气体钻井的录井监测方法

摘 要

摘要：由于气体钻井循环系统的流体介质改变——由常规的液态变为气态，致使传统的录井方法无法适应，表现为：①粉尘状岩屑采集困难且样品质量很难满足要求；②因出口样气中
摘要：由于气体钻井循环系统的流体介质改变——由常规的液态变为气态，致使传统的录井方法无法适应，表现为：①粉尘状岩屑采集困难且样品质量很难满足要求；②因出口样气中粉尘掺混，易产生管路堵塞，影响气测分析结果的精度；③综合录井仪原有的密度、电导率等参数无法监测，切断了地层流体信息识别和井下工况异常的及时报警。针对这些难题，通过现场调研和探索，分别研制出“岩屑自动取样装置”、“气体净化装置”和“气体钻井实时监测系统”，实现了气体钻井连续、自动录取岩屑，提高了钻井地质剖面的符合率；实现了样品气的连续、干燥、无尘获取，确保了气测分析精度的需要；在出口管线的适当位置加装湿度和硫化氢等集成传感器，实现了气体钻井出口参数的实时监测和工程、地质异常的预警，为安全钻井施工方案的制订提供了依据。该方法与技术经现场多口井应用与推广，取得了良好的效果，获得了2项实用新型专利并申请了1项软件著作权登记。
关键词：气体钻井；录井；自动化；取样；监测；实时；报警装置；方法
    气体钻井是用气体(空气、氮气等)作为钻井流体所进行的一项钻井工艺[1]，近年来在川渝地区被广泛采用。仅2007年1月至2008年6月，川渝地区就进行了100余井次的空气或氮气钻井，使钻井机械钻速提高了3～15倍[2]。目前，在中国石油天然气集团公司重点工程中，实现钻井提速的主要技术思路仍是采用气体钻井。
1 气体钻井的录井现状
1.1 岩屑采集困难
    由于气体钻井技术的普遍应用，无法在原来的振动筛处进行岩屑采集，录井岩屑取样被迫改变环境。目前现场岩屑取样，主要是在气体出口管线的下方焊接一个简易取样管，由管口闸门开关控制取样。由于是手动开闸取样，录井人员劳动强度大，且取出的岩屑样品为不连续的——是开闸瞬时的样品，致使气体钻井段的岩屑剖面符合率较低，不能满足要求。同时，由于气体介质对岩屑的悬浮能力远远低于液相介质，岩屑在井下被机械重复破碎[3～4]，直到可以被气体介质带出井口为止。如果取样方法不当，会造成岩样不能客观反映真实地层岩性的情况。
1.2 样气净化难度大
    在气体钻井中，由于气体介质的出口样气粉尘极多，常堵塞管线，维护难度很大。现场采用的简易过水净化方法，由于水对有些气体的溶解性及其不同气体溶解度的差别(如H2S较CH4、CO2等的溶解度大)，仍然会影响监测结果。
1.3 出口参数录取困难
    在常规钻井中，综合录井仪针对液态循环介质对出口参数进行录取，并以出口参数的变化来进行井漏、气侵、井涌等异常预警。在气体钻井中，循环介质改为了气态，钻井工艺流程发生了变化，综合录井仪原有的出口参数无法采集，直接影响了地层流体的识别及井下工况异常的及时预警。
2 气体钻井的录井监测方法
2.1 研制了“岩屑自动取样装置”
    “岩屑自动取样装置”由岩屑收集、岩屑存储和自动控制3部分组成。在气体出口管线的上方或侧面安装取样管，取样管的插入端为“斜口”，其作用是有助于岩屑进入取样管。岩屑经上阀门到岩屑收集筒，岩屑收集筒下端连接下阀门，下阀门之下为岩屑存储筒(图1)。
 
   上阀门和下阀门的开启与关闭，由阀门控制器和电脑根据迟到井深信号进行自动控制。
2.2 样气净化方法
   根据井口高压气体自行向前运动，设计了不同的净化方式，气体经过“三重净化”后(图2)，进入综合录井色谱仪，达到了连续、干燥、无尘的目的，提高了气测分析的准确度。
 
2.2.1第一次净化
   在进样管线上安装一个粉尘过滤器，对样气进行第一次净化。
2.2.2第二次净化
   经第一次净化后的样气通过水罐对残留的粉尘进行第二次净化。水罐用有机玻璃制造，便于观察内部情况。水罐底部做成漏斗形状，便于取样和排污。
2.2.3第三次净化
    利用井口高压气体自行向前运动，样气在色谱仪的抽吸作用下通过干燥筒进行第三次净化，最终达到气相色谱仪所需要的样气标准。
2.3 研发“气体钻井实时监测系统”，对地质、工程异常进行监测和预警
2.3.1加装“集成传感器”
    基于对气体钻井的井下安全及人员安全考虑，在出口管线的适当位置加装“集成传感器”。即在出口管线上安装湿度、温度、硫化氢、氧气、二氧化碳和可燃气体等传感器，并开发“气体钻井实时监测系统”软件，实现了对气体钻井出口参数的实时监测和地质、工程异常的及时预警。
2.3.2录井监测方法
2.3.2.1 地层出水的监测方法
    气体钻井中，一旦地层出水，会导致裸眼井段的泥页岩水化膨胀，造成井壁坍塌[5]或在井壁上形成“泥饼环”。当地层出水危及井下安全时，应停止钻进，并根据井下情况分析确定下步措施[6～7]。所以地层出水的及时监测及时预警就显得十分重要。
    在出口管线上加装“湿度”传感器，录井根据监测的湿度值变化，对地层出水情况进行定性而快速的检测。
    值得注意的是，气体钻进刚开始时，检测到的湿度值可能是高值，这与井壁的干燥程度有关。如果湿度值随钻进时间的增加而逐渐下降，说明原来的井壁逐步吹干；如果湿度值一直居高不下或在某一时段突发升高，加之出口返出岩屑量的减少，则要引起高度重视，及时预警。
2.3.2.2 “地层出气”的快速监测方法
    天然气与空气的混合气体容易发生“井下燃爆”。一旦发生“井下燃爆”，轻则造成井下钻柱断裂，重则导致井塌甚至使所钻井报废，危害程度极大。也许没有绝对的方法能阻止井下燃爆，但是可以采取措施以减小井下引燃的发生几率[8]。
    在出口管线上加装“可燃气体”、“硫化氢”等传感器，对第一次净化后的气体进行快速检测，当发现检测的参数发生变化时，录井人员可及时综合分析及时预警。
2.3.2.3 “井下燃爆”的监测方法
    在出口管线上加装氧气、二氧化碳、一氧化碳等传感器，对井下燃爆情况进行实时监测。当监测的氧气值降低或二氧化碳、一氧化碳值升高时，即有可能发生了井下燃爆。
2.3.2.4 钻具异常的监测方法
    为了更好地进行钻具异常预警，在出口管线上加装压力传感器，结合综合录井监测的其他参数变化，对井下钻具异常进行预警。
    当发现立压值下降或其他参数发生变化时，有可能井下发生了“钻具刺”；当发现立压值下降、悬重值降低时，有可能井下发生了“钻具断裂”事故。
2.3.2.5 空气锤(或钻头)异常的监测方法
    当发现扭矩值增加或钻时明显增加时，有可能是空气锤(或钻头)发生了异常，录井人员应及时综合分析及时预警。
2.3.2.6 地层坍塌或产生泥饼环的监测方法
    当发现扭矩值增加，注气压力增大，出口返出的岩屑增多或减少、起下钻遇阻或遇卡等异常时，则可能发生了地层坍塌或产生了泥饼环，录井人员应及时综合分析及时预警。
3 应用效果
3.1 “岩屑自动取样装置”应用效果
   LG23井，试验(氮气)井段3130.00～3683.00m。该井用自动取样装置所取岩样(每4m取1个样)建立的录井剖面，与测井解释剖面符合率为87%(图3)。
    该井试验(氮气)井段由于是每4m取样，录井岩屑剖面解释就显得较粗，如煤层，录井剖面只能定为4m或8m，而测井解释煤层厚仅1～2m。
    用“岩屑自动取样装置”之前，录井的岩屑剖面符合率为60%～70%；应用“岩屑自动取样装置”之后，录井的岩屑剖面符合率提高至80%～90%。
3.2 录井监测的应用效果
3.2.1对出口气体介质的“湿度”进行实时监测，及时预警地层出水情况
    LG172井，于2009年11月27日从井深3106.00m开始进行氮气钻进，排量90m3/min。
    钻至井深3320.63m时湿度开始快速升高，至井深3321.00m上升至78%(图4)；观察出口返出的岩屑较少，颜色深，具湿润感，部分呈团块状，经综合分析，判断地层出水，及时进行了预警。
    此次地层出水预警，是通过监测出口气体的“湿度”变化并结合岩屑返出情况进行分析和判断的，为下一步钻井决策提供了依据。
 
3.2.2对出口可燃气体进行实时监测，及时预警地层出气情况
    LG172井，2009年11月28日氮气钻进在12：54时发现可燃气体参数明显升高，至12：58时井深3255.58m发现综合录井仪的气测总烃含量明显升高——含量由0.0723%↗6.6719%。“气体钻井实时监测系统”连续弹出“气测异常”报警对话框(图5)。
    从图5可看出，可燃气体的曲线形态与总烃的变化趋势一致，且时间上要早于全烃的变化，提前4min进行预警，达到快速监测的目的，为下一步的工程处理赢取了宝贵的时间。
 
4 认识与建议
   1) 研制的“岩屑自动取样装置”改进了常规钻井条件下的岩屑取样方法，由过去瞬间开闸取“点式”样变成自动集成取“连续”样，且取样时间实现了电脑自动控制，保证了气体钻井条件下的岩屑剖面真实性，又减轻了录井人员的劳动强度。“岩屑自动取样装置”已获国家实用新型专利。
   2) 研究的“样气净化”方法解决了气体钻井条件下气体检测的难度和精度问题。“综合录井样气净化装置”已获国家实用新型专利。
   3) 加装出口“集成传感器”，研发了“气体钻井实时监测系统”软件，对出口参数进行实时监测和异常预警。
    4) 对气体钻井的地层出气、地层出水、“井下燃爆”等井下异常的监测方法进行了研究，取得了新的成果。
    5) “岩屑自动取样装置”仅适用于干气体介质状态下(即井筒内为气、固两相流)。建议对雾化、泡沫等气、液相介质状态下(即井筒内为气、液、固三相流)的“岩屑取样”进行专题研究，以解决实际应用中的岩屑取样问题。
参考文献
[1] 新疆石油管理局钻井工艺研究院，胜利石油管理局钻井工艺研究院.SY/T 6543.1-2008欠平衡钻井技术规范[S]∥国家发展和改革委员会.北京：石油工业出版社，2008.
[2] 魏武，许期聪，邓虎，等.气体钻井技术在七北101井的应用与研究[J].天然气工业，2005，25(9)：48-50.
[3] 郭建华，李黔，王锦，等.气体钻井岩屑运移机理研究[J].天然气工业，2006，26(6)：66-67.
[4] 黄进军，崔茂荣.空气雾化钻井中液滴尺寸及其分布[J].西南石油学院学报，1994，16(3)：39-43.
[5] 许期聪，刘奇林，侯伟，等.四川油气田气体钻井技术[J].天然气工业，2007，27(3)：60-62.
[6] Q/CNPC-CY 807—2006天然气、氮气、柴油机尾气钻井操作规程[S]∥四川石油管理局.成都：[出版者不详]，2006.
[7] Q/CNPC-CY 808—2006空气钻井技术规范[S]∥四川石油管理局.成都：[出版者不详]，2006.
[8] LYONS W C.空气和气体钻井手册[M].曾义金，译.北京：中国石化出版社，2006.
 
(本文作者：唐家琼 郑永 熊驰原 庞江平 韩贵生 川庆钻探工程公司地质勘探开发研究院)