劉清友，包凱，任文希 （油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室 （西南石油大學），四川 成都 610500）

氣體鉆井過程中地層出水的微波隨鉆監(jiān)測方法

劉清友，包凱，任文希 （油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室 （西南石油大學），四川 成都 610500）

針對目前氣體鉆井過程中地層出水預測方法不夠完善，往往導致預測結果滯后，尤其是在剛鉆遇水層或地層微量出水時難以準確判斷井下出水狀況，提出了一種基于微波技術的隨鉆監(jiān)測氣體鉆井地層出水的新方法，依據微波諧振腔的微擾原理，通過測量微波諧振腔的諧振頻率偏移，以實現(xiàn)對空氣鉆井過程中返出氣體濕度的連續(xù)在線監(jiān)測，并根據氣體鉆井現(xiàn)場工況，對微波諧振腔傳感器進行優(yōu)化設計。室內模擬試驗表明，該項監(jiān)測技術測量結果同實際值基本相符，誤差約為7%，且具有靈敏、連續(xù)及操作方便等優(yōu)點，能夠及時有效地反映返出氣體的濕度變化，表明提出的監(jiān)測技術是可靠的，且具有一定的現(xiàn)場參考價值。

氣體鉆井；地層出水；微波技術；隨鉆監(jiān)測；試驗研究

氣體鉆井技術是利用氣體循環(huán)介質替代傳統(tǒng)液體循環(huán)介質的鉆井新方法［1～3］。氣體鉆井作為欠平衡鉆井技術的一個重要分支，近年來以其獨特的技術優(yōu)勢在油氣田開發(fā)中廣泛推廣，其主要特點如下：①大幅度提高機械鉆速，縮短建井周期；②避免漏失問題；③有效預防儲層損害，極大地保護了地層的原始產能［4］。但 “氣體鉆井怕水”一直是困擾氣體鉆井發(fā)展的主要技術瓶頸之一，地層出水后，若未能及時發(fā)現(xiàn)和處理，可能會導致井壁失穩(wěn)、鉆具泥包、卡鉆等井下復雜事故，嚴重威脅鉆井施工安全。

目前預測氣體鉆井時地層出水的方法主要有3類：①利用已有的測井資料對出水地層進行鉆前預測；②鉆井過程中，對地層出水進行實時監(jiān)測；③通過鉆井施工過程中地面反映出的各種參數(shù)數(shù)據、現(xiàn)象來判斷地層出水情況，如立管壓力、轉盤扭矩變化、排砂管噴勢等。前兩類方法大多基于測井數(shù)據和滲流力學模型來對地層出水進行預測，由于存在測量誤差且采用理想化模型的緣故，得出的結果同實際數(shù)據往往存在一定的差距；后一類現(xiàn)場采用的簡易判斷方法，多依據工作經驗，對于剛鉆遇水層或地層微量出水時，往往難以準確判斷井下出水狀況，容易貽誤氣液轉換時機，甚至引起更為嚴重的后果［5～8］。此外文獻 ［9，10］指出，氣體鉆井過程中地層微量出水有利于泥餅在井壁堆積，泥餅過厚導致環(huán)空間隙變小，進而造成環(huán)空憋堵等井下復雜情況。地層微量出水往往具有隱蔽性強、難以監(jiān)測的特點，因此實現(xiàn)對地層微量出水的監(jiān)測極其重要。筆者基于微波諧振腔的微擾原理，建立了返出氣體濕度與諧振腔的諧振頻率偏移的數(shù)學模型，通過測量諧振腔的諧振頻率偏移，以實現(xiàn)對返出氣體濕度的連續(xù)在線監(jiān)測。

1 微波技術監(jiān)測方案及機理

1.1 微波技術監(jiān)測方案

氣體鉆井是利用壓縮機向井內注入壓縮氣體，依靠環(huán)空高壓氣體的能量，把鉆屑從井底經排砂管帶到地面，并在地面進行固體氣體分離。在注氣循環(huán)或鉆進過程中，為了實現(xiàn)對地層出水的隨鉆監(jiān)測，筆者提出在排砂管上安裝氣體取樣管，環(huán)空返排的混合氣流通過微波傳感器，引起微波傳感器腔內混合物介電常數(shù)的變化，導致微波諧振頻率也產生變化，當返出的混合氣流溫度、壓力一定時，通過檢測微波傳感器的諧振頻率變化來確定返出氣流的濕度，進而實現(xiàn)對地層出水情況的判斷，氣體鉆井微波技術隨鉆監(jiān)測方案示意圖如圖1所示。

1.2 微波技術監(jiān)測機理

該設計利用微波諧振腔的介質微擾原理，以諧振腔作為傳感器，通過測量諧振腔的諧振頻率變化，可以實現(xiàn)對某些非電量的測量［11～13］。腔內介質的介電常數(shù)在一定壓力和溫度下，由流動氣體的濕度決定，根據諧振腔的諧振頻率隨腔內電介質的介電常數(shù)變化而發(fā)生偏移這一特性，通過測定諧振頻率的變化，就能得到流動氣體的濕度。通常情況下，空氣的介電常數(shù)為1F／m，水的介電常數(shù)為81.5F／m，因此對于均勻充滿諧振腔內的混合氣流而言，含水量是影響其介電常數(shù)變化的主要因素。利用返出氣體混合物介電性質的差異，采用微波諧振腔微擾原理即可實現(xiàn)對氣體鉆井過程中地層出水的精確監(jiān)測。

圖1 氣體鉆井微波技術隨鉆監(jiān)測方案

氣體鉆井過程中返出的氣流具有一定濕度，但氣流中水滴所占體積與質量都較小，假設將空氣鉆井返出的濕蒸汽混合物視為連續(xù)介質相 （干飽和蒸汽）和分散介質相 （水滴）兩種介質以一定比例組成的均勻混合物，則濕蒸汽混合物的復介電常數(shù)計算公式可表示為［14～16］：

式中：εm為濕蒸汽混合物的復介電常數(shù)，F(xiàn)／m，可通過試驗測出；ε1、ε2分別為水滴和干飽和蒸汽的介電常數(shù)，F(xiàn)／m；φ1為水滴的體積分數(shù)。

將濕蒸汽混合物的濕度定義為水滴質量與混合物總質量的比值，用Y表示：

式中：m1、m2分別為水滴與干飽和蒸汽的質量，kg；ρ1、ρ2分別為水滴與干飽和蒸汽密度，kg／m3。

實際應用過程中，在給定的溫度與壓力系統(tǒng)下，m1、ρ1、m2、ρ2均為已知量，所以只要測得濕蒸汽混合物的復介電常數(shù)即可得出其濕度。

當濕氣流通過諧振腔時，腔內的濕蒸汽混合物介電常數(shù)與諧振腔的頻率變化滿足如下關系：

式中：Δf為諧振腔微擾后的諧振頻率偏移量，kHz；f0為諧振腔空腔的諧振頻率，kHz。綜上可知，氣流濕度與諧振頻率之間的關系如下：

受排砂管線出口處溫度和壓力的影響，地層未出水條件下，返出氣流濕度約為45%；若地層出水，返出氣流濕度勢必會大幅度增加。當排砂管線能夠觀測到出水時，濕度即達到100%，所以采用微波諧振腔傳感器可以在地表觀察到出水前及時發(fā)現(xiàn)地層出水征兆，提供風險警示，為下一步工程決策提供依據。

2 微波諧振腔傳感器設計

2.1 微波諧振腔傳感器性能要求

為了滿足氣體鉆井工藝及監(jiān)測流程工藝的要求，微波諧振腔傳感器設計要求如下：①氣體取樣管中的混合氣流需在諧振腔內連續(xù)平穩(wěn)流動，以實現(xiàn)對氣流的連續(xù)監(jiān)測，因此諧振腔應兩端開口；②微波諧振腔傳感器極易受外界環(huán)境的影響，特別是溫度的影響，應盡可能減小溫度的變化，以保證高諧振頻率的穩(wěn)定性；③諧振腔內壁應涂有良好的導體層，以提高其品質因素，使頻率的變化能準確反映混合氣流濕度的變化。

2.2 微波諧振腔傳感器特點

微波諧振腔傳感器示意圖見圖2。該傳感器具有如下特點：①所設計的諧振腔為反射式，只有一個耦合機構，兼作信號輸入和輸出，諧振腔與矩形波導之間靠磁場耦合，耦合裝置為耦合小孔，諧振頻率點諧振腔與矩形波導相匹配，實現(xiàn)最大信號的輸出，輸出信號通過處理后頻率范圍為0～10MHz；②環(huán)形分隔器與諧振腔同軸，位于諧振腔兩端，保證諧振腔兩端在電氣上短路，使電磁波在兩端發(fā)生全反射，使諧振腔發(fā)生諧振，同時使通過諧振腔內的混合氣流平穩(wěn)均勻，便于精確測量；③進口處氣體取樣管直接與氣管快插接頭相連，出口處尾氣管直接與氣管快插接頭相連，方便測試與更換。

圖2 微波諧振腔傳感器

3 試驗研究

為進一步驗證該微波監(jiān)測技術在氣體鉆井過程中的可行性、實用性，筆者設計室內模擬試驗，采用分流法產生不同濕度的氣體代替氣體鉆井過程中返出的混合氣流。分流法原理是將干燥空氣與飽和水蒸氣的濕空氣按一定比例混合，從而獲得所需濕度的氣體［17］?？諝鈮嚎s機產生的氣流分兩部分，一部分經由流量計1進入飽和槽再進入試驗槽；另一部分通過干燥器后的空氣，經流量計2后直接進入試驗槽。兩路空氣的壓力與溫度相同，且與試驗槽內充分混合的氣體一致。將不同濕度的氣體連續(xù)通過微波諧振腔傳感器，通過對諧振頻率信號的采集，檢測混合氣體的濕度，并與標準濕度值進行對比分析。

3.1 室內模擬試驗方案設計

試驗主要由兩部分組成。第1部分為標準濕度氣體發(fā)生裝置，從t1時刻到t8時刻，氣體濕度先逐漸增加再減小，以模擬氣體鉆井過程中返出的不同濕度的混合氣流；第2部分為微波傳感器檢測系統(tǒng)，一定濕度的混合氣體進入微波諧振腔傳感器，通過對諧振頻率信號的采集，計算出氣體濕度。室內模擬試驗方案流程示意圖如圖3所示。

圖3 室內模擬試驗方案

3.2 試驗結果及分析

試驗過程中，分流法產生的標準濕度氣體溫度為25℃，調節(jié)通過流量計1與流量計2氣體體積的比值，產生濕度大小為45%～98%的混合氣體，具體參數(shù)如表1所示。

如微波諧振腔傳感器工作環(huán)境溫度為25℃，在對應的t時刻記錄諧振腔偏頻的大小，并計算出氣體的濕度，結果如表2所示，在t7時刻，微波傳感器出口觀察到有液滴，隨著濕度減小，液滴消失。

表1 分流法標準濕度發(fā)生數(shù)據

表2 微波傳感器所測數(shù)據

對比分流法產生的標準濕度與該時刻微波傳感器檢測計算所得的濕度，結果如圖4所示。

從圖4可以看出，理論值與微波技術監(jiān)測試驗值相符合，誤差約為7%，分析主要原因為轉子流量計測量精度、微波掃頻儀測量精度及試驗環(huán)境的影響。

圖4 微波傳感器檢測結果與標準結果對比

4 結論與認識

1）針對目前氣體鉆井過程中地層出水預測方法反應較為遲緩、且在地層出水量較小時難以準確判斷井下出水狀況的不足，提出了一種基于微波技術的隨鉆監(jiān)測氣體鉆井地層出水的新方法。

2）針對氣體鉆井現(xiàn)場工況，設計了一種微波諧振腔傳感器，并進行了室內模擬試驗，試驗結果與理論值基本相符，誤差約為7%，表明利用微波諧振腔微擾技術測量流動氣體濕度具有可行性。

3）微波諧振腔傳感器的測濕效果明顯，具有靈敏、連續(xù)及操作方便等優(yōu)點，能夠較好地適用于剛鉆遇水層或地層微量出水時等特殊情況，有利于早期識別和控制井下復雜情況，對氣體鉆井具有一定的現(xiàn)場指導意義。該方法還需進一步完善，并進行現(xiàn)場試驗驗證。

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［編輯］ 黃鸝

A M icrowave-based Monitoring while Drilling Method for Formation W ater Production in Gas Drilling

LIU Qingyou，BAO Kai，REN Wenxi (First Author's Address:State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，Sichuan，China)

A new monitoring while drilling(MWD)method based on microwave technique was proposed to solve the problem that the currentMWDmethod was notaccurate enough to predict the trend of formation water production during the gas drilling promptly，the predicted resultwas often delayed，when the water layer was first encountered in drilling orwhen the amount of water production was small.Based on the microwave cavity perturbation theory，it can continuously monitor the humidity of backflow gaseson-line during the gas drilling bymeasuring resonant frequency shiftof the cavity，aswellas optim ize the design ofmicrowave cavity sensor according to the operation conditions in the gas drilling field.The laboratory simulation experiments show that the results of new MWDmethod are basically consistentwith thatof actual value with an error about7%，and it can reflect the changes of airflow humidity timely and effectivelywith advantages of sensitivity，continuity and easy operation.It is presented that the new MWD method is reliable and provides certain reference for the oilfields.

gas drilling;formation water production;microwave technique;monitoring while drilling;experimental research

TE242

A

1000-9752（2014）05-0093-04

2013-11-05

國家自然科學基金項目 （51134004）。

劉清友 （1965-），男，1986年西南石油學院畢業(yè)，教授，博士生導師，長江學者特聘教授，主要從事石油天然氣裝備、油氣井工程力學、井下爬行器、計算機仿真等方面的教學和科研工作。