深水水合物藏鉆井溢流早期監測實驗裝置設計

尹邦堂， 張旭鑫， 孫寶江， 李相方， 黃名召

(1.中國石油大學(華東) 石油工程學院，非常規油氣開發教育部重點實驗室，山東 青島 266580； 2.中國石油大學(北京) 石油工程學院，北京 102249； 3.中國石油海洋工程有限公司，北京 100028)

0 引 言

天然氣水合物具有分布廣、儲量豐富、能量密度大和清潔高效的特點，是一種潛力巨大的替代能源。天然氣水合物資源接近99%賦存在海底，只有1%存在于陸地凍土層。我國南海北部大陸坡天然氣水合物遠景資源量達185×108t油當量，整個南海海域的天然氣水合物資源量達(643.5～772.2)×108t油當量，約相當于中國陸上和近海石油、天然氣總資源量的一半，具有良好的資源開發前景。2017年5月，我國于南海神狐海域首次完成可燃冰的成功試采[1-2]。勘探顯示，南海神狐海域有11個礦體，面積128 km2，資源儲存量1.5×108t石油當量。神狐海域可燃冰儲量只是我國可燃冰蘊藏量的冰山一角。

盡管溢流井噴及井噴失控是石油工業界一直采取各種措施都力求避免的，但是歷史證明，只要開發石油，此類事故就不可能杜絕[3-5]。普通油氣井發生井噴類事故，其損失可能巨大[6-7]，而深水油氣井可能更甚[8-10]。

2010年4月20日，墨西哥灣深水地平線平臺發生井噴、起火、爆炸，平臺傾覆，11人死亡，直接經濟損失上千億美元，同時對周圍生態環境造成不可逆轉的破壞[9]。從事故的處理過程可以看出，目前海洋石油鉆井井噴及井噴失控的搶險裝置及技術極其缺乏，對于水合物藏鉆井來說更是如此。

溢流早期監測可以減小或避免井噴失控的可能性，是水合物藏鉆井井控技術的一個重要環節，在水合物開發過程中有著極其重大的意義。然而對于海上，尤其是深水水合物藏鉆井來說，目前尚缺乏一種有效的方法可以進行早期溢流監測[11]。

針對以上問題，基于氣液兩相流理論[12-13]、多普勒超聲波原理[14]，本文設計了一種深水水合物藏鉆井溢流早期監測模擬實驗裝置，學生及科研人員可以利用該裝置直觀、形象地觀察、了解、掌握水合物的形成、分解特點及規律，發現多普勒超聲波信號與氣體含量的關系，從而實現水合物藏鉆井的溢流早期監測。

1 隔水管外沿程氣侵監測可行性分析

由于深水海洋環境及地層條件的復雜性和特殊性，復雜的鉆井工藝，陸上及淺水氣侵監測技術不再適用于深水鉆井。相對于陸地與淺水鉆井，深水鉆井有0.5～3 km的隔水管系統暴露在海水環境中[15-16]。與其要借助于昂貴的LWD、PWD、APWD等進行環空壓力監測，不如在隔水管外側沿程多點進行氣體監測更加安全高效。

以南海某深水井為例，水深1.5 km，井深2 km，鉆井液密度1.2 g/cm3。基于井筒環空瞬態兩相流動模型[12-13]，得到不同氣侵程度(以初始含氣率大小表征)下的含氣率、地面泥漿池增量隨井深的變化規律，如圖1、2和表1所示。

圖1、2中，1.5 km處為海底泥線處，即0～1.5 km是隔水管所處的深度。從圖1可以看出，初始氣侵含氣率為1%～5%時，到達泥線1.5 km處時已經變為3%～12%。從井底到海平面，隨著井深的減小，含氣率逐漸增大。從泥線處往上開始監測氣侵含氣率，要比從井底開始監測容易得多。

圖1 含氣率隨井深的變化規律

圖2 地面泥漿池增量對井深的變化規律

井底截面含氣率/%12345泥線處截面含氣率/%2.515.026.859.1312.55地面溢出量/m30.270.570.7411.3

從表1可以看出，井底初始含氣率為3%時，泥線處的含氣率達到6.85%時，對應的泥漿池增量為0.74 m3，氣侵時間為16 min，利用隔水管外方法可監測到氣侵。當泥漿池增量為1 m3時，傳統方法[11]才可以監測到氣侵，這時已經氣侵26 min。隔水管外氣侵監測方法比傳統方法早10 min左右，為壓井提供了較為富余的時間。

2 多普勒超聲波氣侵早期監測原理

多普勒超聲波監測是基于多普勒效應得到的，即超聲波頻率的大小與聲源、觀察者之間的相對運動有直接關系[17-20]。聲源越近，觀察者接收的頻率越高；反之，越低。基于此，將一對超聲波換能器緊貼在隔水管外壁，一個向隔水管環空內流動的鉆井液發射固定頻率的超聲波，當遇到鉆井液中的固相顆粒(巖屑)、氣泡時，會發生反射波，此時已偏離發射頻率；而這種偏離正好與所遇到的反射物質的速度成正比。另一個換能器接收反射回來的波，再經過信號處理、頻譜分析等，計算出隔水管截面內的反射物的速度。

如圖3所示，當超聲波束在管軸線上遇到1粒固體顆粒，該粒子以速度v沿軸線運動。對超聲波發射器而言，該粒子以vcosα速度離去，所以粒子收到的超聲波頻率f2應低于發射的超聲波頻率f1。固體粒子又將超聲波束散射給接收器，由于它以vcosα的速度離開接收器，所以接收器收到的超聲波頻率f3又一次降低。最終得到多普勒頻移Δf[12]：

(1)

f1-發射的超聲波頻率；f2-粒子接收的超聲波頻率；f3-接收器接收的超聲波頻率；v-粒子運動速度；α-超聲波束與管軸線夾角；c-流體中的聲速；β-超聲波入射角；φ-超聲波透射角

圖3 超聲波多普勒基本原理

多普勒超聲波氣侵早期監測方法是利用多普勒超聲波效應對隔水管內部流動狀態進行測量。氣侵后，隔水管環空內鉆井液中的氣泡運動會導致聲波發生多普勒頻移。通過濾波，將超聲波在含有氣泡的鉆井液的頻變特征反映出來，得到含氣率與聲波頻變的對應關系，從而實時監測鉆井液中的含氣率。基于此，可判斷是否存在氣侵。

多普勒超聲波氣侵早期監測方法相比其他方法有較大的優勢。①傳感器不放置在鉆井液中，而是緊貼隔水管外壁，是一種非接觸式測量，不損壞鉆井設備，不影響正常鉆井作業，安裝方便快捷。②深水鉆井氣侵后，侵入氣在環空中向上運移，隨著壓力的降低，體積膨脹，會導致多普勒信號產生更大的偏移。可以根據信號的變化來實時監測隔水管內侵入氣體的情況。③該方法不受鉆井工況的影響，無論是循環鉆進還是非循環靜止狀態，都能很好地監測到隔水管環空內的氣體含量。

3 多普勒超聲波氣侵早期監測裝置設計

3.1 模擬實驗裝置設計

根據幾何相似性和動力相似性原理設計該模擬實驗裝置。主體結構包括井筒模擬系統、鉆井液循環系統、水合物生成與分解系統、多普勒信號監測系統和計算機信息處理系統5個功能部分，如圖4～6所示。

1-有機玻璃內管；2-模擬套管的有機玻璃外管；3-單向閥；4-提供旋轉動力的內旋轉電動機；5-鉆桿；6-鉆井液儲存罐；7-柱塞泵；8-鉆井液流量計；9-鉆井液循環管路壓力計；10-氣瓶；11-泄壓閥；12-儲氣罐；13-冷水處理系統；14-氣體流量計；15-氣體壓縮機；16-反應器；17-生成管路壓力計；18-溫度計；19-注水口；20-安全閥；21-加熱器；22-減壓閥；23-分解管路壓力計；24-集氣瓶；25-多普勒信號發生器；26-多普勒信號接收器；27-計算機；28-控制機柜；29-多普勒檢測儀

圖4 模擬水合物鉆井溢流早期監測方法的實驗裝置

圖5 室內實驗氣液注入系統

(1) 井筒模擬系統包括有機玻璃內管1、有機玻璃外管2、內旋轉電動機4、鉆桿5和單向閥3。有機玻璃內管1用于模擬鉆柱，有機玻璃外管2用于模擬套管，有機玻璃外管2套裝在有機玻璃內管1外側，有機玻璃內管1的上部與單流閥3相連接，內旋轉電動機4的上方與單流閥3連接，下方與鉆桿5連接，內旋轉電動機4提供旋轉動力帶動鉆桿5轉動來模擬井下鉆進過程；單向閥3控制鉆井液只能從上往下流；有機玻璃外管2左邊的上下部分別安裝一個閥門，鉆井液通過上部的閥門回到鉆井液儲存罐6。

(2) 鉆井液循環系統包括鉆井液儲存罐6、柱塞泵7、鉆井液流量計8和鉆井液循環管路壓力計9。鉆井液儲存罐6分別與有機玻璃外管2左邊上部的閥門和柱塞泵7連接，連接柱塞泵7和單流閥3之間的管道上安裝有鉆井液流量計8和鉆井液循環管路壓力計9。

(3) 水合物生成分解系統包括氣瓶10、儲氣罐12、氣體壓縮機15、氣體流量計14、泄壓閥11、冷水處理系統13、注水口19、安全閥20、反應器16、溫度計18、生成管路壓力計17、加熱器21、減壓閥22、分解管路壓力計23和集氣瓶24。含有水合物生成氣的氣瓶10依次與儲氣罐12、冷水處理系統13、氣體流量計14、氣體壓縮機15和反應器16相連接，儲氣罐12和冷水處理系統13的底部均安裝泄壓閥11，反應器16的頂部設有注水口19，注水口19的一側安裝安全閥20，另一側安裝溫度計18和生成管路壓力計17，反應器16與井筒模擬系統的下部管路連通，井筒模擬系統的上部與集氣瓶24管路連接，井筒模擬系統與集氣瓶24之間的管路上依次安裝減壓閥22和分解管路壓力計23，鉆桿5的下方安裝加熱器21，加熱器21的數量根據實際實驗要求確定。

(4) 多普勒信號監測系統包括多普勒信號發生器25、多普勒信號接收器26和超聲波多普勒監測儀29。多普勒信號發生器25和多普勒信號接收器26安裝在有機玻璃外管2內側并處在一條延長線上，多普勒信號發生器25和多普勒信號接收器26的安裝角度與井筒呈60°，多普勒信號接收器26與超聲波多普勒監測儀29相連接，如圖7所示。

(5) 計算機信息處理系統包括計算機27和控制機柜28。控制機柜28分別與鉆井液流量計8、鉆井液循環管路壓力計9、氣體流量計14、溫度計18、生成管路壓力計17和分解管路壓力計23連接，計算機27與控制機柜28連接，控制機柜28控制壓力計、流量計的大小，計算機27實時顯示數據。

圖6 室內試驗主體部分圖7 模擬實驗段外壁的多普勒傳感器

3.2 操作流程

對水合物鉆井溢流模擬監測的具體過程為例。

(1) 打開內旋轉電動機4帶動鉆桿5進行旋轉，接著打開鉆井液儲存罐，調節鉆井液流量計8使它的數值穩定并讓鉆井液循環管路壓力計9保持在6～8 MPa，然后打開柱塞泵7并調節流速為1 m/s向井筒模擬系統中注入鉆井液開始循環。

(2) 當循環開始后，氣瓶10中含有水合物生成氣，打開氣瓶10，使水合物生成氣進入儲氣罐12后再進入冷水處理系統13進行冷卻，使其溫度控制為1～5 ℃；然后打開氣體流量計14的開關調節氣體氣量，打開氣體壓縮機15，調節生成管路壓力計17使它的數值穩定；冷卻后的水合物生成氣經過氣體壓縮機15進入反應器16。

(3) 打開反應器16上部的注水口19向反應器中注水，并打開溫度計18和生成管路壓力計17監測反應進行；經過反應器16生成的水合物隨水經管路進入井筒模擬系統，經過鉆桿5的攪拌作用，加速水合物的再生成，并讓水合物隨鉆井液進入內管與外管之間循環；超聲波多普勒監測儀29實時監測水合物的生成過程，并收集相關數據信號，在水合物生成過程中，水合物生成氣的含量不斷減少，超聲波多普勒監測儀29監測到的信號強度也隨之減小；當通入的水合物生成氣反應完畢后，打開鉆桿5上的加熱器21使水合物發生分解，超聲波多普勒監測儀29實時監測水合物的分解過程，并收集相關數據信號，在水合物分解過程中，氣體的含量不斷增加，信號衰減增加，超聲波多普勒監測儀29監測到的信號強度也隨之減小，如圖8所示。

圖8 含氣率與多普勒超聲波信號隨時間變化

(4) 水合物分解產生的氣體進入減壓閥22、分解管路壓力計23和集氣瓶24組成的導出系統，并在集氣瓶24中收集水合物分解產生的氣體，減壓閥22和分解管路壓力計23監測氣體收集的過程，內管與外管之間的鉆井液通過有機玻璃外管2上部的閥門重新回到鉆井液儲存罐6進行下一次循環。

(5) 在環空管壁上安裝多組多普勒信號發生器25和多普勒信號接收器26的組合，使每組多普勒信號發生器25和多普勒信號接收器26處在一條延長線上，并調整安裝角度使它們與井筒呈60°，普勒信號發生器25和多普勒信號接收器26的組合組數根據實際需要確定；普勒信號發生器25和多普勒信號接收器26均與超聲波多普勒監測儀29相連接，監測結果在超聲波多普勒監測儀29屏幕上顯示，在鉆井液循環過程中實時監測水合物生成和分解的過程，得到水合物生成和分解的數據信號。

(6) 通過計算機27對水合物的水合物生成和分解的數據進行分析，得到水合物的生成規律和鉆井條件下的分解規律，確定多普勒信號與截面含氣率之間的對應關系，實現水合物鉆井的溢流早期監測。

4 結 論

(1) 基于多普勒超聲波原理，設計了深水水合物藏鉆井隔水管外非接觸式溢流早期監測系統。該裝置可以實現水合物的生成，同時監測多普勒信號與注入氣含量的關系。水合物生成后，可以模擬水合物鉆井的情況。一邊實現水合物分解；另一邊監測多普勒超聲波信號與分解氣含量的關系。該裝置可以實現水合物生成和分解的一體化。

(2) 該裝置對安裝在隔水管壁上的多普勒超聲波探頭接收到的信號進行分析，確定多普勒信號與截面含氣率之間的定量對應關系。正常情況下，信號由鉆井液中的固相顆粒產生，但是一旦發生氣侵，氣泡將變成多普勒信號的主要來源。隨著氣體含量增加或氣體體積膨脹，多普勒信號將發生明顯的頻移，利用這種信號頻移來監測是否出現氣泡及含氣率的大小，由此進一步監測是否發生氣侵。

(3) 學生及科研人員可以通過該實驗裝置的透明有機玻璃井筒、計算機系統實時觀察到水合物的生成、分解規律，了解掌握水合物與注入氣體量、壓力、溫度的相互關系，觀察、發現多普勒超聲波信號與氣體含量的關系。教學中可以激發學生學習的積極性提高學習效率，加深學生對水合物的理解和掌握，對溢流有一個直觀形象的認識；科研中提供了一種基于超聲波多普勒信號的、非接觸式的隔水管外氣侵早期監測裝置，適用于深水鉆井循環鉆進和非鉆進工況，為深水水合物藏安全高效開發提供了保障。