隋秀香， 梁羽豐, 李軼明， 尹邦堂， 李相方

(1.中國石油大學(北京)石油工程學院，北京 102249；2.中國石油大學(華東)石油工程學院，山東青島 266555)

無論是陸地鉆井還是海洋鉆井，國內(nèi)外都曾發(fā)生過多起惡性井噴事故。研究認為，導(dǎo)致井噴事故發(fā)生的原因除了管理上的問題，主要原因還有2個：1)檢測氣體侵入的手段少，可靠性差；2)現(xiàn)有氣侵檢測系統(tǒng)報警遲緩，導(dǎo)致井噴一旦發(fā)生便難以及時進行井控，危害極大[1]。如2003年發(fā)生的重慶開縣高含硫特大井噴事故、2006年發(fā)生的四川清溪1井特大可控井噴事件、2010年發(fā)生的墨西哥灣MC252井噴爆炸特大事故等，從發(fā)現(xiàn)氣體到井噴中間時間極短，有的甚至不到5 min。而目前的深水鉆井含氣測量方法雖有很多種，但都存在一定的局限性。因此，如能研究出一種深水隔水管氣侵早期監(jiān)測方法，在氣體進入隔水管早期就能及時識別和發(fā)現(xiàn)，將對深水鉆井具有重要意義。為此，筆者基于多普勒測量技術(shù)，針對荔灣3-1及周邊深水氣田的具體情況，考慮侵入氣沿深水井筒的分布規(guī)律，研制了非接觸式深水超聲波多普勒測量系統(tǒng)(UUDMS)，并進行了大量室內(nèi)試驗，以期在鉆進及非鉆進工況下，只要氣體侵入隔水管中下部就能及時有效地監(jiān)測到，為安全井控贏得時間，避免深水鉆井惡性事故的發(fā)生。

1 深水鉆井氣侵早期測量現(xiàn)狀分析

目前，國內(nèi)外關(guān)于深水鉆井氣侵的早期監(jiān)測主要有鉆井參數(shù)異常變化檢測法、氣測值分析法、鉆井液池液面檢測法、流量檢測法、LWD溢流檢測法、APWD溢流檢測法等。這些方法都有其優(yōu)勢，也都有其局限性。

1) 鉆井參數(shù)異常變化檢測法。該方法對鉆遇地層的參數(shù)變化反應(yīng)靈敏，可以幫助判斷異常壓力地層等，但是影響因素多，判斷溢流有困難，需要有經(jīng)驗的技術(shù)人員來使用。該方法僅適合鉆進工況。

2) 氣測值分析法。該方法對氣體的反應(yīng)較靈敏，但發(fā)現(xiàn)氣體時氣體已經(jīng)到達地面，現(xiàn)場可以采取應(yīng)急措施的時間有限[2]。

3) 鉆井液池液面檢測法。該方法利用浮子式液位計或超聲液位計等對鉆井液罐的液位進行檢測[3]，在許多情況下監(jiān)測溢流有效，但實時性差。

4) 流量檢測法。該方法在許多情況下監(jiān)測溢流都非常有效，但若氣侵量較小或油基鉆井液在一定的泡點壓力范圍內(nèi)，檢測就會比較困難。該方法僅適合鉆進工況。

5) LWD溢流檢測法。該方法能夠第一時間識別鉆遇地層(包括油氣藏)的性質(zhì)，可以提示溢流發(fā)生的可能性，但不能評價溢流發(fā)生的時間及發(fā)生程度，需要借助專用軟件并由專業(yè)人員判斷。

6) APWD溢流檢測法。該方法能夠?qū)崟r測量井底環(huán)空壓力變化，對于溢流檢測及壓井都具有指導(dǎo)作用。但由于循環(huán)摩阻等問題，井下壓力測量分辨率不高，對于氣侵強度較低的情況，檢測到的時間較晚。

在非鉆進工況下，唯一可用的方法是鉆井液池液面溢流檢測法。但是起下鉆過程中，鉆井液池液面有時也發(fā)生變化，會干擾溢流檢測的精度。只有一種檢測方法適合于非鉆進工況，與50%以上井控事故發(fā)生在非鉆進工況不相適應(yīng)，同時檢測精度偏低。在大多數(shù)溢流情況下，目前的溢流檢測方法是可以檢測到的，但是都不能檢測深水鉆井幾千米隔水管內(nèi)鉆井液的含氣情況。

2 深水鉆井井筒侵入氣的分布規(guī)律

研究深水鉆井井筒氣液兩相溢流規(guī)律發(fā)現(xiàn)[4-5]：井筒中的液相為水時，氣侵發(fā)生后主要以泡狀流存在，故截面含氣率較小，隨井深變化不大，只在近井口附近截面含氣率突然增大；當井筒中為鉆井液時，由于鉆井液為非牛頓流體，氣泡主要以段塞流形式存在，最大截面含氣率都很大。

鉆井液循環(huán)期間，井底附近為泡狀流，但隨氣泡向上運移很快轉(zhuǎn)變?yōu)槎稳鳎叶稳鳉馀荻卧絹碓酱?，距離也越來越遠。進氣量不變時，段塞流平均截面的含氣率沿程變化較小，只是在井口附近突然增大，如圖1所示。

圖1 段塞流平均截面含氣率變化規(guī)律Fig.1 Changing discipline of average cross-section gas void fraction during slug flow

從圖1可以看出，氣體在井下距離井口500 m處時體積急劇膨脹，因此一旦發(fā)現(xiàn)地面的測量參數(shù)持續(xù)變化，就說明氣體距離井口已經(jīng)很近，并且在深水鉆井中，循環(huán)期間的氣體膨脹比非循環(huán)期間要大。

鉆井過程中發(fā)生氣侵時，氣侵速度越大，井口溢流速度越大；并且隨著氣體向上運移，由于氣體的膨脹及繼續(xù)侵入，導(dǎo)致井口溢流速度不斷增大。對于井深5 000 m的井，當氣體運移到距井口500～1 000 m時，井口溢流速度變化幅度比較大。因此，盡早發(fā)現(xiàn)井內(nèi)氣侵，對安全生產(chǎn)至關(guān)重要。

3 非接觸式深水超聲波多普勒測量系統(tǒng)

3.1 多普勒測量原理

當信號源發(fā)射的超聲波信號被一個與之存在相對運動的物體反射時，反射信號與發(fā)射信號的頻率出現(xiàn)差異，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。

在超聲波多普勒測量方法中，超聲波發(fā)射器為一固定聲源，固體顆粒隨流體一起運動，當超聲波發(fā)射器所發(fā)射的超聲波入射到這些固體顆粒上時，被反射到接收器上的超聲波頻率就會與發(fā)射頻率之間有一個差值，這個頻率差就是由于流體中固體顆粒運動而產(chǎn)生的多普勒頻移。因此，進行超聲波多普勒測量的一個必要條件就是:被測流體介質(zhì)應(yīng)含有一定數(shù)量可反射聲波的固體粒子或氣泡等。多普勒頻移與流體流速之間的關(guān)系式可表示為[6]：

(1)

式中：u為流體速度，m/s；c為超聲波傳播速度，m/s；f1為超聲波多普勒發(fā)射頻率，Hz；f2為超聲波多普勒接收頻率，Hz；θ為超聲波波速與流體運動速度的夾角，(°)。

實際測量發(fā)現(xiàn)，如果介質(zhì)中氣泡過大或過多都會嚴重影響測量的準確性[7]。室內(nèi)試驗研究也證明了這一點，即液體中的氣泡過多或過大都會導(dǎo)致多普勒頻移發(fā)生很大的偏移。

3.2 多普勒測量在隔水管氣侵監(jiān)測中的優(yōu)勢

1) 多普勒傳感器采用的是非接觸式測量，不與測量的介質(zhì)直接接觸，貼在隔水管的外面就能完成測量，對測量對象無任何損傷。安裝方便快捷，不影響鉆井作業(yè)的正常進行，適用于深水鉆井。

2) 深水鉆井中發(fā)生氣侵時，隨著氣體向上運移，氣體急速膨脹，流型也會隨之改變。而過多、過大的氣泡會導(dǎo)致多普勒頻譜產(chǎn)生很大偏移，據(jù)此可以利用多普勒頻譜受氣體影響的特性實時監(jiān)測隔水管內(nèi)的氣體情況。

3) 多普勒測量技術(shù)不受鉆井工況影響，不管是在鉆進狀態(tài)還是非鉆進狀態(tài)，多普勒頻移都能很好地反映深水隔水管內(nèi)的氣侵情況。

多普勒測量要求所測介質(zhì)內(nèi)含有一定數(shù)量的固體顆粒，深水鉆井中鉆井液所攜帶的固相物質(zhì)或巖屑正好滿足這一要求?？傊梅墙佑|式超聲波多普勒測量技術(shù)監(jiān)測隔水管，既能盡早發(fā)現(xiàn)深水鉆井中氣體侵入的情況，又不影響鉆井正常進行，為深水鉆井氣侵監(jiān)測及安全井控提供了一條有效途徑。

3.3 隔水管多普勒測量設(shè)計

為及時反映深水鉆井中的氣侵情況，擬沿隔水管外側(cè)從泥線以上每隔一定的距離布置一組多普勒超聲傳感器(如圖2所示)，以做到在較長距離內(nèi)連續(xù)監(jiān)測氣泡的變化，形成對氣體進入井筒的連續(xù)跟蹤和測量，最大限度地爭取井控時間。

圖2 隔水管外側(cè)沿程多普勒傳感器布置Fig.2 Doppler sensor deployment along the outside of the riser

3.4 深水多普勒傳感器的研制

對于深水鉆井，需要專門設(shè)計能防爆、防水、耐高壓的多普勒超聲波傳感器。而且，多普勒測量探頭要安裝在水下1 500 m甚至更深的地方，要求水下測量部分的結(jié)構(gòu)盡可能簡單，以方便安裝，同時測量信號要穩(wěn)定。

目前多普勒傳感器采用雙換能器(1個發(fā)射換能器和1個接收換能器)方式，2個換能器共同完成信號測量。在深水中，為使信號能有效發(fā)送和接收，同時簡化水下安裝程序，研究出適合深水鉆井的單換能器超聲波多普勒測量方式，1個換能器能同時完成發(fā)射和接收任務(wù)。將超聲波發(fā)射和接收功能設(shè)計在1個換能器內(nèi)，對保證信號的測量和方便安裝都起到很大的作用。

測量時，將多普勒測量換能器放在水下，將信號處理部分放在平臺上，多普勒測量探頭的頻譜信號通過電纜傳至地面，然后分2部分進行分析：一個是將功率譜信號處理后轉(zhuǎn)換成多普勒流量信號進行分析；另一個直接對放大后的功率譜信號進行分析。同時分析氣體入侵后2個信號的變化，從而更深入地發(fā)現(xiàn)氣體的侵入情況(見圖3)。

圖3 深水鉆井單探頭多普勒測量系統(tǒng)示意Fig.3 Schematic diagram of single-probe Doppler measu-ring system in deepwater gas fields

4 室內(nèi)試驗

設(shè)計了GYD-Ⅰ型多相流測量裝置，該裝置主要由液體循環(huán)系統(tǒng)、氣體注入系統(tǒng)及測量系統(tǒng)組成。測量主管道可用有機玻璃管和金屬管兩種，有機玻璃管用來觀察垂直管流、水平管流下氣液兩相流或多相流的流型，金屬管用來模擬隔水管進行氣侵監(jiān)測試驗。

4.1 水基鉆井液中的模擬試驗

為了更貼近生產(chǎn)現(xiàn)場的情況，試驗中采用水基鉆井液作為連續(xù)相，在不同流速、不同含氣率下進行試驗，每組試驗采取固定鉆井液流速、逐步增大含氣率的方式進行。

以其中一組試驗結(jié)果為例進行說明。該組試驗采用的流速為0.566 m/s，鉆井液密度1.24 kg/L，表觀黏度24.5 mPa·s。對不同含氣率下超聲多普勒測量系統(tǒng)輸出信號電壓進行實時采集處理，求其平均值(見圖4)。其中，對小含氣率范圍進行了適當加密，含氣率分別為0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%、6.0%、8.0%、10.0%、12.0%和15.0%。

圖4 輸出信號電壓與含氣率的關(guān)系Fig.4 Relationship between measurement signal and gas void fraction

由圖4可知，在水基鉆井液中，超聲波多普勒測量系統(tǒng)輸出信號電壓有隨含氣率上升而增大趨勢，其他流速下的數(shù)據(jù)處理結(jié)果都有相似結(jié)論。

4.2 概率密度分析

為進一步加強對水基鉆井液中含氣量情況的分析，對超聲波多普勒測量系統(tǒng)輸出信號電壓的概率密度分布進行了研究，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同含氣率下的概率密度Fig.5 Probability density under different gas void fractions

從圖5可以看出，在含氣0.5%和1.0%的情況下，超聲波多普勒輸出信號的概率分布形式與不含氣情況下的概率分布形式差別較小；含氣率為3.0%的情況下，信號概率分布與不含氣的情況相比差距較大，分布中心線之間的差距在200 mV左右；含氣率超過5.0%后，信號概率分布與不含氣的情況相比差距進一步增大，此現(xiàn)象可作為氣侵監(jiān)測預(yù)警依據(jù)。

5 結(jié)論與建議

1) 利用研制的深水多普勒測量系統(tǒng)進行深水隔水管氣侵早期監(jiān)測時，若隔水管內(nèi)液相為水基鉆井液，則超聲波多普勒測量系統(tǒng)的輸出信號隨含氣率的上升而增大。

2) 隨著含氣率的逐漸上升，信號概率分布與不含氣條件下的概率分布的差別在逐步變大，據(jù)此可以推斷井內(nèi)含氣量的大小，為安全井控提供保障。

3) 所研制的基于多普勒測量技術(shù)的深水隔水管氣侵測量系統(tǒng)，不僅適合鉆進狀態(tài)，也適合非鉆進狀態(tài)。

4) 非接觸式測量和單探頭方式滿足了深水生產(chǎn)環(huán)境測量和安裝的要求，安全性和可靠性大大提高。

5) 截至目前只研究了隔水管內(nèi)液相為水基鉆井液的情況，建議繼續(xù)對油基鉆井液條件下的氣侵情況進行試驗研究。

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