范翔宇, 帅竣天, 李枝林, 周跃云, 马天寿, 赵鹏斐, 吕 达

(1油气藏地质及开发工程国家重点实验室·西南石油大学 2西南石油大学石油与天然气工程学院 3中石油川庆钻采工程技术研究院 4中石化西南石油工程公司钻井工程研究院)

随着全球已探明非常规油气资源储量不断地刷新上限[1]与石油天然气行业技术高速发展[2-3]，油气勘探领域不断延伸，钻井与井控难度越来越大[4]，溢流更是成为钻探过程中常见现象；若溢流发现不及时或处理不当，极易诱发井喷，导致井眼报废甚至造成大量人员伤亡。

根据钻井平台工具和传感器安装位置不同，溢流监测方法可归纳为两种类型：井口监测和井下监测。回顾这两大类研究现状、技术原理及其特点，将各方法优势与局限对比分析，并结合物理模型及深度学习数据模型，构建起综合性智能溢流早期监测系统，对于及早发现井下溢流、采用合理的钻采工艺及压井方案、预防井喷事故具有重大意义。

一、井口参数监测法研究现状

井口监测法主要是以井口钻井液返出情况和钻机各参数为依据的监测手段和方法，有钻井液液位高度监测、流量计监测、立套压监测、综合录井等方法。这四种方法是目前现场应用最广泛也是技术最成熟的溢流监测方法，但是这些参数测量具有明显的受干扰性及滞后性，不能及时监测井下状况，限制了其在钻井中的应用。近年来国内外各企业高校相继在传感器种类、算法与稳定性做出改进，大大提高了监测精度，发展出了缓冲罐液面监测[5]、井口导管液面监测(开井)、分离器液面监测(关井)[6]、液面高度放大装置、上下限多传感器[7-8]、主副腔室监测罐装置[9]、超声波液面监测[10]、科里奥氏质量流量计监测[11]、X射线流量计监测[12]和立套压变化趋势监测[13]等方法。

2016年Ayesha[14]等人设计了一套室内井筒气侵模拟发生装置，实验研究表明压力传感器和科里奥氏质量流量计在气侵发生后相比出口电导率与密度给出了更快的指示，这是由于当地层流体侵入井筒后，环空流速增加，出口流量短时间内会明显升高；且随着流体不断侵入环空，流体密度降低和环空摩阻的升高，井筒压力场也随之变化。井底压力信号(泥浆脉冲)传到井口仅需几秒时间[15]，因此通过综合录井仪对进出口流量、立压套压等参数连续测量和量化的分析判断[16-18]，可实现初步的溢流早期监测。目前国内现场大多数应用仍然停留在阈值预警和人工观察阶段，缺乏规模化应用基于综合录井仪实时测量信息的智能溢流预警方法[19-20]。

二、井下监测法研究现状

1.声波气侵监测

声波气侵检测目前有随钻声波时差、泵冲、声波干扰仪、超声波多普勒气侵监测、声波阻抗监测等方法。随钻声波时差监测法主要是通过安装在井下钻具及套管的声波发送接收器，比较声波在气侵后钻井液与纯钻井液传播的时间差，以此判断气侵；声波干扰仪是一个能在相对平行两个井壁收发声波的仪器，它对低密度钻井液气泡很敏感，因此对监测浅层气侵有非常好的效果，由于在高密度钻井液中声波衰减严重，对气泡敏感性降低，声波干扰仪并不适用高密度钻井液；超声波多普勒气侵监测利用超声波多普勒效应测量环空流速、振幅和光谱形状，当钻井液中含有颗粒和较大的气泡均会导致多普勒频谱发生很大的偏移。该监测具有技术成熟、成本低、适用性强等优点，缺点是在高密度钻井液中超声波能量衰减严重[21-22]；声波阻抗监测法原理详见贝克休斯井下气侵监测工具美国专利[23]，该工具能测量气侵后钻井液声阻抗(等于钻井液的密度与声波在钻井液中传播的速度的乘积)变化，以此为依据判断是否气侵。

在实际钻井中，声波信号传输和接收处理受现有技术及施工因素影响较大，因此上述四种方法目前并未获得广泛工程应用，但声波气侵监测仍是早期溢流监测系统(EKD)发展的一个重大方向[24]。

2.井下微流量

基于地面微流量和控压钻井技术，西南石油大学研制了一种井下微流量测量装置[25-26]。该装置利用节流压差法并通过压差水力模型计算出环空流量，通过MWD向地面传输数据，将实时计算出的环空流量与钻井液入口量对比，可反映井底流量变化情况，且节流元件实测端压力传感器反映的是井底实时压力，这为井下监测溢流提供了更多可靠的数据。该技术作为一种新技术，有着独特的优势和发展潜力，但目前国内外研究并不深入，不可避免存在一系列问题，例如缺少随钻井径测量功能(无法实时掌握过流面积)、装置设计尺寸及井下安装位置的优化等因素都有待进一步研究与提高。

3.井下流体实验室

由于随钻地层测试器并不具备地层流体分析取样功能，国外石油公司在随钻地层压力测试的基础上开展了随钻地层流体取样及分析技术的攻关，提出了基于光学、声学和核磁共振的井下流体实验室分析方法，该技术主要是依托于地层测试器中植入的传感器模块对采样流体分析[27]，得到地层流体组分、气油比(GOR)和含水量、色度、pH值、流体密度、矿化度、黏度、电阻率、介电常数和碳氢化合物浓度等参数，这给在复杂储层条件下地层流体或环空流体的定量表征提供了准确的依据[28]。井下流体实验室技术不仅具有随钻地层压力测试技术所有的优点，还具有井下流体分析和取样的优势。目前国内中石油川庆钻探工程公司和西南石油大学已经做出了原理样机，但还处于引进、模仿国外相应仪器的阶段；国外油田服务公司处于垄断地位，成功应用现场的有SLS公司的MEMS色谱仪、Schlumberger公司的IFA光学分析仪、Halliburton公司的Geo-Tap IDS[29]光学分析仪、NWR核磁检测仪、MOC光学分析仪和Baker Atlas公司的IFX声学检测仪等。现有泥浆脉冲传输技术有限性与滞后性是井下流体实验室技术发展的瓶颈。

4.智能钻柱

为了克服无线随钻传输方法不足，20世纪90年代国外把重点放在新一代有线传输技术——智能(有线)钻柱系统。智能钻柱是在钻柱内植入多芯铜导线，用绝缘材料包裹铜线，形成在钻杆内壁、环形的复合层内的高速电子通道，传输速率高达1×104～2×106bps，智能钻柱井下钻具组合(BHA)与常规钻柱相同，不同在于各部件的内部结构与加工形式；智能钻柱不同截面处装有压力传感器，视井身结构设计可多达30～40个，当地层流体从任意位置进入井筒，都会引起该处压力传感器发生变化，通过压力变化值和流体流量进行数学建模和计算机进行计算，可以知道是否发生溢流以及溢流程度。智能钻柱成本高昂，规模化应用还有待时日。

三、基于数值模型早期综合溢流监测系统

随着计算机技术高速发展，越来越多物理学的高阶水力模型与具备深度学习功能的智能数据模型在油气井溢流预警系统上得到应用。复杂的数值模型结合多相流、温度、流体性质、扭矩、阻力以及几个子模型，计算出流速、流体入侵量、气锥、井底压力等变量。预测出的溢流的模型集与传感器实时数据通过计算机修正匹配，可以判断溢流及其他事故。2001年Hargreaves等人提出基于贝叶斯(Bayes)概率的溢流早期预警系统，贝叶斯判别分析能自动校准波动数据，在中高噪音钻井环境下，新系统传感器灵敏度可提高10倍。2010年Kamyab等人提出了基于动态神经网络早期溢流预警系统，与贝叶斯判别分析相比，该系统不需要前期大量地质资料，其运行基于实时处理传感器返回的大量钻井参数。

相较于人工神经网络贝叶斯判别分析更能充分的利用先验信息，不断修正物理模型，减少误判。而且贝叶斯判别分析给出的溢流监测结果是一个概率形式，钻井工程师根据概率趋势变化进一步确认是否发生溢流。人工神经网络和贝叶斯两种智能算法有一个共同的局限性，在使用前都需要大量培训测试和构建不同层次预警网络；此外，溢流监测的准确性、实时性和可靠性完全受先验知识和训练数据限制。目前基于数值模型早期溢流监测技术取得了很大的进展，国外Atbalance公司DAPC动态环空压力控制系统、Halliburton公司MPD控压钻井系统、Weatherford公司MFC微流量控制钻井系统、Mezurx公司的FADS流体异常监测系统以及国内川庆CQMPD-I精细控压系统均已初步实现了早期溢流监测，但受限于传感器种类、精度与可靠性、机械与环境噪声、物理及数据模型本身与实际钻井条件匹配程度以及软件智能化程度，应用于大位移井、深水钻井和窄密度窗口等复杂环境钻井仍然是一个挑战。

四、展望

(1)在现有基础上充分利用地质信息、邻井资料、测录井资料、实钻工程数据等综合录井资料,形成专家知识库，并不断的完善与优化风险识别模型，完成结合综合录井软件与现场特色作业(LWD、MPD)数据为一体的智能化预警组态软件的研发。

(2)随着不断钻遇高含H2S/CO2、高温高压气藏与油基钻井液在页岩气和深水钻井等非常规油气藏钻井中的广泛使用，时常面临超临界态H2S/CO2和天然气溶进钻井液中导致的溢流监测难的问题。针对此类溢流监测隐蔽性和突发性等难点，我们应该深入开展油基钻井液和超临界流体多相流运移规律及溶解气特性研究，并加大对井下传感器精度、稳定性和算法等技术层面的攻关，如井下烃类感应器和井下流体实验室技术等。

(3)深水钻井具有浮式装置摇动、井涌余量随水深增加而减小、泥线处低温高压(易生成水合物)、井身复杂、温度环境、浅层气、浅层流和海水噪声等特点，这对深水溢流监测及井控来说是个巨大挑战。着重研究海水段(隔水管段)气液两相运移规律，在泥线处到井口段视水深和井身结构采用多点声波传感器监测溢流，并根据海水噪声特性适当优化其滤波算法，以提高监测系统可靠性及精确性。

(4)海域、冻土天然气水合物都具有埋藏浅、弱胶结、能量大的成藏特点，因此在对其钻探过程中由于井周水合物分解会遇到井眼扩径、垮塌、天然气大量析出(天然气突出现象)等事故，且天然气突出后发展成为井喷事故时间极短，为此早期溢流监测技术显得尤为重要。针对天然气水合物埋藏浅的特点，优选在浅层溢流监测中具有良好的适应性的声波气侵监测法。

五、结束语

(1)井口参数法是溢流表征最基本也是最终的防线，可靠性高但具有明显的滞后性，其中科里奥氏质量流量计测量的出口流量是当下最好的溢流监测方式之一；井下参数法能快速响应井底发生的状况，极大增强钻井过程控制能力，降低钻井风险和事故率。其中井下流体实验室技术是溢流表征最直接的监测方式，虽受信息传输技术制约未能广泛使用，但仍然是时下溢流监测技术发展中重要一环。

(2)根据溢流发生时各参数响应时间，可优选出钻时、进出口流量差、立套压、环空压力、环空温度等敏感性参数；结合井口井下参数法，集井场大数据一体的智能化早期溢流综合监测系统可有效实现溢流的早期预警，并对安全、高效钻井作业提供保障，是早期溢流监测技术发展的必然趋势。