張緒亮 夏天果 張鑫磊 韓性禮 謝 平 賴擁斌

(①中國石油塔里木油田公司油氣工程研究院；②上海神開石油科技有限公司)

0 引 言

井控是鉆井工程安全生產(chǎn)的重中之重，鉆井過程中井筒內(nèi)鉆井液液面位置的準確測量是確保鉆井作業(yè)安全的必要手段。傳統(tǒng)的井筒液位測量方法是測量隊在得到甲方通知后上井測量，需經(jīng)多次安裝并在關(guān)井條件下才能測量，存在無法連續(xù)實時測量、無法開井測量等問題；同時獨立的井下液位測量無法與現(xiàn)場錄井系統(tǒng)數(shù)據(jù)相結(jié)合，無法更為準確地預測井下溢漏情況，監(jiān)測過程也沒有完整的證據(jù)鏈，因而無法滿足當前越來越嚴格的井控要求。為此，進行了新型在線井筒液位監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)攻關(guān)，從軟件、硬件、測量方式等方面進行了大量的研究和論證，在設備安裝操作便捷性、環(huán)境適應性方面提出了新的方案[1-3]，并成功研發(fā)了SK-OLM在線井筒液位監(jiān)測系統(tǒng)，通過現(xiàn)場測試驗證了該系統(tǒng)技術(shù)、設備和測量方法的可行性。

1 液面測量原理及測量方法研究

SK-OLM在線井筒液位監(jiān)測系統(tǒng)，使用錄井房內(nèi)氮氣發(fā)生器為其前端遠程控制發(fā)令槍提供氣源，實時分析井筒內(nèi)液面回波計算液面位置，生成連續(xù)實時液面曲線，同時與錄井大鉤負荷、出入口流量、池體積、立管壓力等判斷溢漏的重要指示參數(shù)相結(jié)合，及早預判井下可能發(fā)生的溢流滲漏，有利于現(xiàn)場鉆井過程中發(fā)生溢漏時的快速決策與處理，防止井控事故的發(fā)生及發(fā)展[4-5]。

1.1 在線井筒液位測量的基本原理

如圖1所示，安裝在井口的聲波脈沖發(fā)聲器發(fā)出的次聲波，沿環(huán)形空間向井底傳播，遇到井下環(huán)空液面后發(fā)生反射，反射波沿原路反向傳播到井口，被微音器接收，并將接收到的反射脈沖轉(zhuǎn)化成電信號，再經(jīng)放大、轉(zhuǎn)換、運算、顯示和存儲等處理，測出聲波傳播速度和反射時間，即可測出聲源與反射物之間的距離。其計算公式如下：

H=(V×T)/2

式中：H為液面位置，m；V為聲波在井筒內(nèi)給定套壓下的傳播速度，m/s；T為聲波從發(fā)射至接收到第一次回聲信號的間隔時間，s。

圖1 液位測量原理

1.2 在線井筒液位測量方法

鉆井作業(yè)在安全方面具有特殊性的嚴格要求，特別是在井口Ⅰ區(qū)安全作業(yè)范圍內(nèi)，傳統(tǒng)的聲彈、高壓氣體及人工敲擊發(fā)聲等方法存在一定的危險性。鉆井起下鉆、下套管等作業(yè)是連續(xù)動態(tài)的過程，要實現(xiàn)起下鉆等作業(yè)過程中井筒液面的動態(tài)檢測，就要實現(xiàn)遠程控制設備在開井狀態(tài)下實時連續(xù)測量，因此安裝位置的選擇至關(guān)重要。根據(jù)測量原理，測量位置必須選擇與井下環(huán)空直接相通處，才能實現(xiàn)聲波的發(fā)射和液位回波的接收。如圖2所示，井口設備包括防噴器、壓井管匯、節(jié)流管匯等多處接口都可與環(huán)空連通。通過現(xiàn)場實驗論證，圖2中A、C、E、G點處只能在關(guān)井狀態(tài)下才能準確測量井筒液面，不能實現(xiàn)開井測量，只有F點(防溢管處)、B點(旁通處)、D點(1號閥處)可滿足開井狀態(tài)下連續(xù)測量的條件。以這三個點作為測量設備的安裝點，并針對性地開發(fā)了防溢管短節(jié)、防爆槍體等配套裝置，使其能在此位置處進行在線連續(xù)開井狀態(tài)下的井筒液位測量。

圖2 井口測試點

2 系統(tǒng)設計

2.1 硬件系統(tǒng)設計

在線井筒液位監(jiān)測系統(tǒng)主要由防爆槍體、防溢管短節(jié)、增壓供氣系統(tǒng)、氮氣發(fā)生器、設備控制箱及電腦系統(tǒng)組成(圖3)。其發(fā)聲槍體采用防爆設計，通過防溢管短節(jié)安裝在井口防溢管處，一次安裝即可長期使用；其他設備均放置在錄井房內(nèi)，通過控制電纜和氣管線與錄井房內(nèi)的電腦系統(tǒng)、設備控制箱、氮氣發(fā)生器及增壓系統(tǒng)相連接。

圖3 硬件系統(tǒng)設計

2.2 軟件系統(tǒng)設計

軟件系統(tǒng)設計流程如圖4所示。軟件系統(tǒng)在實現(xiàn)實時接收井下液面位置數(shù)據(jù)和顯示曲線等基本功能的基礎上，還需要與綜合錄井的鉆井液出入口流量、鉆井液池體積、立管壓力等判斷溢漏的重要參數(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)實時分析和預測井下溢漏情況的功能。

圖4 軟件系統(tǒng)設計流程

軟件系統(tǒng)采用串口、TCP(Server/Client)、UDP等通信方式通過WITS傳輸實時接收鉆井液出入口流量及鉆井液池液位等傳感器所測量的錄井參數(shù)，最終通過一定的邏輯算法模型來綜合判斷井下溢流、井漏或井涌的狀況。軟件功能界面如圖5所示，設有液位動態(tài)畫面、液位變化曲線、關(guān)聯(lián)的錄井參數(shù)、液位信號波、安全警示儀表等界面。可以跟蹤記錄鉆井全過程，及時預告安全信息，并提供相關(guān)記錄報告。

圖5 在線井筒液面監(jiān)測系統(tǒng)軟件功能界面

3 現(xiàn)場測試

選取塔里木油田X 1、X 2井進行SK-OLM在線井筒液位監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)場測試應用，測試過程中對測量方法不斷改進，在井口不同位置、不同鉆井狀態(tài)下進行開井測量，均取得了較好的測量結(jié)果。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，由于上述三個安裝點中的B點(旁通處)環(huán)境較為復雜，不利于后期的發(fā)聲槍體保養(yǎng)維護，綜合考慮安裝位置選取在D點(管匯1號閥處)、F點(防溢管處)，該兩點處均可以進行開井、關(guān)井兩種狀態(tài)下的測量(圖6)。

3.1 管匯1號閥處(D點)測量

圖6 設備安裝位置

X 1井首先在管匯1號閥處(D點)進行井漏過程中的開井測試：該井鉆進過程中發(fā)生井漏后，首先關(guān)井30 min觀察，如表1所示， 期間關(guān)井狀態(tài)下測量液面高度兩次分別為146.18 m、149.64 m，而后進行開井狀態(tài)下測量，連續(xù)兩次測量液面分別下降至176.55 m、177.62 m，累計漏失鉆井液8.5 m3，之后每15 min環(huán)空入灌鉆井液0.6 m3，水眼灌入鉆井液0.3 m3，最后測得液面高度158.58 m，累計漏失鉆井液11.3 m3。從與之相對應的液面測量回波圖(圖7)中也可以看出，開井測量回波位置明顯，能夠準確識別出液面高度。X 1井處理井漏過程中，在線井筒液位監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測井下液面數(shù)據(jù)準確及時，為鉆井施工方快速處理井漏打下了堅實基礎，避免了井漏事故的進一步惡化。

3.2 防溢管處(F點)測量

選取塔里木油田X 2井進行防溢管處的井筒內(nèi)環(huán)空液面高度測量，在非目的層段并確保井控安全的情況下，現(xiàn)場分別進行了起鉆狀態(tài)下測量和灌鉆井液狀態(tài)下測量。起鉆狀態(tài)下的測量按照每起10柱鉆桿進行一次測量，如表2和圖8所示，可以看出起鉆過程中所監(jiān)測的液面下降高度與理論下降高度基本一致，誤差較小，測量結(jié)果精度可滿足現(xiàn)場要求。需要指出的是，

表1 X 1井井漏測量數(shù)據(jù)及漏失情況

圖7 X 1井井漏過程中液面位置回波圖

表2 起鉆狀態(tài)下液面高度測量數(shù)據(jù)

表2中實測液面與理論液面有一定的差距，實測液面偏大，是因為理論液面計算是按照環(huán)空液面的初始值為0開始計算的，但事實上，液面與井口存在一段距離。這是由于現(xiàn)場條件限制，難以控制初始液面為0，故實測液面大于理論液面符合實際情況。

該井后續(xù)在起鉆過程中需要吊罐補鉆井液，以補充因起鉆造成的環(huán)空液位下降。監(jiān)測系統(tǒng)測量液位與理論液位不符，判斷發(fā)生井漏，在靜止狀態(tài)下測得環(huán)空液面連續(xù)下降。自井下65 m持續(xù)下降到93 m、101 m、103 m，漏失鉆井液7.1 m3，立即采取井控措施；配制濃度30%堵漏鉆井液30 m3，并灌入鉆井液9 m3，監(jiān)測環(huán)空液面63 m，繼續(xù)打堵漏鉆井液23 m3未返，監(jiān)測環(huán)空液面75 m，判斷原漏點復漏，水泥車試壓15 MPa；然后打前置液3 m3，打水泥漿14 m3，用鉆井液泵替漿11.5 m3，返出1.5 m3，起鉆11柱后循環(huán)替出多余水泥漿，無漏失，表明堵漏成功，累計測得漏失鉆井液108.9 m3。X 2井處理井漏過程中，在線井筒液位監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測井下液面數(shù)據(jù)及時準確，再次為鉆井施工方處理井漏及時提供了數(shù)據(jù)依據(jù)，發(fā)揮了保障鉆井施工安全的作用。

圖8 X 2井起鉆狀態(tài)下井筒液面測量回波圖

3.3 與傳統(tǒng)測量方式對比分析

傳統(tǒng)測量方式通過服務小隊實施，每次按照井隊要求進行人工手動測量，每次都要重新安裝測量設備，無法做到在線實時測量，并且在只能在關(guān)井狀態(tài)下即可測量，如表3所示。在管匯1號閥位置，本系統(tǒng)在開井狀態(tài)下實施測量，而傳統(tǒng)設備在關(guān)井狀態(tài)下測量，結(jié)果顯然是本系統(tǒng)測量值更為準確，誤差更小；同時，傳統(tǒng)測量系統(tǒng)無法像本系統(tǒng)一樣可以在防溢管處在線實時測量井下液面高度。這表明該新型在線井筒液位監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)勢更加明顯。

表3 新型在線液面監(jiān)測系統(tǒng)與傳統(tǒng)測量系統(tǒng)對比結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)現(xiàn)場試用證明采用井筒液面監(jiān)測系統(tǒng)能及時發(fā)現(xiàn)井下溢漏事故，尤其當發(fā)生井漏失返時，進行液面監(jiān)測有利于準確監(jiān)測井筒液面位置，判斷地層漏失的性質(zhì)和嚴重程度，測算合理的鉆井液密度，制定有效的堵漏方案，從而大幅減少鉆井液漏失量并縮短堵漏施工時間。

(2)新型在線井筒液位監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)勢在于可在線監(jiān)控液面變化，及時掌握液面的變化動態(tài)，能彌補錄井和傳統(tǒng)液位測量對溢漏異常預報不精準不及時的缺陷，尤其在高溫、高壓、易漏地層的鉆井施工過程中，為井控作業(yè)爭取時間，把風險降低到最小。

(3) 傳統(tǒng)液面監(jiān)測方法每次測量至少開關(guān)三個閥門和開關(guān)防噴器一次。新型在線井筒液位監(jiān)測系統(tǒng)主要在室內(nèi)進行操作和監(jiān)測，安裝后可避免頻繁開關(guān)閥門、開關(guān)井帶來的安全風險，特別是規(guī)避緊急狀態(tài)下忘記狀態(tài)復原等人為安全風險。