引用本文
李开荣, 张以军, 陈冲, 陈俊男, 郑浩, 殷小明. 在线式气侵监测系统的研制与应用[J]. 录井工程, 2024,35(1): 79-84.
LI Kairong, ZHANG Yijun, CHEN Chong, CHEN Junnan, ZHENG Hao, YIN Xiaoming. Development and application of on-line gas cut monitoring system[J]. Mud Logging Engineering, 2024,35(1): 79-84.
Doi:10.3969/j.issn.1672-9803.2024.01.013  
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在线式气侵监测系统的研制与应用
李开荣, 张以军, 陈冲, 陈俊男, 郑浩, 殷小明
中国石油西部钻探地质研究院（录井工程分公司）

作者简介：李开荣 技能专家,1987年生,2017年毕业于中国石油大学（华东）函授教育资源勘查工程专业,现在中国石油西部钻探地质研究院（录井工程分公司）从事录井装备研发工作。通信地址：834000 新疆克拉玛依市南新路2号。电话：18309020820。E-mail：lkrthlj@cnpc.com.cn

收稿日期: 2023-10-26
摘要

目前生产现场监测气侵是通过脱气器脱离地层气,由气路管线传输给录井仪器房内部色谱仪实时分析,再根据气测数据变化判断是否气侵,因气路管线传输气体有3~5 min的延迟,而色谱仪又有固定分析周期,发现气侵存在3~5 min的滞后,错过气侵处置黄金时间,会给井控安全带来不同程度的影响。为了及时精准发现气侵,利用光学原理及地层气含量实时分析技术,研制出一套兼容各型号色谱仪及钻井工程参数仪功能的在线式气侵监测系统,通过在吐哈、苏里格等油气田应用,成功监测到143次气侵,实现了气侵监测及时率和准确率达到100%的目标,消除了色谱仪监测气侵存在的延迟,解决了井场所面临的难题,为安全钻井提供了可靠的技术保障。

关键词: 气侵; 气体含量; 地层气; 井喷; 井控; 脱气器; 在线式; 监测系统
中图分类号:TE132.1 文献标志码:A
Development and application of on-line gas cut monitoring system
LI Kairong, ZHANG Yijun, CHEN Chong, CHEN Junnan, ZHENG Hao, YIN Xiaoming
XDEC Geological Research Institute （MudLogging Branch Company） of CNPC, Karamay, Xinjiang 834000,China
Abstract

At present, the gas cut monitoring at the production site is achieved by separating the formation gas through a degasser. The separated gas is transmitted by the gas pipeline to the chromatographs inside mud logging units for real-time analysis, and then gas cut is judged according to the changes of the gas logging data. Due to the 3-5 min delay of gas transmission in gas pipeline and the fixed analysis cycle of the chromatograph, it was found that gas cut lagged by 3-5 min, which missed the golden time for gas cut disposal and had varying degrees of impact on well control safety. In order to timely and accurately detect gas cut, an on-line gas cut monitoring system compatible with various models of chromatographs and drilling engineering parameter instrument has been developed using optical principles and real-time analysis technology of formation gas content.Through its application in Tuha, Sulige and other oil-gas fields, 143 gas cuts were successfully monitored. The goal of timely rate and accurate rate of gas cut monitoring reaching 100% is achieved, which, eliminates the delay of gas cut monitored by chromatographs, solves the problems faced by the well site, and provides a reliable technical guarantee for safe drilling.

Keyword: gas cut; gas content; formation gas; blowout; well control; degasser; on-line; monitoring system
0 引言

在石油勘探开发中, 当钻遇浅层气和钻开油气层、煤层后, 地层中的溶解气或气层的气体侵入钻井液, 随钻井液返至地面, 被称为气侵。由于气体的密度低, 侵入钻井液中后, 会造成液柱压力降低, 而气体越接近井口, 上窜的速度越快, 容易造成溢流甚至井喷的风险。目前是通过录井仪内的色谱仪分析地层气含量来监测气侵, 根据地层气含量变化来判断气侵的方法存在3~5 min的滞后, 在气体侵入严重时（比如出现异常高压层、长时间停泵的后效气[1]和浅层气[2]等）, 色谱仪发现气侵, 已经来不及通过节流循环或关井等措施实施应急处置, 造成井涌、井喷等井控风险升级的井控事故[3], 而未录井期间, 气侵监测处于无监测状态, 浅层气或煤层气容易造成溢流、井涌和井喷的风险。为满足气侵监测及时性的井控要求, 利用地层气含量实时分析技术, 设计出一套在线式气侵监测系统, 为钻井施工提供全阶段气侵监测[4]。

1 气侵的形成及危害

气侵即气体侵入井内, 有3种途径：一是随钻碎的岩屑侵入井内; 二是由于地层气浓度差, 气体通过泥饼向井内渗透扩散入井, 这两种方式侵入井内的气量有限, 但都是难以避免的; 三是当钻井液柱压力梯度小于气层压力梯度时, 气体大量涌入井内, 这是最危险的情况, 如果处置不当, 可能造成井喷。气侵的特点跟油侵和水侵大不相同, 其危害性最大, 这是由于气体有可压缩性。侵入井内的气体以两种形式存在, 一种是以均匀的微小气泡分布在钻井液中, 叫均匀气侵, 当其返到井筒上部时, 由于钻井液液柱压力下降, 气体逐渐膨胀, 返出钻井液密度明显下降; 另一种形式则是由于起钻抽吸或长期停泵停钻, 井底的气体聚积成气柱, 当恢复钻井液循环时, 气柱在上升过程中体积快速膨胀, 造成环空液柱压力大幅度下降, 如果发现不及时或抢救措施不当, 极易造成井喷事故[5]。

2 常规气侵监测方法及现状分析
2.1 常规气侵色谱仪监测法

目前生产现场采用色谱仪监测气侵：将脱气器安装在钻井液出口缓冲罐上, 通过搅拌, 脱离从井底返至地面钻井液中所携带的地层气[6], 通过氯化钙干燥后, 经过气路管线传到录井仪器房内, 由录井仪器房内固定安装的色谱仪实时分析出地层气中的油气含量（全烃值）, 根据油气含量变化判断是否气侵。当全烃值突然上升至60%以上, 且甲烷含量占组分比大于90%（此定义是在平衡或过平衡钻井条件下, 不考虑其他因素）, 则表明发生了气侵。

2.2 现状分析

目前常规气侵监测方法在生产现场实际应用中存在2个方面的不足。

2.2.1 未录井期间无法监测

气侵是造成溢流和井喷的直接原因之一, 目前大多数探井和评价井是在二开或钻进至一定深度才开始录井（如J 703H井录井起始井深为2 800.00 m）, 而生产井普遍在进入目的层前200~500 m开始录井, 未录井期间可能钻遇浅气层、煤层等具有一定压力的非目的油气层, 色谱仪无法监测气侵, 存在该时间段井控监测的盲区, 具有较大井控安全风险。

2.2.2 色谱仪监测气侵存在延迟

目前生产现场所使用的色谱仪主要是氢火焰色谱仪, 安装在录井仪器房内部, 根据企业标准和井控要求, 录井仪器房距离井口≥ 30 m, 因此色谱仪到钻井液出口距离一般为30~50 m之间, 色谱仪需要通过气路管线实时抽吸脱气器所脱离的地层气, 再通过色谱燃烧分离, 才可识别油气含量, 此过程耗时为3~5 min, 导致发现气侵滞后, 不符合积极井控理念的要求。

3 在线式气侵监测系统

要实现气侵及时发现和全时段的监测, 就必须改变依靠色谱仪监测的方式, 研制独立运行的在线式气侵监测系统, 建立气侵监测方法, 这是解决以上问题的根本。

在线式气侵监测系统的主体结构由供电单元、气路单元、采样单元、分析单元、控制单元（含信号处理功能）和扩展单元6部分组成（图1）。主体结构设计为防爆型, 除气路单元局部接口在防爆箱外部, 其余单元均固定安装在防爆箱内部, 其中控制单元中信号处理设计为模拟量和数字信号输出, 满足不同上位机（录井仪、钻井工程参数仪或远程决策系统）信号匹配使用。在供电单元正常供电情况下, 控制单元控制采样单元实时采集气样, 使其连续将气样供给分析单元及时分析, 分析单元分析出气体含量, 所形成的电阻值传输给控制单元, 控制单元将电阻值与标定值对比后转换成模拟量或数字信号输出给上位机, 其中扩展单元可根据需要接入声光报警器, 控制单元与预设报警数值对比, 形成报警信号驱动报警器报警, 从而达到气侵监测自动监测和在线式运行。

图1 在线式气侵监测系统主体结构

3.1 主体结构

为满足防爆要求和安装方便, 主体结构采用Ⅱ C级标准防爆箱, 底部设计有气路单元样品气进出口, 右侧固定安装不锈钢操作按钮和格兰, 其余部件均固定安装在防爆箱内部。

3.1.1 供电单元

供电单元各部件采用DC 24 V标准件, 供电电压总体设计为DC 24 V, 供电方式分为两种：一种是通过录井仪器房DC 24 V电源供电、钻井工程参数仪DC 24 V电源供电; 另一种是通过开关电源将AC 220 V电压降至DC 24 V安全电压, 经过集成保护电路和驱动电路, 供给各部件和分析单元, 开关电源供电选型额定电流2 A。

3.1.2 气路单元

气路单元各连接处均采用管径6 mm不锈钢管线快速接头, 内部气路采用6 mm透明防吸附塑料管, 气路走向分为2路：一是样品气入口气路走向（图2绿色箭头）; 二是样品气出口或放空气路走向（图2红色箭头）。样品气入口与脱气器气体出口固定连接, 样品气出口或放空气路出口与色谱仪样品气连接或直接放空。内部走向为：样品气入口与电磁阀A口连接; 电磁阀B口与分析单元连接; 电磁阀C口与样品泵入口连接; 样品泵出口与分析单元连接。

图2 气路连接示意

3.1.3 采样单元

为满足在线式气侵监测系统未录井期间和录井期间均能正常工作, 采样单元的采样方式分为两种：一是共享采样, 依靠色谱仪样品泵抽吸样品气作为在线式气侵监测系统的共享采样[7]; 二是独立采样, 通过采样单元内部样品泵实时抽吸由脱气器脱离的地层气进行采样。这两种方式是根据需要通过人工模式操作按钮, 由控制电路控制电磁阀切换和样品泵启停。

3.1.4 分析单元

为实现不损耗烃组分含量, 满足色谱仪分析油气含量的目的, 分析单元采用光学原理设计而成[7], 在使用前通过把100%纯甲烷作为标定气样, 对分析单元进行标定, 标定数据储存在控制单元, 分析单元工作时, 气体由样品室的入口进入, 穿过样品室由出口排出, 光源经过样品室射向反应器, 反应器测量被样品气吸收光的强度[8], 形成信号反馈给控制单元, 从而实现气体分析。

3.1.5 控制单元

控制单元可实现信号接收、信号转换、信号输出、采样单元控制、扩展单元通信和标定功能, 控制单元接收分析单元传输的电阻信号, 将电阻信号转换为模拟量信号, 通过与标定数据对比, 形成数字信号。其中上位机接收模拟量信号时, 不与在线式气侵监测系统内部标定数据比对, 直接传输模拟量信号, 由上位机完成标定数据比对和数字信号转换等; 上位机接收数字信号时, 控制单元将独立对比标定值并将其转换为数字信号再传输。以上数字信号和模拟量信号输出均与扩展单元互通; 控制单元中设计有零位、满度标定按钮和标定数据存储器。

3.1.6 扩展单元

扩展单元分为两部分：一是无线通信扩展; 二是自动声光报警功能扩展。

为实现后期远程录井或远程决策系统与在线式气侵监测系统兼容, 预留无线传输模块接口, 将物联网模块或无线传输模块插入预留接口中, 设置相应IP地址或MAC地址实现与远程上位机通信, 同时接收远程对在线式气侵监测系统的标定和报警值设置等操作。

在无录井仪和钻井工程参数仪等上位机时, 通过扩展单元接入声光报警器, 由控制单元实现自动报警功能, 将工作电压为DC 24 V或接收高、低电频的声光报警器与扩展单元接口连接, 前者是由在线式气侵监测系统给声光报警器供电, 并通过控制通、断电来实现声光报警; 后者给独立供电的声光报警器提供高、低电频, 实现声光报警功能。

3.2 工作原理

在脱气器正常工作和在线式气侵监测系统正常供电条件下, 控制单元根据模式和条件依次控制样品泵和电磁阀工作, 将脱气器脱出的地层气实时传输给分析单元分析, 分析后形成的电阻信号传输给控制单元, 控制单元将电阻信号对比转换为与上位机匹配的信号并传输, 从而实现气侵在线监测。其中报警功能是在声光报警器正常供电条件下, 由控制单元将分析单元电阻信号转换成0~100%数值, 当数值达到预设门限（如60%）即启动报警程序, 驱动或指令报警器进行声光报警[9]。

在线式气侵监测系统整体设计具有创新性, 安装方便, 获得了油田公司和生产现场人员的高度认可。

3.3 安装及标定方法

3.3.1 安装方法

首先将脱气器按要求安装在缓冲罐上[10], 将在线式气侵监测系统固定安装在脱气器支架上, 气路采用6 mm防吸附塑料管连接, 从前往后依次为：脱气器→ 气体净化装置[11]→ 在线式气侵监测系统→ 色谱仪样品气或放空。将信号线与上位机采集模块固定连接, 或将供电电缆线与稳频稳压电源固定连接。

3.3.2 标定方法

零位标定：将在线式气侵监测系统放置在自然空气的室内并通电预热2 h后, 启动样品泵抽吸空气, 连续进样10 min, 人工点击零位按钮后, 控制单元将10 min内最小电阻值设定为零位并自动保存。

满度标定：在零位标定完毕后, 立即开始满度标定, 满度标定气样采用100%纯甲烷气体, 标定前将放空管线与在线式气侵监测系统放空口固定连接, 另一端放置于室外下风口, 将标准气样与在线式气侵监测系统样品气入口采用防吸附软管固定连接, 气压调整为0.2 MPa、气体流量调整为150 mL/min, 并保持稳定, 连续进样10 min后, 人工点击满度按钮, 控制单元可将10 min内最大电阻值设定为满度并自动保存。满度标定过程中需用高浓度可燃气体, 其存放、使用和运输必须严格按照易燃易爆气体相关标准执行。

零位和满度标定完毕后, 控制单元根据最小和最大电阻值形成工作曲线, 作为分析单元电阻值对比标准和模拟量、数字信号计算依据。

上位机标定：上位机标定的流程和操作与以上零位和满度标定方法相同, 不同之处是标定参数储存在上位机内。

报警功能门限设置：将在线式气侵监测系统中控制单元通过RS 485串行总线标准与计算机连接或与无线通信模块配对, 通过PC端将报警门限值写入控制单元存储芯片内[9], 门限值为60%, 该门限值通常在首次使用前设置完成, 后期可根据所服务油气田区域要求和标准做相应的更改。

4 应用试验
4.1 实验室静态试验

静态试验选择在常温、安静的实验室内进行。首先与SW-5型雪狼综合录井仪配套试验, SW-5型雪狼综合录井仪配套色谱仪型号为SWGC-3, 在线式气侵监测系统模拟量输出信号端与录井仪模拟量采集模块连接, 样品气接入SWGC-3型色谱仪样品气入口, 供电由SW-5型雪狼综合录井仪模拟量模块统一供电, 通电2 h无故障后, 分别注入1%、10%、50%和100%纯甲烷标准气样, 在线式气侵监测系统分析标准气样浓度与SWGC-3色谱仪分析浓度误差在± 5%内（表1）, 符合行业要求; 之后与SW-G3型钻井工程参数仪配套试验[12], 在线式气侵监测系统为独立的采样方式, 其余方法和流程与SW-5型雪狼综合录井仪配套使用时相同, 在线式气侵监测系统分析浓度与标准气样浓度误差在± 5%内（表2）, 符合行业要求, 实验室静态试验成功。

表1 在线式气侵监测系统与SWGC-3型色谱仪配套试验数据统计
表2 在线式气侵监测系统与SW-G3型钻井工程参数仪配套试验数据统计
4.2 现场动态试验

2022年8月11日进行现场动态试验, 现场动态试验选择在火焰山旁（高温地区）煤层发育较好、气体活跃、气侵发生频繁的KX 1井。采用SW-5型雪狼综合录井仪, 将在线式气侵监测系统固定安装在脱气器支架上, 供电、信号连接与室内静态试验连接方式相同, 通电2 h无故障后, 在短程起下钻期间将100%纯甲烷标准气样注入SWGC-3型色谱仪样品气入口, 在线式气侵监测系统出值为99.99%, SWGC-3型色谱仪出值为99.98%, 两者与标准气样对比误差均在± 5%内, 且在线式气侵监测系统出值比SWGC-3色谱仪出值提前2~3 min（图3）, 证明该系统工作正常。

图3 注入100%纯甲烷标准气样曲线

2022年8月11日18：15短程起下钻结束后, 开始循环钻井液时, 开展动态试验, 全烃基值为3%~5%, 次日凌晨03：46在线式气侵监测系统首次监测到气侵, 全烃从基值突然上升至63.25%, 值班人员启动气侵预警, 井队立即停止钻进, 03：47从63.25%上升至99.99%, 03：48井队完成截流循环、点火等应急处置[13]。而SWGC-3型色谱仪全烃在03：49才从基值上升至60%左右, 03：51从60%上升至99.99%, 滞后近4 min（图4）。之后在该井又进行长达2个月的测试, 共监测到气侵17次, 得到了钻井队和建设方的认可, 动态试验成功, 表明在线式气侵监测系统研制成功。

图4 首次气侵监测曲线

4.3 兼容性试验

为测试不同型号色谱仪与在线式气侵监测系统兼容性, 在动态试验成功后, 兼容性试验分别与GFF、XLSP-2K等8种型号的色谱仪连接测试, 测试结果为：不同型号色谱仪与在线式气侵监测系统连接正常, 存在差异的是不同型号色谱仪与在线式气侵监测系统所测数据滞后时间不同, 具体数据参见表3。

表3 不同型号色谱仪与在线式气侵监测系统所测数据滞后时间统计
5 应用效果

在线式气侵监测系统试验成功后, 批量加工了20套, 分别在吐哈、苏里格、玉门、西南等油气田的43口井安装应用, 录取资料10万多米, 精准监测到气侵143次（表4）。批量应用结果表明, 在线式气侵监测系统监测气侵及时率和准确率达到100%, 其效果得到了肯定。

表4 在线式气侵监测系统推广应用统计
6 结论

在线式气侵监测系统的成功研制与应用, 有效地解决了生产现场的技术难题。利用光学气体分析原理设计独立气侵监测系统, 安装在钻井液出口, 与脱气器配套使用, 兼容各型号色谱仪和钻井工程参数仪, 同时具备独立运行的功能, 不仅为气侵及时发现提供有力依据, 保障单井提质创效施工, 还完善了井控监测、预警领域的设备, 消除了色谱仪监测气侵滞后的安全隐患, 提高了气侵资料的稳定性和准确性, 符合行业标准和要求。

编辑 王丙寅

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