气体钻井过程中地层出水的微波随钻监测方法

刘清友，包凯，任文希 （油气藏地质及开发工程国家重点实验室 （西南石油大学），四川 成都 610500）

气体钻井过程中地层出水的微波随钻监测方法

刘清友，包凯，任文希 （油气藏地质及开发工程国家重点实验室 （西南石油大学），四川 成都 610500）

针对目前气体钻井过程中地层出水预测方法不够完善，往往导致预测结果滞后，尤其是在刚钻遇水层或地层微量出水时难以准确判断井下出水状况，提出了一种基于微波技术的随钻监测气体钻井地层出水的新方法，依据微波谐振腔的微扰原理，通过测量微波谐振腔的谐振频率偏移，以实现对空气钻井过程中返出气体湿度的连续在线监测，并根据气体钻井现场工况，对微波谐振腔传感器进行优化设计。室内模拟试验表明，该项监测技术测量结果同实际值基本相符，误差约为7%，且具有灵敏、连续及操作方便等优点，能够及时有效地反映返出气体的湿度变化，表明提出的监测技术是可靠的，且具有一定的现场参考价值。

气体钻井；地层出水；微波技术；随钻监测；试验研究

气体钻井技术是利用气体循环介质替代传统液体循环介质的钻井新方法［1～3］。气体钻井作为欠平衡钻井技术的一个重要分支，近年来以其独特的技术优势在油气田开发中广泛推广，其主要特点如下：①大幅度提高机械钻速，缩短建井周期；②避免漏失问题；③有效预防储层损害，极大地保护了地层的原始产能［4］。但 “气体钻井怕水”一直是困扰气体钻井发展的主要技术瓶颈之一，地层出水后，若未能及时发现和处理，可能会导致井壁失稳、钻具泥包、卡钻等井下复杂事故，严重威胁钻井施工安全。

目前预测气体钻井时地层出水的方法主要有3类：①利用已有的测井资料对出水地层进行钻前预测；②钻井过程中，对地层出水进行实时监测；③通过钻井施工过程中地面反映出的各种参数数据、现象来判断地层出水情况，如立管压力、转盘扭矩变化、排砂管喷势等。前两类方法大多基于测井数据和渗流力学模型来对地层出水进行预测，由于存在测量误差且采用理想化模型的缘故，得出的结果同实际数据往往存在一定的差距；后一类现场采用的简易判断方法，多依据工作经验，对于刚钻遇水层或地层微量出水时，往往难以准确判断井下出水状况，容易贻误气液转换时机，甚至引起更为严重的后果［5～8］。此外文献 ［9，10］指出，气体钻井过程中地层微量出水有利于泥饼在井壁堆积，泥饼过厚导致环空间隙变小，进而造成环空憋堵等井下复杂情况。地层微量出水往往具有隐蔽性强、难以监测的特点，因此实现对地层微量出水的监测极其重要。笔者基于微波谐振腔的微扰原理，建立了返出气体湿度与谐振腔的谐振频率偏移的数学模型，通过测量谐振腔的谐振频率偏移，以实现对返出气体湿度的连续在线监测。

1 微波技术监测方案及机理

1.1 微波技术监测方案

气体钻井是利用压缩机向井内注入压缩气体，依靠环空高压气体的能量，把钻屑从井底经排砂管带到地面，并在地面进行固体气体分离。在注气循环或钻进过程中，为了实现对地层出水的随钻监测，笔者提出在排砂管上安装气体取样管，环空返排的混合气流通过微波传感器，引起微波传感器腔内混合物介电常数的变化，导致微波谐振频率也产生变化，当返出的混合气流温度、压力一定时，通过检测微波传感器的谐振频率变化来确定返出气流的湿度，进而实现对地层出水情况的判断，气体钻井微波技术随钻监测方案示意图如图1所示。

1.2 微波技术监测机理

该设计利用微波谐振腔的介质微扰原理，以谐振腔作为传感器，通过测量谐振腔的谐振频率变化，可以实现对某些非电量的测量［11～13］。腔内介质的介电常数在一定压力和温度下，由流动气体的湿度决定，根据谐振腔的谐振频率随腔内电介质的介电常数变化而发生偏移这一特性，通过测定谐振频率的变化，就能得到流动气体的湿度。通常情况下，空气的介电常数为1F／m，水的介电常数为81.5F／m，因此对于均匀充满谐振腔内的混合气流而言，含水量是影响其介电常数变化的主要因素。利用返出气体混合物介电性质的差异，采用微波谐振腔微扰原理即可实现对气体钻井过程中地层出水的精确监测。

图1 气体钻井微波技术随钻监测方案

气体钻井过程中返出的气流具有一定湿度，但气流中水滴所占体积与质量都较小，假设将空气钻井返出的湿蒸汽混合物视为连续介质相 （干饱和蒸汽）和分散介质相 （水滴）两种介质以一定比例组成的均匀混合物，则湿蒸汽混合物的复介电常数计算公式可表示为［14～16］：

式中：εm为湿蒸汽混合物的复介电常数，F／m，可通过试验测出；ε1、ε2分别为水滴和干饱和蒸汽的介电常数，F／m；φ1为水滴的体积分数。

将湿蒸汽混合物的湿度定义为水滴质量与混合物总质量的比值，用Y表示：

式中：m1、m2分别为水滴与干饱和蒸汽的质量，kg；ρ1、ρ2分别为水滴与干饱和蒸汽密度，kg／m3。

实际应用过程中，在给定的温度与压力系统下，m1、ρ1、m2、ρ2均为已知量，所以只要测得湿蒸汽混合物的复介电常数即可得出其湿度。

当湿气流通过谐振腔时，腔内的湿蒸汽混合物介电常数与谐振腔的频率变化满足如下关系：

式中：Δf为谐振腔微扰后的谐振频率偏移量，kHz；f0为谐振腔空腔的谐振频率，kHz。综上可知，气流湿度与谐振频率之间的关系如下：

受排砂管线出口处温度和压力的影响，地层未出水条件下，返出气流湿度约为45%；若地层出水，返出气流湿度势必会大幅度增加。当排砂管线能够观测到出水时，湿度即达到100%，所以采用微波谐振腔传感器可以在地表观察到出水前及时发现地层出水征兆，提供风险警示，为下一步工程决策提供依据。

2 微波谐振腔传感器设计

2.1 微波谐振腔传感器性能要求

为了满足气体钻井工艺及监测流程工艺的要求，微波谐振腔传感器设计要求如下：①气体取样管中的混合气流需在谐振腔内连续平稳流动，以实现对气流的连续监测，因此谐振腔应两端开口；②微波谐振腔传感器极易受外界环境的影响，特别是温度的影响，应尽可能减小温度的变化，以保证高谐振频率的稳定性；③谐振腔内壁应涂有良好的导体层，以提高其品质因素，使频率的变化能准确反映混合气流湿度的变化。

2.2 微波谐振腔传感器特点

微波谐振腔传感器示意图见图2。该传感器具有如下特点：①所设计的谐振腔为反射式，只有一个耦合机构，兼作信号输入和输出，谐振腔与矩形波导之间靠磁场耦合，耦合装置为耦合小孔，谐振频率点谐振腔与矩形波导相匹配，实现最大信号的输出，输出信号通过处理后频率范围为0～10MHz；②环形分隔器与谐振腔同轴，位于谐振腔两端，保证谐振腔两端在电气上短路，使电磁波在两端发生全反射，使谐振腔发生谐振，同时使通过谐振腔内的混合气流平稳均匀，便于精确测量；③进口处气体取样管直接与气管快插接头相连，出口处尾气管直接与气管快插接头相连，方便测试与更换。

图2 微波谐振腔传感器

3 试验研究

为进一步验证该微波监测技术在气体钻井过程中的可行性、实用性，笔者设计室内模拟试验，采用分流法产生不同湿度的气体代替气体钻井过程中返出的混合气流。分流法原理是将干燥空气与饱和水蒸气的湿空气按一定比例混合，从而获得所需湿度的气体［17］。空气压缩机产生的气流分两部分，一部分经由流量计1进入饱和槽再进入试验槽；另一部分通过干燥器后的空气，经流量计2后直接进入试验槽。两路空气的压力与温度相同，且与试验槽内充分混合的气体一致。将不同湿度的气体连续通过微波谐振腔传感器，通过对谐振频率信号的采集，检测混合气体的湿度，并与标准湿度值进行对比分析。

3.1 室内模拟试验方案设计

试验主要由两部分组成。第1部分为标准湿度气体发生装置，从t1时刻到t8时刻，气体湿度先逐渐增加再减小，以模拟气体钻井过程中返出的不同湿度的混合气流；第2部分为微波传感器检测系统，一定湿度的混合气体进入微波谐振腔传感器，通过对谐振频率信号的采集，计算出气体湿度。室内模拟试验方案流程示意图如图3所示。

图3 室内模拟试验方案

3.2 试验结果及分析

试验过程中，分流法产生的标准湿度气体温度为25℃，调节通过流量计1与流量计2气体体积的比值，产生湿度大小为45%～98%的混合气体，具体参数如表1所示。

如微波谐振腔传感器工作环境温度为25℃，在对应的t时刻记录谐振腔偏频的大小，并计算出气体的湿度，结果如表2所示，在t7时刻，微波传感器出口观察到有液滴，随着湿度减小，液滴消失。

表1 分流法标准湿度发生数据

表2 微波传感器所测数据

对比分流法产生的标准湿度与该时刻微波传感器检测计算所得的湿度，结果如图4所示。

从图4可以看出，理论值与微波技术监测试验值相符合，误差约为7%，分析主要原因为转子流量计测量精度、微波扫频仪测量精度及试验环境的影响。

图4 微波传感器检测结果与标准结果对比

4 结论与认识

1）针对目前气体钻井过程中地层出水预测方法反应较为迟缓、且在地层出水量较小时难以准确判断井下出水状况的不足，提出了一种基于微波技术的随钻监测气体钻井地层出水的新方法。

2）针对气体钻井现场工况，设计了一种微波谐振腔传感器，并进行了室内模拟试验，试验结果与理论值基本相符，误差约为7%，表明利用微波谐振腔微扰技术测量流动气体湿度具有可行性。

3）微波谐振腔传感器的测湿效果明显，具有灵敏、连续及操作方便等优点，能够较好地适用于刚钻遇水层或地层微量出水时等特殊情况，有利于早期识别和控制井下复杂情况，对气体钻井具有一定的现场指导意义。该方法还需进一步完善，并进行现场试验验证。

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［编辑］ 黄鹂

A M icrowave-based Monitoring while Drilling Method for Formation W ater Production in Gas Drilling

LIU Qingyou，BAO Kai，REN Wenxi (First Author's Address:State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，Sichuan，China)

A new monitoring while drilling(MWD)method based on microwave technique was proposed to solve the problem that the currentMWDmethod was notaccurate enough to predict the trend of formation water production during the gas drilling promptly，the predicted resultwas often delayed，when the water layer was first encountered in drilling orwhen the amount of water production was small.Based on the microwave cavity perturbation theory，it can continuously monitor the humidity of backflow gaseson-line during the gas drilling bymeasuring resonant frequency shiftof the cavity，aswellas optim ize the design ofmicrowave cavity sensor according to the operation conditions in the gas drilling field.The laboratory simulation experiments show that the results of new MWDmethod are basically consistentwith thatof actual value with an error about7%，and it can reflect the changes of airflow humidity timely and effectivelywith advantages of sensitivity，continuity and easy operation.It is presented that the new MWD method is reliable and provides certain reference for the oilfields.

gas drilling;formation water production;microwave technique;monitoring while drilling;experimental research

TE242

A

1000-9752（2014）05-0093-04

2013-11-05

国家自然科学基金项目 （51134004）。

刘清友 （1965-），男，1986年西南石油学院毕业，教授，博士生导师，长江学者特聘教授，主要从事石油天然气装备、油气井工程力学、井下爬行器、计算机仿真等方面的教学和科研工作。