李 寧 郭云鵬 程天輝 余大洲 郭科佑 趙 佩

(1.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，河北 062556；2.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司，天津 300450；3.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司塔里木鉆井分公司，新疆 841000；4.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司第四鉆井工程分公司，河北 062556)

在油田建設(shè)鉆井施工過程中，尤其是針對惡性漏失井，液面高低直接影響著井控安全性。一種靈活高精度的液面測量技術(shù)不僅能夠?qū)崟r監(jiān)控液面高度保證鉆井施工安全并且通過液面測量數(shù)據(jù)還能夠指導堵漏工作的進行。

1 液面監(jiān)測裝置國內(nèi)現(xiàn)狀

目前在油田生產(chǎn)過程中液面的測量方法主要分為鉆桿柱校核法、電纜計數(shù)法和傳統(tǒng)測井使用的無彈頭子彈或者氮氣瓶聲波彈作為發(fā)聲裝置，通過聲波的釋放與聲波回彈接收，來計算液面高度。這些測試方法存在著操作繁瑣，浪費周期長，準確度低，需要人員豐富經(jīng)驗配合等不足之處，測井儀器傳統(tǒng)方法存在的設(shè)備笨重，結(jié)構(gòu)復雜，并且存在一定風險性。

2 液面自動檢測儀工作原理

為了解決上述不足之處，在原有傳統(tǒng)測量儀器上經(jīng)過優(yōu)化、集成、精簡設(shè)計出一種設(shè)備輕便，操作簡單，精度高的液面自動監(jiān)測裝置。由聲波發(fā)送裝置，數(shù)據(jù)收集裝置，數(shù)據(jù)計算處理裝置，模擬信號生成裝置組成。聲波發(fā)送裝置由防爆式打氣泵(氣壓槍)作為聲波生成發(fā)送裝置，采用事先設(shè)定好的發(fā)送間隔實現(xiàn)每隔固定時間監(jiān)測一個時間點的作用。聲波發(fā)送出去經(jīng)過環(huán)空內(nèi)液面反射，傳送回液面監(jiān)測裝置接收系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)收納，聲波發(fā)送出去以后在井筒環(huán)控中會受到環(huán)境溫度、壓力、聲波傳輸線路內(nèi)徑變化、鉆具接箍等影響，這就需要數(shù)據(jù)處理裝置進行信號過濾，優(yōu)化處理，計算生成數(shù)字信號然后進行計算。

液面結(jié)果通過聲速法計算，公式如下所示：

(1)

式中：H液面為井口液面高度數(shù)據(jù)，m；c為聲速，m/s；t為聲波往返時間，s。

套管內(nèi)的聲速c不是通過套管中的接箍波間接計算，而是利用油、套管環(huán)形空間的氣體組分求聲速c。

(2)

式中：c為聲音在井筒中的氣體傳播速度，m/s；r為該種氣體的絕熱指數(shù)，為該種氣體的定壓；分子熱容量和定容分子熱容量之比，可查表得到；R為摩爾氣體常數(shù)，R=8.314×103J/(mol.K)；T為絕對溫度，M為該種氣體的摩爾質(zhì)量。

計算完成以后通過處理裝置轉(zhuǎn)換為直觀可視化信號通過人工識別優(yōu)選發(fā)出點和接收點，計算出液面高度，指導后續(xù)工作。

3 液面自動監(jiān)測儀現(xiàn)場應用

四川頁巖氣項目多年來一直被漏失復雜困擾著，尤其是發(fā)生在茅口組的失返性惡性漏失，液面自動檢測技術(shù)的應用為頁巖氣井控安全以及堵漏工作提供里更直觀和準確的數(shù)據(jù)支持保障。

當鉆遇失返性漏失層后，利用液面自動監(jiān)測儀可以在不起鉆的條件下首先獲取一個靜液面高度，然后配合液面自動監(jiān)測儀的套壓測量功能計算出當前井筒內(nèi)的地層平衡壓力P地。液面自動監(jiān)測曲線如圖1所示。

圖1 液面監(jiān)測聲波曲線圖

在進行常規(guī)水泥堵漏時，需要保持井內(nèi)液柱壓力等于地層平衡壓力

P液=P地

(3)

式中：P液為井筒內(nèi)水泥漿液柱壓力和泥漿液柱壓力之和，MPa；P地為漏失時地層平衡壓力，MPa。

打入堵漏水泥漿后，井筒內(nèi)液柱壓力會發(fā)生變化增加，這樣井筒和地層就失去了平衡，最終部分泥漿會流入地層，待井筒內(nèi)液柱壓力恢復到地層平衡壓力之后，液面位置不再變化。

假設(shè)現(xiàn)場需要打入一定量的堵漏水泥，堵漏水泥和原有泥漿組成了堵漏后的井筒內(nèi)泥漿體系，可以得出：

ρ泥漿gh1+ρ水泥gh2+ρ泥漿gh3>P地

(4)

此時為了尋找平衡，液面高度會下降，當h3段的泥漿全部漏失到地層后，井筒內(nèi)恢復平衡。打入堵漏水泥漿的過程如圖2所示。

圖2 打入堵漏水泥漿過程井筒內(nèi)狀態(tài)

打入堵漏水泥位置h的計算如下：

根據(jù)公式(3)可以得出平衡狀態(tài)下h1：

ρ泥漿gh1+ρ水泥gh2=P地

(5)

(6)

所以

h3=h泥漿-h1

(7)

式中:P地為地層漏失時平衡壓力，MPa；ρ泥漿為井筒內(nèi)鉆井液密度，g/cm3；ρ水泥為堵漏水泥密度，g/cm3；g為重力系數(shù)=0.00981；h1為平衡后泥漿高度，m；h2為已知注入堵漏水泥高度，m；h3為平衡后漏失泥漿高度，m；h泥漿為泥漿平衡條件下的液面高度，通過靜液面測量得出，m；

由式(6)可以得出堵漏水泥打入位置h：

h=h井深-h3

(8)

h井深為井底位置，m；

h為堵漏水泥注入位置，m；

為了保證井筒內(nèi)成功留塞，也保證漏失地層進入堵漏水泥確保堵漏效果，堵漏水泥打入位置應該略大于h。

現(xiàn)場應用表明，液面自動監(jiān)測技術(shù)具備以下優(yōu)點：

(1)誤差小，實際監(jiān)測結(jié)果表明，測得結(jié)果誤差為±2m，完全滿足現(xiàn)場施工需求。

(2)設(shè)備輕便，操作靈活。監(jiān)測儀器設(shè)備重量僅為28.5kg，外形尺寸400*300*200mm，一人即可完成整個設(shè)備的安裝與操作。

(3)設(shè)備具有套壓測量功能，能夠準確測算出發(fā)生漏失后的地層平衡壓力。確保施工安全。

(4)實時性強，液面自動監(jiān)測儀可以實現(xiàn)連續(xù)液面測量跟蹤功能，測量間隔僅為3分鐘，能夠如實的反應液面在井底動態(tài)情況。

4 結(jié)論

(1)采用液面自動監(jiān)測技術(shù)可以獲得實時液面高度數(shù)據(jù)，為鉆井井控施工安全以及堵漏作業(yè)提供可靠的數(shù)據(jù)參考。

(2)液面自動監(jiān)測儀的使用更為輕便快捷，相比測井、電纜測量以及鉆具測量更為高效準確。

(3)儀器的套壓測量功能結(jié)合液面高度能夠準確的提供地層壓力數(shù)據(jù)，相比關(guān)井求壓更為快捷方便。