摘要：欠平衡鉆井技術具有突出優點，因而得到了廣泛應用，但欠平衡鉆井條件下，施工設備、流程和鉆井液體系等諸多變化常導致常規監測技術不能滿足現場工作的要求。針對欠平衡鉆井的特殊性，開發了一套適用于欠平衡鉆井的隨鉆監測系統。該系統將地層和井筒看作一個系統，通過監測注入參數、返出參數和鉆井工程參數，結合井筒多相流模型及地層滲流模型來對地面、井筒和地層進行綜合監測與評價；通過對地層產出流體的監測，井筒壓力及流態的監測，地層壓力和孔隙度的監測，鉆井安全、井控和有害氣體的監測，實現了對欠平衡鉆井狀態下的包括流量、壓力和氣體組成等多參數的監測；結合地層滲流及井筒多相流耦合模型，可以實現對所鉆井段井筒壓力、地層壓力、儲層特性和流體特征進行全面監控與評價。通過在欠平衡鉆井現場的多次實際應用，驗證了該監測系統的合理性與實用性。該成果有助于提高欠平衡鉆井的工藝水平和儲層保護效果，同時還有利于早期識別和控制井下復雜情況。
關鍵詞：欠平衡鉆井；隨鉆監測系統；地層壓力；井筒壓力；儲集層特征；流體特征；現場應用
為了實現欠平衡鉆井，通常在設備、鉆井工藝、流程和鉆井液體系上進行了一系列改進與完善，因此使得常規錄井及一些測試手段難以滿足現場工作需要[1～6]。
欠平衡鉆井隨鉆監測系統將地層和井筒看成一個系統，通過監測注入、返出參數和鉆井工程參數，結合井筒多相流模型及地層滲流模型來對地面、井筒和地層進行綜合性的監測與評價。主要包括以下功能：①地層產出流體監測；②井筒壓力及流態監測；③地層壓力和孔隙度監測；④鉆井安全、井控和有害氣體監測。
1 系統的組成
欠平衡鉆井隨鉆監測系統主要由數據采集、信號處理與傳輸、采集與評價等部分構成。
1.1 數據采集
數據采集系統負責對欠平衡鉆井過程中重要的參數進行實時測量和間接計算，由安裝在相應位置的傳感器實現數據的采集工作。隨鉆監測系統主要對欠平衡鉆井下的注入參數、返出參數和鉆井工程參數進行監測。注入參數包括：注入氣體和鉆井液的流量、溫度和壓力，以及鉆井液的密度和流變性等參數。返出參數包括：返出鉆井液流量及性質，返出油的流量，返出氣體流量和氣體組分及濃度(全烴、H2S含量等)。鉆井參數包括：井深、鉆時、立壓、套壓等。
1.2 信號處理與傳輸
該系統采用分布式信號采集、集中式數據計算處理體系結構，如圖1所示。系統中大部分傳感器都是模擬量信號輸出，包括氣體組分、濃度、泵沖、立壓、套壓等傳感器，通過組合式多路A/D轉換模塊對其進行遠程實時信號采集處理和控制。其他以數字信號輸出的傳感器則直接連接A/D轉換模塊的輸出總線并與主計算機系統進行數字化信號傳輸。A/D轉換模塊輸出的總線信號通過無線收發模塊與主計算機系統進行無線傳輸，減輕了在復雜的井場環境中布線的工作量。根據實際情況，系統可以增加A/D模塊和各種不同類型的傳感器來滿足測量與監控的需要。
1.3 采集與評價軟件
采集軟件對傳感器直接測量的各種原始數據進行實時計算處理，所有數據都存入數據庫，并以曲線形式實時顯示在屏幕上，為監測人員提供直觀、連續、可回放的監測界面，同時支持對各種監測參數的報警設置。
隨鉆評價軟件通過現場監測數據和所鉆井的基本信息如井身結構、鉆具組合等數據，結合井筒多相流、儲層評價等技術，對欠平衡鉆井作業進行綜合評價與監測。
1.4 系統主要指標
欠平衡鉆井隨鉆監測系統的監測指標包括：
1) 工作溫度：-20～50℃。
2) 工作濕度：15%～90%RH(非冷凝)。
3) 工作電源：220V。
4) 無線通訊可靠距離：200m。
5) 全烴濃度測量范圍：0～100%。
6) H2S濃度測量范圍：0～200mg/L。
7) C02濃度測量范圍：0～50000mg/L。
8) 立壓、套壓測量范圍：0～40MPa。
9) 注入氣體質量流量計：0～5T。
10) 返出氣體流量計：0～3600m3/h。
11) 燃燒管線壓力測量范圍：0～100kPa。
2 監測系統的應用及效果
2.1 地層產氣量監測
氣體組分與濃度分析是在注氣欠平衡下計算地層產氣量的重要參數，同時也是發現儲層和監測H2S的重要手段。通過安裝在燃燒管線的取樣器對分離出的氣體進行分流取樣，取樣氣體通過干燥處理后流入分析儀器箱，儀器箱內的各種傳感器口3將對其中全烴、C02、02、H2S等氣體的濃度以及壓力和溫度進行采集。
返出氣體流量通過安裝在分離器氣體出口燃燒管線上的氣體流量計獲得。由于返出氣體流量范圍較大，為了確保從低流量到高流量都能準確測量，在分離器出口增加了2個測量支管，同時有3個閥門控制其開關，根據監測到的氣體流量和壓力大小，實時切換3個不同量程的氣體流量計進行測量。
如果采用的是液基欠平衡鉆井方式，注入流體中不含氣體，因而監測到的氣體流量直接反映地層的出氣狀況。如果是注氣欠平衡鉆井方式，監測到的流量是注入氣體流量和地層返出的氣體流量之和。因此可以通過以下方法對地層產氣量進行監測：①進出口氣體流量之差，監測注入氣體流量和返出氣體流量，兩者之差即為地層產氣量；②通過全烴濃度和出口氣體流量換算，通過氣體組分濃度分析儀監測燃燒管線中全烴的濃度，再乘以返出氣體流量就得到地層產氣量。
通過監測系統隨鉆監測不同回壓及不同工況下的地層產氣量，用隨鉆產能計算方法，可以全面反映所鉆遇的產層及其產能大小。
2.2 介質特性評價
由于鉆遇裂縫和孔隙性基塊會有不同的產氣量顯示，根據隨鉆監測的產氣量隨著井深變化特征，可以準確判斷地層的介質類型及其供氣能力。圖2為鉆遇裂縫孔隙型儲層時的產氣隨鉆進變化規律，其氣體產量是隨每鉆遇一個裂縫(組)而上升一個臺階；圖3為鉆遇均質砂巖型儲層時的產氣隨鉆進變化規律，其產氣量與鉆進深度幾乎呈直線變化關系。
2.3 井底壓力與欠平衡狀態監測
通過隨鉆監測鉆井液的排量、密度、黏度、注氣流量、立壓、套壓，結合所鉆井的井身結構、鉆具組合等數據，配合以相應的理論計算方法，利用建立的欠平衡鉆井井筒與儲層耦合多相流模型[8～9]，可以得到井下整個裸眼段的環空壓力數據。這為實時判定不同井段的欠平衡狀態及欠壓值大小提供了關鍵參數。
地層壓力是確定欠平衡狀態的另一個重要參數。欠平衡鉆井過程中，井底處于欠平衡狀態，地層流體在儲層壓力的驅動下流入井筒，其與井筒循環介質混合后，流到地面。不同欠壓值對應不同的地層流體產出量[10～12]。當井底流動壓力與地層壓力相等時，儲層沒有流體產出。因此可以實時監測地層的產氣量，通過改變現場的鉆井液排量及注氣量，得到不同井底壓力條件下的穩定產氣量，取得3組產氣量與井底循環當量壓力數據，并繪制于“產氣量 井底動壓”坐標內，回歸三點的直線與井底動壓坐標的交點即地層壓力。
圖4所示的是某井在5087m處地層壓力測試所得產氣量與井底動壓的關系曲線。根據MWD實測資料，5087m處實測垂深為4105m，則可計算出地層壓力系數為1.034，回歸計算結果與完鉆測試解釋結果吻合。
在隨鉆獲得地層壓力及井筒壓力數據的基礎上，結合隨鉆流體監測，可以判斷所鉆開產層段的欠平衡狀態以及計算欠壓值大小。圖5為某井實測地層壓力與井底動壓的分布曲線，通過地層壓力與井底壓力的差值就可以判斷所鉆層位的欠平衡狀態。
3 結論
1) 欠平衡隨鉆監測系統彌補了欠平衡作業下常規錄井無法實現的功能，提高了欠平衡鉆井安全性和經濟效益。通過多次現場隨鉆監測試驗，驗證了系統的實用性與可靠性。
2) 通過對返出氣體的組分與流量監測，結合井筒壓力和地層壓力數據，得到不同壓差下的產氣量大小，從而實現了在不中斷鉆井作業的情況下進行儲層產能的初步計算和評估。
3) 欠平衡隨鉆監測技術與控壓欠平衡鉆井相結合，可以實時跟蹤計算井底欠平衡狀態，通過調節節流閥或改變注入參數，使井底欠壓值保持在設計范圍內，從而保證了欠平衡鉆井的可靠性。
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(本文作者：吳鵬程 孟英峰 李皋 陳一健魏納 “油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·西南石油大學)
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