氣體鉆井的錄井監(jiān)測(cè)方法

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(kāi)發(fā)研究院

氣體鉆井的錄井監(jiān)測(cè)方法

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(kāi)發(fā)研究院

唐家瓊等.氣體鉆井的錄井監(jiān)測(cè)方法.天然氣工業(yè),2010,30(3):12-15.

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(wú)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(cè)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(wú)法監(jiān)測(cè),切斷了地層流體信息識(shí)別和井下工況異常的及時(shí)報(bào)警。針對(duì)這些難題,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和探索,分別研制出“巖屑自動(dòng)取樣裝置”、“氣體凈化裝置”和“氣體鉆井實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”,實(shí)現(xiàn)了氣體鉆井連續(xù)、自動(dòng)錄取巖屑,提高了鉆井地質(zhì)剖面的符合率;實(shí)現(xiàn)了樣品氣的連續(xù)、干燥、無(wú)塵獲取,確保了氣測(cè)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(shí)現(xiàn)了氣體鉆井出口參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(chǎng)多口井應(yīng)用與推廣,取得了良好的效果,獲得了2項(xiàng)實(shí)用新型專利并申請(qǐng)了1項(xiàng)軟件著作權(quán)登記。

氣體鉆井 錄井 自動(dòng)化 取樣 監(jiān)測(cè) 實(shí)時(shí) 報(bào)警裝置 方法

氣體鉆井是用氣體(空氣、氮?dú)獾?作為鉆井流體所進(jìn)行的一項(xiàng)鉆井工藝[1],近年來(lái)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(jìn)行了100余井次的空氣或氮?dú)忏@井,使鉆井機(jī)械鉆速提高了3～15倍[2]。目前,在中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司重點(diǎn)工程中,實(shí)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(wú)法在原來(lái)的振動(dòng)篩處進(jìn)行巖屑采集,錄井巖屑取樣被迫改變環(huán)境。目前現(xiàn)場(chǎng)巖屑取樣,主要是在氣體出口管線的下方焊接一個(gè)簡(jiǎn)易取樣管,由管口閘門(mén)開(kāi)關(guān)控制取樣。由于是手動(dòng)開(kāi)閘取樣,錄井人員勞動(dòng)強(qiáng)度大,且取出的巖屑樣品為不連續(xù)的——是開(kāi)閘瞬時(shí)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(shí),由于氣體介質(zhì)對(duì)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(jī)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(huì)造成巖樣不能客觀反映真實(shí)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(hù)難度很大。現(xiàn)場(chǎng)采用的簡(jiǎn)易過(guò)水凈化方法,由于水對(duì)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(huì)影響監(jiān)測(cè)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(duì)液態(tài)循環(huán)介質(zhì)對(duì)出口參數(shù)進(jìn)行錄取,并以出口參數(shù)的變化來(lái)進(jìn)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(wú)法采集,直接影響了地層流體的識(shí)別及井下工況異常的及時(shí)預(yù)警。

2 氣體鉆井的錄井監(jiān)測(cè)方法

2.1 研制了“巖屑自動(dòng)取樣裝置”

“巖屑自動(dòng)取樣裝置”由巖屑收集、巖屑存儲(chǔ)和自動(dòng)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(jìn)入取樣管。巖屑經(jīng)上閥門(mén)到巖屑收集筒,巖屑收集筒下端連接下閥門(mén),下閥門(mén)之下為巖屑存儲(chǔ)筒(圖1)。

圖1 巖屑自動(dòng)取樣裝置原理圖

上閥門(mén)和下閥門(mén)的開(kāi)啟與關(guān)閉,由閥門(mén)控制器和電腦根據(jù)遲到井深信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)控制。

2.2 樣氣凈化方法

根據(jù)井口高壓氣體自行向前運(yùn)動(dòng),設(shè)計(jì)了不同的凈化方式,氣體經(jīng)過(guò)“三重凈化”后(圖2),進(jìn)入綜合錄井色譜儀,達(dá)到了連續(xù)、干燥、無(wú)塵的目的,提高了氣測(cè)分析的準(zhǔn)確度。

圖2 氣體凈化裝置原理圖

2.2.1 第一次凈化

在進(jìn)樣管線上安裝一個(gè)粉塵過(guò)濾器,對(duì)樣氣進(jìn)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(guò)水罐對(duì)殘留的粉塵進(jìn)行第二次凈化。水罐用有機(jī)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(yùn)動(dòng),樣氣在色譜儀的抽吸作用下通過(guò)干燥筒進(jìn)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”,對(duì)地質(zhì)、工程異常進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警

2.3.1 加裝“集成傳感器”

基于對(duì)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(kāi)發(fā)“氣體鉆井實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”軟件,實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣體鉆井出口參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和地質(zhì)、工程異常的及時(shí)預(yù)警。

2.3.2 錄井監(jiān)測(cè)方法

2.3.2.1 地層出水的監(jiān)測(cè)方法

氣體鉆井中,一旦地層出水,會(huì)導(dǎo)致裸眼井段的泥頁(yè)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(shí),應(yīng)停止鉆進(jìn),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(shí)監(jiān)測(cè)及時(shí)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(cè)的濕度值變化,對(duì)地層出水情況進(jìn)行定性而快速的檢測(cè)。

值得注意的是,氣體鉆進(jìn)剛開(kāi)始時(shí),檢測(cè)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(jìn)時(shí)間的增加而逐漸下降,說(shuō)明原來(lái)的井壁逐步吹干;如果濕度值一直居高不下或在某一時(shí)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(shí)預(yù)警。

2.3.2.2 “地層出氣”的快速監(jiān)測(cè)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(bào)廢,危害程度極大。也許沒(méi)有絕對(duì)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(duì)第一次凈化后的氣體進(jìn)行快速檢測(cè),當(dāng)發(fā)現(xiàn)檢測(cè)的參數(shù)發(fā)生變化時(shí),錄井人員可及時(shí)綜合分析及時(shí)預(yù)警。

2.3.2.3 “井下燃爆”的監(jiān)測(cè)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(duì)井下燃爆情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)監(jiān)測(cè)的氧氣值降低或二氧化碳、一氧化碳值升高時(shí),即有可能發(fā)生了井下燃爆。

2.3.2.4 鉆具異常的監(jiān)測(cè)方法

為了更好地進(jìn)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(cè)的其他參數(shù)變化,對(duì)井下鉆具異常進(jìn)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(shí),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(shí),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(cè)方法

當(dāng)發(fā)現(xiàn)扭矩值增加或鉆時(shí)明顯增加時(shí),有可能是空氣錘(或鉆頭)發(fā)生了異常,錄井人員應(yīng)及時(shí)綜合分析及時(shí)預(yù)警。

2.3.2.6 地層坍塌或產(chǎn)生泥餅環(huán)的監(jiān)測(cè)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(shí),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(shí)綜合分析及時(shí)預(yù)警。

3 應(yīng)用效果

3.1 “巖屑自動(dòng)取樣裝置”應(yīng)用效果

LG23井,試驗(yàn)(氮?dú)?井段3130.00～3683.00m。該井用自動(dòng)取樣裝置所取巖樣(每4m取1個(gè)樣)建立的錄井剖面,與測(cè)井解釋剖面符合率為87%(圖3)。

圖3 LG23井錄井剖面解釋圖注:1in=2.54cm

該井試驗(yàn)(氮?dú)?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(cè)井解釋煤層厚僅1～2m。

用“巖屑自動(dòng)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(dòng)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(cè)的應(yīng)用效果

3.2.1 對(duì)出口氣體介質(zhì)的“濕度”進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),及時(shí)預(yù)警地層出水情況

L G172井,于2009年11月27日從井深3106.00m開(kāi)始進(jìn)行氮?dú)忏@進(jìn),排量90m3/min。

鉆至井深3320.63m時(shí)濕度開(kāi)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(rùn)感,部分呈團(tuán)塊狀,經(jīng)綜合分析,判斷地層出水,及時(shí)進(jìn)行了預(yù)警。

此次地層出水預(yù)警,是通過(guò)監(jiān)測(cè)出口氣體的“濕度”變化并結(jié)合巖屑返出情況進(jìn)行分析和判斷的,為下一步鉆井決策提供了依據(jù)。

圖4 LG172井地層出水實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圖

3.2.2 對(duì)出口可燃?xì)怏w進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),及時(shí)預(yù)警地層出氣情況

L G172井,2009年11月28日氮?dú)忏@進(jìn)在12:54時(shí)發(fā)現(xiàn)可燃?xì)怏w參數(shù)明顯升高,至12:58時(shí)井深3255.58m發(fā)現(xiàn)綜合錄井儀的氣測(cè)總烴含量明顯升高——含量由0.0723%}6.6719%。“氣體鉆井實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”連續(xù)彈出“氣測(cè)異常”報(bào)警對(duì)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(shì)一致,且時(shí)間上要早于全烴的變化,提前4min進(jìn)行預(yù)警,達(dá)到快速監(jiān)測(cè)的目的,為下一步的工程處理贏取了寶貴的時(shí)間。

圖5 LG172井地層出氣實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圖

4 認(rèn)識(shí)與建議

1)研制的“巖屑自動(dòng)取樣裝置”改進(jìn)了常規(guī)鉆井條件下的巖屑取樣方法,由過(guò)去瞬間開(kāi)閘取“點(diǎn)式”樣變成自動(dòng)集成取“連續(xù)”樣,且取樣時(shí)間實(shí)現(xiàn)了電腦自動(dòng)控制,保證了氣體鉆井條件下的巖屑剖面真實(shí)性,又減輕了錄井人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。“巖屑自動(dòng)取樣裝置”已獲國(guó)家實(shí)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(cè)的難度和精度問(wèn)題。“綜合錄井樣氣凈化裝置”已獲國(guó)家實(shí)用新型專利。

3)加裝出口“集成傳感器”,研發(fā)了“氣體鉆井實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”軟件,對(duì)出口參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和異常預(yù)警。

4)對(duì)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(cè)方法進(jìn)行了研究,取得了新的成果。

5)“巖屑自動(dòng)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(duì)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(jìn)行專題研究,以解決實(shí)際應(yīng)用中的巖屑取樣問(wèn)題。

[1]新疆石油管理局鉆井工藝研究院,勝利石油管理局鉆井工藝研究院.SY/T6543.1—2008欠平衡鉆井技術(shù)規(guī)范[S]∥國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).北京:石油工業(yè)出版社,2008.

[2]魏武,許期聰,鄧虎,等.氣體鉆井技術(shù)在七北101井的應(yīng)用與研究[J].天然氣工業(yè),2005,25(9):48-50.

[3]郭建華,李黔,王錦,等.氣體鉆井巖屑運(yùn)移機(jī)理研究[J].天然氣工業(yè),2006,26(6):66-67.

[4]黃進(jìn)軍,崔茂榮.空氣霧化鉆井中液滴尺寸及其分布[J].西南石油學(xué)院學(xué)報(bào),1994,16(3):39-43.

[5]許期聰,劉奇林,侯偉,等.四川油氣田氣體鉆井技術(shù)[J].天然氣工業(yè),2007,27(3):60-62.

[6]Q/CNPC-CY807—2006天然氣、氮?dú)狻⒉裼蜋C(jī)尾氣鉆井操作規(guī)程[S]∥四川石油管理局.成都:[出版者不詳],2006.

[7]Q/CNPC-CY808—2006空氣鉆井技術(shù)規(guī)范[S]∥四川石油管理局.成都:[出版者不詳],2006.

[8]L YONS W C.空氣和氣體鉆井手冊(cè)[M].曾義金,譯.北京:中國(guó)石化出版社,2006.

(修改回稿日期 2010-01-15 編輯 韓曉渝)

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.03.003

Tang Jiaqiong,senior engineer,was born in1966.He has long been engaged in drilling and geologic technology management and research of logging techniques.

Add:No.83,Sec.1,North Jianshe Rd.,Chengdu,Sichuan610051,P.R.China

Tel:+86-28-86015005 E-mail:tjq66102@163.com

Logging monitoring methods in gas drilling

Tang Jiaqiong,Zheng Yong,Xiong Chiyuan,Pang Jiangping,Han Guisheng
(Geologic Ex ploration and Development Research Institute,CN PC Chuanqing Drilling Engineering Co., L td.,Chengdu,Sichuan610051,China)

NATUR.GAS IND.VOLUME30,ISSUE3,pp.12-15,3/25/2010.(ISSN1000-0976;In Chinese)

Traditional logging methods are no longer applicable in gas drilling as the fluid medium changes from conventional liquid to gas.There are three major challenges.Firstly,it is difficult to sample dust-like cuttings and the quality of the samples is often low. Secondly,the dust mixed in the sampled gas can plug the pipelines,influencing the analysis of gas test results.Thirdly,the original parameters of the compound logging tools such as density and conductivity can not be monitored,making it impossible to acquire the information of formation fluid and timely warn downhole anomalies.In viewing of these problems,we developed"automatic cutting sampling system","gas purification system"and"real-time monitoring system of gas drilling",realizing continuous automatic sampling of cuttings and improving the coincidence rate of drilling geologic section,making continuity,drying and dustlessness of the sampled gas possible,ensuring the accuracy of analysis of gas testing results.Moisture and hydrogen sulfide sensors are installed in appropriate locations of the outlet pipeline to make real-time monitoring of outlet parameters and early warning of engineering and geologic anomalies possible.These methods and techniques,two of which were awarded by the Utility Model Patent and one was registered in application for the software copyright,have been applied in gas drilling of several wells and the results are significant,providing reliable reference for safe drilling project design.

gas drilling,logging,automation,sampling,monitoring,real-time,warning device,method

book=12,ebook=282

10.3787/j.issn.1000-0976.2010.03.003

唐家瓊,女,1966年生,高級(jí)工程師;長(zhǎng)期從事鉆井地質(zhì)技術(shù)管理與錄井技術(shù)研究工作。地址:(610051)四川省成都市建設(shè)北路1段83號(hào)。電話:(028)86015005。E-mail:tjq66102@163.com