“三高”油气井溢流监测方法研究

岳炜杰 孙伟峰 戴永寿 李立刚 张亚南

（中国石油大学信息与控制工程学院，山东东营 257061）

“三高”油气井溢流监测方法研究

岳炜杰 孙伟峰 戴永寿 李立刚 张亚南

（中国石油大学信息与控制工程学院，山东东营 257061）

井喷是钻井过程中最为严重的钻井事故，溢流是井喷的先兆，优化溢流监测方法，提高监测的实时性和可靠性，对实现安全、高效、经济钻井具有重要意义。分析了溢流发生的原因及其表现形式，根据所采用的参数和监测形式的不同将现有的溢流监测方法总结为6类，对这6类监测方法的优缺点、适用性以及所涉及到的数据处理方法作了深入剖析比较。在此基础上，提出了一套基于随钻压力测量、微流量监测与综合录井参数的溢流先兆在线监测与预警系统。最后对控压钻井技术、随钻测井技术和随钻压力测量技术在溢流监测方面的应用和发展趋势做了展望，并指出了限制溢流监测的主要因素。

溢流监测；井喷；控压钻井；随钻测井；随钻压力测量

防止井喷、监控溢流是安全钻井的前提和保证［1-5］。目前，一般通过监测钻井液池液位的变化来判断溢流，以达到防止井喷的目的［6］。液位的监测主要由作业人员坐岗和钻井液液位监测仪来完成，人工坐岗监测虽然可行但是实时性和可靠性不能保证；液面监测仪受钻井液结垢等因素的影响可能会导致错报和误报。此外，钻井液池液位的变化与实际的地层流体进入井筒之间存在着较长的时间延迟，当钻井液池液面变化达到一定高度时，实际的溢流已经十分严重，井喷预测缺乏实时性。在天然气钻井中，出现液面变化到发生井喷的时间较短，大多数井从发现溢流到井喷时间只有5～10 min，有的时间更短，甚至溢流和井喷同时发生，几乎没有应急处理的时间。溢流监测的原理并不复杂，但是由于溢流现象的模糊性和不确定性，测量条件和设备的限制以及监测方案的缺陷，使得溢流监测达不到预期的效果。尤其是在高温、高压、高含硫地区的勘探开发过程中，复杂的地质环境使溢流频繁发生；而且以高风险、高投资、高难度为特点的深水钻井，溢流监测的难度更大，形势更加严峻［7-10］。笔者阐述了引发溢流的原因及其溢流发生后的表现形式。把现有的溢流监测方法总结为6类：利用钻井液相关参数的变化监测溢流；通过综合录井仪采集的相关录井参数监测溢流；声波气侵监测法；基于控压钻井技术监测溢流；基于随钻井底测量技术监测溢流；分析地层岩性和孔隙度进行溢流预警，并具体分析其优缺点、适用性。同时，归纳了应用于溢流监测的5种数据处理方法：阈值法、数学建模法、人工神经网络、专家系统、贝叶斯判别分析。在此基础上，提出了一套基于随钻压力测量、微流量监测与综合录井参数的溢流先兆在线监测与预警系统。并指出了限制溢流监测效果的主要原因。

1 溢流发生的原因及表现形式

1.1 溢流发生的原因

溢流发生的直接原因是地层孔隙压力大于井筒环空压力，地层孔隙压力升高或井筒环空压力降低都有可能引发溢流。在实际钻井过程中，引发溢流有以下原因［11］：

（1）钻遇异常高压地层，地层压力驱使地层流体侵入井筒，引发溢流。

（2）地层压力掌握不准，设计的钻井液密度过低；下套管时，引发地层破裂。

（3）在井底压力近平衡状态时停泵，环空压耗消失，地层流体侵入井筒，引发溢流。

（4）起下钻时，抽汲作用引发溢流。

（5）起钻时未按规定灌入钻井液，使井筒液面下降，当钻井液液柱压力降低到不能平衡地层压力时，地层流体侵入井筒，引发溢流。

（6）井漏时钻井液补充不足，使井筒液面下降或补充的钻井液密度不足以平衡地层压力，地层流体侵入井筒，引发溢流。

（7）邻井采油实施注水开发，导致地层流体侵入本井。

（8）其他原因。中途测试控制不好，钻到邻井中去；以过快的速度钻穿含气的砂岩层，射孔时控制不住，固井时水泥的失重等情况都可能造成井内的静液柱压力不足以平衡或超过地层压力，引发溢流。

1.2 溢流的表现形式

当溢流发生时，在地面上可以看到一些相关的征兆或者参数的变化，尽管这些征兆和参数变化不一定意味着有溢流发生，但预示着有潜在的溢流存在。其征兆和参数变化［11］有：

（1）钻井液相关参数的变化，由于地层流体侵入井筒，井口返出液体不仅有钻井液，还包括侵入井筒的地层流体，导致钻井液出口流量增加，钻井液池体积增加，钻井液密度减小，钻井液电导率升高或降低，钻井液温度升高或降低等。

（2）泵压和立管压力短时上升继而下降，钻开高压层后，井底压力增加，泵压和立管压力短时上升，但由于油、气、水的侵入使钻井液密度降低，泵压和立管压力转而下降。

（3）大钩负荷增加［2］，井内液体对钻具有浮力作用，当地层流体侵入井筒后，钻井液密度降低，浮力作用减小，大钩负荷增加；当地层流体侵入量很大时，钻具受到向上的推力，大钩负荷会短时减小，是即将发生井喷的前兆。

（4）硫化氢浓度、烃类或氯根含量增高，气体检测出现单根峰值增大，气体基值升高，后效气升高，停泵气显示升高［12-13］。

（5）井底参数的变化，井底环空压力升高，井底环空温度升高或降低［14］。

（6）钻速突然增加，钻压、扭矩和钻时突然下降、悬重突升，即出现放空现象，这说明可能钻遇异常高压地层或油、气、水层。

（7）停泵后钻井液外溢。

（8）起钻时井内流体外溢或钻井液的减少量小于上提钻具的体积。

（9）下钻和下套管时，返出的钻井液量大于钻具的排潜量。

（10）返出的钻井液中有油花、气泡，这是进入油气层的直接标志。

2 溢流监测方法

最原始的溢流监测是人工坐岗制，监测钻井液成分和钻井液池液位的变化，完全凭个人经验判断是否发生溢流。随着电子技术、传感器技术、计算机技术、自动化技术的快速发展，为溢流监测提供了更多的途径和方法，现有的溢流监测方法可总结为以下几类。

2.1 利用钻井液相关参数的变化来监测溢流［15-17］

钻井液相关参数包括总池体积、分离器液面、井口导管液面、环空液面、密度（井口、井底）、温度、流量、流速（进、出口，井下环空）。其中，通过对井口导管流量及分离器液面进行监测的微流量监测技术可靠性好、监测精度高，基于微流量参数的溢流监测在钻井现场取得了较好的应用效果；此外，在起钻等钻井液停止循环的工况下，通过实时监测井筒环空液位的变化判断溢流也取得了较为理想的效果。

（1）基于钻井液总池体积的溢流监测。这种方法在溢流监测的早期被广泛应用，其优点是成本低，实施方便。但是监测不够灵敏，不能及时发现早期微量溢流，实时性差，具有很明显的滞后，可靠性不高。

（2）微流量溢流监测［18-19］。这是近期兴起的溢流监测新方法之一，能够发现早期溢流，技术成熟。但是需要对现有设备进行改造，在与井口防溢管相连的导管处旁引一个L型的支管，在支管上安装声纳探测装置；或者，在与井口防溢管连接的导管上安装流量计，通过测量返出钻井液流量的变化实现深井早期微量溢流监测。高精度流量计要比声纳探测装置价格高，在长期工作过程中计量精度会受到影响。这种监测方法现场应用证明实时性较好，当溢流发生时，井口导管处钻井液流量或液面会立即发生相应变化。

（3）基于环空液面的溢流监测。实际钻井数据表明，起下钻过程中发生溢流的概率占溢流发生总量的55%，这种方法最大的优势是能够监测起钻过程中的溢流情况。同样也需要对现有设备进行改造，在套管阀处安装环空液位检测传感器，一般为非接触测量传感器。1998年Schubert［20］提出在套管阀处安装声波液位传感器，监测起钻过程中环空液面的变化，并将其投入现场应用。结果表明，实时性较高，当溢流发生时，环空液位上升或者其降低量小于所起出钻具体积对应的降低量；可靠性较高。

2.2 通过由综合录井仪采集的相关录井参数监测溢流［21-24］

常用的录井参数有钻压、大钩负荷、转盘转速、钻井液进出口流量、立管压力、钻井液密度、烃类浓度等。综合录井可实现对钻井工程异常的连续监测和量化的分析判断，国内外在地面获取录井参数的技术比较成熟，成本低，可准确及时地检测和预报工程异常，此方法被广泛采用。但是由于钻柱与井壁相互作用复杂，间接获取参数精度较差，会对溢流监测结果有所影响。现场应用表明，这种方法的实时性较高，录井参数可对井底变化做出实时响应。综合录井仪一般以1 Hz的采样频率对录井参数进行采集，从录井参数获取到对溢流做出判断需要的时间包括：参数采集时间（1s）+网络传输时间+计算时间，应该可以控制在秒级；依靠单个参数所做出的结论可靠性较差，需要综合多个录井参数进行综合判断。

2.3 声波气侵监测法

声波在气液两相流中传播速度明显低于在纯钻井液中的速度，在立管处和井口环空处分别安装声波脉冲发生器和声波脉冲接收器，通过测量声波传播时间来检测气侵情况［25-27］，这种方法理论上能够发现早期气侵。但是声波信号易受钻井现场存在的钻具旋转等干扰的影响，降低声波气侵检测精度；钻井液压力脉冲随着井深的增加衰减很快，适应井深有限；而且在实时性方面存在一定的延迟，声波在纯钻井液中的传播速度达到每秒上千米，而在含气钻井液的气液两相流中的传播速度却仅有每秒几十米，从发生溢流到发现溢流的时间延迟在分钟量级。此方法在实际应用中可靠性不高。Bang［25］于1994年提出这种方法，并做了相关的模拟试验，试验效果比较理想，但是并没有投入现场应用。

2.4 基于随钻的井底测量技术监测溢流

基于随钻压力测量（PWD）和随钻测井（LWD）技术的相关参数监测溢流［10，28-29］，地层流体侵入井眼，必将引起井底环空压力、温度和钻井液组份、性能的变化，改变钻井液的温度、密度和电导率，因此可以利用这些参数进行溢流早期监测。这种方法最大的优点是能够及时准确地测量井底参数，溢流监测最为直接，但是井底参数的测量和传输仍存在一定的问题。首先，压力与温度传感器受井下高温、高压条件限制，国内井底压力与温度传感器的最高工作温度为 150 ℃，最高承受压力为 105 MPa［30］，国外性能良好的井下工程参数测量仪，适应环境压力为140 MPa，环境温度为 150 ℃［31］。其次，受传输速度及解码速度影响，实时性不高，现场应用中一般通过钻井液脉冲进行信息传输，国内产品信息上传速率只有0.5～5 b/s，国外最高也只有10 b/s。以此上传速率计算，PWD参数的传输时间国内可控制在1 min之内，国外最快可控制在30 s之内。若采用电磁随钻传输，上传速率可以达到200 b/s，但是电磁随钻传输的有效深度一般不能超过6 000 m，而且不同地层时环井电阻率存在很大差异以及钻杆与钻杆连接螺纹存在接触电阻，接触电阻在钻井过程中因振动会产生变化从而影响钻柱中信号电流的稳定性，使传输质量变差［5］。LWD和PWD参数测量可靠性较高，但是实际钻井过程中受现场条件限制，此种溢流监测方法应用较少，未见应用效果较好的现场报道。

2.5 基于控压钻井技术监测溢流

基于控压钻井技术监测溢流［32-35］是通过分析实时采集的钻井液的流量、密度、质量、井口回压等参数判断是否发生溢流，这种方法能在2 min内自动检测到地层流体侵入并且加以控制，使地层流体侵入总量限制在0.24 m3以内［34］。相对其他的溢流监测方法更加准确、及时。但是这种方法需要对钻井设备做出很大的改造，其关键技术：随钻压力测量（PWD）、地层压力预测与随钻测量、水力学计算模型、控制机构和软件控制系统等，实现均有较大的难度。目前，现场应用效果较好的有Weatherford公司的MFC系统、Schlumberger公司的DAPC系统、Halliburton公司的MPD系统，溢流监测的实时性好，可靠性高。

2.6 分析地层岩性和孔隙度，进行溢流预警

如果能够得到所钻区域的地质资料、地震资料、邻井资料，则系统中可对这些资料进行分析，确定可能发生溢流的层位和井段进行钻前异常预报。

3 溢流监测的数据处理方法

3.1 阈值法

阈值法是通过采集的相关参数与设定的阈值相比较，从而得出是否发生溢流的结果。其特点是原理简单、容易实现，但是功能过于单一，只能监测参数的阈值，不能综合分析多个参数的变化趋势和规律，而且若溢流监测完全依赖于参数的阈值，会产生较高的误报和严重的滞后。然而，作为溢流监测的有效数据处理方法之一，可以将其与其他数据处理方法相结合应用于溢流监测。

3.2 数学建模法

数学建模的方法主要是针对溢流监测这个问题建立一个数学模型，通过多个相关参数的变化得出所建模型的结果。其特点是原理简单、容易实现，比单一阈值法有所改进，但是由于溢流的复杂性以及不确定性，很难建立一个公认比较准确的、时效性比较高的数学模型用于溢流监测。梅大成［27］曾提出一种溢流监测的数学模型，经实际钻井数据验证具有一定的监测效果。

3.3 人工神经网络［5］

BP网络是目前研究最多的神经网络模型之一，具有逼近任意非线性函数的能力，所以可以有效地监测溢流。但监测溢流时也存在一定的问题。首先，需要大量的录井数据来训练BP网络，因为地质环境的差异，用当地的钻井数据训练的网络模型不一定适用于其他地区的溢流监测。限制了BP网络的应用。除此之外，BP网络的应用也缺少一定的理论支持，例如，隐层神经元个数的选取、学习效率的设置完全是根据经验而确定，没有合理的计算和精确的推导。

3.4 专家系统

专家系统是根据人们在某一领域内的知识、经验和技术而建立的解决问题和做决策的计算机软件系统，能对复杂问题给出专家水平的决策结果。专家系统也需要大量的专门知识与经验，根据所有的知识和经验进行推理和判断模拟人类专家的决策过程，以便解决那些需要人类专家处理的复杂问题。溢流是一个复杂的、模糊的综合体，影响因素很多，变异性和时空差异大，在不同工况下溢流的表现形式也不是完全相同。然而，当前的专家系统在建模中多是利用简单的数学回归模型，这些模型一般只考虑了部分反映溢流的因素，如何把多因素综合考虑到建模中，仅依靠现在常用的方法是达不到要求的［36］。所以仅靠专家系统并不能完全准确地反映溢流的发生，但是可以把专家系统作为一种辅助以及验证系统加入到溢流监测中，实现多种方法的有机结合，达到优势互补的效果，提高智能化水平和现场适应性，从而使智能系统能不断丰富积累知识，并完善系统性能，提高诊断的准确性、实时性［37］。

3.5 贝叶斯判别分析［7］

贝叶斯判别分析的理论基础是贝叶斯定理

贝叶斯判别分析法同样需要大量的钻井数据训练判别模型，但是相对人工神经网络和专家系统贝叶斯判别分析更能充分地利用先验知识，减少误判。而且贝叶斯判别分析给出的溢流监测结果是一个概率形式，不是一个简单的是或否的结果，司钻可以通过概率值变化的趋势进一步确认是否发生溢流。

在以上5种数据处理方法中，阈值法和数学建模法原理比较简单，实现也比较容易，所以应用最为广泛。但是由于这2种方法本身的缺陷，在现有条件下溢流监测的实时性和可靠性较低。人工神经网络、专家系统、贝叶斯判别分析这3种智能算法存在一个共同的局限性，即在使用前均需要大量的先验知识或训练数据；而且溢流监测的准确性、实时性、可靠性完全受限于先验知识和训练数据。

4 基于PWD、微流量监测与综合录井参数的溢流监测方案

综合分析溢流监测方法和数据处理方法的优缺点之后，提出了一套基于PWD、微流量监测与综合录井参数的溢流先兆在线监测与预警系统。该系统在溢流监测方法方面以监测井底环空压力、温度等井底参数的变化为基础，并结合钻井液进出口流量和相关综合录井参数的变化，在地层流体还没有返到地面时，提前发现溢流，提高井喷预警的时效性；在数据处理方法方面采用以贝叶斯判别分析为核心，以专家决策系统为辅助，并结合以阈值法综合判断是否发生溢流，溢流监测的结果以一个概率的形式给出。其原理如图1所示。

图1 溢流先兆在线监测与预警系统原理框图

如图1所示，从综合录井仪服务器、钻井液进出口流量计、PWD地面解码系统分别采集相关录井参数。在溢流判别分析方面，首先，由阈值法判断钻井液总池体积等参数是否超出所设定的报警值；然后，由专家决策系统中所设定的规则模式判断是否发生溢流；若均没有监测到反映溢流发生的异常数据，最后由贝叶斯判别法，通过所选取的用于溢流监测的属性变量的取值给出发生溢流可能性的大小。表1是由川庆钻探工程有限公司提供的龙岗7井的录井数据得到的实验结果之一。

表1 溢流监测实验结果

由表1中的数据可得，在03:39:19时刻出口流量明显大于入口流量，该系统给出一个较高的溢流概率，在此时刻之后出口流量仍明显大于入口流量而且池体积已有较明显的增加，所以基本可以确认发生溢流，给出100%的溢流概率。但在此之前，03:38:49时刻立压下降，悬重增加，该系统捕捉到此溢流先兆，给出18%的溢流概率，并随立压和悬重的异常变化增加溢流概率。经实际钻井数据验证该系统能够较为准确快速地监测溢流，因为龙岗7井的录井数据中没有提供井底环空压力，所以上述实验中没有应用该参数，但依然收到较好的监测效果。

该系统的优点是把PWD参数、微流量监测参数与综合录井参数相结合应用于溢流监测，从井底和地面2个方位监测溢流；可以根据现场提供参数的实际情况，灵活组合，实现溢流监测；以阈值法作为最基本的数据处理方法，并结合贝叶斯判别和专家决策系统2种智能算法处理采集的溢流监测参数，提高溢流监测的时效性；溢流监测的结果以一个概率的形式给出，通过概率的大小和变化趋势能够起到预警溢流和确认溢流的作用。而且，目前综合录井仪和高精度流量计在钻井现场被广泛应用，PWD技术也日臻成熟，国内已有较多的应用，所以此方案的实施在现有条件下是切实可行的。

5 溢流监测展望

随着钻录井技术的发展，近期兴起的钻录井领域的前沿技术：控压钻井（MPD）、随钻测井（LWD）、随钻压力测量（PWD），在溢流监测方面均有良好的应用前景。尤其是MPD技术，能够较为准确快速地监测溢流，还可以进一步抑制溢流的发生［38］。但是MPD技术中涉及到的随钻压力测量（PWD）、地层压力预测与随钻测量、水力学计算模型、控制机构和软件控制系统等关键技术方面尚有欠缺，且实现难度较大。倘若能够进一步完善上述关键技术，提高井底环空压力、地层压力等参数获取的实时性和精确度，控压钻井的效果将会得到进一步改善，溢流监测也会更加准确快速。LWD和PWD技术的发展和进步，使得在随钻过程中可以获取大量的地层参数和工程参数，同时也为使用LWD和PWD技术监测溢流提供了可能。但是由于井下测量环境的复杂性和各种干扰因子的存在以及参数较长的传输时间问题，基于LWD、PWD技术的溢流早期监测现场应用较少。所以，基于LWD、PWD技术的溢流早期监测实施的关键在于提高参数获取的准确性和实时性。

以上提及的控压钻井、随钻测井和随钻压力测量技术是在钻录井领域中的一种发展趋势，因为无论是从溢流监测的角度出发，还是基于整个钻井过程的需要，若能够得以成功应用，均能带来较好的效果。然而，这绝不意味着有关溢流监测的其他技术和方法不需要继续发展和探索，事实上，为了进一步提高溢流监测的实时性和可靠性，还有很多工作要做，无论基于哪种溢流监测方法，随着“三高”地区和深水钻井等钻井难度的增加，溢流监测的实时性和可靠性还有待进一步提高。

6 结论

（1）溢流监测的难点并不在于监测方法和数据处理方法的选取或改进，参数的获取问题才是限制溢流监测效果的主要因素。

（2）在现有的设备条件和技术水平下采集的参数会存在一定的误差或延迟。误差的产生是因为现场环境的干扰因素过多以及设备本身的精度制约，存在延迟的原因主要是因为技术水平的限制。若能保证采集的钻井液进出口流量值的精度很高，单一阈值法便可以达到理想的溢流监测效果。又假若井底环空压力和温度能够准确实时地获取，阈值法也完全能够达到预期的溢流监测效果。

（3）文中分析了溢流发生的原因及其表现形式，并将现有的溢流监测方法根据其所采用的参数和监测形式的不同总结为6类，同时深入剖析比较这6类监测方法的优缺点、适用性以及所涉及到的数据处理方法。

（4）提出了一套基于随钻压力测量、微流量监测与综合录井参数的溢流先兆在线监测与预警系统，对此系统的原理、优点、可行性及现场应用做了简要说明。

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（修改稿收到日期 2013-06-16）

Survey of research on kick detection methods on “Three High” wells

YUE Weijie, SUN Weifeng, DAI Yongshou, LI Ligang, ZHANG Ya' nan
（College of Information and Control Engineering in China University of Petroleum,Dongying257061,China）

Blowout is the most serious accident during drilling process. Kicking is the forerunner of blowout, hence it is significant to optimize kick detection method and to improve the monitoring instantaneity and reliability for realizing safe, efficient and economic drilling. The paper analyzed the causes and signs of kicking, and classified the existing kick detection methods into six categories according to the differences of detecting parameters and forms. And it made deep analysis and comparisons about the advantages and disadvantages, applications suitability and relative algorithms of the methods. Based on the above it proposed an online monitoring and warning system for kick forerunning based on PWD, micro-flux detection and comprehensive logging parameters. At last, the prospect was described on the application and development of MPD, LWD, PWD in kick detection field, and the main factors restricting kick detection were pointed out.

kick detection; blowout; MPD; LWD; PWD

岳炜杰，孙伟峰，戴永寿，等. “三高”油气井溢流监测方法研究［J］. 石油钻采工艺，2013，35（4）：58-64.

TE249

：A

1000–7393（2013） 04–0058–07

国家自然科学基金“基于高阶累计量和ARMA模型的高精度地震子波提取方法研究”（编号：40974072）。

岳炜杰，1987年生。在读硕士研究生。电话：18667311807。E-mail：yueweijie@126.com。

〔编辑 薛改珍〕