高的溢流概率，在此時刻之后出口流量仍明顯大于入口流量而且池體積已有較明顯的增加，所以基本可以確認發生溢流，給出100%的溢流概率。但在此之前，03:38:49時刻立壓下降，懸重增加，該系統捕捉到此溢流先兆，給出18%的溢流概率，并隨立壓和懸重的異常變化增加溢流概率。經實際鉆井數據驗證該系統能夠較為準確快速地監測溢流，因為龍崗7井的錄井數據中沒有提供井底環空壓力，所以上述實驗中沒有應用該參數，但依然收到較好的監測效果。

該系統的優點是把PWD參數、微流量監測參數與綜合錄井參數相結合應用于溢流監測，從井底和地面2個方位監測溢流；可以根據現場提供參數的實際情況，靈活組合，實現溢流監測；以閾值法作為最基本的數據處理方法，并結合貝葉斯判別和專家決策系統2種智能算法處理采集的溢流監測參數，提高溢流監測的時效性；溢流監測的結果以一個概率的形式給出，通過概率的大小和變化趨勢能夠起到預警溢流和確認溢流的作用。而且，目前綜合錄井儀和高精度流量計在鉆井現場被廣泛應用，PWD技術也日臻成熟，國內已有較多的應用，所以此方案的實施在現有條件下是切實可行的。

5 溢流監測展望

隨著鉆錄井技術的發展，近期興起的鉆錄井領域的前沿技術：控壓鉆井（MPD）、隨鉆測井（LWD）、隨鉆壓力測量（PWD），在溢流監測方面均有良好的應用前景。尤其是MPD技術，能夠較為準確快速地監測溢流，還可以進一步抑制溢流的發生［38］。但是MPD技術中涉及到的隨鉆壓力測量（PWD）、地層壓力預測與隨鉆測量、水力學計算模型、控制機構和軟件控制系統等關鍵技術方面尚有欠缺，且實現難度較大。倘若能夠進一步完善上述關鍵技術，提高井底環空壓力、地層壓力等參數獲取的實時性和精確度，控壓鉆井的效果將會得到進一步改善，溢流監測也會更加準確快速。LWD和PWD技術的發展和進步，使得在隨鉆過程中可以獲取大量的地層參數和工程參數，同時也為使用LWD和PWD技術監測溢流提供了可能。但是由于井下測量環境的復雜性和各種干擾因子的存在以及參數較長的傳輸時間問題，基于LWD、PWD技術的溢流早期監測現場應用較少。所以，基于LWD、PWD技術的溢流早期監測實施的關鍵在于提高參數獲取的準確性和實時性。

以上提及的控壓鉆井、隨鉆測井和隨鉆壓力測量技術是在鉆錄井領域中的一種發展趨勢，因為無論是從溢流監測的角度出發，還是基于整個鉆井過程的需要，若能夠得以成功應用，均能帶來較好的效果。然而，這絕不意味著有關溢流監測的其他技術和方法不需要繼續發展和探索，事實上，為了進一步提高溢流監測的實時性和可靠性，還有很多工作要做，無論基于哪種溢流監測方法，隨著“三高”地區和深水鉆井等鉆井難度的增加，溢流監測的實時性和可靠性還有待進一步提高。

6 結論

（1）溢流監測的難點并不在于監測方法和數據處理方法的選取或改進，參數的獲取問題才是限制溢流監測效果的主要因素。

（2）在現有的設備條件和技術水平下采集的參數會存在一定的誤差或延遲。誤差的產生是因為現場環境的干擾因素過多以及設備本身的精度制約，存在延遲的原因主要是因為技術水平的限制。若能保證采集的鉆井液進出口流量值的精度很高，單一閾值法便可以達到理想的溢流監測效果。又假若井底環空壓力和溫度能夠準確實時地獲取，閾值法也完全能夠達到預期的溢流監測效果。

（3）文中分析了溢流發生的原因及其表現形式，并將現有的溢流監測方法根據其所采用的參數和監測形式的不同總結為6類，同時深入剖析比較這6類監測方法的優缺點、適用性以及所涉及到的數據處理方法。

（4）提出了一套基于隨鉆壓力測量、微流量監測與綜合錄井參數的溢流先兆在線監測與預警系統，對此系統的原理、優點、可行性及現場應用做了簡要說明。

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（修改稿收到日期 2013-06-16）

Survey of research on kick detection methods on “Three High” wells

YUE Weijie, SUN Weifeng, DAI Yongshou, LI Ligang, ZHANG Ya' nan
（College of Information and Control Engineering in China University of Petroleum,Dongying257061,China）

Blowout is the most serious accident during drilling process. Kicking is the forerunner of blowout, hence it is significant to optimize kick detection method and to improve the monitoring instantaneity and reliability for realizing safe, efficient and economic drilling. The paper analyzed the causes and signs of kicking, and classified the existing kick detection methods into six categories according to the differences of detecting parameters and forms. And it made deep analysis and comparisons about the advantages and disadvantages, applications suitability and relative algorithms of the methods. Based on the above it proposed an online monitoring and warning system for kick forerunning based on PWD, micro-flux detection and comprehensive logging parameters. At last, the prospect was described on the application and development of MPD, LWD, PWD in kick detection field, and the main factors restricting kick detection were pointed out.

kick detection; blowout; MPD; LWD; PWD

岳煒杰，孫偉峰，戴永壽，等. “三高”油氣井溢流監測方法研究［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（4）：58-64.

TE249

：A

1000–7393（2013） 04–0058–07

國家自然科學基金“基于高階累計量和ARMA模型的高精度地震子波提取方法研究”（編號：40974072）。

岳煒杰，1987年生。在讀碩士研究生。電話：18667311807。E-mail：yueweijie@126.com。

〔編輯 薛改珍〕