油氣井早期溢流監測技術研究現狀及展望

范翔宇, 帥竣天, 李枝林, 周躍云, 馬天壽, 趙鵬斐, 呂 達

(1油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室·西南石油大學 2西南石油大學石油與天然氣工程學院 3中石油川慶鉆采工程技術研究院 4中石化西南石油工程公司鉆井工程研究院)

隨著全球已探明非常規油氣資源儲量不斷地刷新上限[1]與石油天然氣行業技術高速發展[2-3]，油氣勘探領域不斷延伸，鉆井與井控難度越來越大[4]，溢流更是成為鉆探過程中常見現象；若溢流發現不及時或處理不當，極易誘發井噴，導致井眼報廢甚至造成大量人員傷亡。

根據鉆井平臺工具和傳感器安裝位置不同，溢流監測方法可歸納為兩種類型：井口監測和井下監測。回顧這兩大類研究現狀、技術原理及其特點，將各方法優勢與局限對比分析，并結合物理模型及深度學習數據模型，構建起綜合性智能溢流早期監測系統，對于及早發現井下溢流、采用合理的鉆采工藝及壓井方案、預防井噴事故具有重大意義。

一、井口參數監測法研究現狀

井口監測法主要是以井口鉆井液返出情況和鉆機各參數為依據的監測手段和方法，有鉆井液液位高度監測、流量計監測、立套壓監測、綜合錄井等方法。這四種方法是目前現場應用最廣泛也是技術最成熟的溢流監測方法，但是這些參數測量具有明顯的受干擾性及滯后性，不能及時監測井下狀況，限制了其在鉆井中的應用。近年來國內外各企業高校相繼在傳感器種類、算法與穩定性做出改進，大大提高了監測精度，發展出了緩沖罐液面監測[5]、井口導管液面監測(開井)、分離器液面監測(關井)[6]、液面高度放大裝置、上下限多傳感器[7-8]、主副腔室監測罐裝置[9]、超聲波液面監測[10]、科里奧氏質量流量計監測[11]、X射線流量計監測[12]和立套壓變化趨勢監測[13]等方法。

2016年Ayesha[14]等人設計了一套室內井筒氣侵模擬發生裝置，實驗研究表明壓力傳感器和科里奧氏質量流量計在氣侵發生后相比出口電導率與密度給出了更快的指示，這是由于當地層流體侵入井筒后，環空流速增加，出口流量短時間內會明顯升高；且隨著流體不斷侵入環空，流體密度降低和環空摩阻的升高，井筒壓力場也隨之變化。井底壓力信號(泥漿脈沖)傳到井口僅需幾秒時間[15]，因此通過綜合錄井儀對進出口流量、立壓套壓等參數連續測量和量化的分析判斷[16-18]，可實現初步的溢流早期監測。目前國內現場大多數應用仍然停留在閾值預警和人工觀察階段，缺乏規模化應用基于綜合錄井儀實時測量信息的智能溢流預警方法[19-20]。

二、井下監測法研究現狀

1.聲波氣侵監測

聲波氣侵檢測目前有隨鉆聲波時差、泵沖、聲波干擾儀、超聲波多普勒氣侵監測、聲波阻抗監測等方法。隨鉆聲波時差監測法主要是通過安裝在井下鉆具及套管的聲波發送接收器，比較聲波在氣侵后鉆井液與純鉆井液傳播的時間差，以此判斷氣侵；聲波干擾儀是一個能在相對平行兩個井壁收發聲波的儀器，它對低密度鉆井液氣泡很敏感，因此對監測淺層氣侵有非常好的效果，由于在高密度鉆井液中聲波衰減嚴重，對氣泡敏感性降低，聲波干擾儀并不適用高密度鉆井液；超聲波多普勒氣侵監測利用超聲波多普勒效應測量環空流速、振幅和光譜形狀，當鉆井液中含有顆粒和較大的氣泡均會導致多普勒頻譜發生很大的偏移。該監測具有技術成熟、成本低、適用性強等優點，缺點是在高密度鉆井液中超聲波能量衰減嚴重[21-22]；聲波阻抗監測法原理詳見貝克休斯井下氣侵監測工具美國專利[23]，該工具能測量氣侵后鉆井液聲阻抗(等于鉆井液的密度與聲波在鉆井液中傳播的速度的乘積)變化，以此為依據判斷是否氣侵。

在實際鉆井中，聲波信號傳輸和接收處理受現有技術及施工因素影響較大，因此上述四種方法目前并未獲得廣泛工程應用，但聲波氣侵監測仍是早期溢流監測系統(EKD)發展的一個重大方向[24]。

2.井下微流量

基于地面微流量和控壓鉆井技術，西南石油大學研制了一種井下微流量測量裝置[25-26]。該裝置利用節流壓差法并通過壓差水力模型計算出環空流量，通過MWD向地面傳輸數據，將實時計算出的環空流量與鉆井液入口量對比，可反映井底流量變化情況，且節流元件實測端壓力傳感器反映的是井底實時壓力，這為井下監測溢流提供了更多可靠的數據。該技術作為一種新技術，有著獨特的優勢和發展潛力，但目前國內外研究并不深入，不可避免存在一系列問題，例如缺少隨鉆井徑測量功能(無法實時掌握過流面積)、裝置設計尺寸及井下安裝位置的優化等因素都有待進一步研究與提高。

3.井下流體實驗室

由于隨鉆地層測試器并不具備地層流體分析取樣功能，國外石油公司在隨鉆地層壓力測試的基礎上開展了隨鉆地層流體取樣及分析技術的攻關，提出了基于光學、聲學和核磁共振的井下流體實驗室分析方法，該技術主要是依托于地層測試器中植入的傳感器模塊對采樣流體分析[27]，得到地層流體組分、氣油比(GOR)和含水量、色度、pH值、流體密度、礦化度、黏度、電阻率、介電常數和碳氫化合物濃度等參數，這給在復雜儲層條件下地層流體或環空流體的定量表征提供了準確的依據[28]。井下流體實驗室技術不僅具有隨鉆地層壓力測試技術所有的優點，還具有井下流體分析和取樣的優勢。目前國內中石油川慶鉆探工程公司和西南石油大學已經做出了原理樣機，但還處于引進、模仿國外相應儀器的階段；國外油田服務公司處于壟斷地位，成功應用現場的有SLS公司的MEMS色譜儀、Schlumberger公司的IFA光學分析儀、Halliburton公司的Geo-Tap IDS[29]光學分析儀、NWR核磁檢測儀、MOC光學分析儀和Baker Atlas公司的IFX聲學檢測儀等。現有泥漿脈沖傳輸技術有限性與滯后性是井下流體實驗室技術發展的瓶頸。

4.智能鉆柱

為了克服無線隨鉆傳輸方法不足，20世紀90年代國外把重點放在新一代有線傳輸技術——智能(有線)鉆柱系統。智能鉆柱是在鉆柱內植入多芯銅導線，用絕緣材料包裹銅線，形成在鉆桿內壁、環形的復合層內的高速電子通道，傳輸速率高達1×104～2×106bps，智能鉆柱井下鉆具組合(BHA)與常規鉆柱相同，不同在于各部件的內部結構與加工形式；智能鉆柱不同截面處裝有壓力傳感器，視井身結構設計可多達30～40個，當地層流體從任意位置進入井筒，都會引起該處壓力傳感器發生變化，通過壓力變化值和流體流量進行數學建模和計算機進行計算，可以知道是否發生溢流以及溢流程度。智能鉆柱成本高昂，規模化應用還有待時日。

三、基于數值模型早期綜合溢流監測系統

隨著計算機技術高速發展，越來越多物理學的高階水力模型與具備深度學習功能的智能數據模型在油氣井溢流預警系統上得到應用。復雜的數值模型結合多相流、溫度、流體性質、扭矩、阻力以及幾個子模型，計算出流速、流體入侵量、氣錐、井底壓力等變量。預測出的溢流的模型集與傳感器實時數據通過計算機修正匹配，可以判斷溢流及其他事故。2001年Hargreaves等人提出基于貝葉斯(Bayes)概率的溢流早期預警系統，貝葉斯判別分析能自動校準波動數據，在中高噪音鉆井環境下，新系統傳感器靈敏度可提高10倍。2010年Kamyab等人提出了基于動態神經網絡早期溢流預警系統，與貝葉斯判別分析相比，該系統不需要前期大量地質資料，其運行基于實時處理傳感器返回的大量鉆井參數。

相較于人工神經網絡貝葉斯判別分析更能充分的利用先驗信息，不斷修正物理模型，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，鉆井工程師根據概率趨勢變化進一步確認是否發生溢流。人工神經網絡和貝葉斯兩種智能算法有一個共同的局限性，在使用前都需要大量培訓測試和構建不同層次預警網絡；此外，溢流監測的準確性、實時性和可靠性完全受先驗知識和訓練數據限制。目前基于數值模型早期溢流監測技術取得了很大的進展，國外Atbalance公司DAPC動態環空壓力控制系統、Halliburton公司MPD控壓鉆井系統、Weatherford公司MFC微流量控制鉆井系統、Mezurx公司的FADS流體異常監測系統以及國內川慶CQMPD-I精細控壓系統均已初步實現了早期溢流監測，但受限于傳感器種類、精度與可靠性、機械與環境噪聲、物理及數據模型本身與實際鉆井條件匹配程度以及軟件智能化程度，應用于大位移井、深水鉆井和窄密度窗口等復雜環境鉆井仍然是一個挑戰。

四、展望

(1)在現有基礎上充分利用地質信息、鄰井資料、測錄井資料、實鉆工程數據等綜合錄井資料,形成專家知識庫，并不斷的完善與優化風險識別模型，完成結合綜合錄井軟件與現場特色作業(LWD、MPD)數據為一體的智能化預警組態軟件的研發。

(2)隨著不斷鉆遇高含H2S/CO2、高溫高壓氣藏與油基鉆井液在頁巖氣和深水鉆井等非常規油氣藏鉆井中的廣泛使用，時常面臨超臨界態H2S/CO2和天然氣溶進鉆井液中導致的溢流監測難的問題。針對此類溢流監測隱蔽性和突發性等難點，我們應該深入開展油基鉆井液和超臨界流體多相流運移規律及溶解氣特性研究，并加大對井下傳感器精度、穩定性和算法等技術層面的攻關，如井下烴類感應器和井下流體實驗室技術等。

(3)深水鉆井具有浮式裝置搖動、井涌余量隨水深增加而減小、泥線處低溫高壓(易生成水合物)、井身復雜、溫度環境、淺層氣、淺層流和海水噪聲等特點，這對深水溢流監測及井控來說是個巨大挑戰。著重研究海水段(隔水管段)氣液兩相運移規律，在泥線處到井口段視水深和井身結構采用多點聲波傳感器監測溢流，并根據海水噪聲特性適當優化其濾波算法，以提高監測系統可靠性及精確性。

(4)海域、凍土天然氣水合物都具有埋藏淺、弱膠結、能量大的成藏特點，因此在對其鉆探過程中由于井周水合物分解會遇到井眼擴徑、垮塌、天然氣大量析出(天然氣突出現象)等事故，且天然氣突出后發展成為井噴事故時間極短，為此早期溢流監測技術顯得尤為重要。針對天然氣水合物埋藏淺的特點，優選在淺層溢流監測中具有良好的適應性的聲波氣侵監測法。

五、結束語

(1)井口參數法是溢流表征最基本也是最終的防線，可靠性高但具有明顯的滯后性，其中科里奧氏質量流量計測量的出口流量是當下最好的溢流監測方式之一；井下參數法能快速響應井底發生的狀況，極大增強鉆井過程控制能力，降低鉆井風險和事故率。其中井下流體實驗室技術是溢流表征最直接的監測方式，雖受信息傳輸技術制約未能廣泛使用，但仍然是時下溢流監測技術發展中重要一環。

(2)根據溢流發生時各參數響應時間，可優選出鉆時、進出口流量差、立套壓、環空壓力、環空溫度等敏感性參數；結合井口井下參數法，集井場大數據一體的智能化早期溢流綜合監測系統可有效實現溢流的早期預警，并對安全、高效鉆井作業提供保障，是早期溢流監測技術發展的必然趨勢。