液面自动监测技术在堵漏施工中的应用

李 宁 郭云鹏 程天辉 余大洲 郭科佑 赵 佩

(1.中国石油集团渤海钻探工程有限公司工程技术研究院，河北 062556；2.中国石油集团渤海钻探工程有限公司，天津 300450；3.中国石油集团渤海钻探工程有限公司塔里木钻井分公司，新疆 841000；4.中国石油集团渤海钻探工程有限公司第四钻井工程分公司，河北 062556)

在油田建设钻井施工过程中，尤其是针对恶性漏失井，液面高低直接影响着井控安全性。一种灵活高精度的液面测量技术不仅能够实时监控液面高度保证钻井施工安全并且通过液面测量数据还能够指导堵漏工作的进行。

1 液面监测装置国内现状

目前在油田生产过程中液面的测量方法主要分为钻杆柱校核法、电缆计数法和传统测井使用的无弹头子弹或者氮气瓶声波弹作为发声装置，通过声波的释放与声波回弹接收，来计算液面高度。这些测试方法存在着操作繁琐，浪费周期长，准确度低，需要人员丰富经验配合等不足之处，测井仪器传统方法存在的设备笨重，结构复杂，并且存在一定风险性。

2 液面自动检测仪工作原理

为了解决上述不足之处，在原有传统测量仪器上经过优化、集成、精简设计出一种设备轻便，操作简单，精度高的液面自动监测装置。由声波发送装置，数据收集装置，数据计算处理装置，模拟信号生成装置组成。声波发送装置由防爆式打气泵(气压枪)作为声波生成发送装置，采用事先设定好的发送间隔实现每隔固定时间监测一个时间点的作用。声波发送出去经过环空内液面反射，传送回液面监测装置接收系统进行数据收纳，声波发送出去以后在井筒环控中会受到环境温度、压力、声波传输线路内径变化、钻具接箍等影响，这就需要数据处理装置进行信号过滤，优化处理，计算生成数字信号然后进行计算。

液面结果通过声速法计算，公式如下所示：

(1)

式中：H液面为井口液面高度数据，m；c为声速，m/s；t为声波往返时间，s。

套管内的声速c不是通过套管中的接箍波间接计算，而是利用油、套管环形空间的气体组分求声速c。

(2)

式中：c为声音在井筒中的气体传播速度，m/s；r为该种气体的绝热指数，为该种气体的定压；分子热容量和定容分子热容量之比，可查表得到；R为摩尔气体常数，R=8.314×103J/(mol.K)；T为绝对温度，M为该种气体的摩尔质量。

计算完成以后通过处理装置转换为直观可视化信号通过人工识别优选发出点和接收点，计算出液面高度，指导后续工作。

3 液面自动监测仪现场应用

四川页岩气项目多年来一直被漏失复杂困扰着，尤其是发生在茅口组的失返性恶性漏失，液面自动检测技术的应用为页岩气井控安全以及堵漏工作提供里更直观和准确的数据支持保障。

当钻遇失返性漏失层后，利用液面自动监测仪可以在不起钻的条件下首先获取一个静液面高度，然后配合液面自动监测仪的套压测量功能计算出当前井筒内的地层平衡压力P地。液面自动监测曲线如图1所示。

图1 液面监测声波曲线图

在进行常规水泥堵漏时，需要保持井内液柱压力等于地层平衡压力

P液=P地

(3)

式中：P液为井筒内水泥浆液柱压力和泥浆液柱压力之和，MPa；P地为漏失时地层平衡压力，MPa。

打入堵漏水泥浆后，井筒内液柱压力会发生变化增加，这样井筒和地层就失去了平衡，最终部分泥浆会流入地层，待井筒内液柱压力恢复到地层平衡压力之后，液面位置不再变化。

假设现场需要打入一定量的堵漏水泥，堵漏水泥和原有泥浆组成了堵漏后的井筒内泥浆体系，可以得出：

ρ泥浆gh1+ρ水泥gh2+ρ泥浆gh3>P地

(4)

此时为了寻找平衡，液面高度会下降，当h3段的泥浆全部漏失到地层后，井筒内恢复平衡。打入堵漏水泥浆的过程如图2所示。

图2 打入堵漏水泥浆过程井筒内状态

打入堵漏水泥位置h的计算如下：

根据公式(3)可以得出平衡状态下h1：

ρ泥浆gh1+ρ水泥gh2=P地

(5)

(6)

所以

h3=h泥浆-h1

(7)

式中:P地为地层漏失时平衡压力，MPa；ρ泥浆为井筒内钻井液密度，g/cm3；ρ水泥为堵漏水泥密度，g/cm3；g为重力系数=0.00981；h1为平衡后泥浆高度，m；h2为已知注入堵漏水泥高度，m；h3为平衡后漏失泥浆高度，m；h泥浆为泥浆平衡条件下的液面高度，通过静液面测量得出，m；

由式(6)可以得出堵漏水泥打入位置h：

h=h井深-h3

(8)

h井深为井底位置，m；

h为堵漏水泥注入位置，m；

为了保证井筒内成功留塞，也保证漏失地层进入堵漏水泥确保堵漏效果，堵漏水泥打入位置应该略大于h。

现场应用表明，液面自动监测技术具备以下优点：

(1)误差小，实际监测结果表明，测得结果误差为±2m，完全满足现场施工需求。

(2)设备轻便，操作灵活。监测仪器设备重量仅为28.5kg，外形尺寸400*300*200mm，一人即可完成整个设备的安装与操作。

(3)设备具有套压测量功能，能够准确测算出发生漏失后的地层平衡压力。确保施工安全。

(4)实时性强，液面自动监测仪可以实现连续液面测量跟踪功能，测量间隔仅为3分钟，能够如实的反应液面在井底动态情况。

4 结论

(1)采用液面自动监测技术可以获得实时液面高度数据，为钻井井控施工安全以及堵漏作业提供可靠的数据参考。

(2)液面自动监测仪的使用更为轻便快捷，相比测井、电缆测量以及钻具测量更为高效准确。

(3)仪器的套压测量功能结合液面高度能够准确的提供地层压力数据，相比关井求压更为快捷方便。