欠平衡鉆井隨鉆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用

摘 要

摘要：欠平衡鉆井技術(shù)具有突出優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛應(yīng)用，但欠平衡鉆井條件下，施工設(shè)備、流程和鉆井液體系等諸多變化常導(dǎo)致常規(guī)監(jiān)測(cè)技術(shù)不能滿足現(xiàn)場(chǎng)工作的要求。針對(duì)欠平衡鉆井的
摘要：欠平衡鉆井技術(shù)具有突出優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛應(yīng)用，但欠平衡鉆井條件下，施工設(shè)備、流程和鉆井液體系等諸多變化常導(dǎo)致常規(guī)監(jiān)測(cè)技術(shù)不能滿足現(xiàn)場(chǎng)工作的要求。針對(duì)欠平衡鉆井的特殊性，開發(fā)了一套適用于欠平衡鉆井的隨鉆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)將地層和井筒看作一個(gè)系統(tǒng)，通過監(jiān)測(cè)注入?yún)?shù)、返出參數(shù)和鉆井工程參數(shù)，結(jié)合井筒多相流模型及地層滲流模型來對(duì)地面、井筒和地層進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)；通過對(duì)地層產(chǎn)出流體的監(jiān)測(cè)，井筒壓力及流態(tài)的監(jiān)測(cè)，地層壓力和孔隙度的監(jiān)測(cè)，鉆井安全、井控和有害氣體的監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)欠平衡鉆井狀態(tài)下的包括流量、壓力和氣體組成等多參數(shù)的監(jiān)測(cè)；結(jié)合地層滲流及井筒多相流耦合模型，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所鉆井段井筒壓力、地層壓力、儲(chǔ)層特性和流體特征進(jìn)行全面監(jiān)控與評(píng)價(jià)。通過在欠平衡鉆井現(xiàn)場(chǎng)的多次實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證了該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的合理性與實(shí)用性。該成果有助于提高欠平衡鉆井的工藝水平和儲(chǔ)層保護(hù)效果，同時(shí)還有利于早期識(shí)別和控制井下復(fù)雜情況。
關(guān)鍵詞：欠平衡鉆井；隨鉆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；地層壓力；井筒壓力；儲(chǔ)集層特征；流體特征；現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
    為了實(shí)現(xiàn)欠平衡鉆井，通常在設(shè)備、鉆井工藝、流程和鉆井液體系上進(jìn)行了一系列改進(jìn)與完善，因此使得常規(guī)錄井及一些測(cè)試手段難以滿足現(xiàn)場(chǎng)工作需要[1～6]。
   欠平衡鉆井隨鉆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將地層和井筒看成一個(gè)系統(tǒng)，通過監(jiān)測(cè)注入、返出參數(shù)和鉆井工程參數(shù)，結(jié)合井筒多相流模型及地層滲流模型來對(duì)地面、井筒和地層進(jìn)行綜合性的監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)。主要包括以下功能：①地層產(chǎn)出流體監(jiān)測(cè)；②井筒壓力及流態(tài)監(jiān)測(cè)；③地層壓力和孔隙度監(jiān)測(cè)；④鉆井安全、井控和有害氣體監(jiān)測(cè)。
1 系統(tǒng)的組成
   欠平衡鉆井隨鉆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理與傳輸、采集與評(píng)價(jià)等部分構(gòu)成。
1.1 數(shù)據(jù)采集
   數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)欠平衡鉆井過程中重要的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和間接計(jì)算，由安裝在相應(yīng)位置的傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集工作。隨鉆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要對(duì)欠平衡鉆井下的注入?yún)?shù)、返出參數(shù)和鉆井工程參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。注入?yún)?shù)包括：注入氣體和鉆井液的流量、溫度和壓力，以及鉆井液的密度和流變性等參數(shù)。返出參數(shù)包括：返出鉆井液流量及性質(zhì)，返出油的流量，返出氣體流量和氣體組分及濃度(全烴、H2S含量等)。鉆井參數(shù)包括：井深、鉆時(shí)、立壓、套壓等。
1.2 信號(hào)處理與傳輸
    該系統(tǒng)采用分布式信號(hào)采集、集中式數(shù)據(jù)計(jì)算處理體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。系統(tǒng)中大部分傳感器都是模擬量信號(hào)輸出，包括氣體組分、濃度、泵沖、立壓、套壓等傳感器，通過組合式多路A/D轉(zhuǎn)換模塊對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)信號(hào)采集處理和控制。其他以數(shù)字信號(hào)輸出的傳感器則直接連接A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸出總線并與主計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化信號(hào)傳輸。A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出的總線信號(hào)通過無(wú)線收發(fā)模塊與主計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)線傳輸，減輕了在復(fù)雜的井場(chǎng)環(huán)境中布線的工作量。根據(jù)實(shí)際情況，系統(tǒng)可以增加A/D模塊和各種不同類型的傳感器來滿足測(cè)量與監(jiān)控的需要。

1.3 采集與評(píng)價(jià)軟件
    采集軟件對(duì)傳感器直接測(cè)量的各種原始數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算處理，所有數(shù)據(jù)都存入數(shù)據(jù)庫(kù)，并以曲線形式實(shí)時(shí)顯示在屏幕上，為監(jiān)測(cè)人員提供直觀、連續(xù)、可回放的監(jiān)測(cè)界面，同時(shí)支持對(duì)各種監(jiān)測(cè)參數(shù)的報(bào)警設(shè)置。
    隨鉆評(píng)價(jià)軟件通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和所鉆井的基本信息如井身結(jié)構(gòu)、鉆具組合等數(shù)據(jù)，結(jié)合井筒多相流、儲(chǔ)層評(píng)價(jià)等技術(shù)，對(duì)欠平衡鉆井作業(yè)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)與監(jiān)測(cè)。
1.4 系統(tǒng)主要指標(biāo)
    欠平衡鉆井隨鉆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括：
    1) 工作溫度：-20～50℃。
    2) 工作濕度：15%～90%RH(非冷凝)。
    3) 工作電源：220V。
    4) 無(wú)線通訊可靠距離：200m。
    5) 全烴濃度測(cè)量范圍：0～100%。
    6) H2S濃度測(cè)量范圍：0～200mg/L。
    7) C02濃度測(cè)量范圍：0～50000mg/L。
    8) 立壓、套壓測(cè)量范圍：0～40MPa。
    9) 注入氣體質(zhì)量流量計(jì)：0～5T。
    10) 返出氣體流量計(jì)：0～3600m3/h。
    11) 燃燒管線壓力測(cè)量范圍：0～100kPa。
2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用及效果
2.1 地層產(chǎn)氣量監(jiān)測(cè)
    氣體組分與濃度分析是在注氣欠平衡下計(jì)算地層產(chǎn)氣量的重要參數(shù)，同時(shí)也是發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)層和監(jiān)測(cè)H2S的重要手段。通過安裝在燃燒管線的取樣器對(duì)分離出的氣體進(jìn)行分流取樣，取樣氣體通過干燥處理后流入分析儀器箱，儀器箱內(nèi)的各種傳感器口3將對(duì)其中全烴、C02、02、H2S等氣體的濃度以及壓力和溫度進(jìn)行采集。
    返出氣體流量通過安裝在分離器氣體出口燃燒管線上的氣體流量計(jì)獲得。由于返出氣體流量范圍較大，為了確保從低流量到高流量都能準(zhǔn)確測(cè)量，在分離器出口增加了2個(gè)測(cè)量支管，同時(shí)有3個(gè)閥門控制其開關(guān)，根據(jù)監(jiān)測(cè)到的氣體流量和壓力大小，實(shí)時(shí)切換3個(gè)不同量程的氣體流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量。
    如果采用的是液基欠平衡鉆井方式，注入流體中不含氣體，因而監(jiān)測(cè)到的氣體流量直接反映地層的出氣狀況。如果是注氣欠平衡鉆井方式，監(jiān)測(cè)到的流量是注入氣體流量和地層返出的氣體流量之和。因此可以通過以下方法對(duì)地層產(chǎn)氣量進(jìn)行監(jiān)測(cè)：①進(jìn)出口氣體流量之差，監(jiān)測(cè)注入氣體流量和返出氣體流量，兩者之差即為地層產(chǎn)氣量；②通過全烴濃度和出口氣體流量換算，通過氣體組分濃度分析儀監(jiān)測(cè)燃燒管線中全烴的濃度，再乘以返出氣體流量就得到地層產(chǎn)氣量。
    通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)隨鉆監(jiān)測(cè)不同回壓及不同工況下的地層產(chǎn)氣量，用隨鉆產(chǎn)能計(jì)算方法，可以全面反映所鉆遇的產(chǎn)層及其產(chǎn)能大小。
2.2 介質(zhì)特性評(píng)價(jià)
    由于鉆遇裂縫和孔隙性基塊會(huì)有不同的產(chǎn)氣量顯示，根據(jù)隨鉆監(jiān)測(cè)的產(chǎn)氣量隨著井深變化特征，可以準(zhǔn)確判斷地層的介質(zhì)類型及其供氣能力。圖2為鉆遇裂縫孔隙型儲(chǔ)層時(shí)的產(chǎn)氣隨鉆進(jìn)變化規(guī)律，其氣體產(chǎn)量是隨每鉆遇一個(gè)裂縫(組)而上升一個(gè)臺(tái)階；圖3為鉆遇均質(zhì)砂巖型儲(chǔ)層時(shí)的產(chǎn)氣隨鉆進(jìn)變化規(guī)律，其產(chǎn)氣量與鉆進(jìn)深度幾乎呈直線變化關(guān)系。
 

2.3 井底壓力與欠平衡狀態(tài)監(jiān)測(cè)
    通過隨鉆監(jiān)測(cè)鉆井液的排量、密度、黏度、注氣流量、立壓、套壓，結(jié)合所鉆井的井身結(jié)構(gòu)、鉆具組合等數(shù)據(jù)，配合以相應(yīng)的理論計(jì)算方法，利用建立的欠平衡鉆井井筒與儲(chǔ)層耦合多相流模型[8～9]，可以得到井下整個(gè)裸眼段的環(huán)空壓力數(shù)據(jù)。這為實(shí)時(shí)判定不同井段的欠平衡狀態(tài)及欠壓值大小提供了關(guān)鍵參數(shù)。
   地層壓力是確定欠平衡狀態(tài)的另一個(gè)重要參數(shù)。欠平衡鉆井過程中，井底處于欠平衡狀態(tài)，地層流體在儲(chǔ)層壓力的驅(qū)動(dòng)下流入井筒，其與井筒循環(huán)介質(zhì)混合后，流到地面。不同欠壓值對(duì)應(yīng)不同的地層流體產(chǎn)出量[10～12]。當(dāng)井底流動(dòng)壓力與地層壓力相等時(shí)，儲(chǔ)層沒有流體產(chǎn)出。因此可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地層的產(chǎn)氣量，通過改變現(xiàn)場(chǎng)的鉆井液排量及注氣量，得到不同井底壓力條件下的穩(wěn)定產(chǎn)氣量，取得3組產(chǎn)氣量與井底循環(huán)當(dāng)量壓力數(shù)據(jù)，并繪制于“產(chǎn)氣量 井底動(dòng)壓”坐標(biāo)內(nèi)，回歸三點(diǎn)的直線與井底動(dòng)壓坐標(biāo)的交點(diǎn)即地層壓力。
   圖4所示的是某井在5087m處地層壓力測(cè)試所得產(chǎn)氣量與井底動(dòng)壓的關(guān)系曲線。根據(jù)MWD實(shí)測(cè)資料，5087m處實(shí)測(cè)垂深為4105m，則可計(jì)算出地層壓力系數(shù)為1.034，回歸計(jì)算結(jié)果與完鉆測(cè)試解釋結(jié)果吻合。

   在隨鉆獲得地層壓力及井筒壓力數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合隨鉆流體監(jiān)測(cè)，可以判斷所鉆開產(chǎn)層段的欠平衡狀態(tài)以及計(jì)算欠壓值大小。圖5為某井實(shí)測(cè)地層壓力與井底動(dòng)壓的分布曲線，通過地層壓力與井底壓力的差值就可以判斷所鉆層位的欠平衡狀態(tài)。
 

3 結(jié)論
    1) 欠平衡隨鉆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)彌補(bǔ)了欠平衡作業(yè)下常規(guī)錄井無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能，提高了欠平衡鉆井安全性和經(jīng)濟(jì)效益。通過多次現(xiàn)場(chǎng)隨鉆監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的實(shí)用性與可靠性。
    2) 通過對(duì)返出氣體的組分與流量監(jiān)測(cè)，結(jié)合井筒壓力和地層壓力數(shù)據(jù)，得到不同壓差下的產(chǎn)氣量大小，從而實(shí)現(xiàn)了在不中斷鉆井作業(yè)的情況下進(jìn)行儲(chǔ)層產(chǎn)能的初步計(jì)算和評(píng)估。
    3) 欠平衡隨鉆監(jiān)測(cè)技術(shù)與控壓欠平衡鉆井相結(jié)合，可以實(shí)時(shí)跟蹤計(jì)算井底欠平衡狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥或改變注入?yún)?shù)，使井底欠壓值保持在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，從而保證了欠平衡鉆井的可靠性。
參考文獻(xiàn)
[1] 李勝利，曹洪輝，孫少華，等.欠平衡鉆井綜合錄井技術(shù)研究[J].斷塊油氣田，2005，12(1)：24-26.
[2] 楊擁民.欠平衡鉆井條件下的錄井方法淺論[J].江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2004(增刊1).
[3] 周英操.欠平衡鉆井壓力控制理論與技術(shù)研究[D].北京：中國(guó)石油大學(xué)，2005.
[4] 梅基席.石油鉆探錄井工程[M].蘭州：蘭州大學(xué)出版社，2009.
[5] 唐家瓊，鄭永，熊馳原，等.氣體鉆井的錄井監(jiān)測(cè)方法[J].天然氣工業(yè)，2010，30(3)：12-15.
[6] 侯冰，陳勉，金衍，等.多套復(fù)合鹽層的地應(yīng)力確定方法[J].天然氣工業(yè)，2009，29(1)：67-69.
[7] 陳文輝，馬鐵華.多傳感器信息融合技術(shù)的研究與進(jìn)展[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2006，16(19)：212-213.
[8] 趙向陽(yáng)，孟英峰，李皋，等.充氣控壓鉆井氣液兩相流流型研究[J].石油鉆采工藝，2010，32(2)：6-10.
[9] KARDOLUS C B，KRUIJSDIJK C P J W.Formation testing while underbalanced drilling[C]∥paper 38754-MS presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition，5-8 0ctober 1997，San Antonio，Texas，USA.New York：SPE，1997.
[10] 孟英峰，李皋，陳一健，等.一種隨鉆測(cè)試儲(chǔ)層參數(shù)特性并實(shí)時(shí)調(diào)整鉆井措施的方法：中國(guó)，101139925[P].2008-03-12.
[11] 唐貴.欠平衡鉆井過程中的隨鉆試井解釋[D].成都：西南石油大學(xué)，2004.
[12] 楊虎，胡軍，陶冶.欠平衡鉆井隨鉆試井?dāng)?shù)學(xué)模型及實(shí)用方法研究[J].西安石油學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2002，17(1)：39-41，48.
 
(本文作者：吳鵬程 孟英峰 李皋 陳一健魏納 “油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué))