刘金龙 ，李永杰 ，王延民 ，孟英峰 ，魏纳 ，宋巍

（1.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610500；2.中国石油塔里木油田公司，新疆 库尔勒 841000）

气体钻井是通过将空气、氮气等气体为连续相的循环介质注入井筒，以实现清洁井眼、冷却钻头等为目的的钻井方式。目前，气体钻井技术在国内多个油田及区块得到了应用，应用目的也由非储层的提速增效，拓展至保护储层、提高产能，特别是致密砂岩气藏，采用气体钻井技术钻进储层的单井产能可达到常规钻井的数十倍［1-2］。但是，气体钻井与常规钻井相比［3-5］，为满足不同井眼尺寸、不同井深、地层出水等影响下的井眼净化要求，其循环介质注入量大（100～300 m3/min）；再者，由于其工艺流程、取样条件不同，取气装置不配套，气测设备的工作特性缺陷等原因，气体钻井钻遇产气储层后返出气体的检测方法还有待完善。

1 气体检测的意义

气测是气体钻井过程中发现、评价储层的重要手段。以气体为循环介质时，井底压力最低（通常只有1～2 MPa），且消除了液相储层伤害，含油气储层都能实现油气向井筒的渗流［6-7］。因此，气体钻井往往会发现一些常规钻井未被发现或被认为没有工业开采价值的新储层。气测就是通过测量全烃及各组分的含量变化，判断是否有新储层揭开，并评价储层的产流能力。

及时、准确地发现地层气体产出及泄漏是保证气体钻井安全的关键。气体钻井由于井底渗流压差大，若揭开储层不恰当，地层高压突然释放，大量的地层气体涌入井筒，势必导致井壁失稳、井下燃爆等井下安全问题；若能在钻开盖层与储层之间的过渡层时，及时检测出地层气体并预警，调整施工措施，放喷泄压，就能有效降低气体钻井的井下安全风险。同时，高速流动气体对地面装置、管线的冲蚀，极易导致地面装备失效、刺漏；可燃、有毒气体泄漏也会危及地面人员和装备安全。所以，及时发现地层气体泄漏并采取相关措施，是保障气体钻井地面安全的前提。

2 目前气测存在的问题

目前气体钻井气测存在的根本问题，在于不能实现及时和准确检测、发现地层气体产出和地面管线气体泄漏。气体钻井通常机械钻速较高，气体的迟到时间较短（2 000 m井深约为2 min），且注入较大气量会稀释产出的地层气体［8-9］。现场录井通常使用一个较大的沉淀桶对气样除尘、净化、干燥，再通过管线泵吸至室内进行检测。但将沉淀桶内气体混合至真实体积分数气样的时间、管线输送气样至检测器的时间，加上色谱仪分析气样的周期，致使地层气体检测的时间滞后2～5 min。

对于高产储层，若以正常钻井参数钻进，2～5 min钻头已经揭开4 m以上储层，一旦高于井底压力数十倍的地层高压突然释放，大量的地层气体就会进入井筒，这无疑将增加井下安全风险；而对于一些低产薄储层，由于应力敏感性、速敏等因素的影响，在储层揭开后会出现“一股气”现象，地层气体不会持续产出，就有可能根本采集不到该段气测信息，或采集信息不准确，导致不能正确识别、评价储层。

对于地面管线和装置的气体泄漏检测，目前主要是使用管线壁厚检测设备和便携气体检测设备进行周期性的人工检测。这种方法以预防为主，没有实现自动化实时在线检测，极易导致地面安全事故的发生。以大邑县X井为例，该井在实施氮气钻井过程中，在沙溪庙组地层意外钻遇高压高产气层，最终地层气体溢出地面闪爆着火，引发井喷事故。

3 气体检测方法及特性

气体检测分析属于分析化学计量范畴，是通过标准物质、标准方法和标准数据等手段进行量值溯源和传递的［10］。 目前针对不同气体的检测方法有数十种［11-12］，主要是通过检测不同组分气体物理、化学性质的差异，实现对气体组分的定性及定量分析。气体的物理性质主要指气体的热力学、光学特性，化学性质主要是气体发生氧化还原反应伴随的电荷转移、温度变化引起的检测元件的属性变化。

3.1 常用气测方法

针对钻井现场应用需要及环境条件，本文列举出几种常用气体传感器的气测原理和方法［10，13-16］。

2）热导式：气流通过测量热丝时，热丝被冷却而导致其电阻产生相应变化，由于不同气体的热导率不同，冷却效果也不同，根据这一结果对气体进行检测。

3）催化燃烧式：可燃气体与空气中的氧接触发生氧化反应，产生无焰催化燃烧热，使敏感材料电阻值增大，根据电阻值的变化，来测量可燃气体的性质及体积分数。

4）电化学式：利用两个电极之间的化学电位差进行气体检测，一个电极做固定的参比电极，另一个电极在气体中检测气体体积分数。可通过设定不同电位、电极材料、使用过滤膜来确定其对气体的选择性。

5）离子化检测式：气体分子在高能量下会被离子化，并在两个电极之间产生电流，通过测量电流就可实现对气体体积分数的检测。离子化检测器是气相色谱分析使用最普遍的检测设备，根据离子化能量来源可分为光离子化检测器和火焰离子化检测器。

6）红外线吸收式：气体分子能吸收特定波长红外光，通过测量气体受红外辐射能的影响变化，实现气体体积分数测量。该型气体传感器可通过限定辐射光谱波长范围，实现对气体的选择性测量。

7）可调谐激光式：与红外吸收式原理相同，但两者使用的光源和光谱不同。可调谐激光型气体检测采用近红外半导体激光器，通过调节电流的大小控制激光波长，克服了红外波带宽的缺点。

另外，还有气相色谱检测，是一种分离测定多组分混合物的气体检测方法。该方法基于不同物质在流动相和固定相之间具有不同的分配系数，当两相作相对运动时，组分在两相间进行连续多次分配，达到彼此分离的目的。其适用于挥发性及热稳定的物质，能效高，选择性强，应用范围广。

3.2 不同气测方式的响应特性

使用不同的气体传感器，由于气测原理不同，检测气体的类型、体积分数、检测方式和使用范围等响应特性也不同（见表1）。

治疗前三组的McCormack评分差异无统计学意义（P＞0.05）；治疗后，三组McCormack评分均低于治疗前（P＜0.05），且C组低于A组及B组，B组低于A组（P＜0.05）。见表2。

表1 不同气测方式的响应特性对比

4 气体钻井气测方法优化

为保障气体钻井施工安全，就要针对气体钻井的具体情况，优化和改进气测方式、方法；着重提高地层返出气体检测的反应速度，缩短检测时间，提高气体检测的精度，及时准确地采集各层段气测信息，提高地面泄漏有害气体检测的灵敏度，实现快速预警。根据气体钻井特点和施工现场环境条件，气测方法作以下改进：

1）采用多种检测方式联合检测的方法，实现对气体钻井返出气体的组分和体积分数检测。这样既可提高检测精度，又可降低检测响应时间。例如，对体积分数低的可燃气体采用半导体式检测，体积分数高的可燃气体采用热导式检测，同时采用气相色谱配置氢火焰离子监测器定量检测可燃气体中C1—C5+的体积分数，采用电化学式检测O2体积分数，采用红外式检测CO2体积分数。

2）以光学气测方法替代传统检测方法。光学气测方法可对气体钻井现场泄漏气体实施在线检测，具有非接触反应、选择性强等特点，不需要载气和燃烧气，检测过程安全、程序简单。该型气测装置能够实现光程内的痕量气体检测，抗环境干扰能力强，可以及时发现井下返出气体，以及地面装置或管线泄漏的有毒气体，防止地面人员中毒和可燃气体爆炸。但从实验来看，其检测精度和光学稳定性还有待于提升［17］。

3）气体钻井过程中，气测装置应置于排砂管线处就近检测返出气体组分及体积分数，样气经简单地干燥净化后即可直接检测，无需经管线输送至室内。

5 结论

1）及时、准确地检测分析返出气体组分及体积分数是保障气体钻井井下安全的关键，也有利于发现和评价储层；同时，对地面气体泄漏实施在线检测，可确保地面人员与装备的安全。

2）气体钻井现场气测要本着装置响应快、灵敏度高、能持续在线工作的原则优化改进，以及时采集各层段气测信息，并对地层产出气预警。

3）对不同气体检测方法的原理及响应特性对比分析看出，光学气体检测方法明显优于其他检测方法。

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