深水钻井沿隔水管超声波气侵实时监测技术研究*

耿亚楠 李轶明 朱 磊 马昭华 朱连望 周云健

(1.中海油研究总院 北京 100028； 2.中国石油大学(北京) 北京 102249)

深水钻井沿隔水管超声波气侵实时监测技术研究*

耿亚楠1李轶明2朱 磊1马昭华2朱连望2周云健2

(1.中海油研究总院 北京 100028； 2.中国石油大学(北京) 北京 102249)

早期溢流监测对预防石油开发钻井过程中井喷失控恶性事故具有至关重要的作用。深水钻井作业过程中在不破坏钻井隔水管力学结构的前提下，基于非接触式超声波测量手段沿程监测隔水管内部钻井液流动特征参数，设计了适合深水钻井隔水管气侵监测系统。实验模拟分析了深水钻井隔水管气侵监测系统超声波时差法和超声波多普勒法的气侵监测效果，结果表明：超声波时差法虽然在清水中可以实现含气率测量，但是对于水基钻井液并不适合；极小含气情况下，多普勒频移量出现极大衰减，并随着含气率的增加而下降，因此超声波多普勒方法对气侵早期识别具有可行性。上述成果对于深水钻井早期溢流监测有指导意义。

深水钻井；隔水管；气侵监测；井喷；超声波多普勒法；超声波时差法

石油钻探过程中井喷事故时有发生，而深水作业发生井喷事故所造成的损失远超陆地与浅水，事故处理也更加复杂[1-2]。统计表明，井喷事故发生前的一定时间内会先出现溢流现象，如2003年重庆开县的12·23井喷事故[3]发生前约5 min发现溢流；2006年四川宣汉县清溪1井严重溢流事故实施关井前约5 min发现钻速异常和溢流；2010年墨西哥湾的深水地平线号井喷着火前几分钟也发现溢流。如果地层流体刚进入井眼就能发现，那么井控相对容易，但目前的溢流监测方法还很难做到。目前主要溢流监测方法有泥浆池液面增量法、钻井液流量监测法、声波气侵监测法和随钻气侵监测法等[4-7]。其中泥浆池液面增量法由于计量精度和人为因素的影响做到早期预警难度较大[8]，钻井液流量监测法受质量流量计测量原理限制不能应用于存在开口管路的系统上或流体不完全充满管路的情况下，声波气侵监测法[9]采用泥浆泵产生的声波探测钻井液中含气液柱异常反射波来判断井筒内是否出现气侵，而随钻气侵监测法则利用随钻测井技术监测地层异常和井筒内压力异常，但不适合钻具不在井底情况。

相对于陆地与浅水，深水钻井有500～3 000 m暴露在海水环境中的隔水管系统。若能利用这段空间加装气侵监测传感器，尤其采用沿程多点监测方式进行监测，既可以较早发现气侵，同时还可以跟踪评价气体运移，将会给深水井控带来可靠的安全信息，这是对常规监测方法的补充。本文在分析“海洋石油981”钻井平台在荔湾3-1及周边气田钻井状况的基础上，基于深水钻井特点及隔水管组成特点，设计了一种适合深水钻井的隔水管气侵监测系统。该系统采用非接触式测量技术，在水下沿隔水管分布式布置传感器对隔水管内部流动进行监测，进而实现气侵早期预警功能。

1 沿隔水管监测气侵点设计及评价

1.1 隔水管及沿程气侵监测点设计

深水钻井隔水管是连接海底和顶部水面钻机设备的物质输运通道，同时将水下防喷器组等钻井设备与海面船只和工具相连，其主要作用之一是利用隔水管与钻杆之间的环形空间将钻井液输运至水面。“海洋石油981”钻井平台所使用的钻井隔水管外部安装有浮力块，每根标准隔水管单根长度23.22 m，外径533.4 mm，根据下入不同深度的耐压要求，隔水管壁面厚度最厚为25.4 mm;隔水管之间的连接采用双排锁耳，顶端为阴螺纹，底端为阳螺纹，在2根隔水管连接位置处存在0.5 m长未被浮力块覆盖的裸露区域，本文提出的隔水管气侵监测设备可安装在这一区域(图1)，并随隔水管下入水下。

图1 带浮力块隔水管气侵监测设备安装示意图

在深水钻井过程中，钻井液从水下防喷器位置流入钻杆和隔水管之间的环形空间，而后运移至平台,这一距离一般超过500 m。正常钻进过程中，钻井液由泥线运移到平台的时间至少在20 min以上，如果隔水管超过1 500 m，运移时间将超过1 h。将非接触式测量装置沿隔水管布置，可有效提前气侵发现时间。另外,采用多点布置方式也可保证检测精度和准确性。具体布置方式为：深度小于1 000 m时，监测点布置间隔为100～150 m；深度为1 000～2 000 m时，监测点布置间隔为200 m左右；深度大于2 000 m时，监测点布置间隔为300～500 m，总体符合上密下疏的原则。各监测点设备的信号线缆和供电线缆可在隔水管下入过程中固定到隔水管辅助管线上，并同时下入水中。图2为深水钻井隔水管气侵监测系统及传感器布置示意图。

由此可见，沿隔水管全程监测方法可以对钻井液向上运移的整个过程中的流动参数进行测量，通过监测隔水管内部钻井液中的气体含气率、流体相态及速度等参数，能够及时发现溢流，可实现气侵的早期预警，减少深水钻井井喷事故及其所导致的恶性事故发生的概率。本文提出的超声波非接触式隔水管气侵测量方法不仅可以在钻进过程中应用，同样也适合非钻进期间气侵溢流监测，尤其是在钻具不在井底的起下钻过程中常规随钻测量方法无法对井筒内进行监测的情况。

图2 深水钻井隔水管气侵监测系统及传感器布置示意图

1.2 基于多测量点对气侵监测的评价

深水钻井会采用油基钻井液，天然气等气体在油基钻井液中会出现溶解现象，井筒中流体温度变化范围为从原始油气藏温度(可达约105℃)到海底温度(4℃)，再到海平面温度(30℃左右)。当井底条件下体积含气率低于50%时，海底处的压力均高于泡点压力，这时天然气均溶于油基钻井液中，没有气体存在。只有当压力小于泡点压力(即水深在1 000 m附近)时溶解气才能析出，沿隔水管进行多点布置的沿程气侵监测法可有效避免天然气溶解在油基钻井液中所带来的问题。对于水基钻井液，含气率同样存在随水深减小而出现增大的现象，多点监测和上密下疏的监测方法也是提高气侵监测响应时间的有效方法。

在进行气侵监测方法评价的过程中，应根据气体滑脱速度、油基钻井液脱气位置及两相流含气率和流型随压力变化规律等因素对监测手段进行全面分析。给定水深、隔水管参数、钻井液流变参数、传感器分布，在假设气侵量的情况下计算气体上升速度、井底压力降低规律等，通过实验模拟的手段进行多点气侵监测方法的敏感性分析。

2 测量装置及评价

2.1 方法选择和室内评价方法

为了不破坏隔水管系统力学特征，最佳的方式是采用非接触测量手段对隔水管内部进行监测。超声波声学方法是通过声源发出的声波在介质中的传播，利用接收得到的声波变化间接反映介质特征的测量方法。气侵监测可利用超声波在不同含气率的两相流中声学特征变化规律对含气率进行识别。

本文使用超声波设备在室内进行钻井液或清水中的含气率测量实验，分析不同含气率下超声波信号的特征，验证不同测量方法在深水钻井中早期监测应用的准确性和可行性。室内实验在中国石油大学(北京)多相管流实验室GYD-I型多相流模拟实验台上进行，该实验台可进行垂直、水平及任意角度情况下管流两相流实验，并可观察管流中气液两相流的流动型态。选用的检测设备是适用于海洋钻井隔水管非接触测量的超声波多普勒测量设备和超声波时差测量设备。通过实验，可以得到信号随流体含气率的变化规律，从而对深水海洋钻井气侵溢流监测方法进行评价。

图3为超声波气侵监测方法室内评价实验装置示意图，整套系统包括储气罐、储水罐、钻井液储罐、空气压缩机、气液混合器、柱塞泵、气体质量流量计、井筒模拟实验段、超声波发射接收设备以及A/D采集板等。空气经压缩机加压后储存到储气罐中，储气罐中的空气在实验过程中维持0.8 MPa可保证进气的稳定，空气由调节阀控制并通过质量流量计计量后进入气液混合器。水或钻井液通过柱塞泵并经过电磁流量计计量后进入气液混合器，柱塞泵可通过变频电机控制转速来改变流量。空气和水(或钻井液)经充分混合后形成气液两相流进入井筒模拟实验段，通过调节进气量和柱塞泵排量可实现井筒中不同气侵量的模拟。井筒模拟实验段由不锈钢圆管和有机玻璃管制成，内径为50 mm和200 mm两种，外壁装有超声波发射探头和接收探头。储水罐和钻井液储罐均为开口罐体，气液两相流流经井筒实验段后返回罐体，气体自然分离，液体继续进入循环管路。采用多路A/D采集板采集实验信号，包括气体质量流量、电磁流量计流量和超声波接收探头输出信号等。

图3 超声波气侵监测方法室内评价实验装置示意图

2.2 超声波时差法气侵监测可行性评价

2.2.1 超声波时差法含气率检测原理

超声波在流体中的传播速度由声波速度、流体速度和声波方向与流动方向夹角共同决定，超声波时差计算公式为

(1)

式(1)中：X是2个换能器在管线方向上的间距，m；c为声波在介质中的传播速度，m/s；V为流体流速，m/s；θ为声波与速度方向之间的夹角，(°)；Δt为2个换能器接收到超声波的时间差，s。

在单相流动中,超声波的传播速度不变，液体流速可由时间差得到。而在气液两相流中，超声波的传播速度会受到气液界面的影响。因此，对于固定流速的气液两相流，超声波时差得到的测量速度不是流体的真实流速，这一测量值与含气率直接相关，利用这一特性可以测量钻井液中的含气率水平，实现气侵监测。

2.2.2 对清水含气率的监测

以清水为连续相进行气侵模拟实验，每隔300 s调整一次空气注入流量，用以模拟井筒中不同的含气率。实验模拟了从不含气的单相流动到最终含气率上升至15%，共计12种情况，每种情况下均调整液相流量使主流流速保持不变。超声波时差传感器的瞬时测量结果如图4所示，可以看出随着含气率的上升，虽然井筒中的流体速度保持不变，但超声波时差传感器测量得到的流速却不断降低。

图4 超声波时差法速度测量瞬时值随含气率变化

不同主流流速超声波时差法测量流速平均值随含气率变化如图5所示，可以看出每种主流流速下均出现测量值随含气率增加而降低的现象。虽然曲线的斜率与主流流速有关，但是单独就某一流速得到的结果来看，测量值基本呈单调递减趋势。在含气率超过5%时，超声波法信号下降幅度超过20%。由此可知，利用超声波时差测量原理可以识别清水为连续相的气液两相流中的含气率水平，并且具有很高的敏感性。

2.2.3 对水基钻井液含气率的监测

为了评价在水基钻井液中超声波时差法对气侵水平的识别度，进一步对不同含气率的水基钻井液进行了实验。不同含气率情况下采用超声波时差法测量的瞬时结果如图6所示，其中粗红线为120s内超声波时差法对单相水基钻井液的测量瞬时值，其他颜色曲线是含气率不为零的情况下的测量结果。与清水为连续相的测量结果不同，含气率与测量值并不存在单调递减关系，因此无法对含气率进行识别和区分。由此可以得到：由于水基钻井液物性与清水不同，含气钻井液中声波传播速度受到钻井液的影响较大，与含气率并不能形成单值对应关系，因此在钻井液含气监测中会带来较大误差，无法区分含气率水平，也就无法正常进行气侵监测。

图5 不同主流流速超声波时差法测量流速平均值随含气率变化

图6 不同含气率水基钻井液中超声波时差法测量瞬时值

2.3 超声波多普勒气侵监测可行性评价

2.3.1 超声波多普勒法含气率监测原理

超声波多普勒气侵监测方法是利用超声波多普勒效应对隔水管内部流动状态进行测量。对于单相流动，多普勒测量原理是通过测量超声波发射频率和由流体中的微小颗粒产生的反射声波频率之间的频率差得到流体中固体颗粒或者微小气泡的运动速度。假设流体速度远小于声速，速度与多普勒频移量之间的关系为[10]

u=cfD/(2f0cosβ)

(2)

式(2)中：u为反射声波颗粒的速度，m/s；c为超声波在流体中的声速，m/s；f0为超声波发射频率，Hz；fD为多普勒频移量，Hz；β为入射声波与流动方向之间的夹角，(°)。

超声波发射探头和接收探头与壁面之间加声耦合剂，以减少声波的损失。图7为超声波多普勒速度测量原理示意图。

图7 超声波多普勒速度测量原理示意图

为了消除温度的影响，超声波接收探头前端安装有声楔结构[11-12]，根据声波的折射定理可将式(2)变形为

u=c1fD/(2f0sinβ)

(3)

式(3)中：c1为超声波在声楔中的传播速度，m/s。由于声楔为固体材料，超声波在其中的传播速度随温度变化与在流体中相比小了一个数量级，可以近似为常数。

与超声波时差法类似，当流体介质为两相流情况下，多普勒测量方法同样会受到流动介质的影响，因此实验中针对气液两相流进行了研究，用于评价超声波多普勒法对气侵的敏感性和可行性。

2.3.2 对水基钻井液气液两相流含气率的监测

对于单相液体的测量，根据式(3)通过采集超声波接收探头输出信号并作时频分析，可以得到不同时刻管道内的瞬时流速，主流流速为0.47 m/s时的多普勒测量瞬时速度分布如图8所示。通过向管路注气并维持主流流速不变，得到不同含气率的两相流，对多普勒信号同样作时频分析也可得到瞬时多普勒频移量。多普勒测量瞬时速度um的计算公式为

um=c1fD-m/(2f0sinβ)

(4)

式(4)中：fD-m为气液两相流中测量得到的多普勒频移量，Hz。

实验中发现,含气情况下测量得到的速度值与不含气情况下的测量值是不同的，含气率为24%时测量速度衰减到0.28 m/s左右。这是由于气液两相流中超声波多普勒频移量与单相液体中不同，虽然主流流速相同，但是在气液两相流中存在大量的气泡，超声波在经过气液界面时出现了频率变化，这也体现在气液两相流中的声波波速发生变化[13]。但由于本实验引入声楔结构，流体中的声速不出现在式(4)中，测量值与流体真实流速之间的偏差仅由频移的偏差量决定。通过引入修正系数，可得真实流速与测量流速和频移量之间的关系

图8 含气与不含气情况下超声波多普勒测量瞬时速度分布对比

(5)

式(5)中：ua为主流真实流速，m/s；um为多普勒测速设备测量的速度，m/s；λ为气液两相流中多普勒测量修正系数。

通过改变进气量可以得到不同含气率的速度测量瞬时信号，而通过长时间采样并作时间平均可以得到不同含气率多普勒测量值的平均值。不同含气率下多普勒测量瞬时速度平均值分布如图9所示。根据式(5)可以得到不同含气率超声波多普勒频移修正系数(图10)。从图10可以看出，微小进气时(含气率为0.6%)，超声波的波速就会受到较大的影响，多普勒频移量也出现突变，修正系数接近0.62；随着含气率的上升，多普勒频移量继续下降，当含气率接近15%左右，修正系数达到极小值；当含气率进一步上升时，修正系数出现增加趋势。因此，修正系数与含气率之间的关系呈现二次曲线分布形式(含气率大于0，小于24%的区间内)。由实验数据分析可知，当含气率小于15%时，随着含气率的增加，单位体积内气泡的数目增加，由此带来气液界面数目的增加，超声波经过气液界面出现了频率的降低，并导致速度测量值的降低；当含气率超过15%时，气泡发生聚并现象，小气泡聚并形成大气泡，但此时流型仍然保持为泡状流，单位体积内的气泡数量出现降低趋势，气液界面数目也随之降低，因而多普勒频移的偏差量也会随之增加，即速度测量值出现上升趋势。也就是说，当隔水管内出现气侵时，尤其是早期含气少的情况下，超声波多普勒频移量会出现突变，测量速度大幅降低。因此，在隔水管外部加装多普勒测量设备可以检测出井筒或者隔水管内部出现的早期气侵，并具有很高的敏感度。

图9 超声波多普勒测量速度平均值与含气率之间的关系

图10 含气情况下超声波多普勒频移修正系数

3 结论

1) 超声波测量作为一种非接触式测量手段，可以在不破坏隔水管力学结构的前提下对隔水管内部钻井液沿程流动状态进行监测，因此结合气液两相流的特征和天然气在高压情况下溶于油基钻井液现象等前提下，采用上密下疏的传感器布置方式可有效监测隔水管内部出现的气侵现象。

2) 超声波时差法对以清水为连续相的气液两相流含气率有很好的区分度，可用来测量含气率的大小。但是对于水基钻井液的气液两相流，由于测量值与含气率不存在单值对应性，在隔水管气侵监测时会带来很大的误差，因此该方法不适于深水钻井隔水管气侵监测。

3) 超声波多普勒测量设备在测量水基钻井液两相流的过程中，由于被测介质中含有大量气液界面，超声波波速及频率均会出现变化，极小含气情况下就会带来多普勒频移量的大幅衰减，而且通过修正系数可以将测量速度进行修正，修正系数在泡状流流型分布情况下呈现二次曲线分布。因此，在含气情况下，超声波多普勒测量速度的平均值或瞬时值大幅衰减，在气侵发生早期即可出现多普勒频移瞬态信号偏移现象，由此作为判据可实现隔水管内部气侵早期预警。

[1] 任美鹏，李相方，刘书杰，等．新型深水钻井井喷失控海底抢险装置概念设计及方案研究[J]．中国海上油气，2014,26(2)：66-71,81．

Ren Meipeng,Li Xiangfang,Liu Shujie,et al.Research on the conceptual design of new seabed rescue equipment for uncontrolled blowout in deep water drilling[J].China Offshore Oil and Gas,2014,26(2):66-71,81.

[2] 李修峰，陈国明，孟会行，等．南海深水半潜式钻井平台井喷时可燃气体扩散规律[J]．中国海上油气，2015,27(1)：111-115,120． Li Xiufeng,Chen Guoming,Meng Huihang,et al.Diffusion characteristics of blowout combustible gas in semi-submersible drilling platform in South China Sea[J].China Offshore Oil and Gas,2015,27(1):111-115,120.

[3] 中国石油天然气集团公司工程技术与市场部，中国石油天然气集团公司石油工程技术承包商协会．中国石油天然气集团公司井喷事故案例汇编[M]．北京：石油工业出版社，2006．

[4] 卓鲁斌，葛云华，汪海阁．深水钻井早期井涌检测方法及其未来趋势[J]．石油钻采工艺，2009,31(1)：22-26．

Zhuo Lubin,Ge Yunhua,Wang Haige.Early kick detection methods for deepwater drilling and its future development[J].Oil Drilling & Production Technology,2009,31(1):22-26.

[5] 陈庭根，管志川．钻井工程理论与技术[M]．东营：石油大学出版社，2000．

Chen Tinggen,Guan Zhichuan.Theory and technology of drilling engineering[M].Dongying:Petroleum University Press,2000.

[6] 李相方，管丛笑，隋秀香，等．气侵检测技术的研究[J]．天然气工业，1995,15(4)：19-22,109．

Li Xiangfang,Guan Congxiao,Sui Xiuxiang,et al.Research on gas cut detecting technology[J].Natural Gas Industry,1995,15(4):19-22,109.

[7] 任美鹏，李相方，刘书杰，等．深水钻井井筒气液两相溢流特征及其识别方法[J]．工程热物理学报，2011,32(12)：2068-2072．

Ren Meipeng,Li Xiangfang,Liu Shujie,et al.The characteristics and identification method of Gas-Liquid two flow overflow in deepwater drilling[J].Journal of Engineering Thermophysics,2011,32(12):2068-2072.

[8] NAS S.Kick detection and well control in a closed wellbore[R].SPE 143099，2011.

[9] TSEYTLIN S.Methods and devices for determination of gas-kick parameters and prevention of well explosion[R].SPE 166871,2013.

[10] 李晓光，马净．多普勒超声波流量计基本原理及应用[J]．可编程控制器与工厂自动化，2005,6(3)：115-116．

Li Xiaoguang,Ma Jing.The application and principle of Doppler ultrasonic flowmeter[J].Programmable Controller & Factory Automation,2005,6(3):115-116.

[11] 丁丽晶．基于DPS技术的超声波多普勒流量计的设计[D]．大连：大连理工大学，2002．

Ding Lijing.Design of ultrasonic Doppler flowmeter based on the DSP technique[D].Dalian:Dalian University of Technology,2002.

[12] 陈磊．超声波技术在钻井液流量测量中的应用研究[D]．成都：电子科技大学，2011．

Chen Lei.The application of ultrasonic on measuring the flux of drilling fluid[D].Chengdu:University of Electronic Science and Technology of China,2011.

[13] BRENNEN C E.Cavitation and bubble dynamics[M].Oxford：Cambridge University Press,1995.

(编辑：孙丰成)

Study on real-time ultra-sonic kick detection technique along riser during deep water drilling operations

Geng Yanan1Li Yiming2Zhu Lei1Ma Zhaohua2Zhu Lianwang2Zhou Yunjian2

(1.CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China; 2.ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China)

Early kick detection is of great significance to prevent blowout in well drilling operations. During deep water drilling operations, early kick detection can be realized by using non-intrusive ultrasonic measurements to monitor the flow characteristics of the drilling fluid inside the riser without changing the riser’s mechanical structure. And then the kick detection system for deep water drilling operations was designed. The phenomena of kicking inside the riser were experimentally investigated in the laboratory by ultrasonic time difference method and ultrasonic Doppler method. It is found that the time difference method is suitable to measure the void fraction of water, but not for the water-based drilling fluid. It is also found that the frequency shift of Doppler severely attenuates when the void fraction is tiny, and it keeps decreasing as the void fraction increases. Hence the feasibility of using Doppler method to detect the early kick inside the riser is proved from this study. The above findings can be used for guiding the early kick detection during deep water drilling operations.

deep water drilling; riser; kick detection; blowout; ultrasonic Doppler method; ultrasonic time difference method

*“十二五”国家科技重大专项“荔湾3-1及周边气田钻井井筒油气流动监控与钻井相关数据记录系统研究(编号：2011ZX05056-001-04)”、中国石油大学(北京)科研基金项目“隔水管超声波溢流监测实验研究(编号：2462015YQ0216)、海洋浮式设施安全风险动态多场感知与控制(编号：2462015YQ0403)”部分研究成果。

耿亚楠，男，高级工程师，1989年毕业于原石油大学(华东)，主要从事海洋石油钻采相关研究。地址：北京市朝阳区太阳宫南街6号院2号楼(邮编：100028)。E-mail：geyn@cnooc.com.cn。

李轶明，男，讲师，2014年毕业于北京大学，获博士学位，现主要从事井控、油气井流体力学、多相流及实验流体力学等方向研究。地址：北京市昌平区府学路18号中国石油大学(北京)石油工程学院(邮编：102249)。E-mail：ymli@cup.edu.cn。

1673-1506(2016)01-0086-07

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.01.013

TE28

A

2015-04-09 改回日期：2015-04-21

耿亚楠,李轶明,朱磊，等.深水钻井沿隔水管超声波气侵实时监测技术研究[J].中国海上油气，2016,28(1)：86-92.

Geng Yanan,Li Yiming,Zhu Lei,et al.Study on real-time ultra-sonic kick detection technique along riser during deep water drilling operations[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(1):86-92.