超聲波多普勒隔水管氣侵監測系統設計與海上測試*

李軼明，張偉國，周云健，陳京德，耿亞楠，朱　磊，朱連望

(1. 中國石油大學(北京) 石油工程學院，北京 102249；2. 中海油深圳分公司，廣東 深圳 518067；3. 中海油研究總院，北京 100028；4. 中海油工程技術公司 井控中心，天津 300452)

數字出版日期： 2017-12-14

0　引言

海上油氣儲量巨大，是未來油氣開發的重要方向。但同時海上鉆井具有高風險的特點，其中井噴事故帶來的損失最為嚴重，2010年發生在墨西哥灣深水地平線號鉆井平臺的井噴事故造成了美國的“國家生態災難”。井噴究其根本是井底壓力與地層壓力的不平衡所引起的。在正常的鉆井過程中，鉆井液由泵驅動通過鉆桿泵入井底，而后通過鉆頭水眼進入鉆桿和井眼之間的環形空間返回至地面，鉆井液流體由于靜液柱壓力和循環摩阻在井底產生一定的壓力，該壓力可以平衡地層壓力，阻止地層中的氣體進入井筒。溢流是井底與地層壓力失衡的早期表現，地層氣體進入井筒后(稱為氣侵)會造成井底壓力持續下降，增大的壓力差會使氣侵速度進一步增加，如果得不到及時和有效的控制，溢流可迅速惡化并導致井噴和井噴失控事故，因此井噴事故與溢流發現得早晚密切相關。加之現階段國際和國內海上搶險救援設備和方法還相對缺乏[1]，搶險、救援和逃生極為困難[2]，因此海上鉆井過程中做到溢流的早期發現是避免井噴事故發生最為有效的手段。

依據溢流監測傳感器安裝位置的不同，深水鉆井溢流監測方法可分為平臺監測法、泥線監測法和井下隨鉆監測法[3]。平臺監測方法以井口的流量、壓力、泥漿池液位為主要監測參數，間接反映井筒內是否出現氣侵[4-12]。現階段除了提高傳感器精度以外，還可以通過信號處理等手段提高氣侵監測的準確性，但對于采用了油基鉆井液的深井，氣體大量溶解會造成平臺監測法響應的嚴重滯后。井下隨鉆氣侵監測手段主要應用井下隨鉆測量工具對井下壓力、流量和溫度等參數進行測量，以此判斷是否發生氣侵[13-17]。

隔水管氣侵監測方法是在海底泥線位置對隔水管內部進行監測[18-22]，與平臺監測法和井下隨鉆監測法相比具有明顯的優勢。首先，儲層中侵入井筒的氣體在隔水管內部需要很長的時間才能運移至水面，水深越深則留給井控的應急響應時間越長，在深水鉆井中其優勢更為明顯。另外，與井下隨鉆監測相比，隔水管氣侵監測是在海水中從外部對隔水管內部進行非接觸式測量，減少了安裝難度和局限性。超聲波多普勒頻移量的偏移特性可用于表征氣液兩相流中的含氣率，進而可以用于監測隔水管內部是否發生氣侵[20]。但這一結果僅在室內氣侵模擬實驗中被證實，并且實驗中采用清水和水基鉆井液為連續相。

本文在此基礎上通過室內實驗，進一步驗證超聲波多普勒方法對油基鉆井液氣侵監測的可行性，并通過陸上試驗井現場試驗確定隔水管氣侵監測系統的關鍵設計參數，最終在海上對系統進行性能測試研究。

1　超聲波多普勒隔水管內部含氣性監測原理與技術難點

1.1　氣侵監測原理

超聲波多普勒是一種非接觸式測量方法，適合測量管道內部流體的流速。通過安裝在管道壁面外側的超聲波發射探頭向管道內部發射一定頻率的超聲波，當超聲波遇到管道內部隨流體一起運動的固體顆粒時將發生多普勒效應。通過管道外壁的超聲波接收探頭可以得到超聲波頻移量(發射頻率與接收頻率之差)，利用頻移量和速度之間的對應關系可以得到固體顆粒物的運動速度，這一速度測量值通常可以用來表征流體的速度：

u=cfD/(2f0cosα)

(1)

式中：u為反射超聲波顆粒的速度，m/s；c為超聲波在流體中的速度，m/s；f0為超聲波發射頻率，Hz；α為超聲波聲波入射方向與流動方向之間的夾角，(°)；fD為頻移量，Hz。

當管道內的被測介質為含有固相小顆粒的液體時，超聲波多普勒方法測量的速度值比較準確，但是當液體中含有氣泡時，超聲波多普勒信號會發生畸變現象，超聲波多普勒測量值與液體實際流速之間會出現偏差，即多普勒測量速度為流體真實速度與含氣率的函數：

uM=f(uR,β)

(2)

式中：β為含氣率，無量綱量；uM為多普勒測量速度，m/s；uR為流體真實速度，m/s。

隔水管氣侵監測方法正是應用這一特性對井內是否發生氣侵進行監測和預警的，其原理如圖1所示。當氣泡經過監測單元時，多普勒信號出現異常，依據實驗室內得到的公式(2)的經驗表達式可得到當前含氣率，進而發出預警。

1.2　系統技術難點

超聲波多普勒隔水管含氣性測量與其他氣侵監測手段的主要區別在于，該方法采用了非接觸式測量原理，對原有鉆井設備影響最小，另外該方法充分利用了測量點位于海底的空間優勢，在含氣鉆井液前沿剛剛進入隔水管便可被檢出，預警時間提前量較大。但是多普勒隔水管含氣監測也面臨一些問題，在設備設計中需要重點考慮以下幾個技術難點：

1)隔水管壁面厚度及鉆井液性能對超聲波多普勒信號的影響

由于超聲波發射和接收傳感器固定在隔水管外壁表面，超聲波首先需要穿過管壁進入隔水管內部，遇到環空中的固體顆粒或氣泡則發生反射，反射波再次穿過隔水管壁面由接收傳感器接收。超聲波在傳播途徑上會發生能量衰減，因此鉆井液性能、隔水管壁面厚度以及隔水管壁面上的涂層均可能影響超聲波多普勒信號的強度。針對鉆井液對超聲波信號的影響，需要在實驗室內對包括清水、水基鉆井液和油基鉆井液在內的多種不同物性參數介質中含氣情況下的多普勒信號特性進行測量，確定超聲波多普勒對含氣性監測的可行性。而針對大壁厚隔水管管壁對超聲波多普勒信號所產生的影響，需要在陸上試驗井開展現場試驗，用于驗證該方法的可行性。

2)隔水管氣侵監測信號傳輸方式的選擇

圖1　超聲波多普勒氣侵監測原理Fig.1　Schematic diagram of ultrasonic doppler kick detecting technique

隔水管氣侵監測單元位于隔水管上，而且距離海底越近氣侵早期識別效果越好。監測單元監測的信號需要向平臺上的地面主機傳送，傳送方式可以選擇有線傳輸和無線傳輸2種方式。無線傳輸可以應用聲波或電磁波等方法進行數據傳輸，水下模塊與地面之間不需要電纜連接，現場施工難度較小，僅僅需要將模塊安裝在隔水管上，不需要進行下電纜等施工作業。但是考慮到水下模塊的供電，系統需要連續工作不小于1個鉆井周期，有可能在1個月以上，因此需要的電池容量較大。另外，受到水下環境影響，水下無線傳輸數據帶寬十分有限。比較而言，有線信號傳輸方式采用電纜連接地面主機與水下模塊，電纜同時具備向水下設備進行供電和信號傳輸的作用，可以避免水下安裝電池和無線數據傳輸等技術難點，但在設計階段需要考慮電纜的下入和固定以及水下電纜接頭在高壓環境下的水密性問題。因此，無線和有線2種方式各有利弊，綜合各方面因素考慮，最終本系統采用有線的數據傳輸和供電方式。

3)隔水管氣侵監測設備水下模塊的耐壓性、耐腐蝕性和結構的穩定性等問題

水下模塊屬于超聲波測量設備，為了減少超聲波能量損失，模塊需要與隔水管緊密結合。系統設計適用范圍為水深3 000 m，因此水下模塊需要耐壓30 MPa以上，信號和供電電纜與水下模塊之間的連接也需要考慮高壓防水問題。另外，海底洋流對電纜有持續的沖擊和腐蝕作用，因此在設計過程中要充分考慮電纜的保護和固定方式。

2　隔水管氣侵監測系統設計方案

圖2　隔水管氣侵監測設備系統構成Fig.2　Overview of riser kick-monitoring system

根據隔水管氣侵監測系統的設計要求，結合現場實際情況，確定了系統的整體設計方案，如圖2所示。隔水管氣侵監測系統主要包括2個組成部分：安裝在平臺上的地面主機和安裝在隔水管上的水下監測模塊。地面主機由計算機、數據采集板和多普勒信號分析裝置組成，多普勒信號分析裝置的作用是用來接收水下模塊上傳的多普勒信號，數據采集板將多普勒信號分析裝置中處理后的信號進行采集并傳給計算機，計算機中的程序對信號進行存儲并做分析，判斷隔水管內部的多普勒信號是否出現畸變，確定隔水管內是否發生氣侵，如果出現氣侵將進行報警。水下模塊為耐壓封裝的前端傳感器，主要負責超聲波的發射和接收，同時將多普勒信號向地面設備發送。水下模塊與平臺上的主機之間由耐腐蝕且抗拉的鎧裝電纜連接，電纜經由鉆井平臺上的月亮池沿隔水管延伸至水下模塊，向水下模塊供電并實現信號傳輸。

3　關鍵技術及關鍵參數優化

3.1　油基鉆井液氣侵多普勒信號響應實驗

文獻[20]中，耿亞楠等進行了室內氣侵模擬實驗，應用超聲波多普勒設備測量了清水和水基鉆井液含氣情況下的多普勒信號，得到了含氣率與多普勒信號偏差量之間的關系，證明了超聲波多普勒方法對清水和水基鉆井液氣侵識別的可行性。但是，油基鉆井液在海上鉆井中被大量使用，由于油基鉆井液與清水和水基鉆井液在物性上有較大差別，為了驗證超聲波多普勒方法對油基鉆井液氣侵監測的適用性。采用與文獻[20]中相同的室內模擬實驗設備對油基鉆井液氣侵過程進行了模擬實驗(實驗裝置如圖3所示)，鉆井液為南海實際鉆井中使用的某種油基鉆井液。

圖3　超聲波多普勒氣侵監測室內實驗裝置Fig.3　Exprimental setup of ultrasonic doppler kick detecting technique

圖4　油基鉆井液中含氣率與多普勒信號之間的關系Fig.4　Doppler signal vs void fracture in oil-based drilling fluids

實驗通過調整鉆井液流量和氣體流量在井筒模擬實驗段中模擬了不同流速和不同含氣率的氣侵情況，氣體和液體進入混合裝置之前進行流量監測，用于確定試驗段中的真實流速和含氣率。通過安裝在實驗段壁面的超聲波多普勒設備對流動進行了測量，每種工況下使用采集裝置記錄超聲波多普勒的速度測量信號瞬時值，采集時間2 s，采樣頻率2 kHz，瞬時值的平均值為當前流速和含氣率下的多普勒測量速度，即為uM。以真實流速對多普勒測量速度進行無量綱處理，得到含氣率與多普勒信號畸變之間的關系(見圖4)。由實驗結果可知，當此種油基鉆井液發生氣侵時，隨著含氣率的增加多普勒測量的速度值發生衰減，無量綱多普勒測量速度值與含氣率呈現較好的二次函數關系，公式(2)的具體表達形式為：

uM/uR=B1β2+B2β+B3

(3)

其中，擬合二次函數系數分別為：B1=0.004 8,B2=-0.101 73,B3=1。

根據經驗公式(3)可以利用多普勒測量速度的衰減量確定含氣率，進而達到監測氣侵的目的。結合文獻[20]的結果，通過室內模擬實驗證明了應用超聲波多普勒原理可以實現隔水管的氣侵監測。

3.2　超聲波多普勒傳感器性能優化現場試驗

圖5　陸地現場試驗中傳感器安裝在防噴器和防溢管之間導管外壁上Fig.5　Seneors installed on the pipe between BOP and bloody line during onshore field test

對于隔水管氣侵監測，現場應用中面臨的最大問題是超聲波的穿透性問題，即超聲波信號能否穿過隔水管壁面，遇到氣泡后出現的多普勒信號畸變是否能被接收傳感器接收到。基于以上問題考慮，在天津大港油田開展了2次陸上現場試驗，試驗在正常鉆進的鉆臺上進行，現場試驗照片見圖5。試驗通過安裝在防噴器頂部導管外側的超聲波傳感器對環空內部鉆井液的流動進行監測，測試超聲波多普勒信號的穿透性，由此驗證隔水管氣侵監測設備水下測量的技術可行性。

現場試驗中關注3個參數對超聲波信號強度的影響：管壁厚度、傳感器夾角和超聲波頻率。試驗中通過在管壁上加裝鋼制墊塊增加有效管壁厚度，導管原始壁厚為8 mm，2種墊塊的厚度為分別為15 mm和20 mm，將超聲波多普勒傳感器安裝在導管壁或墊塊上，可以驗證最大壁厚為43 mm情況下多普勒的測量效果。另外，通過改變發射傳感器和接收傳感器之間的距離，比較不同發射波和接收波夾角情況下的信號強度，以此確定探頭的最佳安裝角度。同時，在試驗中采用了2種頻率的超聲波發射頻率，用于測試頻率對信號強度的影響，試驗參數見表1。

表1　試驗參數表

在不同參數條件下，通過調整泥漿泵泵速改變環空中的鉆井液流速，利用數據采集系統記錄多普勒信號，以此分析超聲波多普勒信號的有效性。首先保持泵沖120沖的正常循環流速，而后下調泵沖5%并保持50 s左右，最后恢復至初始泵沖，每組試驗采樣時間為2 min，用于完整記錄整個調整過程中的多普勒信號。試驗發現在各種工況下，超聲波信號響應均正常，說明金屬管壁對超聲波的衰減并不明顯，在30°夾角范圍內接收探頭能夠較好捕捉到足夠強度的超聲波回波，另外2種超聲波頻率在鉆井液中的傳播距離也能滿足測試需要。但是考慮到傳感器本身的尺寸和水下模塊體積不能過大等因素的限制，傳感器設計間距最終確定為110 mm，隔水管直徑533.4 mm，因此設計夾角為23.8°。圖6為1組采樣時間為2 min的超聲波多普勒測量瞬時信號圖，測試條件為：有效管壁厚度為43 mm，發射接收傳感器夾角為24°，超聲波頻率為500 kHz。在下調泵沖期間，由于需要實時手動調節，很難保證泵沖達到目標值，因此在這個期間流速無法保持穩定。但是從測試曲線來看，超聲波可以穿透大壁厚導管外壁，多普勒信號信噪比較高，對環空內部流速變化有很好的響應。陸上試驗井試驗驗證了超聲波多普勒方法對環空流體的監測可行性，也為海上測試設備確定了設計參數。

圖6　改變泵沖過程中的多普勒信號變化Fig.6　Doppler signal during changing the pump stokes

3.3　耐高壓水下模塊設計

水下模塊需要安裝在盡可能靠近海底的位置，同時其內部包含了電子聲學傳感器，因此在設計中需要考慮水下密封和聲傳導2個方面的問題。圖7為水下模塊內部結構和水密接頭結構圖。

圖7　水下模塊內部結構和水密接頭Fig.7　Internal structure of underwater module and waterproof connecter

水下模塊的外殼由不銹鋼材質的空心圓柱形腔體和頂蓋組成。頂蓋和腔體之間加工預留了密封圈安裝槽，該密封方式可以滿足30 MPa壓差條件下的密封要求。超聲波發射和接收探頭通過附件被固定在腔體內部靠近隔水管一側的底面上。發射探頭和接收探頭的安裝面均加工成平面，且成一定角度，這樣可以保證接收信號最強，固定探頭之前在探頭表面涂1層導聲材料，減少超聲波的衰減。腔體底面與隔水管接觸一側加工成曲面，曲面半徑與隔水管外徑相同，同時在邊緣開1圈硅膠注入槽用于密封腔體與隔水管之間的導聲材料。除了檢測隔水管內部氣泡含量和鉆井液流動狀態參數的前端超聲波傳感器之外，多普勒信號預處理器也被封裝在水下模塊中，該組件的作用是提取接收信號中的多普勒成分并向地面發送。為了提高系統的冗余度，系統中包括2套可獨立工作的水下模塊，每個模塊中均有1對發射和接收傳感器。每個水下監測模塊中的發射探頭和接收探頭之間的夾角、超聲波發射強度等參數均由室內實驗和陸上試驗井現場試驗確定。

水下電纜與水下模塊采用水密接頭連接方式，圖7(b)為水密接頭設計圖。水密接頭的設計結構可以實現模塊內部和海水之間的高低壓力隔離，內外電路連接通過高壓插針實現，每根高壓插針均有2層密封圈密封。另外，為了防止高壓插針與海水導通，水下電纜與高壓插針連接部位設計有一個腔，通過注入高真空硅脂實現隔絕海水。采用這種高壓連接設計方式能夠滿足30 MPa以上的電纜連接要求。

4　系統性能海上現場測試

為了測試系統在現場應用過程中各部件的穩定性及系統整體功能，于2015年5月在正常進行鉆井作業的中國南海2號鉆井平臺上開展了海上測試工作，總共歷時20 d。

當鉆井平臺完成第1根隔水管與水下防噴器組連接之后，進行了隔水管氣侵監測水下模塊的安裝工作。為了保證水下模塊與隔水管緊密結合并保證超聲波更好地穿透隔水管，在模塊與隔水管接觸的表面涂1層導聲材料。為了減少海底洋流對信號電纜的沖擊，用鋼制綁帶間隔5 m將電纜固定到輔助管線上進行加固處理。圖8為水下模塊與隔水管一同下入過程。隔水管及水下防噴器下入海底安裝到位后，通過水下機器人對隔水管氣侵監測水下模塊及電纜進行了觀察，未見異常，平臺開始正常鉆井工序，而后開始通過水面主機對水下模塊信號進行采集分析。

圖8　隔水管氣侵監測系統水下模塊的下入過程Fig.8　Installation and running down process of the undersea module of riser kick-monitoring system

此次測試過程中，系統不間斷地對隔水管環空中的流動進行了監測。此次鉆井周期中并未出現氣侵情況，同時考慮到氣侵模擬試驗存在極大的風險，因此現場試驗的主要目的是測試整套系統的信號響應。圖9為隔水管氣侵監測系統在南海2號鉆井過程中測量得到的多普勒信號瞬時值，采樣時間為1 h。從圖9可以看到，在這個采樣周期內環空內的鉆井液流速較平穩，系統捕捉到800～1 200 s期間鉆臺曾經進行了1次泥漿泵速的調整。此次現場測試驗證了整套系統整套系統功能的完整性和系統的穩定性。

圖9　隔水管氣侵監測系統監測數據Fig.9　Data acquired by riser kick-monitoring system

5　結論

1)通過實驗室氣侵模擬實驗，得到了油基鉆井液含氣情況下的超聲波多普勒信號畸變規律，證明了利用超聲波多普勒方法進行隔水管氣侵監測的可行性。

2)設計了完整的隔水管氣侵監測系統，其中最為關鍵的水下模塊可滿足3 000 m水深的耐壓和水密性要求，通過陸上試驗井現場試驗，優化了傳感器頻率和安裝角度等參數。

3)首次完成了超聲波多普勒隔水管氣侵監測系統的海上測試，完成了系統樣機的功能驗證，包括：水下模塊的耐壓、耐腐蝕、水密性和安裝的穩定性，供電電纜和數據電纜安裝的穩固性、信號傳輸的穩定性以及電纜的耐腐蝕性，獲取了水下模塊對隔水管監測的信號響應，測試了水面主機對信號的處理分析功能和對隔水管內部的監測等功能。

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