气侵是指地层气由于压差或替代作用进入井筒环空,是一种危险性较高的钻井复杂情况。随着深地钻井所面对的地质环境进一步复杂化,气侵发生的可能性大幅上升,如果处理不当就会发展为溢流甚至井喷,特别是含H$_{2}$S气体的高压气井,气侵后风险更高。我国四川开县“12.23”罗家16井井喷事故、美国墨西哥湾“深水地平线”钻井平台井喷漏油事故都是气侵发现滞后、处理失控导致的重大安全事故,教训深刻。
明确含气泡液体的声学特性是基于弹性波响应进行气侵井下监测的基础。目前测量含气泡液体声学特性的实验装置主要在超声波频段[3-7],向装满水的圆管中注气形成含气泡液体,再采用超声波探头在圆管的轴向或者径向进行超声波信号的激发与接收,从而实现对含气泡液体超声频段特性的测量分析。但超声波(频率 $>$ 20 kHz)在钻井液中衰减很大。刘飞等[8]采用50 kHz信号在常用钻井液中进行室内测试,当钻井液密度增大到1.65 g/cm$^{3}$时,有效监测距离不足30 cm。随钻声波测井仪器频率一般在2$\sim$20 kHz范围内,发射器与接收器间距为1$\sim$3 m,但当气侵发生时,弹性波衰减显著,首波能量不足以先后触发相邻的两个接收器,产生“周波跳跃”。从保障响应信号质量的角度考虑,在气侵井下监测中采用低频弹性波具有更高可靠性。但受气泡生成控制、低频震源、模型尺寸等因素的限制[9-11],含气泡液体低频声学特性的实验测量技术尚不成熟。
综上所述,本文将以多相流理论、弹性波动理论为基础,设计基于低频弹性波特性的油气钻井气侵井下监测模拟实验系统,利用该实验系统可以直观地观察气侵后气泡的运移和分布规律,探索低频弹性波特性与含气率、气泡尺寸等气侵参数的关系,为研发基于低频弹性波特性的气侵井下监测技术提供实验平台。
1 基于低频弹性波特性的气侵井下监测可行性分析
图1
图1
泡状流阶段低频弹性波($f=100$ Hz)相速度和衰减系数随含气率的变化规律
Fig. 1
Variation of the phase velocity and attenuation coefficient of the low-frequency elastic wave ($f=100$ Hz) with the gas fraction in the bubbly flow stage
从图1可以看出,在低含气率条件下,气泡沿井筒上移膨胀引起含气率升高,低频弹性波在其中传播的相速度快速减小、衰减系数显著增大。同时,井下关键噪音,如泥浆泵压力波动、钻柱振动等主频较低($<20$ Hz),与本文方案使用的低频弹性波($\sim$10$^{2}$ Hz)具有显著的主频差异,为实现监测信号识别分离提供了有利基础,对于气侵监测的灵敏性和可靠性具有较好的保障。因此,低含气率的泡状流阶段是进行气侵井下监测的有利窗口期,如果能在此时利用低频弹性波的响应特征成功监测到气侵,将为井控赢取宝贵时间,大大降低钻井风险。
2 低频弹性波气侵井下监测技术方案
基于低频弹性波($\sim$10$^{2}$ Hz)特征响应的气侵井下监测的整体技术思路如图2所示：综合考虑井筒温压分布和钻井液性质,基于井筒多相流计算,在井下合适深度范围等间距安装多个井下监测短节。每个井下监测短节下端沿钻井液上返方向连续发射低频脉冲信号,并被井下监测短节上端的接收器采集。如果某个监测段内有效捕捉到气泡,则接收信号会产生特征响应(如相速度、衰减、频谱分布等)。井下监测短节内部装有信号处理单元,可对接收信号的连续动态特征响应进行智能识别。考虑不同工程条件下气侵风险的控制需求不同,监测短节入井前,可在信号处理单元预先设置气侵预警阈值。工作过程中,一旦确定发生气侵,则井下监测短节优先发出预警信息,并通过井下信息无线传输系统将预警信号快速传到地面,保障气侵“早预警”。然后,地面控制中心通过处理不同位置井下监测短节的监测数据,进行气侵定量预测,为制定科学的气侵处理方案提供依据。
图2
图2
基于低频弹性波特征响应的气侵早期井下监测方法示意图
Fig. 2
Schematic diagram of downhole detection of early gas kick based on the characteristic response of low-frequency elastic wave
3 基于低频弹性波特性的气侵监测模拟实验系统研发
3.1 模拟实验系统设计与构建
根据上述气侵井下监测分析与技术方案,设计并构建了基于低频弹性波特性的气侵监测模拟实验系统(如图3所示)。该实验系统主要由模拟井筒、气液控制系统、低频弹性波信号收发系统三部分组成。为便于观察,模拟井筒采用透明加厚有机玻璃管制成,内径10 cm,有效高度2 m,可通过供水管向模拟井筒内注入工作液。气液控制系统主要由空气压缩机、稳压阀、单向阀、气泡发生器组成,气体通过增压、稳压、流量调控后,经气泡发生器进入充满工作液的模拟井筒,并在模拟井筒内形成随机气泡;同时在模拟井筒侧面架设高速摄像机,观测气泡分布与运移情况。低频弹性波信号收发系统主要由信号发生器、功率放大器、激振器、声压传感器和动态信号采集箱组成,信号发生器与功率放大器配合使用,为安装在模拟井筒顶部的激振器提供电流信号。四个声压传感器等间距安装在模拟井筒壁上,并通过动态信号采集箱与电脑相连。
图3
图3
基于低频弹性波特性的气侵监测模拟实验系统
Fig. 3
Experiment system of gas kick detection based on the characteristic response of low-frequency elastic wave
为保障实验测量的可靠性和可重复性,本实验系统开发了气泡发生器和含气率测试方法。
3.1.1 气泡发生器
图4
图4
气泡发生器及其产生气泡照片和气泡半径概率密度分布
Fig. 4
Bubble generators with their generated bubbles and bubble radius distribution
3.1.2 含气率测量
含气率是影响含气泡液体低频弹性波特性的重要因素。实验过程中,通过调节阀可控制气体进入气泡发生器的速度,进而调控含气率。但气体流量计只能监控气体流量的大小,并不能直接反映含气率的高低。
为测定模拟井筒中的含气率,在模拟井筒的底部侧壁连通一个U形管,如图3所示,由于U形管内径(0.5 cm)远小于模拟井筒内径,U形管内不会有气泡进入,U形管内液面高度变化反映了模拟井筒内气液混合物的等效密度变化。由U形管压力平衡原理,可得出含气率($\chi$)与U形管液面高度变化值($\Delta h$)的关系为
式中,$\rho_{\rm l}$为实验工作液的密度,$\rho_{\rm g}$为气体的密度。
采用清水为工作液,空气为气体介质,测量了不同气体流量下对应的U形管液面高度变化,进而由式(1)计算含气率,建立了气体流量$Q$与含气率之间的换算关系(如图5所示)。对于不同类型的工作液和气体组合(如密度、黏度、界面张力不同),可按照该方法建立相应的气体流量-含气率换算关系。
图5
图5
气体流量与模拟井筒内含气率的换算关系
Fig. 5
Conversion relation between gas flow rate and gas fraction in simulated wellbore
3.2 实验操作流程
该实验系统可用于探究频率、含气率、工作液性质(密度、黏度)对低频弹性波传播特性的影响。以不同含气率下低频弹性波传播特性实验测量为例,采用清水、空气作为实验介质,说明实验流程如下。
(1)首先在模拟井筒底部安装选定型号的气泡发生器,并按顺序依次连接进气管汇及空气压缩机,确保各个设备及阀门连接正确、密封良好;
(2)通过注水管向模拟井筒内注入工作液(清水),当模拟井筒内液面超过其有效高度2$\sim$3 cm后,关闭注水管;打开U形管阀门,待液面稳定后记录U形管液面初始高度$h_{1}$;
(3)连接传感器、动态信号采集箱和电脑,打开数据采集控制软件,设置采样频率,采集4个传感器的背景信号$F_0$;
(4)开启空气压缩机,打开稳压阀,根据气体流量计示数缓慢调节气体调节阀,U形管液面基本稳定后,记录U形管液面高度$h_{2}$和流量计示数$Q$;启动数据采集系统,采集4个传感器的响应信号$F_{1}$;
(5)连接信号发生器、功率放大器和激振器,设置输出信号类型和频率,依次开启信号发生器、信号采集系统和功率放大器,缓慢调节功率放大器增益旋钮,使激振器在合理幅值平稳振动,采集4个传感器的响应信号$F_{2}$;
(6)一次试验结束,保存数据,关闭激振器;待模拟井筒内气泡全部排出,恢复稳定状态后,重复步骤(2)$\sim$(5),改变含气率,直至完成所设计的实验方案。
3.3 数据处理方法
图6
原始信号经过预处理得到平滑曲线后,选取至少包含一个波峰的时间窗$T$,以相邻两个传感器的信号进行互相关计算,确定两个信号之间的时间延迟为
式中,$L$为相邻两传感器之间的距离。
3.4 实验系统可靠性分析
为验证实验系统和数据处理方法的科学性和可靠性,采用清水、空气作为实验介质,以毛细管簇气泡发生器生成气泡,气泡平均直径2 mm,在50 Hz,80 Hz,100 Hz条件下分别进行不同含气率的实验测量,并按照前述方法进行数据处理与计算。将实验测量结果与经典的C&P模型进行对比,结果如图7所示。从图中可以看出,本实验系统测量结果与C&P模型预测结果吻合良好,特别是在激振频率为80 Hz和100 Hz时,实验测量数据与理论模型预测结果偏差小于10%,该实验系统测量精度能够满足气侵井下监测的数据模拟分析需求。
图7
图7
实验系统测量结果对比验证
Fig. 7
Verification of the experiment system by comparing its measurements with theoretical model
4 结语
(1) 针对油气钻井气侵井下监测问题,研发了低频弹性波气侵监测模拟实验系统,包括模拟井筒、气液控制系统、低频弹性波信号收发系统三部分,并构建了配套的实验数据处理方法。该实验系统可直观地呈现气侵后气泡的运移和分布规律,观测气侵前后低频弹性波在速度、衰减方面的变化特征。
(2) 实验测量结果表明,当有少量气体侵入(含气率 $<$1.0%)时,含气泡流体的弹性波速度出现显著降低,可由此监测气侵是否发生。该实验系统测量结果与Commander & Prosperetti理论模型预测结果吻合良好,可用于研究分析频率、含气率、工作液性质(密度、黏度)对含气泡液体低频弹性波特性的影响,为基于低频弹性波特性的气侵定量预测构建了基础实验平台,也为含气泡液体其他物理性质的实验测量提供了有益借鉴。
(3) 考虑油气钻井的井下工况与环境,在后续系统升级中可考虑完善井筒压力温度控制和岩屑循环模块、增加钻柱振动模块,使实验系统更加接近工程实况。
参考文献
深水钻井溢流早期监测技术研究现状
Research status of early monitoring technology for deepwater drilling overflow
早期溢流监测技术研究现状与发展趋势
The research status and development of early kick detection technology
深水水合物藏钻井溢流早期监测实验装置设计
Experimental device design for gas kick early detection during deepwater hydrate reservoirs drilling
Sound velocity and attenuation in bubbly mixtures measured in standing wave tubes
Acoustic detection of gas bubbles in a pipe
用声学方法测量气液混相物质中的含气量
Measurement of concentration of entrained air in air-liquid mixtures
Sound velocity and attenuation in bubbly gels measured by transmission experiments
超声波在钻井液中传播衰减理论研究
Research of ultrasonic attenuation theory in drilling fluid
An investigation of the propagation of pressure perturbations in bubbly air/water flows
两相流压力波传播规律研究
Investigation on pressure wave propagation in two-phase flow
Sound propagation in water containing large tethered spherical encapsulated gas bubbles with resonance frequencies in the 50 Hz to 100 Hz range
Linear pressure waves in bubbly liquids: comparison between theory and experiments
井底气泡的形成过程及其平均初始直径计算
Bubbles formation from the bottom region of borehole and their initial average diameter calculation
Experimental study of bubble formation at metal porous spargers: effect of liquid properties and sparger characteristics on the initial bubble size distribution
溢流期间气体沿井眼膨胀规律研究
Study on gas expansion characteristics along the borehole during kicking
高压天然气偏差系数的高精度解析模型
A analytic model with high precision for calculating compressibility factor of high-pressure gas
振动条件下液体内部气泡下沉现象研究
Study on subsidence of the bubbles inside the vibrating liquid under the condition of vibration
Measurements on wave propagation and bubble and slug velocities in cocurrent upward two-phase flow
海底天然气渗漏流量声学测量方法及初步实验研究
Method of measuring bubble flow from cool seeps on seafloor using acoustic transmission and preliminary experiments
实验室电解水产生气泡群的尺度分布
Bubble size distribution by electrolyzing water in laboratory
