氣體鉆井的錄井監(jiān)測方法

摘 要

摘要：由于氣體鉆井循環(huán)系統(tǒng)的流體介質(zhì)改變——由常規(guī)的液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，致使傳統(tǒng)的錄井方法無法適應(yīng)，表現(xiàn)為：①粉塵狀巖屑采集困難且樣品質(zhì)量很難滿足要求；②因出口樣氣中
摘要：由于氣體鉆井循環(huán)系統(tǒng)的流體介質(zhì)改變——由常規(guī)的液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，致使傳統(tǒng)的錄井方法無法適應(yīng)，表現(xiàn)為：①粉塵狀巖屑采集困難且樣品質(zhì)量很難滿足要求；②因出口樣氣中粉塵摻混，易產(chǎn)生管路堵塞，影響氣測分析結(jié)果的精度；③綜合錄井儀原有的密度、電導(dǎo)率等參數(shù)無法監(jiān)測，切斷了地層流體信息識別和井下工況異常的及時報警。針對這些難題，通過現(xiàn)場調(diào)研和探索，分別研制出“巖屑自動取樣裝置”、“氣體凈化裝置”和“氣體鉆井實時監(jiān)測系統(tǒng)”，實現(xiàn)了氣體鉆井連續(xù)、自動錄取巖屑，提高了鉆井地質(zhì)剖面的符合率；實現(xiàn)了樣品氣的連續(xù)、干燥、無塵獲取，確保了氣測分析精度的需要；在出口管線的適當(dāng)位置加裝濕度和硫化氫等集成傳感器，實現(xiàn)了氣體鉆井出口參數(shù)的實時監(jiān)測和工程、地質(zhì)異常的預(yù)警，為安全鉆井施工方案的制訂提供了依據(jù)。該方法與技術(shù)經(jīng)現(xiàn)場多口井應(yīng)用與推廣，取得了良好的效果，獲得了2項實用新型專利并申請了1項軟件著作權(quán)登記。
關(guān)鍵詞：氣體鉆井；錄井；自動化；取樣；監(jiān)測；實時；報警裝置；方法
    氣體鉆井是用氣體(空氣、氮氣等)作為鉆井流體所進行的一項鉆井工藝[1]，近年來在川渝地區(qū)被廣泛采用。僅2007年1月至2008年6月，川渝地區(qū)就進行了100余井次的空氣或氮氣鉆井，使鉆井機械鉆速提高了3～15倍[2]。目前，在中國石油天然氣集團公司重點工程中，實現(xiàn)鉆井提速的主要技術(shù)思路仍是采用氣體鉆井。
1 氣體鉆井的錄井現(xiàn)狀
1.1 巖屑采集困難
    由于氣體鉆井技術(shù)的普遍應(yīng)用，無法在原來的振動篩處進行巖屑采集，錄井巖屑取樣被迫改變環(huán)境。目前現(xiàn)場巖屑取樣，主要是在氣體出口管線的下方焊接一個簡易取樣管，由管口閘門開關(guān)控制取樣。由于是手動開閘取樣，錄井人員勞動強度大，且取出的巖屑樣品為不連續(xù)的——是開閘瞬時的樣品，致使氣體鉆井段的巖屑剖面符合率較低，不能滿足要求。同時，由于氣體介質(zhì)對巖屑的懸浮能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于液相介質(zhì)，巖屑在井下被機械重復(fù)破碎[3～4]，直到可以被氣體介質(zhì)帶出井口為止。如果取樣方法不當(dāng)，會造成巖樣不能客觀反映真實地層巖性的情況。
1.2 樣氣凈化難度大
    在氣體鉆井中，由于氣體介質(zhì)的出口樣氣粉塵極多，常堵塞管線，維護難度很大?，F(xiàn)場采用的簡易過水凈化方法，由于水對有些氣體的溶解性及其不同氣體溶解度的差別(如H2S較CH4、CO2等的溶解度大)，仍然會影響監(jiān)測結(jié)果。
1.3 出口參數(shù)錄取困難
    在常規(guī)鉆井中，綜合錄井儀針對液態(tài)循環(huán)介質(zhì)對出口參數(shù)進行錄取，并以出口參數(shù)的變化來進行井漏、氣侵、井涌等異常預(yù)警。在氣體鉆井中，循環(huán)介質(zhì)改為了氣態(tài)，鉆井工藝流程發(fā)生了變化，綜合錄井儀原有的出口參數(shù)無法采集，直接影響了地層流體的識別及井下工況異常的及時預(yù)警。
2 氣體鉆井的錄井監(jiān)測方法
2.1 研制了“巖屑自動取樣裝置”
    “巖屑自動取樣裝置”由巖屑收集、巖屑存儲和自動控制3部分組成。在氣體出口管線的上方或側(cè)面安裝取樣管，取樣管的插入端為“斜口”，其作用是有助于巖屑進入取樣管。巖屑經(jīng)上閥門到巖屑收集筒，巖屑收集筒下端連接下閥門，下閥門之下為巖屑存儲筒(圖1)。
 
   上閥門和下閥門的開啟與關(guān)閉，由閥門控制器和電腦根據(jù)遲到井深信號進行自動控制。
2.2 樣氣凈化方法
   根據(jù)井口高壓氣體自行向前運動，設(shè)計了不同的凈化方式，氣體經(jīng)過“三重凈化”后(圖2)，進入綜合錄井色譜儀，達(dá)到了連續(xù)、干燥、無塵的目的，提高了氣測分析的準(zhǔn)確度。
 
2.2.1第一次凈化
   在進樣管線上安裝一個粉塵過濾器，對樣氣進行第一次凈化。
2.2.2第二次凈化
   經(jīng)第一次凈化后的樣氣通過水罐對殘留的粉塵進行第二次凈化。水罐用有機玻璃制造，便于觀察內(nèi)部情況。水罐底部做成漏斗形狀，便于取樣和排污。
2.2.3第三次凈化
    利用井口高壓氣體自行向前運動，樣氣在色譜儀的抽吸作用下通過干燥筒進行第三次凈化，最終達(dá)到氣相色譜儀所需要的樣氣標(biāo)準(zhǔn)。
2.3 研發(fā)“氣體鉆井實時監(jiān)測系統(tǒng)”，對地質(zhì)、工程異常進行監(jiān)測和預(yù)警
2.3.1加裝“集成傳感器”
    基于對氣體鉆井的井下安全及人員安全考慮，在出口管線的適當(dāng)位置加裝“集成傳感器”。即在出口管線上安裝濕度、溫度、硫化氫、氧氣、二氧化碳和可燃?xì)怏w等傳感器，并開發(fā)“氣體鉆井實時監(jiān)測系統(tǒng)”軟件，實現(xiàn)了對氣體鉆井出口參數(shù)的實時監(jiān)測和地質(zhì)、工程異常的及時預(yù)警。
2.3.2錄井監(jiān)測方法
2.3.2.1 地層出水的監(jiān)測方法
    氣體鉆井中，一旦地層出水，會導(dǎo)致裸眼井段的泥頁巖水化膨脹，造成井壁坍塌[5]或在井壁上形成“泥餅環(huán)”。當(dāng)?shù)貙映鏊＜熬掳踩珪r，應(yīng)停止鉆進，并根據(jù)井下情況分析確定下步措施[6～7]。所以地層出水的及時監(jiān)測及時預(yù)警就顯得十分重要。
    在出口管線上加裝“濕度”傳感器，錄井根據(jù)監(jiān)測的濕度值變化，對地層出水情況進行定性而快速的檢測。
    值得注意的是，氣體鉆進剛開始時，檢測到的濕度值可能是高值，這與井壁的干燥程度有關(guān)。如果濕度值隨鉆進時間的增加而逐漸下降，說明原來的井壁逐步吹干；如果濕度值一直居高不下或在某一時段突發(fā)升高，加之出口返出巖屑量的減少，則要引起高度重視，及時預(yù)警。
2.3.2.2 “地層出氣”的快速監(jiān)測方法
    天然氣與空氣的混合氣體容易發(fā)生“井下燃爆”。一旦發(fā)生“井下燃爆”，輕則造成井下鉆柱斷裂，重則導(dǎo)致井塌甚至使所鉆井報廢，危害程度極大。也許沒有絕對的方法能阻止井下燃爆，但是可以采取措施以減小井下引燃的發(fā)生幾率[8]。
    在出口管線上加裝“可燃?xì)怏w”、“硫化氫”等傳感器，對第一次凈化后的氣體進行快速檢測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)檢測的參數(shù)發(fā)生變化時，錄井人員可及時綜合分析及時預(yù)警。
2.3.2.3 “井下燃爆”的監(jiān)測方法
    在出口管線上加裝氧氣、二氧化碳、一氧化碳等傳感器，對井下燃爆情況進行實時監(jiān)測。當(dāng)監(jiān)測的氧氣值降低或二氧化碳、一氧化碳值升高時，即有可能發(fā)生了井下燃爆。
2.3.2.4 鉆具異常的監(jiān)測方法
    為了更好地進行鉆具異常預(yù)警，在出口管線上加裝壓力傳感器，結(jié)合綜合錄井監(jiān)測的其他參數(shù)變化，對井下鉆具異常進行預(yù)警。
    當(dāng)發(fā)現(xiàn)立壓值下降或其他參數(shù)發(fā)生變化時，有可能井下發(fā)生了“鉆具刺”；當(dāng)發(fā)現(xiàn)立壓值下降、懸重值降低時，有可能井下發(fā)生了“鉆具斷裂”事故。
2.3.2.5 空氣錘(或鉆頭)異常的監(jiān)測方法
    當(dāng)發(fā)現(xiàn)扭矩值增加或鉆時明顯增加時，有可能是空氣錘(或鉆頭)發(fā)生了異常，錄井人員應(yīng)及時綜合分析及時預(yù)警。
2.3.2.6 地層坍塌或產(chǎn)生泥餅環(huán)的監(jiān)測方法
    當(dāng)發(fā)現(xiàn)扭矩值增加，注氣壓力增大，出口返出的巖屑增多或減少、起下鉆遇阻或遇卡等異常時，則可能發(fā)生了地層坍塌或產(chǎn)生了泥餅環(huán)，錄井人員應(yīng)及時綜合分析及時預(yù)警。
3 應(yīng)用效果
3.1 “巖屑自動取樣裝置”應(yīng)用效果
   LG23井，試驗(氮氣)井段3130.00～3683.00m。該井用自動取樣裝置所取巖樣(每4m取1個樣)建立的錄井剖面，與測井解釋剖面符合率為87%(圖3)。
    該井試驗(氮氣)井段由于是每4m取樣，錄井巖屑剖面解釋就顯得較粗，如煤層，錄井剖面只能定為4m或8m，而測井解釋煤層厚僅1～2m。
    用“巖屑自動取樣裝置”之前，錄井的巖屑剖面符合率為60%～70%；應(yīng)用“巖屑自動取樣裝置”之后，錄井的巖屑剖面符合率提高至80%～90%。
3.2 錄井監(jiān)測的應(yīng)用效果
3.2.1對出口氣體介質(zhì)的“濕度”進行實時監(jiān)測，及時預(yù)警地層出水情況
    LG172井，于2009年11月27日從井深3106.00m開始進行氮氣鉆進，排量90m3/min。
    鉆至井深3320.63m時濕度開始快速升高，至井深3321.00m上升至78%(圖4)；觀察出口返出的巖屑較少，顏色深，具濕潤感，部分呈團塊狀，經(jīng)綜合分析，判斷地層出水，及時進行了預(yù)警。
    此次地層出水預(yù)警，是通過監(jiān)測出口氣體的“濕度”變化并結(jié)合巖屑返出情況進行分析和判斷的，為下一步鉆井決策提供了依據(jù)。
 
3.2.2對出口可燃?xì)怏w進行實時監(jiān)測，及時預(yù)警地層出氣情況
    LG172井，2009年11月28日氮氣鉆進在12：54時發(fā)現(xiàn)可燃?xì)怏w參數(shù)明顯升高，至12：58時井深3255.58m發(fā)現(xiàn)綜合錄井儀的氣測總烴含量明顯升高——含量由0.0723%↗6.6719%。“氣體鉆井實時監(jiān)測系統(tǒng)”連續(xù)彈出“氣測異常”報警對話框(圖5)。
    從圖5可看出，可燃?xì)怏w的曲線形態(tài)與總烴的變化趨勢一致，且時間上要早于全烴的變化，提前4min進行預(yù)警，達(dá)到快速監(jiān)測的目的，為下一步的工程處理贏取了寶貴的時間。
 
4 認(rèn)識與建議
   1) 研制的“巖屑自動取樣裝置”改進了常規(guī)鉆井條件下的巖屑取樣方法，由過去瞬間開閘取“點式”樣變成自動集成取“連續(xù)”樣，且取樣時間實現(xiàn)了電腦自動控制，保證了氣體鉆井條件下的巖屑剖面真實性，又減輕了錄井人員的勞動強度。“巖屑自動取樣裝置”已獲國家實用新型專利。
   2) 研究的“樣氣凈化”方法解決了氣體鉆井條件下氣體檢測的難度和精度問題。“綜合錄井樣氣凈化裝置”已獲國家實用新型專利。
   3) 加裝出口“集成傳感器”，研發(fā)了“氣體鉆井實時監(jiān)測系統(tǒng)”軟件，對出口參數(shù)進行實時監(jiān)測和異常預(yù)警。
    4) 對氣體鉆井的地層出氣、地層出水、“井下燃爆”等井下異常的監(jiān)測方法進行了研究，取得了新的成果。
    5) “巖屑自動取樣裝置”僅適用于干氣體介質(zhì)狀態(tài)下(即井筒內(nèi)為氣、固兩相流)。建議對霧化、泡沫等氣、液相介質(zhì)狀態(tài)下(即井筒內(nèi)為氣、液、固三相流)的“巖屑取樣”進行專題研究，以解決實際應(yīng)用中的巖屑取樣問題。
參考文獻
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(本文作者：唐家瓊 鄭永 熊馳原 龐江平 韓貴生 川慶鉆探工程公司地質(zhì)勘探開發(fā)研究院)