超声波多普勒隔水管气侵监测系统设计与海上测试*

李轶明，张伟国，周云健，陈京德，耿亚楠，朱　磊，朱连望

(1. 中国石油大学(北京) 石油工程学院，北京 102249；2. 中海油深圳分公司，广东 深圳 518067；3. 中海油研究总院，北京 100028；4. 中海油工程技术公司 井控中心，天津 300452)

数字出版日期： 2017-12-14

0　引言

海上油气储量巨大，是未来油气开发的重要方向。但同时海上钻井具有高风险的特点，其中井喷事故带来的损失最为严重，2010年发生在墨西哥湾深水地平线号钻井平台的井喷事故造成了美国的“国家生态灾难”。井喷究其根本是井底压力与地层压力的不平衡所引起的。在正常的钻井过程中，钻井液由泵驱动通过钻杆泵入井底，而后通过钻头水眼进入钻杆和井眼之间的环形空间返回至地面，钻井液流体由于静液柱压力和循环摩阻在井底产生一定的压力，该压力可以平衡地层压力，阻止地层中的气体进入井筒。溢流是井底与地层压力失衡的早期表现，地层气体进入井筒后(称为气侵)会造成井底压力持续下降，增大的压力差会使气侵速度进一步增加，如果得不到及时和有效的控制，溢流可迅速恶化并导致井喷和井喷失控事故，因此井喷事故与溢流发现得早晚密切相关。加之现阶段国际和国内海上抢险救援设备和方法还相对缺乏[1]，抢险、救援和逃生极为困难[2]，因此海上钻井过程中做到溢流的早期发现是避免井喷事故发生最为有效的手段。

依据溢流监测传感器安装位置的不同，深水钻井溢流监测方法可分为平台监测法、泥线监测法和井下随钻监测法[3]。平台监测方法以井口的流量、压力、泥浆池液位为主要监测参数，间接反映井筒内是否出现气侵[4-12]。现阶段除了提高传感器精度以外，还可以通过信号处理等手段提高气侵监测的准确性，但对于采用了油基钻井液的深井，气体大量溶解会造成平台监测法响应的严重滞后。井下随钻气侵监测手段主要应用井下随钻测量工具对井下压力、流量和温度等参数进行测量，以此判断是否发生气侵[13-17]。

隔水管气侵监测方法是在海底泥线位置对隔水管内部进行监测[18-22]，与平台监测法和井下随钻监测法相比具有明显的优势。首先，储层中侵入井筒的气体在隔水管内部需要很长的时间才能运移至水面，水深越深则留给井控的应急响应时间越长，在深水钻井中其优势更为明显。另外，与井下随钻监测相比，隔水管气侵监测是在海水中从外部对隔水管内部进行非接触式测量，减少了安装难度和局限性。超声波多普勒频移量的偏移特性可用于表征气液两相流中的含气率，进而可以用于监测隔水管内部是否发生气侵[20]。但这一结果仅在室内气侵模拟实验中被证实，并且实验中采用清水和水基钻井液为连续相。

本文在此基础上通过室内实验，进一步验证超声波多普勒方法对油基钻井液气侵监测的可行性，并通过陆上试验井现场试验确定隔水管气侵监测系统的关键设计参数，最终在海上对系统进行性能测试研究。

1　超声波多普勒隔水管内部含气性监测原理与技术难点

1.1　气侵监测原理

超声波多普勒是一种非接触式测量方法，适合测量管道内部流体的流速。通过安装在管道壁面外侧的超声波发射探头向管道内部发射一定频率的超声波，当超声波遇到管道内部随流体一起运动的固体颗粒时将发生多普勒效应。通过管道外壁的超声波接收探头可以得到超声波频移量(发射频率与接收频率之差)，利用频移量和速度之间的对应关系可以得到固体颗粒物的运动速度，这一速度测量值通常可以用来表征流体的速度：

u=cfD/(2f0cosα)

(1)

式中：u为反射超声波颗粒的速度，m/s；c为超声波在流体中的速度，m/s；f0为超声波发射频率，Hz；α为超声波声波入射方向与流动方向之间的夹角，(°)；fD为频移量，Hz。

当管道内的被测介质为含有固相小颗粒的液体时，超声波多普勒方法测量的速度值比较准确，但是当液体中含有气泡时，超声波多普勒信号会发生畸变现象，超声波多普勒测量值与液体实际流速之间会出现偏差，即多普勒测量速度为流体真实速度与含气率的函数：

uM=f(uR,β)

(2)

式中：β为含气率，无量纲量；uM为多普勒测量速度，m/s；uR为流体真实速度，m/s。

隔水管气侵监测方法正是应用这一特性对井内是否发生气侵进行监测和预警的，其原理如图1所示。当气泡经过监测单元时，多普勒信号出现异常，依据实验室内得到的公式(2)的经验表达式可得到当前含气率，进而发出预警。

1.2　系统技术难点

超声波多普勒隔水管含气性测量与其他气侵监测手段的主要区别在于，该方法采用了非接触式测量原理，对原有钻井设备影响最小，另外该方法充分利用了测量点位于海底的空间优势，在含气钻井液前沿刚刚进入隔水管便可被检出，预警时间提前量较大。但是多普勒隔水管含气监测也面临一些问题，在设备设计中需要重点考虑以下几个技术难点：

1)隔水管壁面厚度及钻井液性能对超声波多普勒信号的影响

由于超声波发射和接收传感器固定在隔水管外壁表面，超声波首先需要穿过管壁进入隔水管内部，遇到环空中的固体颗粒或气泡则发生反射，反射波再次穿过隔水管壁面由接收传感器接收。超声波在传播途径上会发生能量衰减，因此钻井液性能、隔水管壁面厚度以及隔水管壁面上的涂层均可能影响超声波多普勒信号的强度。针对钻井液对超声波信号的影响，需要在实验室内对包括清水、水基钻井液和油基钻井液在内的多种不同物性参数介质中含气情况下的多普勒信号特性进行测量，确定超声波多普勒对含气性监测的可行性。而针对大壁厚隔水管管壁对超声波多普勒信号所产生的影响，需要在陆上试验井开展现场试验，用于验证该方法的可行性。

2)隔水管气侵监测信号传输方式的选择

图1　超声波多普勒气侵监测原理Fig.1　Schematic diagram of ultrasonic doppler kick detecting technique

隔水管气侵监测单元位于隔水管上，而且距离海底越近气侵早期识别效果越好。监测单元监测的信号需要向平台上的地面主机传送，传送方式可以选择有线传输和无线传输2种方式。无线传输可以应用声波或电磁波等方法进行数据传输，水下模块与地面之间不需要电缆连接，现场施工难度较小，仅仅需要将模块安装在隔水管上，不需要进行下电缆等施工作业。但是考虑到水下模块的供电，系统需要连续工作不小于1个钻井周期，有可能在1个月以上，因此需要的电池容量较大。另外，受到水下环境影响，水下无线传输数据带宽十分有限。比较而言，有线信号传输方式采用电缆连接地面主机与水下模块，电缆同时具备向水下设备进行供电和信号传输的作用，可以避免水下安装电池和无线数据传输等技术难点，但在设计阶段需要考虑电缆的下入和固定以及水下电缆接头在高压环境下的水密性问题。因此，无线和有线2种方式各有利弊，综合各方面因素考虑，最终本系统采用有线的数据传输和供电方式。

3)隔水管气侵监测设备水下模块的耐压性、耐腐蚀性和结构的稳定性等问题

水下模块属于超声波测量设备，为了减少超声波能量损失，模块需要与隔水管紧密结合。系统设计适用范围为水深3 000 m，因此水下模块需要耐压30 MPa以上，信号和供电电缆与水下模块之间的连接也需要考虑高压防水问题。另外，海底洋流对电缆有持续的冲击和腐蚀作用，因此在设计过程中要充分考虑电缆的保护和固定方式。

2　隔水管气侵监测系统设计方案

图2　隔水管气侵监测设备系统构成Fig.2　Overview of riser kick-monitoring system

根据隔水管气侵监测系统的设计要求，结合现场实际情况，确定了系统的整体设计方案，如图2所示。隔水管气侵监测系统主要包括2个组成部分：安装在平台上的地面主机和安装在隔水管上的水下监测模块。地面主机由计算机、数据采集板和多普勒信号分析装置组成，多普勒信号分析装置的作用是用来接收水下模块上传的多普勒信号，数据采集板将多普勒信号分析装置中处理后的信号进行采集并传给计算机，计算机中的程序对信号进行存储并做分析，判断隔水管内部的多普勒信号是否出现畸变，确定隔水管内是否发生气侵，如果出现气侵将进行报警。水下模块为耐压封装的前端传感器，主要负责超声波的发射和接收，同时将多普勒信号向地面设备发送。水下模块与平台上的主机之间由耐腐蚀且抗拉的铠装电缆连接，电缆经由钻井平台上的月亮池沿隔水管延伸至水下模块，向水下模块供电并实现信号传输。

3　关键技术及关键参数优化

3.1　油基钻井液气侵多普勒信号响应实验

文献[20]中，耿亚楠等进行了室内气侵模拟实验，应用超声波多普勒设备测量了清水和水基钻井液含气情况下的多普勒信号，得到了含气率与多普勒信号偏差量之间的关系，证明了超声波多普勒方法对清水和水基钻井液气侵识别的可行性。但是，油基钻井液在海上钻井中被大量使用，由于油基钻井液与清水和水基钻井液在物性上有较大差别，为了验证超声波多普勒方法对油基钻井液气侵监测的适用性。采用与文献[20]中相同的室内模拟实验设备对油基钻井液气侵过程进行了模拟实验(实验装置如图3所示)，钻井液为南海实际钻井中使用的某种油基钻井液。

图3　超声波多普勒气侵监测室内实验装置Fig.3　Exprimental setup of ultrasonic doppler kick detecting technique

图4　油基钻井液中含气率与多普勒信号之间的关系Fig.4　Doppler signal vs void fracture in oil-based drilling fluids

实验通过调整钻井液流量和气体流量在井筒模拟实验段中模拟了不同流速和不同含气率的气侵情况，气体和液体进入混合装置之前进行流量监测，用于确定试验段中的真实流速和含气率。通过安装在实验段壁面的超声波多普勒设备对流动进行了测量，每种工况下使用采集装置记录超声波多普勒的速度测量信号瞬时值，采集时间2 s，采样频率2 kHz，瞬时值的平均值为当前流速和含气率下的多普勒测量速度，即为uM。以真实流速对多普勒测量速度进行无量纲处理，得到含气率与多普勒信号畸变之间的关系(见图4)。由实验结果可知，当此种油基钻井液发生气侵时，随着含气率的增加多普勒测量的速度值发生衰减，无量纲多普勒测量速度值与含气率呈现较好的二次函数关系，公式(2)的具体表达形式为：

uM/uR=B1β2+B2β+B3

(3)

其中，拟合二次函数系数分别为：B1=0.004 8,B2=-0.101 73,B3=1。

根据经验公式(3)可以利用多普勒测量速度的衰减量确定含气率，进而达到监测气侵的目的。结合文献[20]的结果，通过室内模拟实验证明了应用超声波多普勒原理可以实现隔水管的气侵监测。

3.2　超声波多普勒传感器性能优化现场试验

图5　陆地现场试验中传感器安装在防喷器和防溢管之间导管外壁上Fig.5　Seneors installed on the pipe between BOP and bloody line during onshore field test

对于隔水管气侵监测，现场应用中面临的最大问题是超声波的穿透性问题，即超声波信号能否穿过隔水管壁面，遇到气泡后出现的多普勒信号畸变是否能被接收传感器接收到。基于以上问题考虑，在天津大港油田开展了2次陆上现场试验，试验在正常钻进的钻台上进行，现场试验照片见图5。试验通过安装在防喷器顶部导管外侧的超声波传感器对环空内部钻井液的流动进行监测，测试超声波多普勒信号的穿透性，由此验证隔水管气侵监测设备水下测量的技术可行性。

现场试验中关注3个参数对超声波信号强度的影响：管壁厚度、传感器夹角和超声波频率。试验中通过在管壁上加装钢制垫块增加有效管壁厚度，导管原始壁厚为8 mm，2种垫块的厚度为分别为15 mm和20 mm，将超声波多普勒传感器安装在导管壁或垫块上，可以验证最大壁厚为43 mm情况下多普勒的测量效果。另外，通过改变发射传感器和接收传感器之间的距离，比较不同发射波和接收波夹角情况下的信号强度，以此确定探头的最佳安装角度。同时，在试验中采用了2种频率的超声波发射频率，用于测试频率对信号强度的影响，试验参数见表1。

表1　试验参数表

在不同参数条件下，通过调整泥浆泵泵速改变环空中的钻井液流速，利用数据采集系统记录多普勒信号，以此分析超声波多普勒信号的有效性。首先保持泵冲120冲的正常循环流速，而后下调泵冲5%并保持50 s左右，最后恢复至初始泵冲，每组试验采样时间为2 min，用于完整记录整个调整过程中的多普勒信号。试验发现在各种工况下，超声波信号响应均正常，说明金属管壁对超声波的衰减并不明显，在30°夹角范围内接收探头能够较好捕捉到足够强度的超声波回波，另外2种超声波频率在钻井液中的传播距离也能满足测试需要。但是考虑到传感器本身的尺寸和水下模块体积不能过大等因素的限制，传感器设计间距最终确定为110 mm，隔水管直径533.4 mm，因此设计夹角为23.8°。图6为1组采样时间为2 min的超声波多普勒测量瞬时信号图，测试条件为：有效管壁厚度为43 mm，发射接收传感器夹角为24°，超声波频率为500 kHz。在下调泵冲期间，由于需要实时手动调节，很难保证泵冲达到目标值，因此在这个期间流速无法保持稳定。但是从测试曲线来看，超声波可以穿透大壁厚导管外壁，多普勒信号信噪比较高，对环空内部流速变化有很好的响应。陆上试验井试验验证了超声波多普勒方法对环空流体的监测可行性，也为海上测试设备确定了设计参数。

图6　改变泵冲过程中的多普勒信号变化Fig.6　Doppler signal during changing the pump stokes

3.3　耐高压水下模块设计

水下模块需要安装在尽可能靠近海底的位置，同时其内部包含了电子声学传感器，因此在设计中需要考虑水下密封和声传导2个方面的问题。图7为水下模块内部结构和水密接头结构图。

图7　水下模块内部结构和水密接头Fig.7　Internal structure of underwater module and waterproof connecter

水下模块的外壳由不锈钢材质的空心圆柱形腔体和顶盖组成。顶盖和腔体之间加工预留了密封圈安装槽，该密封方式可以满足30 MPa压差条件下的密封要求。超声波发射和接收探头通过附件被固定在腔体内部靠近隔水管一侧的底面上。发射探头和接收探头的安装面均加工成平面，且成一定角度，这样可以保证接收信号最强，固定探头之前在探头表面涂1层导声材料，减少超声波的衰减。腔体底面与隔水管接触一侧加工成曲面，曲面半径与隔水管外径相同，同时在边缘开1圈硅胶注入槽用于密封腔体与隔水管之间的导声材料。除了检测隔水管内部气泡含量和钻井液流动状态参数的前端超声波传感器之外，多普勒信号预处理器也被封装在水下模块中，该组件的作用是提取接收信号中的多普勒成分并向地面发送。为了提高系统的冗余度，系统中包括2套可独立工作的水下模块，每个模块中均有1对发射和接收传感器。每个水下监测模块中的发射探头和接收探头之间的夹角、超声波发射强度等参数均由室内实验和陆上试验井现场试验确定。

水下电缆与水下模块采用水密接头连接方式，图7(b)为水密接头设计图。水密接头的设计结构可以实现模块内部和海水之间的高低压力隔离，内外电路连接通过高压插针实现，每根高压插针均有2层密封圈密封。另外，为了防止高压插针与海水导通，水下电缆与高压插针连接部位设计有一个腔，通过注入高真空硅脂实现隔绝海水。采用这种高压连接设计方式能够满足30 MPa以上的电缆连接要求。

4　系统性能海上现场测试

为了测试系统在现场应用过程中各部件的稳定性及系统整体功能，于2015年5月在正常进行钻井作业的中国南海2号钻井平台上开展了海上测试工作，总共历时20 d。

当钻井平台完成第1根隔水管与水下防喷器组连接之后，进行了隔水管气侵监测水下模块的安装工作。为了保证水下模块与隔水管紧密结合并保证超声波更好地穿透隔水管，在模块与隔水管接触的表面涂1层导声材料。为了减少海底洋流对信号电缆的冲击，用钢制绑带间隔5 m将电缆固定到辅助管线上进行加固处理。图8为水下模块与隔水管一同下入过程。隔水管及水下防喷器下入海底安装到位后，通过水下机器人对隔水管气侵监测水下模块及电缆进行了观察，未见异常，平台开始正常钻井工序，而后开始通过水面主机对水下模块信号进行采集分析。

图8　隔水管气侵监测系统水下模块的下入过程Fig.8　Installation and running down process of the undersea module of riser kick-monitoring system

此次测试过程中，系统不间断地对隔水管环空中的流动进行了监测。此次钻井周期中并未出现气侵情况，同时考虑到气侵模拟试验存在极大的风险，因此现场试验的主要目的是测试整套系统的信号响应。图9为隔水管气侵监测系统在南海2号钻井过程中测量得到的多普勒信号瞬时值，采样时间为1 h。从图9可以看到，在这个采样周期内环空内的钻井液流速较平稳，系统捕捉到800～1 200 s期间钻台曾经进行了1次泥浆泵速的调整。此次现场测试验证了整套系统整套系统功能的完整性和系统的稳定性。

图9　隔水管气侵监测系统监测数据Fig.9　Data acquired by riser kick-monitoring system

5　结论

1)通过实验室气侵模拟实验，得到了油基钻井液含气情况下的超声波多普勒信号畸变规律，证明了利用超声波多普勒方法进行隔水管气侵监测的可行性。

2)设计了完整的隔水管气侵监测系统，其中最为关键的水下模块可满足3 000 m水深的耐压和水密性要求，通过陆上试验井现场试验，优化了传感器频率和安装角度等参数。

3)首次完成了超声波多普勒隔水管气侵监测系统的海上测试，完成了系统样机的功能验证，包括：水下模块的耐压、耐腐蚀、水密性和安装的稳定性，供电电缆和数据电缆安装的稳固性、信号传输的稳定性以及电缆的耐腐蚀性，获取了水下模块对隔水管监测的信号响应，测试了水面主机对信号的处理分析功能和对隔水管内部的监测等功能。

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