妥 紅 宋曉晟 楊明清 楊 凡 王文剛

(①中國(guó)石油西部鉆探吐哈錄井工程公司；②上海歐申科技有限公司；③中石化石油工程技術(shù)服務(wù)有限公司；④中安聯(lián)合投資集團(tuán)有限公司博士后工作站)

0 引 言

錄井工作需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)溢流、井漏，為鉆井施工提供依據(jù)，保證鉆井安全[1]。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法為鉆井液池體積液面變化，在及時(shí)發(fā)現(xiàn)和準(zhǔn)確預(yù)報(bào)溢流、井漏方面還存在諸多難題。另外，根據(jù)井身結(jié)構(gòu)計(jì)算井筒內(nèi)液面高度[2]，此方法監(jiān)測(cè)時(shí)間滯后、計(jì)算誤差較大。為了解決鉆井液罐液面不穩(wěn)的問(wèn)題，韓軍偉等[3]對(duì)鉆井液面進(jìn)行改進(jìn)，取得了一定效果；國(guó)內(nèi)一些專家建立了數(shù)據(jù)模型，對(duì)井涌、井漏進(jìn)行數(shù)據(jù)分析[4]，由于并不是對(duì)鉆井液面進(jìn)行直接測(cè)量，而是進(jìn)行相關(guān)計(jì)算求得結(jié)果，其誤差較大；國(guó)外發(fā)展了FLAG井涌井漏早期監(jiān)測(cè)及EKD早期井涌探測(cè)系統(tǒng)[5]，該設(shè)備監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性相對(duì)較高，但工藝復(fù)雜，成本較高。井筒液面監(jiān)測(cè)技術(shù)通過(guò)對(duì)井筒液面高度實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)控，及時(shí)掌握井筒液位動(dòng)態(tài)，預(yù)防鉆井事故發(fā)生，始終保持在一級(jí)井控狀態(tài)下，從而為工程預(yù)警、井控安全提供技術(shù)保障。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備原理

通過(guò)氣槍聲吶裝置進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為氣槍充滿一定壓力的氮?dú)猓ㄟ^(guò)控制裝置控制氣槍，向井筒內(nèi)突然釋放氮?dú)猓a(chǎn)生聲波，聲波向井筒內(nèi)傳輸，當(dāng)遇到阻礙物(液面)時(shí)即可產(chǎn)生回聲反射，反射聲波被微音器接收，已知聲波傳遞速度和回聲發(fā)射時(shí)間，可以計(jì)算出障礙物(液面)和聲源之間的距離，通過(guò)信號(hào)處理軟件即可確定液面位置。該設(shè)備主要包括制氮裝置、井口發(fā)聲裝置、控制裝置、分析處理顯示、電纜及其他附件。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備性能

液面測(cè)深范圍為20～3 000 m，測(cè)量誤差不大于10 m/1 000 m；測(cè)壓范圍(選配)0～2 MPa，誤差不大于0.2%FS；工作環(huán)境溫度為-20～65℃；工作環(huán)境相對(duì)濕度小于95%；休眠電流3 μA、平均工作電流20 mA；電源為220 V交流充電器12.6 V輸出；電池容量為12 V 4 Ah；防爆等級(jí)EXmbⅡT4Gb；數(shù)據(jù)傳輸模式有遠(yuǎn)距離無(wú)線模式、近距離Wifi信號(hào)模式連接、網(wǎng)線連接三種方法。該模式可通過(guò)數(shù)字無(wú)線接收機(jī)接收井口設(shè)備控制箱的無(wú)線數(shù)據(jù)，運(yùn)行電腦軟件并開(kāi)始操作使用。該裝置自動(dòng)充氣、連續(xù)供氮、自動(dòng)化程度高。

1.3 試驗(yàn)方法

如圖1所示，分別在鉆機(jī)的壓井管匯、圓井口1#閥門、鉆具內(nèi)、防溢管4處位置安裝井口發(fā)聲裝置，采用不同發(fā)射壓力進(jìn)行試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)井筒液面高度，與理論計(jì)算液面高度進(jìn)行比較，同時(shí)測(cè)量回波幅度，分析試驗(yàn)效果。

圖1 安裝位置監(jiān)測(cè)分析

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 壓井管匯位置

如圖2所示，將井口發(fā)聲裝置安裝在壓井管匯壓力表附近位置，在壓井管匯位置且井筒內(nèi)有鉆桿關(guān)井狀態(tài)下進(jìn)行監(jiān)測(cè)。采用相同壓力對(duì)不同漏失井段進(jìn)行測(cè)量，如表1所示，通過(guò)計(jì)算高度與實(shí)際測(cè)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，理論高度由地質(zhì)資料和鄰井漏失井段計(jì)算得出。序號(hào)1～5，在2.0 MPa壓力下對(duì)漏失井段進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，高度為324.64～327.63 m，與計(jì)算高度相比，最大誤差0.43%，說(shuō)明本井在繼續(xù)井漏過(guò)程中；序號(hào)6～8，在灌注入2.0 m3鉆井液時(shí)，進(jìn)行測(cè)量，高度為306.28～306.35 m,說(shuō)明環(huán)空液面升高21.28 m；在不同漏失井段，進(jìn)行了“連續(xù)和單次”測(cè)量試驗(yàn)，與實(shí)際計(jì)算高度比較，最大誤差0.44%。通過(guò)此位置監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，證明在關(guān)井狀態(tài)下均能完成“連續(xù)和單次”監(jiān)測(cè)作業(yè)，能夠準(zhǔn)確判斷井筒液面高度，為工程提供技術(shù)保障。

表1 壓井管匯位置監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖2 壓井管匯位置安裝示意

如圖3所示，從壓井管匯位置液面高度回波監(jiān)測(cè)圖分析，在關(guān)井狀態(tài)下，井筒形成密閉環(huán)空，測(cè)量接收回波有多個(gè)回波，回波幅度在150 mV左右，回波清晰易判斷，回波幅度由大變小，證明封井器密封性好。此位置在關(guān)井狀態(tài)下，能進(jìn)行“連續(xù)和單次”監(jiān)測(cè)作業(yè)，回波特征為回波多，幅度逐次減弱，有規(guī)則。證明該裝置能在此位置第一時(shí)間準(zhǔn)確分析判斷井筒液面高度，為工程提供技術(shù)保障。

圖3 壓井管匯位置液面高度回波監(jiān)測(cè)圖

2.2 圓井口1#閥門位置

如圖4所示，將井口發(fā)聲裝置安裝在圓井口1#閥門專用接頭處，此位置操作空間大，安裝方便快捷，且監(jiān)測(cè)效果與壓井管匯位置相似，可在關(guān)井狀態(tài)下進(jìn)行“連續(xù)和單次”監(jiān)測(cè)。

圖4 圓井口1#閥門位置安裝示意

如表2所示，在圓井口1#閥門位置關(guān)井狀態(tài)下，采用相同壓力對(duì)不同漏失井段測(cè)量，從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表分析，序號(hào)1～3，在相同壓力對(duì)井漏井段進(jìn)行同一位置連續(xù)測(cè)量，測(cè)量高度為545.14～545.98 m，與實(shí)際計(jì)算高度比較，最大誤差0.36%，說(shuō)明環(huán)空液面未降，穩(wěn)定在此位置；序號(hào)4～6，在灌注1.0 m3鉆井液時(shí)，連續(xù)測(cè)量，測(cè)量高度為537.74～537.92 m，說(shuō)明環(huán)空液面升高8.06 m，與實(shí)際計(jì)算高度比較，最大誤差0.17%；序號(hào)7～8，連續(xù)灌注2.6 m3鉆井液時(shí)，連續(xù)測(cè)量，測(cè)量高度為454.58～456.06 m,環(huán)空液面又升高81.86 m，與實(shí)際計(jì)算高度比較，最大誤差0.45%。監(jiān)測(cè)試驗(yàn)證明在關(guān)井狀態(tài)下均能完成“連續(xù)和單次”監(jiān)測(cè)作業(yè)，可以準(zhǔn)確判斷井筒液面高度，為工程提供技術(shù)保障。

表2 圓井口1#閥門位置監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

如圖5所示，從圓井口1#閥門位置液面高度回波監(jiān)測(cè)圖分析，有多個(gè)回波，在壓力為1.4 MPa時(shí)，回波幅度在217 mV左右，回波特征為回波多，幅度逐次減弱，有規(guī)則。證明該裝置能在此位置第一時(shí)間準(zhǔn)確分析判斷井筒液面高度，為工程提供技術(shù)保障。

圖5 圓井口1#閥門位置液面高度回波監(jiān)測(cè)圖

2.3 水眼鉆具內(nèi)鉆臺(tái)位置

如圖6所示，將井口發(fā)聲裝置放置在鉆桿口，進(jìn)行鉆桿內(nèi)液面“連續(xù)和單次”監(jiān)測(cè)作業(yè)。作業(yè)目的是開(kāi)井或關(guān)井狀態(tài)下，實(shí)時(shí)掌控鉆桿水眼液面高度，為工程處理復(fù)雜提供技術(shù)保障。

圖6 水眼鉆具內(nèi)鉆臺(tái)位置安置示意

如表3所示，在井漏過(guò)程中，采用相同壓力進(jìn)行水眼鉆具內(nèi)測(cè)量，序號(hào)1～3是同一根鉆桿3次測(cè)量，液面平均高度69.84 m，與理論計(jì)算高度最大誤差0.24%；序號(hào)4～6是下單根立柱進(jìn)行3次測(cè)量，液面高度67.05 m左右，按照理論計(jì)算，下單柱鉆桿液面升高2.65 m，通過(guò)監(jiān)測(cè)液面升高2.68 m，與理論計(jì)算吻合；序號(hào)7～8是同一根鉆桿，灌注0.38 m3鉆井液時(shí)，進(jìn)行2次測(cè)量，液面高度平均26.59 m，按照理論計(jì)算灌注0.38 m3鉆井液時(shí)，鉆桿液柱升高41.0 m，實(shí)測(cè)40.46 m，誤差0.20%。通過(guò)對(duì)水眼鉆具內(nèi)監(jiān)測(cè)應(yīng)用，證明該設(shè)備能在水眼鉆具內(nèi)完成“連續(xù)和單次”監(jiān)測(cè)作業(yè)，能夠準(zhǔn)確判斷水眼液面高度，可以滿足生產(chǎn)需求，為工程提供技術(shù)保障。

表3 水眼鉆具內(nèi)鉆臺(tái)位置監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

如圖7所示，從水眼鉆具內(nèi)回波監(jiān)測(cè)圖分析，此位置在關(guān)井、開(kāi)井狀態(tài)下均能監(jiān)測(cè)作業(yè)，在壓力1.0 MPa時(shí)，回波幅度在1 865 mV左右,有多個(gè)回波。

圖7 水眼鉆具內(nèi)監(jiān)測(cè)回波圖

這是因?yàn)殂@桿內(nèi)徑小，內(nèi)徑無(wú)障礙，所以測(cè)量回波幅度大，有規(guī)則。通過(guò)監(jiān)測(cè)應(yīng)用，證明該設(shè)備能在此位置監(jiān)測(cè)作業(yè)，能準(zhǔn)確“連續(xù)和單次”監(jiān)測(cè)水眼液面高度，回波清晰易判斷。

2.4 防溢管位置

如圖8所示，在防溢管位置焊接導(dǎo)聲安裝接頭，焊接導(dǎo)聲安裝接頭要求離防溢管鉆井液出口管上部大于400 mm，與上部導(dǎo)管剩余量600 mm左右，為最佳高度，夾角為30°，實(shí)現(xiàn)設(shè)備安裝與監(jiān)測(cè)。

圖8 防溢管導(dǎo)聲安裝接頭焊接示意

如圖9所示，將井口發(fā)聲裝置安裝在導(dǎo)聲安裝接頭上端，確保發(fā)射槍內(nèi)微音器不被鉆井液包裹，實(shí)現(xiàn)開(kāi)井狀態(tài)下“連續(xù)和單次”監(jiān)測(cè)目的。

圖9 防溢管位置安裝示意

套管內(nèi)徑159.42 mm，環(huán)空內(nèi)無(wú)鉆桿，在開(kāi)井工況下，采用相同壓力對(duì)環(huán)空進(jìn)行同一位置連續(xù)測(cè)量。如表4所示，從防溢管位置監(jiān)測(cè)液面高度數(shù)據(jù)分析，在壓力為2.0 MPa時(shí)，通過(guò)8次測(cè)量，高度介于504.76～505.52 m之間，與計(jì)算高度比較，誤差范圍在0.35%～0.50%。通過(guò)連續(xù)測(cè)量同一高度，可以確定高度的一致性，說(shuō)明測(cè)量高度準(zhǔn)確，符合井筒液面高度監(jiān)測(cè)的規(guī)定。

表4 防溢管位置監(jiān)測(cè)液面高度數(shù)據(jù)

如圖10所示，在開(kāi)井狀態(tài)下，套管內(nèi)徑159.42 mm，環(huán)空內(nèi)無(wú)鉆桿，從防溢管位置回波監(jiān)測(cè)圖分析，此位置只能在開(kāi)井狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)作業(yè)，在壓力為2.0 MPa時(shí)，回波幅度在68 mV左右,有多個(gè)回波，有規(guī)則，回波清晰易判斷。因?yàn)樘坠軆?nèi)徑大，無(wú)密封情況下，回波幅度較小，所以不同套管，測(cè)量回波幅度不一樣。但是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，回波幅度有規(guī)則易判斷。證明該裝置能在此位置，在開(kāi)井狀態(tài)下，發(fā)生井漏時(shí)第一時(shí)間“連續(xù)和單次”準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)環(huán)空液面高度，能為工程提供技術(shù)保障，滿足生產(chǎn)需求。

圖10 防溢管位置回波監(jiān)測(cè)圖

2.5 不同測(cè)量位置對(duì)比分析

如表5所示，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)試驗(yàn)表明，可根據(jù)鉆機(jī)型號(hào)、井型、井控要求等選擇最優(yōu)選位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，來(lái)滿足不同生產(chǎn)需求。

表5 不同測(cè)量位置對(duì)比分析

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在防溢管位置進(jìn)行應(yīng)用，工程承壓完井作業(yè)期間，為保證測(cè)試過(guò)程中不會(huì)受到井漏干擾，在套管內(nèi)進(jìn)行應(yīng)用。如表6所示，承壓作業(yè)前測(cè)量井筒液面平均高度為503.04 m，承壓作業(yè)開(kāi)始時(shí)往井筒內(nèi)灌注水10.0 m3時(shí)，返出防溢管鉆井液出口。計(jì)算驗(yàn)證，套管內(nèi)徑159.42 mm，井內(nèi)無(wú)鉆具，每米體積計(jì)算為0.019 9 m3，即為0.019 9×503.04=10.0 m3。通過(guò)體積法驗(yàn)證，承壓作業(yè)前測(cè)量高度與試壓灌注水量高度相符，證明該裝置能在此位置在開(kāi)井狀態(tài)下，第一時(shí)間“連續(xù)和單次”準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)環(huán)空液面高度，為工程提供技術(shù)保障。

表6 防溢管位置環(huán)空監(jiān)測(cè)液面數(shù)據(jù)

在開(kāi)井狀態(tài)下，套管內(nèi)徑159.42 mm，環(huán)空內(nèi)無(wú)鉆桿，從防溢管位置回波監(jiān)測(cè)圖分析，在壓力2.0 MPa時(shí)，回波幅度在55 mV左右,有多個(gè)回波，通過(guò)驗(yàn)證在開(kāi)井狀態(tài)下能完成“連續(xù)和單次”測(cè)量，有規(guī)則，回波清晰易判斷，能為工程提供技術(shù)保障，滿足生產(chǎn)需求。

4 結(jié)論與建議

(1)現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)對(duì)不同位置進(jìn)行試驗(yàn)、應(yīng)用，該裝置在防溢管位置，開(kāi)井狀態(tài)下“連續(xù)和單次”監(jiān)測(cè)環(huán)空液面高度，改變了國(guó)內(nèi)外井筒液面監(jiān)測(cè)技術(shù)在關(guān)井狀態(tài)下作業(yè)的方法，為“早發(fā)現(xiàn)、早報(bào)告、早處理、早控制”工程異常，提供技術(shù)保障。

(2)一般來(lái)說(shuō)，在相同發(fā)射壓力情況下，回波幅度大小依次為水眼鉆具內(nèi)鉆臺(tái)位置、圓井口1#閥門位置，其次為壓井管匯位置、防溢管位置。

(3)通過(guò)分析對(duì)比，防溢管位置是最佳位置，及時(shí)性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單，將井口發(fā)聲裝置長(zhǎng)期安裝在防溢管位置，需要測(cè)量時(shí)，從錄井房遠(yuǎn)程發(fā)出指令，實(shí)施“連續(xù)和單次”監(jiān)測(cè)，避免頻繁開(kāi)關(guān)井，給工程帶來(lái)安全隱患。

(4)下一步將導(dǎo)聲安裝接頭制作成喇叭口式，上端直徑80 mm,下端開(kāi)口直徑108 mm，斜度為30°，擴(kuò)大下端接頭內(nèi)徑，將使接收回波面積增大，提高回波幅度，提升監(jiān)測(cè)效果，易于分析判斷。

(5)下一步將井筒液面高度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與錄井?dāng)?shù)據(jù)相結(jié)合，形成一套集綜合錄井、井筒液面高度監(jiān)測(cè)、鉆井事故預(yù)警為一體的綜合錄井技術(shù)，進(jìn)一步提高錄井綜合服務(wù)能力。