液面自動監測技術在堵漏施工中的應用

李 寧 郭云鵬 程天輝 余大洲 郭科佑 趙 佩

(1.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司工程技術研究院，河北 062556；2.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司，天津 300450；3.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司塔里木鉆井分公司，新疆 841000；4.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司第四鉆井工程分公司，河北 062556)

在油田建設鉆井施工過程中，尤其是針對惡性漏失井，液面高低直接影響著井控安全性。一種靈活高精度的液面測量技術不僅能夠實時監控液面高度保證鉆井施工安全并且通過液面測量數據還能夠指導堵漏工作的進行。

1 液面監測裝置國內現狀

目前在油田生產過程中液面的測量方法主要分為鉆桿柱校核法、電纜計數法和傳統測井使用的無彈頭子彈或者氮氣瓶聲波彈作為發聲裝置，通過聲波的釋放與聲波回彈接收，來計算液面高度。這些測試方法存在著操作繁瑣，浪費周期長，準確度低，需要人員豐富經驗配合等不足之處，測井儀器傳統方法存在的設備笨重，結構復雜，并且存在一定風險性。

2 液面自動檢測儀工作原理

為了解決上述不足之處，在原有傳統測量儀器上經過優化、集成、精簡設計出一種設備輕便，操作簡單，精度高的液面自動監測裝置。由聲波發送裝置，數據收集裝置，數據計算處理裝置，模擬信號生成裝置組成。聲波發送裝置由防爆式打氣泵(氣壓槍)作為聲波生成發送裝置，采用事先設定好的發送間隔實現每隔固定時間監測一個時間點的作用。聲波發送出去經過環空內液面反射，傳送回液面監測裝置接收系統進行數據收納，聲波發送出去以后在井筒環控中會受到環境溫度、壓力、聲波傳輸線路內徑變化、鉆具接箍等影響，這就需要數據處理裝置進行信號過濾，優化處理，計算生成數字信號然后進行計算。

液面結果通過聲速法計算，公式如下所示：

(1)

式中：H液面為井口液面高度數據，m；c為聲速，m/s；t為聲波往返時間，s。

套管內的聲速c不是通過套管中的接箍波間接計算，而是利用油、套管環形空間的氣體組分求聲速c。

(2)

式中：c為聲音在井筒中的氣體傳播速度，m/s；r為該種氣體的絕熱指數，為該種氣體的定壓；分子熱容量和定容分子熱容量之比，可查表得到；R為摩爾氣體常數，R=8.314×103J/(mol.K)；T為絕對溫度，M為該種氣體的摩爾質量。

計算完成以后通過處理裝置轉換為直觀可視化信號通過人工識別優選發出點和接收點，計算出液面高度，指導后續工作。

3 液面自動監測儀現場應用

四川頁巖氣項目多年來一直被漏失復雜困擾著，尤其是發生在茅口組的失返性惡性漏失，液面自動檢測技術的應用為頁巖氣井控安全以及堵漏工作提供里更直觀和準確的數據支持保障。

當鉆遇失返性漏失層后，利用液面自動監測儀可以在不起鉆的條件下首先獲取一個靜液面高度，然后配合液面自動監測儀的套壓測量功能計算出當前井筒內的地層平衡壓力P地。液面自動監測曲線如圖1所示。

圖1 液面監測聲波曲線圖

在進行常規水泥堵漏時，需要保持井內液柱壓力等于地層平衡壓力

P液=P地

(3)

式中：P液為井筒內水泥漿液柱壓力和泥漿液柱壓力之和，MPa；P地為漏失時地層平衡壓力，MPa。

打入堵漏水泥漿后，井筒內液柱壓力會發生變化增加，這樣井筒和地層就失去了平衡，最終部分泥漿會流入地層，待井筒內液柱壓力恢復到地層平衡壓力之后，液面位置不再變化。

假設現場需要打入一定量的堵漏水泥，堵漏水泥和原有泥漿組成了堵漏后的井筒內泥漿體系，可以得出：

ρ泥漿gh1+ρ水泥gh2+ρ泥漿gh3>P地

(4)

此時為了尋找平衡，液面高度會下降，當h3段的泥漿全部漏失到地層后，井筒內恢復平衡。打入堵漏水泥漿的過程如圖2所示。

圖2 打入堵漏水泥漿過程井筒內狀態

打入堵漏水泥位置h的計算如下：

根據公式(3)可以得出平衡狀態下h1：

ρ泥漿gh1+ρ水泥gh2=P地

(5)

(6)

所以

h3=h泥漿-h1

(7)

式中:P地為地層漏失時平衡壓力，MPa；ρ泥漿為井筒內鉆井液密度，g/cm3；ρ水泥為堵漏水泥密度，g/cm3；g為重力系數=0.00981；h1為平衡后泥漿高度，m；h2為已知注入堵漏水泥高度，m；h3為平衡后漏失泥漿高度，m；h泥漿為泥漿平衡條件下的液面高度，通過靜液面測量得出，m；

由式(6)可以得出堵漏水泥打入位置h：

h=h井深-h3

(8)

h井深為井底位置，m；

h為堵漏水泥注入位置，m；

為了保證井筒內成功留塞，也保證漏失地層進入堵漏水泥確保堵漏效果，堵漏水泥打入位置應該略大于h。

現場應用表明，液面自動監測技術具備以下優點：

(1)誤差小，實際監測結果表明，測得結果誤差為±2m，完全滿足現場施工需求。

(2)設備輕便，操作靈活。監測儀器設備重量僅為28.5kg，外形尺寸400*300*200mm，一人即可完成整個設備的安裝與操作。

(3)設備具有套壓測量功能，能夠準確測算出發生漏失后的地層平衡壓力。確保施工安全。

(4)實時性強，液面自動監測儀可以實現連續液面測量跟蹤功能，測量間隔僅為3分鐘，能夠如實的反應液面在井底動態情況。

4 結論

(1)采用液面自動監測技術可以獲得實時液面高度數據，為鉆井井控施工安全以及堵漏作業提供可靠的數據參考。

(2)液面自動監測儀的使用更為輕便快捷，相比測井、電纜測量以及鉆具測量更為高效準確。

(3)儀器的套壓測量功能結合液面高度能夠準確的提供地層壓力數據，相比關井求壓更為快捷方便。