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气体钻井随钻安全风险识别与监控
博燃网● 2015-12-14

摘 要:气体钻井对地质条件有较为苛刻的要求,地层失稳、产水、钻具失效以及井下燃爆等均有可能导致气体钻井失败,因此随钻井下风险识别及监测对于保障气体钻井安全具有重要意义。为此,提出将理论分析和现场案例相结合,总结气体钻井过程中井壁失稳、产水、产气、井下燃爆、钻柱失效等主要风险发生时的工况参数表征,建立风险发生与对应工况参数变化的关系模型,开发自动化分析平台对工况参数变化进行分析,以判断发生的风险类型。基于已有的地面监测技术,研发了地面  井下参数监测系统,用测量短接实时监测井下温度、压力、湿度以及钻具振动等参数,并通过中继短接传输到地面,可以更快速、准确地获知井下各项参数的变化情况。将关系模型、分析平台以及监测系统相结合,形成了气体钻井随钻安全风险辨识方法。在新疆塔里木盆地开展的现场试验结果表明,该方法能够快速反映出气体钻井各项参数的变化情况,准确判断井下发生的风险类型,可有效降低气体钻井安全风险,提高气体钻井效率。

关键词:气体钻井  安全风险  随钻识别  工况表征  监控方法  监控系统  塔里木盆地

While-drilling safety risk identification and monitoring in air drilling

AbstractAir drilling is often applied in rigorous geological conditionsbecause it may fail due to formation collapseformation water producingBHA failure and downhole explosionThereforethe downhole risk identification and monitoring while drilling is very important for the safety of air drillingThis paper presents the combination of theoretical analysis and case study for parameter characterization of working conditions when risks occur during air drillingincluding sidewall instabilitywater producin9gas producingdownhole explosion and drilling string failureIn order to determine risk typesa relation model was established for risks and their corresponding working condition parametersand an automatic analysis platform was developed to analyze the variation of working condition parametersBased on the existing surface monitoring technologythe surface-downhole parameter monitoring system was developed to understand the variation of downhole parameters more quickly and accuratelyWith the systemparameters(such as downhole temperaturepressure and moisture and tool vibration)were real time monitored through gauging nipples and transferred to the ground through relay nipplesA method for risk identification while drilling was consequently formed in air drilling by combining relation modelanalysis platform and monitoring system togetherIt is shown by the field test in Xinjiang that this method can reflect quickly the variation of every parameter in air drillingjudge accurately the types of downhole risksreduce effectively the Safety risks in air drilling and increase the efficiency of air drilling

KeywordsAir drillingSafety riskIdentification while drillingWorking condition characterizationMonitoring methodMonitoring systemTarim Basin

空气钻井有着钻井液钻井所不可比拟的诸多优势,一方面可以有效地提高机械钻速,另一方面由于其密度低,在整个钻井过程中不存在漏失的问题。但空气钻井过程中不时发生偶遇产层、井壁失稳、地层产水、井下燃爆、钻柱失效以及产出有毒气体等问题,引起工程复杂事故,给人员财产安全带来了风险。因此限制了这项低成本、高钻速的钻井方式的推广使用。

为了预防空气钻井带来的风险,亟须发展空气钻井随钻安全监测技术。目前空气钻井随钻监测技术采取的是在录井基础上在地面管汇上加入多种传感器,监测返出气体组分、湿度以及扭矩、立压、大钩载荷等工程参数[1-7]。以此为数据基础,分析井下工况变化情况,来预测工程风险。但由于录井数据与地面传感器采集的数据较井底实际工况具有滞后性,不能够及时地反映井下实际情况,因此还不能达到较早识别、预测风险的效果。

为能够更早更准确地预测风险,笔者提出一种系统的气体钻井安全风险辨识、预测监测方法。此方法在已有监测基础上,通过加入多节监测短接的方式监测井下工况变化情况,再通过短接间无线传输快速将井下工况传输至地面。使用自动化数据分析平台对综合录井数据、空气钻井设备参数监测数据、辅助地面在线参数监测数据和井下随钻监测数据进行实时分析,自动判别井下工况变化情况。做到更及时地识别、预测空气钻井风险,提高气体钻井安全性和成功率,避免不必要的损失。

1 气体钻井井下安全风险主要类型、产生原因及工况表征

通过不断实践总结出气体钻井施工过程中易出现以下类型工程风险:钻遇未知气层、井壁失稳、地层产水、井下燃爆、钻柱失效以及地层产出有毒气体。系统分析各项工程风险产生的原因及其后果。

钻遇未知气层:由于钻井过程中地质情况的不确定性和气体钻井井底欠压差,发现常规钻井不能发现的气藏而突然产气。其工况分析及表征:地层产气冲击钻头,对钻柱施加一个向上的冲击力导致钻具振动并且大钩载荷减少,钻压降低,机械钻速提高;排砂管线返出气量为产气量与注气量之和因而增加、井底流场改变,井底压力波动;排砂管线压力上升以及注入气体压力小幅上升。

井壁失稳:循环介质的不同致使气体钻井井壁应力分布很大程度异于常规钻井。在井眼形成过程中,井壁近井地带形成应力集中,又由于井底欠压差使得井壁缺少了钻井液的支撑,因此容易发生井壁的力学失稳。其井壁失稳的形式主要表现为井壁的垮塌与崩落[8-10]。其工况表征:井壁垮落岩屑撞击钻杆,造成井下钻具振动;若环空流动不畅造成井底压力上升、注入气体压力增大、注入气量降低,岩屑堆积造成上提下放钻具困难,大钩载荷改变,扭矩上升且严重时发生卡钻;排砂管线返出岩屑量增加,岩屑粒度增入,以及排砂管线压力波动。

地层产水:因水文地质条件、气候条件、构造情况、岩性组合情况、储渗空间情况、地层流体参数及地层温压特性不同,在地层中可能会饱含地层水。当气体钻井钻遇水层时,由于井底负压差,地层流体向井筒渗流。地层出水工况表征:地层产水后气体吸收水分导致排砂管线、井下返出气体相对湿度上升;岩屑吸收水分导致返出岩屑湿润;环空混合流体密度上升导致井底压力上升、注入气体压力小幅E升。

地层产水量计算方法:

在一定小范围内,地层水的流动遵循达两平而径向流渗流公式,考虑渗透率与近井地带孔隙压力变化的不稳定渗流计算公式为:

 

式中Q为地层出水量,m3h为水层厚度,mprw+dr为所取很小范围的外边界压力,MPapw为井底压力,MPadr为所取很小范围外边界径向上距井壁距离,mrw为井眼半径,mK(t)为渗透率,m2m为地层水的黏度,mPa·s

钻柱失效:相比于液基钻井液钻井,导致气体钻井易发生钻具失效的原因[11-15]主要是因为钻柱动载荷下的疲劳、局部碰撞与摩擦导致高温、井下燃爆、腐蚀与冲蚀。钻柱失效的工程表征:钻具断裂瞬间造成钻具剧烈振动,断裂后落鱼段重量不再作用在大钩上,大钩载荷陡然降低,扭矩减少;气体流动阻力减小造成注入压力大幅降低;同时造成井下复杂事故、停止钻进。

有毒气体返出:气藏中可能伴生有H2SCOCO2等有毒与有害气体,在气体钻井揭开后由地层内渗流至井筒并返出。在一定的气藏有毒与有害气体浓度下,由于气体钻井时地层产气量大,地层产出有毒与有害气体量明显高于液基钻井。有毒气体产出:井底有毒气体产出时由于产气造成钻具振动,有毒气体与空气混合,改变井底与地面气相组分,改变井下流场造成井底压力波动。

储层气体钻井时,环空循环气体为注入气体(包括毒害气体如CO2等和无毒气体如N2O2:两部分)与产出气体(包括全烃和毒害气体两部分)的混合,若注入气体中的毒害气体与地层产出的毒害气体均未被溶解,也不与其他气体发生反应,则由物质守恒原理可知,排砂管线的返出量等于地层产出量与注入量的和。

排砂管线返出气体全烃与毒害气体浓度为:

 

式中Qn-r为储层产出全烃量,m3minQg-i为注入气体量(不含毒害气体)m3minQT-i为注入毒害气体量,m3minQT-r为储层产出毒害气体量,m3minCa-o为返出全烃浓度;CT-o为返出毒害气体浓度;CT-i为注入毒害气体浓度。

由式(2),在测得注入气体流量、注入毒害气体浓度、返出气体全烃浓度、返出毒害气体浓度条件下,可得储层毒害气体的产出量为:

QT-r=Qg-iCT-i/(1-Cn-o-CT-o)-CT-o(Qg-i+QT-i)     (3)

得气藏的毒害气体浓度为:

CT-r=QT-r/(Qn-r+QT-r)      (4)

综上所述,一种钻井风险可能导致多种参数变化,而某一种参数变化又可以由不同风险诱发。由此,建立气体钻井安全风险监测识别方法构架关系(1)

 

2 气体钻井随钻安全监控方法

气体钻井随钻安全监控方法系统地结合了检测系统的组成单元,工作的方法原理以及配套智能化数据分析平台的功能。气体钻井随钻安全监控方法整体思路如图2所示。

 

21 监测系统组成单元

气体钻井随钻安全监测方法采用4个监测单元:录井数据监测,空气钻井设备参数监测,辅助地面在线参数监测以及井下随钻监测。录井数据监测钻井上返岩屑性质、大钩载荷、扭矩、钻压以及钻时等参数变化情况;空气钻井设备参数监测空压机排量、排压以及注入氧浓度等气体参数变化情况;辅助地面在线参数监测可监测地面硫化氢浓度、上返气体压力、各组分浓度、岩屑性状以及湿度;井下随钻监测可监测井下钻柱振动、湿度、温度以及井筒压力等参数。

22 监测系统监测方法

录井数据、空气钻井设备参数以及辅助地面在线参数3个监测单元的监测数据通过在地面管线设备上安装传感器、监控摄像头以及结合已有录井监测方法,采用无线传输设备传送到监控房的随钻监测数据综合分析平台,井下随钻监测数据通过在钻柱中加入多节钻杆监测传送短接,短接具有数据监测功能与数据传输功能,每节监测短接将监测数据发送至临近上部短接,以此方法逐节将每节监测数据传送到地面,再通过地面传输装置传到随钻监测数据综合分析平台。

23 智能化数据分析平台

4个监测单元将监测参数传输至智能化数据分析平台,分析平台随钻记录各项参数变化情况并且通过工况识别软件实时将各种风险工况表征与各项监测参数波动情况进行综合对比分析,当监测数据的波动变情况符合某种风险表征规律时,分析平台自动快速、准确识别此种风险、判断风险强度并且向井场施工队报警。当井场工作人员确认风险存在后,分析平台可根据风险类型与强度提供相应施工措施。

3 应用实例与分析

2012年新疆维吾尔自治区塔里木盆地某些井氮气钻井纯致密砂岩随钻监测数据段为例,携岩不畅后立管压力变化曲线如图3所示。由图3可知,在正常钻进状况下,立压波动主要受活塞式压缩机脉动引起瞬变,因而其波动范围一般较小,由螺杆压缩机引起的瞬变流动基本上可以忽略不计,当出现地层大量出水或环空发生堵塞流通不畅的情况,循环系统的负荷增大,会引起立管压力的增大。图3是在使用气体钻井过程中,净化良好与净化不良的时立压曲线。从图3中可以看出,在正常钻进时,立压基本保持平稳,在130接单根恢复钻进后,立压异常波动且峰值较常规钻进高,循环开始出现不畅通的现象。

 

4是携岩不畅后监测到排砂管压力的曲线图。从图4中可以看出,正常钻进过程中,排砂管压力维持在3kPa左右波动。在130时接完单根以后,排砂管压力开始持续上升,然后出现较大幅度的波动,最大值达到22kPa。同时,发现岩屑返出量减小,且不稳定。

 

5为接单根停、注气时的排砂管线压力与立压曲线,从图5中可以看出在接单根停止注气时,立管压力迅速下降为0,排砂管线压力没有下降的趋势,几分钟后排砂管线压力才开始下降,明显有一个滞后的时间。当开始注气后,排砂管线压力仍然继续下降,但没有下降到0就又开始上升,并且上升速度缓慢。说明井下的压缩气体从停气到注气时间段里一直没有排空,井下流动极为不畅、堵塞情况较为严重。

 

井筒烘干或钻遇地层产水时,部分水以蒸汽形式随气流返出,导致返出气体相对湿度变化,如图6可见,井筒烘干过程中监测返出气体相对湿度逐渐降低,而地层水产出后相对湿度逐渐增大。现场观察到排砂管口有黏结成团的现象,并且发现有小水滴,初步判断此时可能钻遇出水地层且井下已造成一定环空携岩不畅的情况[16]

 

结合图36综合分析,地层出水后导致环空当量密度增加,循环流阻变大所以立压增加。环空岩屑相互结团,形成较大的岩屑泥团,携岩困难导致排压的不稳定。而返出气体相对湿度明显增加,也说明地层的出水情况。分析与监测现象吻合因此可以判断此时出现的井下情况为地层出水。

78监测曲线可看出,钻遇储气层时甲烷浓度由0%上升至75%,再下降稳定至48%,同时产气导致砂岩段力学失稳,扩径率在20%~28%。监测证实了井下产气造成井壁失稳现象。

 

 

井壁坍塌失稳造成钻具阻卡后,钻柱与井壁的摩擦力矩增大,导致顶驱/转盘监测扭矩变化。图9为实际监测的钻柱阻卡前后的扭矩参数,可见未发生阻卡时,扭矩在25%范围内波动,发生阻卡后转动钻柱的扭矩值大幅增大。

 

结合图79综合分析,临测甲烷浓度猛然增加,说明钻开储集层瞬间地层压力快速释放,可能导致地应力场改变,加大气量冲蚀井壁造成井壁失稳。而图7说明确实存在扩径现象,扩径产生较多岩屑难以携带,导致了卡钻使得出现图9的扭矩增大的情况。分析与监测现象吻合,说明井下出现了产气导致井壁失稳的情况。

4 结论与建议

通过理论研究,较为系统地总结了空气钻井各种风险对应的工况表征,通过工况表征分析能够准确判断钻井风险类型,为空气钻井随钻监测提供了监测的理论依据。

通过在已有监测系统的基础上增加井下随钻监测系统的方法可以克服井筒气体返出至地面所需时间的延迟,使得我们可以更快更直接获取井下各项参数的变化情况,及时判断井下实时工况,提高了空气钻井的安全性。

现场试验证明,随钻监测系统能有效监测分析所需数据,起到了良好的预防风险的作用。

空气钻井风险识别系统以及随钻监测系统尚不十分完善,风险识别的理论还需要更进一步总结分析,随钻监测系统还需要大量监测设备的研制,综合分析所用软件平台也有待开发。因此,此项技术还有待于更进一步的发展。

 

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本文作者:李皋  李诚  孟英峰  李永杰  刘金龙  陈一健  夏文鹤  蒋俊

作者单位:油气藏地质及开发工程国家重点实验室·西南石油大学

  中国石油塔里木油田公司油气工程研究院

 

 

 

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