CN101029564A

CN101029564A - 一种气体钻井井下状态的连续监测方法

Info

Publication number: CN101029564A
Application number: CNA2006100218539A
Authority: CN
Inventors: 孟英峰; 李永杰; 陈一健; 张军
Original assignee: Southwest Petroleum University
Current assignee: Southwest Petroleum University; Xian Shiyou University
Priority date: 2006-09-13
Filing date: 2006-09-13
Publication date: 2007-09-05

Abstract

本发明涉及一种在油气开采行业中用于气体钻井的井下状态的监测、分析和判断，以保证钻井的安全和高效的气体钻井井下状态的连续监测方法。它的技术方案是：监测系统在排砂管线的取样口对井眼环空返出的气体进行分流取样；样品气体通过降尘除水装置处理后，通过取样管线流经气体流计量及其监视摄像系统后进入成分分析仪，最后由成分分析仪上的排气口排出；样品气体经过成分分析仪的各种传感器将对其它气体浓度的原始数据进行采集，并发射至数据接收模块，并通过屏蔽电线传输到安装有配套监测软件的计算机上。本方法能对气体钻井的井下状态进行自动监测、分析和判断，可满足油气开采领域气体钻井的需要，保证气体钻井的安全和高效。

Description

一种气体钻井井下状态的连续监测方法

技术领域

本发明涉及一种在油气开采行业中用于气体钻井的井下状态的监测、分析和判断，保证钻井的安全和高效的气体钻井井下状态的连续监测方法，它也适用于水文、地热、矿产资源等领域的气体钻井中。

背景技术

目前所指气体钻井是以气体如空气、天然气、氮气、燃烧尾气等为循环介质的钻井方法。气体钻井可以大幅度的提高钻速、降低成本、缩短钻井周期。气体钻井还可以有效克服井漏、页岩垮塌等井下复杂情况。在油气的储层采用气体钻井，可以良好保护油气层，实现探井中提高发现率，开发井中提高油气井产能。但是气体钻井在应用中还存在一系列的问题：(1)气体钻井在井下出水的情况下，井内往往会出现“泥包”，造成井内排屑不畅、钻具阻卡、诱发井下燃爆等复杂问题；(2)气体钻井井下出水量较大的情况下，井内往往会产生“积液现象”，即地层水不能及时排除而积累；(3)在油气储层钻进中，为防止井下燃爆事故，常用氮气、燃烧尾气等防火惰性气体钻井，现场制取氮气、燃烧尾气的含氧量越低，则制取费用就越高；而在一定情况下对应的井下着火有一个极限含氧量。因此，对于制氮、燃烧尾气的气体钻井而言，有一个既保证井下安全，又相对低费用的含氧量控制点问题；(4)气体钻井用于非产层长井段的提高钻速、防漏制漏等非常有效；而这种非产层的长井段，常常难以避免的存在一些含有微量、少量油气的地层，如果采用氮气、燃烧尾气钻井，井下着火事故可避免，但常导致高的钻井费用，采用空气钻井虽然低成本，但井下着火的风险增大，需要有相应的手段及时发现、及时处理。

由于常规钻井技术是“钻井液钻井”，其循环介质是液体，故目前井场上配置的设备和仪器都是适用于液体钻井，而不适用于气体钻井。这类仪器不能有效地用于气体钻井监测井下堵塞、出水、破岩效率及井下着火等状况，同时仪器也存在反应迟缓、体积大、费用高等问题。

发明内容

本发明目的在于：为了不依赖目前钻井设备和仪器的独立监测仪器及其配套使用、控制技术，以满足油气开采领域气体钻井，保证安全、高效的需求，特提一种气体钻井井下状态的连续监测方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：当注气循环及正常钻进时，监测系统在排砂管线1的取样口2处对井眼环空返出的气体进行分流取样；样品气体通过降尘除水装置3处理后，通过取样管线4流经气体流量计及其监视摄像系统5后进入成分分析仪7，最后由成分分析仪7上的排气口8排出；样品气体在成分分析仪7内的流动过程中，成分分析仪7内的各种传感器将对其中CO₂、CO、O₂、H₂S及烃类气体浓度的原始数据进行采集，并由数据发射模块9将各组数据信号以无线传输的方式发射至数据接收模块10；成分分析仪7中氧气浓度、一氧化碳浓度由燃料电池式探头检测，甲烷浓度由甲烷传感器监测，其工作原理可为电化学式，二氧化碳按照国家标准由红外线传感器监测，硫化氢气体由电化学式传感器监测，返出气体的温度和环境温度由温度传感器20监测；同时气体流量计及监视摄像系统5与观测摄像系统6的图像信号，均以无线传输的方式将图像信号发射至图像接收系统11；最后所有的数据和图像都通过屏蔽电线传输到安装有配套监测软件的计算机12上；配套的监测软件处理无线传输过来的各种气体浓度的原始数据，并以坐标绘图的形式显示、记录所有监测参数，图像信号以视频形式显示。标定气入口19用于使用标准气样对成分分析仪7的各传感器进行现场标定；地层出水监视器17用于观察返出气体中是否含有水分，监视地层出水情况。

本发明与现有技术比较，具有以下有益效果：(1)能对气体钻井的井下状态进行自动监测、分析和判断，所有的数据和图像都能传输到计算机上，并坐标绘图的形式显示、记录所有检测参数；(2)它是一种不依赖于目前钻井设备和仪器的独立监测仪器及其配套使用、控制技术，可满足油气开采领域气体钻井的需求，保证钻井的安全和高效。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

附图1是本发明实施的工艺流程示意图。图中：1.排砂管线，2.取样口，3.降尘除水装置，4.取样管线，5.气体流量计及其监视摄像系统，6.观测摄像系统，7.成分分析仪，8.排气口，9.数据发射模块，10.数据接收模块，11.图像接收系统，12.监测计算机，13.上游压力传感器，14.中游压力传感器，15.下游压力传感器，16.岩屑取样器，17.地层出水监视，18.声音传感器，19.标定气入口，20.内、外温度传感器，21.降尘水入口，22.动量传感器。

附图2是停止注气排屑管流速有、无堵塞的两种曲线对比图。23.有堵塞，24.无堵塞。

附图3是恢复注气排屑管流速有、无堵塞的两种曲线对比图。

附图4是停止注气排屑管线上有、无积液的两种曲线对比图。

附图5是恢复注气排屑管线上有、无积液的两种曲线对比图。

具体实施方式

将本发明应用于气体钻井的施工现场，按照不同的目的有不同的实施方式：

(1)气体钻井的正常粉尘钻进状态。正常粉尘钻进状态时，地层无油气水产出，井下破岩正常、清岩畅通。此时依据注入气量和钻进速度，配合上游压力传感器13、中游压力传感器14的监测值和动量传感器22的监测值，可以计算返出气体流量与混合密度。由宽频声音传感器18监测颗粒状岩屑排除状态和数量，由出口全天候观测摄像系统6观察粉尘状态、数量和颜色，若停止加入降尘水21，效果更佳。间断打开岩屑取样器16，可以获得地质砂样。

(2)气体钻井的井内堵塞钻进状态。钻进中如果环空有明显的堵塞，如泥包或其他物理堵塞，则注入压力会有所上升，井内岩屑排除受阻，在观测摄像系统6、声音传感器18上有所反应，同时在上游压力传感器13、中游压力传感器14和动量传感器22测量上有所反应。而最显著的区别将反映在停止注气和恢复注气过程中，排屑管线上流速压力和气量的变化上，对比示意如图2、图3所示。其中排屑管流速可以通过上游压力传感器13、中游压力传感器14和动量传感器22反映。根据有、无堵塞的两种曲线对比，由内置模块推测堵塞点和堵塞严重程度。

(3)气体钻井的雾化钻进状态。当地层产液或油，且产出液完全可以被携带时，注入压力，排屑管线的流动传感器——上游压力传感器13、中游压力传感器14和动量传感器22有所反映。根据监测结果，利用内置计算模块，可以计算地层产出液量，同时可由取样器取得产出液的样品。

(4)气体钻井的井内积液钻进状态。当地层产液或油造成井内积液时，注入压力有所反映，同时排屑管的观测摄像系统6、声音传感器18；流动状态传感器包含上游压力传感器13、中游压力传感器14和动量传感器22也有所反映。尤其表现在停止注气和恢复注气过程中，排屑管线上的流动状态传感器的监测值上(上游压力传感器13、中游压力传感器14和动量传感器22)，如图4、图5所示。根据有无积液的两种曲线对比，由内置模块推测积液点和积液的严重程度。

(5)地层产出油气情况下的气体钻井。含氧气体如空气，在井下与油、气混合，且有点火条件、有浓度合适，就有可能产生井下燃爆。根据钻井工程条件有火花、热球或板、链式反应热自燃等几种可能的点火条件存在。点火后的可能的着火方式有缓慢氧化、不完全燃烧、完全燃烧、不连续燃爆、连续燃烧等。缓慢氧化方式由于反应过程十分缓慢，燃料和氧气消耗很少，产生热量也少，并能被井筒中的气流及时带走，不会造成井下事故，监测参数中氧气浓度基本不变；不完全燃烧主要是在钻遇产量较大的产气层时，由于混合气中氧气不足，燃烧不完全，将产生较高浓度的CO，监测参数中O₂浓度急剧下降，CO浓度急剧增高，CO₂浓度急剧增高；完全燃烧情况主要是发生在钻遇产量较小产出气层时，由于氧气充裕，燃料相对稀薄，产生完全燃烧，此时监测数据中O₂浓度急剧降低，CO₂浓度急剧增高，但CO浓度增高较少；不连续燃爆主要发生在由于井下混合不均匀，造成局部区域里达到适当浓度，有点火条件，形成的着火，在监测数据上反映为O₂浓度降低，CO₂浓度增高，CO浓度降低，但是这些数据变化的时间较短，然后恢复初始值；连续燃烧是由于钻遇产量适当的油气产层，油气和空气连续混合，遇到合适的点火条件产生连续的着火燃烧，连续燃烧方式在监测数据上反应为O₂浓度降低，CO₂浓度增高，CO浓度降低，并且数据变化持续时间长，如果不改变注气条件，数据不恢复初始值。由于连续燃烧方式产生大量的热量，使井下温度急剧升高，所以该着火方式是造成井下事故的主要方式。

钻油气储层时，为防止燃爆工程实施中一般使用惰性气体如氮气、燃烧尾气钻井。本发明主要涉及进行合理含氧量的检测，可根据出口温度传感器20的监测、流动状态参数如上游压力传感器13、中游压力传感器14和动量传感器22以及注入气体性质，利用内置计算模块，计算井下温度、压力及气体在井下的热力学参数，计算杜绝燃爆的最低含氧量。指导工程人员调节设备状态以接近并低于此含氧量，以实现最低成本的安全钻井。钻大段非油气储层或有微量含油气地层，如果用氮气、燃烧尾气，则高成本。依据本发明采用空气钻井，可以实现安全、低成本。当气体成分分析仪7监测，发现井下有可燃气体产出，而较低时，发出预警警报，各关键井控岗位警备；当气体成分分析仪7监测，发现井下可燃气体达到可燃浓度极限时，各井控岗位人员到位，进入警戒状态，严密监测井下情况，同时采取相应的工程措施，如：停止钻进、停止供气、上提钻具、循环观察。如果钻遇大气层，全烃持续增加，可立即关井观察立压，分离放空点火，成功后，转换为泡沫或泥浆钻井方式。如果全烃不增加，循环观察10分钟以上后，可降低钻速，继续试钻；气体成分分析仪7监测，发现燃爆迹象，各井控岗位人员到位，进入警戒状态，严密监测井下情况，同时采取相应的工程措施，如停止钻进、停止供气、上提钻具、循环观察。如果发现井下连续着火，可立即关井观察立压，分离放空点火，成功后，转换泥浆。如果没有发生连续着火，循环观察10分钟以上后，可调整参数如加大气量、降低钻速等，清除井内堵塞，畅通井眼，释放地层气使其衰竭，再恢复注气。尽可能消除迹象，继续试钻。至发生2次以上井下燃爆迹象，可停止钻进，转换为泡沫或泥浆钻井方式。

(6)、毒害性气体监测。气体成分分析仪7的毒害性气体监测，主要用于监测、发现地层产出毒害气体，如硫化氢、二氧化碳、二氧化硫等。增加井场安全保障。

Claims

1.一种气体钻井井下状态的连续监测方法，其特征是：当注气循环及正常钻进时，监测系统在排砂管线的取样口处对井眼环空返回的气体进行分流取样；样品气体通过降尘除水装置处理后，通过取样管线流经气体流量计及其监视摄像系统后进入成分分析仪，最后由成分分析仪上的排气口排出；样品气体在成分分析仪内的流动过程中，各种传感器将其中CO₂、CO，O₂、H₂S及烃类气体浓度的原始数据进行采集，并由数据发射模块将各组数据信号以无限传输的方式发射至数据接收模块；成分分析仪中的O₂、CO浓度由染料电池式探头检测，CH₄浓度由甲烷传感器监测，CO₂由红外线传感器监测，H₂S由电化学式传感器监测，返回气体的温度和环境温度由温度传感器监测；同时气体流量计及监视摄像系统与观测系统的图像信号，均以无线传输的方式将图像信号发射至图像接收系统；最后所有的数据和图像都通过屏蔽电线传输到安装有配套监测软件的计算机上；配套的监测软件处理无线传输过来的各种气体浓度的原始数据，并以坐标绘图的形式显示，记录所有监测参数，图像信号以视频形式显示。

2.根据权利要求1所述的连续监测方法，其特征是：标定气入口用于使用标准气样对成分分析仪的各传感器进行现场标定；地层出水监视器用于观察返回气体中是否含有水分，监视地层出水情况。

3.根据权利要求书1所述的连续监测方法，其特征是：气体钻井正常粉尘钻进状态时，依据注入气量和钻进速度，配合上游压力传感器、中游压力传感器和动量传感器的监测值，可以计算返出气体流量与混合密度；由宽频声音传感器监测颗粒状岩屑排出状态和数量，由出口全天候观察摄像系统观察粉尘状态、数量和颜色；间断打开岩屑取样器可以获得地质砂样。

4.根据权利要求1所述的连续监测方法，其特征是：地层产出油气情况下的气体钻井，在井下含氧气体与油气混合，若有点火条件、有浓度合适，就有可能产生井下燃爆，为防止燃爆一般使用惰性气体如氮气、燃烧尾气钻井；同时涉及进行合理含氧量的检测，可根据出口温度传感器的监测、流动状态参数及注入气体性质，利用内置计算模块，计算井下温度、压力及气体在井下的热力学参数，计算杜绝燃爆的最低含氧量，以实现最低成本的安全钻井。