尹邦堂， 張旭鑫， 孫寶江， 李相方， 黃名召

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，非常規(guī)油氣開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266580； 2.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 石油工程學(xué)院，北京 102249； 3.中國(guó)石油海洋工程有限公司，北京 100028)

0 引 言

天然氣水合物具有分布廣、儲(chǔ)量豐富、能量密度大和清潔高效的特點(diǎn)，是一種潛力巨大的替代能源。天然氣水合物資源接近99%賦存在海底，只有1%存在于陸地凍土層。我國(guó)南海北部大陸坡天然氣水合物遠(yuǎn)景資源量達(dá)185×108t油當(dāng)量，整個(gè)南海海域的天然氣水合物資源量達(dá)(643.5～772.2)×108t油當(dāng)量，約相當(dāng)于中國(guó)陸上和近海石油、天然氣總資源量的一半，具有良好的資源開發(fā)前景。2017年5月，我國(guó)于南海神狐海域首次完成可燃冰的成功試采[1-2]。勘探顯示，南海神狐海域有11個(gè)礦體，面積128 km2，資源儲(chǔ)存量1.5×108t石油當(dāng)量。神狐海域可燃冰儲(chǔ)量只是我國(guó)可燃冰蘊(yùn)藏量的冰山一角。

盡管溢流井噴及井噴失控是石油工業(yè)界一直采取各種措施都力求避免的，但是歷史證明，只要開發(fā)石油，此類事故就不可能杜絕[3-5]。普通油氣井發(fā)生井噴類事故，其損失可能巨大[6-7]，而深水油氣井可能更甚[8-10]。

2010年4月20日，墨西哥灣深水地平線平臺(tái)發(fā)生井噴、起火、爆炸，平臺(tái)傾覆，11人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失上千億美元，同時(shí)對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境造成不可逆轉(zhuǎn)的破壞[9]。從事故的處理過(guò)程可以看出，目前海洋石油鉆井井噴及井噴失控的搶險(xiǎn)裝置及技術(shù)極其缺乏，對(duì)于水合物藏鉆井來(lái)說(shuō)更是如此。

溢流早期監(jiān)測(cè)可以減小或避免井噴失控的可能性，是水合物藏鉆井井控技術(shù)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在水合物開發(fā)過(guò)程中有著極其重大的意義。然而對(duì)于海上，尤其是深水水合物藏鉆井來(lái)說(shuō)，目前尚缺乏一種有效的方法可以進(jìn)行早期溢流監(jiān)測(cè)[11]。

針對(duì)以上問(wèn)題，基于氣液兩相流理論[12-13]、多普勒超聲波原理[14]，本文設(shè)計(jì)了一種深水水合物藏鉆井溢流早期監(jiān)測(cè)模擬實(shí)驗(yàn)裝置，學(xué)生及科研人員可以利用該裝置直觀、形象地觀察、了解、掌握水合物的形成、分解特點(diǎn)及規(guī)律，發(fā)現(xiàn)多普勒超聲波信號(hào)與氣體含量的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)水合物藏鉆井的溢流早期監(jiān)測(cè)。

1 隔水管外沿程氣侵監(jiān)測(cè)可行性分析

由于深水海洋環(huán)境及地層條件的復(fù)雜性和特殊性，復(fù)雜的鉆井工藝，陸上及淺水氣侵監(jiān)測(cè)技術(shù)不再適用于深水鉆井。相對(duì)于陸地與淺水鉆井，深水鉆井有0.5～3 km的隔水管系統(tǒng)暴露在海水環(huán)境中[15-16]。與其要借助于昂貴的LWD、PWD、APWD等進(jìn)行環(huán)空壓力監(jiān)測(cè)，不如在隔水管外側(cè)沿程多點(diǎn)進(jìn)行氣體監(jiān)測(cè)更加安全高效。

以南海某深水井為例，水深1.5 km，井深2 km，鉆井液密度1.2 g/cm3?；诰箔h(huán)空瞬態(tài)兩相流動(dòng)模型[12-13]，得到不同氣侵程度(以初始含氣率大小表征)下的含氣率、地面泥漿池增量隨井深的變化規(guī)律，如圖1、2和表1所示。

圖1、2中，1.5 km處為海底泥線處，即0～1.5 km是隔水管所處的深度。從圖1可以看出，初始?xì)馇趾瑲饴蕿?%～5%時(shí)，到達(dá)泥線1.5 km處時(shí)已經(jīng)變?yōu)?%～12%。從井底到海平面，隨著井深的減小，含氣率逐漸增大。從泥線處往上開始監(jiān)測(cè)氣侵含氣率，要比從井底開始監(jiān)測(cè)容易得多。

圖1 含氣率隨井深的變化規(guī)律

圖2 地面泥漿池增量對(duì)井深的變化規(guī)律

井底截面含氣率/%12345泥線處截面含氣率/%2.515.026.859.1312.55地面溢出量/m30.270.570.7411.3

從表1可以看出，井底初始含氣率為3%時(shí)，泥線處的含氣率達(dá)到6.85%時(shí)，對(duì)應(yīng)的泥漿池增量為0.74 m3，氣侵時(shí)間為16 min，利用隔水管外方法可監(jiān)測(cè)到氣侵。當(dāng)泥漿池增量為1 m3時(shí)，傳統(tǒng)方法[11]才可以監(jiān)測(cè)到氣侵，這時(shí)已經(jīng)氣侵26 min。隔水管外氣侵監(jiān)測(cè)方法比傳統(tǒng)方法早10 min左右，為壓井提供了較為富余的時(shí)間。

2 多普勒超聲波氣侵早期監(jiān)測(cè)原理

多普勒超聲波監(jiān)測(cè)是基于多普勒效應(yīng)得到的，即超聲波頻率的大小與聲源、觀察者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)有直接關(guān)系[17-20]。聲源越近，觀察者接收的頻率越高；反之，越低?；诖耍瑢⒁粚?duì)超聲波換能器緊貼在隔水管外壁，一個(gè)向隔水管環(huán)空內(nèi)流動(dòng)的鉆井液發(fā)射固定頻率的超聲波，當(dāng)遇到鉆井液中的固相顆粒(巖屑)、氣泡時(shí)，會(huì)發(fā)生反射波，此時(shí)已偏離發(fā)射頻率；而這種偏離正好與所遇到的反射物質(zhì)的速度成正比。另一個(gè)換能器接收反射回來(lái)的波，再經(jīng)過(guò)信號(hào)處理、頻譜分析等，計(jì)算出隔水管截面內(nèi)的反射物的速度。

如圖3所示，當(dāng)超聲波束在管軸線上遇到1粒固體顆粒，該粒子以速度v沿軸線運(yùn)動(dòng)。對(duì)超聲波發(fā)射器而言，該粒子以vcosα速度離去，所以粒子收到的超聲波頻率f2應(yīng)低于發(fā)射的超聲波頻率f1。固體粒子又將超聲波束散射給接收器，由于它以vcosα的速度離開接收器，所以接收器收到的超聲波頻率f3又一次降低。最終得到多普勒頻移Δf[12]：

(1)

f1-發(fā)射的超聲波頻率；f2-粒子接收的超聲波頻率；f3-接收器接收的超聲波頻率；v-粒子運(yùn)動(dòng)速度；α-超聲波束與管軸線夾角；c-流體中的聲速；β-超聲波入射角；φ-超聲波透射角

圖3 超聲波多普勒基本原理

多普勒超聲波氣侵早期監(jiān)測(cè)方法是利用多普勒超聲波效應(yīng)對(duì)隔水管內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量。氣侵后，隔水管環(huán)空內(nèi)鉆井液中的氣泡運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致聲波發(fā)生多普勒頻移。通過(guò)濾波，將超聲波在含有氣泡的鉆井液的頻變特征反映出來(lái)，得到含氣率與聲波頻變的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆井液中的含氣率。基于此，可判斷是否存在氣侵。

多普勒超聲波氣侵早期監(jiān)測(cè)方法相比其他方法有較大的優(yōu)勢(shì)。①傳感器不放置在鉆井液中，而是緊貼隔水管外壁，是一種非接觸式測(cè)量，不損壞鉆井設(shè)備，不影響正常鉆井作業(yè)，安裝方便快捷。②深水鉆井氣侵后，侵入氣在環(huán)空中向上運(yùn)移，隨著壓力的降低，體積膨脹，會(huì)導(dǎo)致多普勒信號(hào)產(chǎn)生更大的偏移?？梢愿鶕?jù)信號(hào)的變化來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隔水管內(nèi)侵入氣體的情況。③該方法不受鉆井工況的影響，無(wú)論是循環(huán)鉆進(jìn)還是非循環(huán)靜止?fàn)顟B(tài)，都能很好地監(jiān)測(cè)到隔水管環(huán)空內(nèi)的氣體含量。

3 多普勒超聲波氣侵早期監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

3.1 模擬實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)幾何相似性和動(dòng)力相似性原理設(shè)計(jì)該模擬實(shí)驗(yàn)裝置。主體結(jié)構(gòu)包括井筒模擬系統(tǒng)、鉆井液循環(huán)系統(tǒng)、水合物生成與分解系統(tǒng)、多普勒信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)信息處理系統(tǒng)5個(gè)功能部分，如圖4～6所示。

1-有機(jī)玻璃內(nèi)管；2-模擬套管的有機(jī)玻璃外管；3-單向閥；4-提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力的內(nèi)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)；5-鉆桿；6-鉆井液儲(chǔ)存罐；7-柱塞泵；8-鉆井液流量計(jì)；9-鉆井液循環(huán)管路壓力計(jì)；10-氣瓶；11-泄壓閥；12-儲(chǔ)氣罐；13-冷水處理系統(tǒng)；14-氣體流量計(jì)；15-氣體壓縮機(jī)；16-反應(yīng)器；17-生成管路壓力計(jì)；18-溫度計(jì)；19-注水口；20-安全閥；21-加熱器；22-減壓閥；23-分解管路壓力計(jì)；24-集氣瓶；25-多普勒信號(hào)發(fā)生器；26-多普勒信號(hào)接收器；27-計(jì)算機(jī)；28-控制機(jī)柜；29-多普勒檢測(cè)儀

圖4 模擬水合物鉆井溢流早期監(jiān)測(cè)方法的實(shí)驗(yàn)裝置

圖5 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)氣液注入系統(tǒng)

(1) 井筒模擬系統(tǒng)包括有機(jī)玻璃內(nèi)管1、有機(jī)玻璃外管2、內(nèi)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)4、鉆桿5和單向閥3。有機(jī)玻璃內(nèi)管1用于模擬鉆柱，有機(jī)玻璃外管2用于模擬套管，有機(jī)玻璃外管2套裝在有機(jī)玻璃內(nèi)管1外側(cè)，有機(jī)玻璃內(nèi)管1的上部與單流閥3相連接，內(nèi)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)4的上方與單流閥3連接，下方與鉆桿5連接，內(nèi)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)4提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力帶動(dòng)鉆桿5轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)模擬井下鉆進(jìn)過(guò)程；單向閥3控制鉆井液只能從上往下流；有機(jī)玻璃外管2左邊的上下部分別安裝一個(gè)閥門，鉆井液通過(guò)上部的閥門回到鉆井液儲(chǔ)存罐6。

(2) 鉆井液循環(huán)系統(tǒng)包括鉆井液儲(chǔ)存罐6、柱塞泵7、鉆井液流量計(jì)8和鉆井液循環(huán)管路壓力計(jì)9。鉆井液儲(chǔ)存罐6分別與有機(jī)玻璃外管2左邊上部的閥門和柱塞泵7連接，連接柱塞泵7和單流閥3之間的管道上安裝有鉆井液流量計(jì)8和鉆井液循環(huán)管路壓力計(jì)9。

(3) 水合物生成分解系統(tǒng)包括氣瓶10、儲(chǔ)氣罐12、氣體壓縮機(jī)15、氣體流量計(jì)14、泄壓閥11、冷水處理系統(tǒng)13、注水口19、安全閥20、反應(yīng)器16、溫度計(jì)18、生成管路壓力計(jì)17、加熱器21、減壓閥22、分解管路壓力計(jì)23和集氣瓶24。含有水合物生成氣的氣瓶10依次與儲(chǔ)氣罐12、冷水處理系統(tǒng)13、氣體流量計(jì)14、氣體壓縮機(jī)15和反應(yīng)器16相連接，儲(chǔ)氣罐12和冷水處理系統(tǒng)13的底部均安裝泄壓閥11，反應(yīng)器16的頂部設(shè)有注水口19，注水口19的一側(cè)安裝安全閥20，另一側(cè)安裝溫度計(jì)18和生成管路壓力計(jì)17，反應(yīng)器16與井筒模擬系統(tǒng)的下部管路連通，井筒模擬系統(tǒng)的上部與集氣瓶24管路連接，井筒模擬系統(tǒng)與集氣瓶24之間的管路上依次安裝減壓閥22和分解管路壓力計(jì)23，鉆桿5的下方安裝加熱器21，加熱器21的數(shù)量根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)要求確定。

(4) 多普勒信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括多普勒信號(hào)發(fā)生器25、多普勒信號(hào)接收器26和超聲波多普勒監(jiān)測(cè)儀29。多普勒信號(hào)發(fā)生器25和多普勒信號(hào)接收器26安裝在有機(jī)玻璃外管2內(nèi)側(cè)并處在一條延長(zhǎng)線上，多普勒信號(hào)發(fā)生器25和多普勒信號(hào)接收器26的安裝角度與井筒呈60°，多普勒信號(hào)接收器26與超聲波多普勒監(jiān)測(cè)儀29相連接，如圖7所示。

(5) 計(jì)算機(jī)信息處理系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)27和控制機(jī)柜28?？刂茩C(jī)柜28分別與鉆井液流量計(jì)8、鉆井液循環(huán)管路壓力計(jì)9、氣體流量計(jì)14、溫度計(jì)18、生成管路壓力計(jì)17和分解管路壓力計(jì)23連接，計(jì)算機(jī)27與控制機(jī)柜28連接，控制機(jī)柜28控制壓力計(jì)、流量計(jì)的大小，計(jì)算機(jī)27實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)。

圖6 室內(nèi)試驗(yàn)主體部分圖7 模擬實(shí)驗(yàn)段外壁的多普勒傳感器

3.2 操作流程

對(duì)水合物鉆井溢流模擬監(jiān)測(cè)的具體過(guò)程為例。

(1) 打開內(nèi)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)4帶動(dòng)鉆桿5進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，接著打開鉆井液儲(chǔ)存罐，調(diào)節(jié)鉆井液流量計(jì)8使它的數(shù)值穩(wěn)定并讓鉆井液循環(huán)管路壓力計(jì)9保持在6～8 MPa，然后打開柱塞泵7并調(diào)節(jié)流速為1 m/s向井筒模擬系統(tǒng)中注入鉆井液開始循環(huán)。

(2) 當(dāng)循環(huán)開始后，氣瓶10中含有水合物生成氣，打開氣瓶10，使水合物生成氣進(jìn)入儲(chǔ)氣罐12后再進(jìn)入冷水處理系統(tǒng)13進(jìn)行冷卻，使其溫度控制為1～5 ℃；然后打開氣體流量計(jì)14的開關(guān)調(diào)節(jié)氣體氣量，打開氣體壓縮機(jī)15，調(diào)節(jié)生成管路壓力計(jì)17使它的數(shù)值穩(wěn)定；冷卻后的水合物生成氣經(jīng)過(guò)氣體壓縮機(jī)15進(jìn)入反應(yīng)器16。

(3) 打開反應(yīng)器16上部的注水口19向反應(yīng)器中注水，并打開溫度計(jì)18和生成管路壓力計(jì)17監(jiān)測(cè)反應(yīng)進(jìn)行；經(jīng)過(guò)反應(yīng)器16生成的水合物隨水經(jīng)管路進(jìn)入井筒模擬系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)鉆桿5的攪拌作用，加速水合物的再生成，并讓水合物隨鉆井液進(jìn)入內(nèi)管與外管之間循環(huán)；超聲波多普勒監(jiān)測(cè)儀29實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水合物的生成過(guò)程，并收集相關(guān)數(shù)據(jù)信號(hào)，在水合物生成過(guò)程中，水合物生成氣的含量不斷減少，超聲波多普勒監(jiān)測(cè)儀29監(jiān)測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度也隨之減小；當(dāng)通入的水合物生成氣反應(yīng)完畢后，打開鉆桿5上的加熱器21使水合物發(fā)生分解，超聲波多普勒監(jiān)測(cè)儀29實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水合物的分解過(guò)程，并收集相關(guān)數(shù)據(jù)信號(hào)，在水合物分解過(guò)程中，氣體的含量不斷增加，信號(hào)衰減增加，超聲波多普勒監(jiān)測(cè)儀29監(jiān)測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度也隨之減小，如圖8所示。

圖8 含氣率與多普勒超聲波信號(hào)隨時(shí)間變化

(4) 水合物分解產(chǎn)生的氣體進(jìn)入減壓閥22、分解管路壓力計(jì)23和集氣瓶24組成的導(dǎo)出系統(tǒng)，并在集氣瓶24中收集水合物分解產(chǎn)生的氣體，減壓閥22和分解管路壓力計(jì)23監(jiān)測(cè)氣體收集的過(guò)程，內(nèi)管與外管之間的鉆井液通過(guò)有機(jī)玻璃外管2上部的閥門重新回到鉆井液儲(chǔ)存罐6進(jìn)行下一次循環(huán)。

(5) 在環(huán)空管壁上安裝多組多普勒信號(hào)發(fā)生器25和多普勒信號(hào)接收器26的組合，使每組多普勒信號(hào)發(fā)生器25和多普勒信號(hào)接收器26處在一條延長(zhǎng)線上，并調(diào)整安裝角度使它們與井筒呈60°，普勒信號(hào)發(fā)生器25和多普勒信號(hào)接收器26的組合組數(shù)根據(jù)實(shí)際需要確定；普勒信號(hào)發(fā)生器25和多普勒信號(hào)接收器26均與超聲波多普勒監(jiān)測(cè)儀29相連接，監(jiān)測(cè)結(jié)果在超聲波多普勒監(jiān)測(cè)儀29屏幕上顯示，在鉆井液循環(huán)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水合物生成和分解的過(guò)程，得到水合物生成和分解的數(shù)據(jù)信號(hào)。

(6) 通過(guò)計(jì)算機(jī)27對(duì)水合物的水合物生成和分解的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到水合物的生成規(guī)律和鉆井條件下的分解規(guī)律，確定多普勒信號(hào)與截面含氣率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)水合物鉆井的溢流早期監(jiān)測(cè)。

4 結(jié) 論

(1) 基于多普勒超聲波原理，設(shè)計(jì)了深水水合物藏鉆井隔水管外非接觸式溢流早期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該裝置可以實(shí)現(xiàn)水合物的生成，同時(shí)監(jiān)測(cè)多普勒信號(hào)與注入氣含量的關(guān)系。水合物生成后，可以模擬水合物鉆井的情況。一邊實(shí)現(xiàn)水合物分解；另一邊監(jiān)測(cè)多普勒超聲波信號(hào)與分解氣含量的關(guān)系。該裝置可以實(shí)現(xiàn)水合物生成和分解的一體化。

(2) 該裝置對(duì)安裝在隔水管壁上的多普勒超聲波探頭接收到的信號(hào)進(jìn)行分析，確定多普勒信號(hào)與截面含氣率之間的定量對(duì)應(yīng)關(guān)系。正常情況下，信號(hào)由鉆井液中的固相顆粒產(chǎn)生，但是一旦發(fā)生氣侵，氣泡將變成多普勒信號(hào)的主要來(lái)源。隨著氣體含量增加或氣體體積膨脹，多普勒信號(hào)將發(fā)生明顯的頻移，利用這種信號(hào)頻移來(lái)監(jiān)測(cè)是否出現(xiàn)氣泡及含氣率的大小，由此進(jìn)一步監(jiān)測(cè)是否發(fā)生氣侵。

(3) 學(xué)生及科研人員可以通過(guò)該實(shí)驗(yàn)裝置的透明有機(jī)玻璃井筒、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)觀察到水合物的生成、分解規(guī)律，了解掌握水合物與注入氣體量、壓力、溫度的相互關(guān)系，觀察、發(fā)現(xiàn)多普勒超聲波信號(hào)與氣體含量的關(guān)系。教學(xué)中可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性提高學(xué)習(xí)效率，加深學(xué)生對(duì)水合物的理解和掌握，對(duì)溢流有一個(gè)直觀形象的認(rèn)識(shí)；科研中提供了一種基于超聲波多普勒信號(hào)的、非接觸式的隔水管外氣侵早期監(jiān)測(cè)裝置，適用于深水鉆井循環(huán)鉆進(jìn)和非鉆進(jìn)工況，為深水水合物藏安全高效開發(fā)提供了保障。