深水水合物藏钻井溢流早期监测实验装置设计

尹邦堂， 张旭鑫， 孙宝江， 李相方， 黄名召

(1.中国石油大学(华东) 石油工程学院，非常规油气开发教育部重点实验室，山东 青岛 266580； 2.中国石油大学(北京) 石油工程学院，北京 102249； 3.中国石油海洋工程有限公司，北京 100028)

0 引 言

天然气水合物具有分布广、储量丰富、能量密度大和清洁高效的特点，是一种潜力巨大的替代能源。天然气水合物资源接近99%赋存在海底，只有1%存在于陆地冻土层。我国南海北部大陆坡天然气水合物远景资源量达185×108t油当量，整个南海海域的天然气水合物资源量达(643.5～772.2)×108t油当量，约相当于中国陆上和近海石油、天然气总资源量的一半，具有良好的资源开发前景。2017年5月，我国于南海神狐海域首次完成可燃冰的成功试采[1-2]。勘探显示，南海神狐海域有11个矿体，面积128 km2，资源储存量1.5×108t石油当量。神狐海域可燃冰储量只是我国可燃冰蕴藏量的冰山一角。

尽管溢流井喷及井喷失控是石油工业界一直采取各种措施都力求避免的，但是历史证明，只要开发石油，此类事故就不可能杜绝[3-5]。普通油气井发生井喷类事故，其损失可能巨大[6-7]，而深水油气井可能更甚[8-10]。

2010年4月20日，墨西哥湾深水地平线平台发生井喷、起火、爆炸，平台倾覆，11人死亡，直接经济损失上千亿美元，同时对周围生态环境造成不可逆转的破坏[9]。从事故的处理过程可以看出，目前海洋石油钻井井喷及井喷失控的抢险装置及技术极其缺乏，对于水合物藏钻井来说更是如此。

溢流早期监测可以减小或避免井喷失控的可能性，是水合物藏钻井井控技术的一个重要环节，在水合物开发过程中有着极其重大的意义。然而对于海上，尤其是深水水合物藏钻井来说，目前尚缺乏一种有效的方法可以进行早期溢流监测[11]。

针对以上问题，基于气液两相流理论[12-13]、多普勒超声波原理[14]，本文设计了一种深水水合物藏钻井溢流早期监测模拟实验装置，学生及科研人员可以利用该装置直观、形象地观察、了解、掌握水合物的形成、分解特点及规律，发现多普勒超声波信号与气体含量的关系，从而实现水合物藏钻井的溢流早期监测。

1 隔水管外沿程气侵监测可行性分析

由于深水海洋环境及地层条件的复杂性和特殊性，复杂的钻井工艺，陆上及浅水气侵监测技术不再适用于深水钻井。相对于陆地与浅水钻井，深水钻井有0.5～3 km的隔水管系统暴露在海水环境中[15-16]。与其要借助于昂贵的LWD、PWD、APWD等进行环空压力监测，不如在隔水管外侧沿程多点进行气体监测更加安全高效。

以南海某深水井为例，水深1.5 km，井深2 km，钻井液密度1.2 g/cm3。基于井筒环空瞬态两相流动模型[12-13]，得到不同气侵程度(以初始含气率大小表征)下的含气率、地面泥浆池增量随井深的变化规律，如图1、2和表1所示。

图1、2中，1.5 km处为海底泥线处，即0～1.5 km是隔水管所处的深度。从图1可以看出，初始气侵含气率为1%～5%时，到达泥线1.5 km处时已经变为3%～12%。从井底到海平面，随着井深的减小，含气率逐渐增大。从泥线处往上开始监测气侵含气率，要比从井底开始监测容易得多。

图1 含气率随井深的变化规律

图2 地面泥浆池增量对井深的变化规律

井底截面含气率/%12345泥线处截面含气率/%2.515.026.859.1312.55地面溢出量/m30.270.570.7411.3

从表1可以看出，井底初始含气率为3%时，泥线处的含气率达到6.85%时，对应的泥浆池增量为0.74 m3，气侵时间为16 min，利用隔水管外方法可监测到气侵。当泥浆池增量为1 m3时，传统方法[11]才可以监测到气侵，这时已经气侵26 min。隔水管外气侵监测方法比传统方法早10 min左右，为压井提供了较为富余的时间。

2 多普勒超声波气侵早期监测原理

多普勒超声波监测是基于多普勒效应得到的，即超声波频率的大小与声源、观察者之间的相对运动有直接关系[17-20]。声源越近，观察者接收的频率越高；反之，越低。基于此，将一对超声波换能器紧贴在隔水管外壁，一个向隔水管环空内流动的钻井液发射固定频率的超声波，当遇到钻井液中的固相颗粒(岩屑)、气泡时，会发生反射波，此时已偏离发射频率；而这种偏离正好与所遇到的反射物质的速度成正比。另一个换能器接收反射回来的波，再经过信号处理、频谱分析等，计算出隔水管截面内的反射物的速度。

如图3所示，当超声波束在管轴线上遇到1粒固体颗粒，该粒子以速度v沿轴线运动。对超声波发射器而言，该粒子以vcosα速度离去，所以粒子收到的超声波频率f2应低于发射的超声波频率f1。固体粒子又将超声波束散射给接收器，由于它以vcosα的速度离开接收器，所以接收器收到的超声波频率f3又一次降低。最终得到多普勒频移Δf[12]：

(1)

f1-发射的超声波频率；f2-粒子接收的超声波频率；f3-接收器接收的超声波频率；v-粒子运动速度；α-超声波束与管轴线夹角；c-流体中的声速；β-超声波入射角；φ-超声波透射角

图3 超声波多普勒基本原理

多普勒超声波气侵早期监测方法是利用多普勒超声波效应对隔水管内部流动状态进行测量。气侵后，隔水管环空内钻井液中的气泡运动会导致声波发生多普勒频移。通过滤波，将超声波在含有气泡的钻井液的频变特征反映出来，得到含气率与声波频变的对应关系，从而实时监测钻井液中的含气率。基于此，可判断是否存在气侵。

多普勒超声波气侵早期监测方法相比其他方法有较大的优势。①传感器不放置在钻井液中，而是紧贴隔水管外壁，是一种非接触式测量，不损坏钻井设备，不影响正常钻井作业，安装方便快捷。②深水钻井气侵后，侵入气在环空中向上运移，随着压力的降低，体积膨胀，会导致多普勒信号产生更大的偏移。可以根据信号的变化来实时监测隔水管内侵入气体的情况。③该方法不受钻井工况的影响，无论是循环钻进还是非循环静止状态，都能很好地监测到隔水管环空内的气体含量。

3 多普勒超声波气侵早期监测装置设计

3.1 模拟实验装置设计

根据几何相似性和动力相似性原理设计该模拟实验装置。主体结构包括井筒模拟系统、钻井液循环系统、水合物生成与分解系统、多普勒信号监测系统和计算机信息处理系统5个功能部分，如图4～6所示。

1-有机玻璃内管；2-模拟套管的有机玻璃外管；3-单向阀；4-提供旋转动力的内旋转电动机；5-钻杆；6-钻井液储存罐；7-柱塞泵；8-钻井液流量计；9-钻井液循环管路压力计；10-气瓶；11-泄压阀；12-储气罐；13-冷水处理系统；14-气体流量计；15-气体压缩机；16-反应器；17-生成管路压力计；18-温度计；19-注水口；20-安全阀；21-加热器；22-减压阀；23-分解管路压力计；24-集气瓶；25-多普勒信号发生器；26-多普勒信号接收器；27-计算机；28-控制机柜；29-多普勒检测仪

图4 模拟水合物钻井溢流早期监测方法的实验装置

图5 室内实验气液注入系统

(1) 井筒模拟系统包括有机玻璃内管1、有机玻璃外管2、内旋转电动机4、钻杆5和单向阀3。有机玻璃内管1用于模拟钻柱，有机玻璃外管2用于模拟套管，有机玻璃外管2套装在有机玻璃内管1外侧，有机玻璃内管1的上部与单流阀3相连接，内旋转电动机4的上方与单流阀3连接，下方与钻杆5连接，内旋转电动机4提供旋转动力带动钻杆5转动来模拟井下钻进过程；单向阀3控制钻井液只能从上往下流；有机玻璃外管2左边的上下部分别安装一个阀门，钻井液通过上部的阀门回到钻井液储存罐6。

(2) 钻井液循环系统包括钻井液储存罐6、柱塞泵7、钻井液流量计8和钻井液循环管路压力计9。钻井液储存罐6分别与有机玻璃外管2左边上部的阀门和柱塞泵7连接，连接柱塞泵7和单流阀3之间的管道上安装有钻井液流量计8和钻井液循环管路压力计9。

(3) 水合物生成分解系统包括气瓶10、储气罐12、气体压缩机15、气体流量计14、泄压阀11、冷水处理系统13、注水口19、安全阀20、反应器16、温度计18、生成管路压力计17、加热器21、减压阀22、分解管路压力计23和集气瓶24。含有水合物生成气的气瓶10依次与储气罐12、冷水处理系统13、气体流量计14、气体压缩机15和反应器16相连接，储气罐12和冷水处理系统13的底部均安装泄压阀11，反应器16的顶部设有注水口19，注水口19的一侧安装安全阀20，另一侧安装温度计18和生成管路压力计17，反应器16与井筒模拟系统的下部管路连通，井筒模拟系统的上部与集气瓶24管路连接，井筒模拟系统与集气瓶24之间的管路上依次安装减压阀22和分解管路压力计23，钻杆5的下方安装加热器21，加热器21的数量根据实际实验要求确定。

(4) 多普勒信号监测系统包括多普勒信号发生器25、多普勒信号接收器26和超声波多普勒监测仪29。多普勒信号发生器25和多普勒信号接收器26安装在有机玻璃外管2内侧并处在一条延长线上，多普勒信号发生器25和多普勒信号接收器26的安装角度与井筒呈60°，多普勒信号接收器26与超声波多普勒监测仪29相连接，如图7所示。

(5) 计算机信息处理系统包括计算机27和控制机柜28。控制机柜28分别与钻井液流量计8、钻井液循环管路压力计9、气体流量计14、温度计18、生成管路压力计17和分解管路压力计23连接，计算机27与控制机柜28连接，控制机柜28控制压力计、流量计的大小，计算机27实时显示数据。

图6 室内试验主体部分图7 模拟实验段外壁的多普勒传感器

3.2 操作流程

对水合物钻井溢流模拟监测的具体过程为例。

(1) 打开内旋转电动机4带动钻杆5进行旋转，接着打开钻井液储存罐，调节钻井液流量计8使它的数值稳定并让钻井液循环管路压力计9保持在6～8 MPa，然后打开柱塞泵7并调节流速为1 m/s向井筒模拟系统中注入钻井液开始循环。

(2) 当循环开始后，气瓶10中含有水合物生成气，打开气瓶10，使水合物生成气进入储气罐12后再进入冷水处理系统13进行冷却，使其温度控制为1～5 ℃；然后打开气体流量计14的开关调节气体气量，打开气体压缩机15，调节生成管路压力计17使它的数值稳定；冷却后的水合物生成气经过气体压缩机15进入反应器16。

(3) 打开反应器16上部的注水口19向反应器中注水，并打开温度计18和生成管路压力计17监测反应进行；经过反应器16生成的水合物随水经管路进入井筒模拟系统，经过钻杆5的搅拌作用，加速水合物的再生成，并让水合物随钻井液进入内管与外管之间循环；超声波多普勒监测仪29实时监测水合物的生成过程，并收集相关数据信号，在水合物生成过程中，水合物生成气的含量不断减少，超声波多普勒监测仪29监测到的信号强度也随之减小；当通入的水合物生成气反应完毕后，打开钻杆5上的加热器21使水合物发生分解，超声波多普勒监测仪29实时监测水合物的分解过程，并收集相关数据信号，在水合物分解过程中，气体的含量不断增加，信号衰减增加，超声波多普勒监测仪29监测到的信号强度也随之减小，如图8所示。

图8 含气率与多普勒超声波信号随时间变化

(4) 水合物分解产生的气体进入减压阀22、分解管路压力计23和集气瓶24组成的导出系统，并在集气瓶24中收集水合物分解产生的气体，减压阀22和分解管路压力计23监测气体收集的过程，内管与外管之间的钻井液通过有机玻璃外管2上部的阀门重新回到钻井液储存罐6进行下一次循环。

(5) 在环空管壁上安装多组多普勒信号发生器25和多普勒信号接收器26的组合，使每组多普勒信号发生器25和多普勒信号接收器26处在一条延长线上，并调整安装角度使它们与井筒呈60°，普勒信号发生器25和多普勒信号接收器26的组合组数根据实际需要确定；普勒信号发生器25和多普勒信号接收器26均与超声波多普勒监测仪29相连接，监测结果在超声波多普勒监测仪29屏幕上显示，在钻井液循环过程中实时监测水合物生成和分解的过程，得到水合物生成和分解的数据信号。

(6) 通过计算机27对水合物的水合物生成和分解的数据进行分析，得到水合物的生成规律和钻井条件下的分解规律，确定多普勒信号与截面含气率之间的对应关系，实现水合物钻井的溢流早期监测。

4 结 论

(1) 基于多普勒超声波原理，设计了深水水合物藏钻井隔水管外非接触式溢流早期监测系统。该装置可以实现水合物的生成，同时监测多普勒信号与注入气含量的关系。水合物生成后，可以模拟水合物钻井的情况。一边实现水合物分解；另一边监测多普勒超声波信号与分解气含量的关系。该装置可以实现水合物生成和分解的一体化。

(2) 该装置对安装在隔水管壁上的多普勒超声波探头接收到的信号进行分析，确定多普勒信号与截面含气率之间的定量对应关系。正常情况下，信号由钻井液中的固相颗粒产生，但是一旦发生气侵，气泡将变成多普勒信号的主要来源。随着气体含量增加或气体体积膨胀，多普勒信号将发生明显的频移，利用这种信号频移来监测是否出现气泡及含气率的大小，由此进一步监测是否发生气侵。

(3) 学生及科研人员可以通过该实验装置的透明有机玻璃井筒、计算机系统实时观察到水合物的生成、分解规律，了解掌握水合物与注入气体量、压力、温度的相互关系，观察、发现多普勒超声波信号与气体含量的关系。教学中可以激发学生学习的积极性提高学习效率，加深学生对水合物的理解和掌握，对溢流有一个直观形象的认识；科研中提供了一种基于超声波多普勒信号的、非接触式的隔水管外气侵早期监测装置，适用于深水钻井循环钻进和非钻进工况，为深水水合物藏安全高效开发提供了保障。