引用本文
妥红, 宋晓晟, 杨明清, 杨凡, 王文刚. 井筒液面高度监测试验与现场应用[J]. 录井工程, 2021,32(3): 107-112.
TUO Hong, SONG Xiaosheng, YANG Mingqing, YANG Fan, WANG Wengang. Monitoring experiment and field application of wellbore liquid level[J]. Mud Logging Engineering, 2021,32(3): 107-112.
Doi:10.3969/j.issn.1672-9803.2021.03.019  
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井筒液面高度监测试验与现场应用
妥红①, 宋晓晟②, 杨明清③, 杨凡④, 王文刚③
①中国石油西部钻探吐哈录井工程公司
②上海欧申科技有限公司
③中石化石油工程技术服务有限公司
④中安联合投资集团有限公司博士后工作站

作者简介：妥红 高级技师,1967年生,2012年毕业于山东理工大学经济管理系,现在中国石油西部钻探吐哈录井工程公司从事综合录井技术研究工作。通信地址: 841000 新疆库尔勒市圣果名苑C-1别墅。电话:(0996)2204237。E-mail:thljth@163.com

收稿日期: 2021-08-03
摘要

在钻井勘探过程中,判断井筒液面高度主要通过钻井液池体积变化量进行计算得出,目前钻井液池体积变化量用液位仪进行测量,由于钻井液罐容积较大,液位的微小误差往往造成钻井液量的较大误差,进而影响井筒液面高度测量的准确性。为提高液位测量准确性,采用气枪声呐装置实施井筒液面高度监测,在压井管汇、圆井口1#阀门、钻具内、防溢管4个位置进行“连续和单次”试验,将测量位置与理论计算进行对比分析,对不同测量位置的回波幅度与适应性进行对比分析。现场试验表明,气枪声呐装置井筒液面高度监测能够准确测量井筒液面高度,满足生产需求;回波幅度大小依次为水眼钻具内钻台位置、圆井口1#阀门位置、压井管汇位置、防溢管位置;现场安装位置可根据不同钻机选择;与录井参数结合,可进一步提升录井综合服务能力。

关键词: 液面监测; 录井; 试验方案; 井漏; 溢流; 井筒
中图分类号:TE132.1 文献标志码:A
Monitoring experiment and field application of wellbore liquid level
TUO Hong①, SONG Xiaosheng②, YANG Mingqing③, YANG Fan④, WANG Wengang③
①Tuha Mud Logging Company of CNPC Xibu Drilling Engineering Company,Turpan,Xinjiang 838299,China
②Shanghai Ocean Technology Co.,Ltd.,Shanghai 201808,China
③Sinopec Oilfield Service Corporation,Beijing 100020,China
④Post-Doctoral Workstation of Zhong'an United Investment Co.,Ltd.,Beijing 100044,China
Abstract

The wellbore liquid level is mainly calculated by the volume change of drilling fluid pool during drilling,which is currently measured with level gauge. Due to the large volume of the drilling fluid tank,a small error in liquid level often causes a large error in drilling fluid volume,which in turn affects the accuracy of liquid level measurement of the wellbore. To improve the accuracy of liquid level measurement,an air gun sonar device is used to monitor wellbore liquid level,continues and single tests at kill manifold,1# strobe of round wellhead,pipe and anti-overflow pipe are conducted,and measurement positions are compared with theoretical calculations to comparatively analyze the echo amplitude and adaptability of different measurement positions. Field tests showed accurate measurement of wellbore liquid level by the air gun sonar device to meet production needs,echo amplitude order as drill floor position in water hole drilling tool,the position of 1# strobe of round wellhead,the position of the kill manifold,and the position of anti-overflow pipe,and on-site installation location based on different drilling rigs. Combined with logging parameters,the comprehensive logging service capability can be further enhanced.

Keyword: liquid level monitoring; mud logging; test plan; lost circulation; overflow; wellbore
0 引言

录井工作需要及时发现溢流、井漏, 为钻井施工提供依据, 保证钻井安全[1]。传统监测方法为钻井液池体积液面变化, 在及时发现和准确预报溢流、井漏方面还存在诸多难题。另外, 根据井身结构计算井筒内液面高度[2], 此方法监测时间滞后、计算误差较大。为了解决钻井液罐液面不稳的问题, 韩军伟等[3]对钻井液面进行改进, 取得了一定效果; 国内一些专家建立了数据模型, 对井涌、井漏进行数据分析[4], 由于并不是对钻井液面进行直接测量, 而是进行相关计算求得结果, 其误差较大; 国外发展了FLAG井涌井漏早期监测及EKD早期井涌探测系统[5], 该设备监测准确性相对较高, 但工艺复杂, 成本较高。井筒液面监测技术通过对井筒液面高度实时连续监控, 及时掌握井筒液位动态, 预防钻井事故发生, 始终保持在一级井控状态下, 从而为工程预警、井控安全提供技术保障。

1 试验方案
1.1 试验设备原理

通过气枪声呐装置进行监测。为气枪充满一定压力的氮气, 通过控制装置控制气枪, 向井筒内突然释放氮气, 产生声波, 声波向井筒内传输, 当遇到阻碍物(液面)时即可产生回声反射, 反射声波被微音器接收, 已知声波传递速度和回声发射时间, 可以计算出障碍物(液面)和声源之间的距离, 通过信号处理软件即可确定液面位置。该设备主要包括制氮装置、井口发声装置、控制装置、分析处理显示、电缆及其他附件。

1.2 试验设备性能

液面测深范围为20~3 000 m, 测量误差不大于10 m/1 000 m; 测压范围(选配)0~2 MPa, 误差不大于0.2%FS; 工作环境温度为-20~65℃; 工作环境相对湿度小于95%; 休眠电流3 μA、平均工作电流20 mA; 电源为220 V交流充电器12.6 V输出; 电池容量为12 V 4 Ah; 防爆等级EXmbⅡ T4Gb; 数据传输模式有远距离无线模式、近距离Wifi信号模式连接、网线连接三种方法。该模式可通过数字无线接收机接收井口设备控制箱的无线数据, 运行电脑软件并开始操作使用。该装置自动充气、连续供氮、自动化程度高。

1.3 试验方法

如图1所示, 分别在钻机的压井管汇、圆井口1#阀门、钻具内、防溢管4处位置安装井口发声装置, 采用不同发射压力进行试验, 监测井筒液面高度, 与理论计算液面高度进行比较, 同时测量回波幅度, 分析试验效果。

图1 安装位置监测分析

2 现场试验
2.1 压井管汇位置

如图2所示, 将井口发声装置安装在压井管汇压力表附近位置, 在压井管汇位置且井筒内有钻杆关井状态下进行监测。采用相同压力对不同漏失井段进行测量, 如表1所示, 通过计算高度与实际测量监测数据对比, 理论高度由地质资料和邻井漏失井段计算得出。序号1~5, 在2.0 MPa压力下对漏失井段进行连续测量, 高度为324.64~327.63 m, 与计算高度相比, 最大误差0.43%, 说明本井在继续井漏过程中; 序号6~8, 在灌注入2.0 m3钻井液时, 进行测量, 高度为306.28~306.35 m, 说明环空液面升高21.28 m; 在不同漏失井段, 进行了“ 连续和单次” 测量试验, 与实际计算高度比较, 最大误差0.44%。通过此位置监测试验, 证明在关井状态下均能完成“ 连续和单次” 监测作业, 能够准确判断井筒液面高度, 为工程提供技术保障。

图2 压井管汇位置安装示意

表1 压井管汇位置监测数据

如图3所示, 从压井管汇位置液面高度回波监测图分析, 在关井状态下, 井筒形成密闭环空, 测量接收回波有多个回波, 回波幅度在150 mV左右, 回波清晰易判断, 回波幅度由大变小, 证明封井器密封性好。此位置在关井状态下, 能进行“ 连续和单次” 监测作业, 回波特征为回波多, 幅度逐次减弱, 有规则。证明该装置能在此位置第一时间准确分析判断井筒液面高度, 为工程提供技术保障。

图3 压井管汇位置液面高度回波监测图

2.2 圆井口1#阀门位置

如图4所示, 将井口发声装置安装在圆井口1#阀门专用接头处, 此位置操作空间大, 安装方便快捷, 且监测效果与压井管汇位置相似, 可在关井状态下进行“ 连续和单次” 监测。

图4 圆井口1#阀门位置安装示意

如表2所示, 在圆井口1#阀门位置关井状态下, 采用相同压力对不同漏失井段测量, 从监测数据表分析, 序号1~3, 在相同压力对井漏井段进行同一位置连续测量, 测量高度为545.14~545.98 m, 与实际计算高度比较, 最大误差0.36%, 说明环空液面未降, 稳定在此位置; 序号4~6, 在灌注1.0 m3钻井液时, 连续测量, 测量高度为537.74~537.92 m, 说明环空液面升高8.06 m, 与实际计算高度比较, 最大误差0.17%; 序号7~8, 连续灌注2.6 m3钻井液时, 连续测量, 测量高度为454.58~456.06 m, 环空液面又升高81.86 m, 与实际计算高度比较, 最大误差0.45%。监测试验证明在关井状态下均能完成“ 连续和单次” 监测作业, 可以准确判断井筒液面高度, 为工程提供技术保障。

表2 圆井口1#阀门位置监测数据

如图5所示, 从圆井口1#阀门位置液面高度回波监测图分析, 有多个回波, 在压力为1.4 MPa时, 回波幅度在217 mV左右, 回波特征为回波多, 幅度逐次减弱, 有规则。证明该装置能在此位置第一时间准确分析判断井筒液面高度, 为工程提供技术保障。

图5 圆井口1#阀门位置液面高度回波监测图

2.3 水眼钻具内钻台位置

如图6所示, 将井口发声装置放置在钻杆口, 进行钻杆内液面“ 连续和单次” 监测作业。作业目的是开井或关井状态下, 实时掌控钻杆水眼液面高度, 为工程处理复杂提供技术保障。

图6 水眼钻具内钻台位置安置示意

如表3所示, 在井漏过程中, 采用相同压力进行水眼钻具内测量, 序号1~3是同一根钻杆3次测量, 液面平均高度69.84 m, 与理论计算高度最大误差0.24%; 序号4~6是下单根立柱进行3次测量, 液面高度67.05 m左右, 按照理论计算, 下单柱钻杆液面升高2.65 m, 通过监测液面升高2.68 m, 与理论计算吻合; 序号7~8是同一根钻杆, 灌注0.38 m3钻井液时, 进行2次测量, 液面高度平均26.59 m, 按照理论计算灌注0.38 m3钻井液时, 钻杆液柱升高41.0 m, 实测40.46 m, 误差0.20%。通过对水眼钻具内监测应用, 证明该设备能在水眼钻具内完成“ 连续和单次” 监测作业, 能够准确判断水眼液面高度, 可以满足生产需求, 为工程提供技术保障。

表3 水眼钻具内钻台位置监测数据

如图7所示, 从水眼钻具内回波监测图分析, 此位置在关井、开井状态下均能监测作业, 在压力1.0 MPa时, 回波幅度在1 865 mV左右, 有多个回波。

图7 水眼钻具内监测回波图

这是因为钻杆内径小, 内径无障碍, 所以测量回波幅度大, 有规则。通过监测应用, 证明该设备能在此位置监测作业, 能准确“ 连续和单次” 监测水眼液面高度, 回波清晰易判断。

2.4 防溢管位置

如图8所示, 在防溢管位置焊接导声安装接头, 焊接导声安装接头要求离防溢管钻井液出口管上部大于400 mm, 与上部导管剩余量600 mm左右, 为最佳高度, 夹角为30° , 实现设备安装与监测。

图8 防溢管导声安装接头焊接示意

如图9所示, 将井口发声装置安装在导声安装接头上端, 确保发射枪内微音器不被钻井液包裹, 实现开井状态下“ 连续和单次” 监测目的。

图9 防溢管位置安装示意

套管内径159.42 mm, 环空内无钻杆, 在开井工况下, 采用相同压力对环空进行同一位置连续测量。如表4所示, 从防溢管位置监测液面高度数据分析, 在压力为2.0 MPa时, 通过8次测量, 高度介于504.76~505.52 m之间, 与计算高度比较, 误差范围在0.35%~0.50%。通过连续测量同一高度, 可以确定高度的一致性, 说明测量高度准确, 符合井筒液面高度监测的规定。

表4 防溢管位置监测液面高度数据

如图10所示, 在开井状态下, 套管内径159.42 mm, 环空内无钻杆, 从防溢管位置回波监测图分析, 此位置只能在开井状态进行监测作业, 在压力为2.0 MPa时, 回波幅度在68 mV左右, 有多个回波, 有规则, 回波清晰易判断。因为套管内径大, 无密封情况下, 回波幅度较小, 所以不同套管, 测量回波幅度不一样。但是通过现场试验, 回波幅度有规则易判断。证明该装置能在此位置, 在开井状态下, 发生井漏时第一时间“ 连续和单次” 准确监测环空液面高度, 能为工程提供技术保障, 满足生产需求。

图10 防溢管位置回波监测图

2.5 不同测量位置对比分析

如表5所示, 通过现场比对试验表明, 可根据钻机型号、井型、井控要求等选择最优选位置进行监测, 来满足不同生产需求。

表5 不同测量位置对比分析
3 现场应用

在防溢管位置进行应用, 工程承压完井作业期间, 为保证测试过程中不会受到井漏干扰, 在套管内进行应用。如表6所示, 承压作业前测量井筒液面平均高度为503.04 m, 承压作业开始时往井筒内灌注水10.0 m3时, 返出防溢管钻井液出口。计算验证, 套管内径159.42 mm, 井内无钻具, 每米体积计算为0.019 9 m3, 即为0.019 9× 503.04=10.0 m3。通过体积法验证, 承压作业前测量高度与试压灌注水量高度相符, 证明该装置能在此位置在开井状态下, 第一时间“ 连续和单次” 准确监测环空液面高度, 为工程提供技术保障。

表6 防溢管位置环空监测液面数据

在开井状态下, 套管内径159.42 mm, 环空内无钻杆, 从防溢管位置回波监测图分析, 在压力2.0 MPa时, 回波幅度在55 mV左右, 有多个回波, 通过验证在开井状态下能完成“ 连续和单次” 测量, 有规则, 回波清晰易判断, 能为工程提供技术保障, 满足生产需求。

4 结论与建议

(1)现场通过对不同位置进行试验、应用, 该装置在防溢管位置, 开井状态下“ 连续和单次” 监测环空液面高度, 改变了国内外井筒液面监测技术在关井状态下作业的方法, 为“ 早发现、早报告、早处理、早控制” 工程异常, 提供技术保障。

(2)一般来说, 在相同发射压力情况下, 回波幅度大小依次为水眼钻具内钻台位置、圆井口1#阀门位置, 其次为压井管汇位置、防溢管位置。

(3)通过分析对比, 防溢管位置是最佳位置, 及时性强, 操作简单, 将井口发声装置长期安装在防溢管位置, 需要测量时, 从录井房远程发出指令, 实施“ 连续和单次” 监测, 避免频繁开关井, 给工程带来安全隐患。

(4)下一步将导声安装接头制作成喇叭口式, 上端直径80 mm, 下端开口直径108 mm, 斜度为30° , 扩大下端接头内径, 将使接收回波面积增大, 提高回波幅度, 提升监测效果, 易于分析判断。

(5)下一步将井筒液面高度监测数据与录井数据相结合, 形成一套集综合录井、井筒液面高度监测、钻井事故预警为一体的综合录井技术, 进一步提高录井综合服务能力。

编辑 唐艳军

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