空气钻井井下燃爆监测系统(3)

#检测诊断!空气钻井井下燃爆监测系统冯　靓　陈一健　张　昆　陈　勇(西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室) 摘要　UBD气体监测系统是专门为监测井下燃爆现象而开发研制的,其主要原理是通过对返出气体中氧气、一氧化碳和二氧化碳体积分数变化的监测来判断井下是否发生燃爆。

该系统具有仪器安装方便,井场布线简单,微型数据采集系统占用井场面积小,全数字信号传输,系统测量参数多,响应快,稳定性好,精度高,维护方便等特点,并已在川东某井成功完成井下燃爆监测任务,捕捉井下燃爆现象的灵敏性和准确性高,为空气钻井的提速快钻提供了安全保障。

关键词　空气钻井　井下燃爆　监测系统引 言空气钻井中较为突出的问题就是井下燃爆问题。

在空气钻井中钻遇任何油气层时,均有发生井下燃爆的可能,井下着火很少会到达井口,因此难于监测。

井下着火常常会熔化掉着火点附近的钻具,造成井眼报废,给钻井带来巨大损失。

井下燃爆问题将空气钻井阻挡在所有油气层之外,使得空气钻井适用范围受到限制,间接损失难以估计。

UBD气体监测系统最主要的特点是能及时发现井下燃爆现象,解决空气钻井在钻遇油气层的安全问题。

因此,这种监测系统在生产实践中具有很大的价值和意义[1～4]。

空气钻井中以空气作为循环介质,并且是绝对的欠平衡,因此当空气钻井钻遇油气层时油气便会涌入井内,又由于井下高温,此时井下极易产生燃爆。

燃爆的机理是复杂的,形式是多样的。

以往多以甲烷在常温下的着火界限分析空气钻井井下燃爆,实际井下燃爆要复杂得多,燃爆现象与井下温度、可燃物组分、环境热力学状态、流动状态等有复杂关系。

在井下,气藏气、气顶气、原油溶解气、原油挥发气、雾化油滴等都能与空气混合形成可燃气体。

井下燃爆的形式有:冷焰燃烧、热焰燃烧、燃爆等[2]。

但无论哪种形式都会发生下列反应:4C n H m+(3n+m)O2=2nCO2+2nCO+2mH2O 因此,只要着重监测返出气体中O2、CO2、CO的体积分数,并定性地监测烃类气体的体积分数,就能捕捉到井下燃爆现象,为生产实践提供安全保障。

根据该思路,西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室于2005年11月至2006年1月研发了UBD气体监测系统。

井下燃爆监测系统简介UBD气体监测系统主要由降尘除水装置、气体流量计及其监视摄像头、主仪器箱、云台摄像头、数据发射与数据接受模块、图像接受仪器和安装配套的UBD气体监测程序的计算机组成[5]。

11系统各组成硬件功能降尘除水装置安装在排砂管线上,保证取样气流干净干燥。

气体流量计及其监视摄像头,可调节取样气流大小并监视气流的有无。

主仪器箱负责各个参数的原始数据收集,主要包括CO2、CO、O2、H2S、CH4气体传感器以及压力和温度等传感器。

云台摄像头监视排砂管口,主要协助井队监视降尘水的运作。

数据发射与接受模块,负责原始数据的信号发射和接收。

图像接受仪器,接收气体流量计监视摄像头与云台摄像头的图像信号。

UBD气体监测程序计算机,用于处理接收到的原始数据并以坐标的形式绘制表示出来,以及用视频软件显示接收到的2个摄像头的监视图像。

21系统性能指标工作温度:-20～50℃;工作湿度:15%～90%RH(非冷凝);—53—2007年　第35卷　第5期石　油　机　械CH I N A PETROLEUM MACH I N ERY工作电源:220V AC;无线通讯可靠距离:200m;O 2体积分数测量范围:0～25%;CO 体积分数测量范围:0～500×10-6;CO 2体积分数测量范围:0～5%;H 2S 体积分数测量范围:0～200×10-6;高CH 4体积分数测量范围:4%～100%;低CH 4体积分数测量范围:0～4%;排砂管线取样口压力测量范围:0～400kPa 。

31系统特点自制的高效降尘除水装置,使气体与水充分接触、搅拌,除尘效果好,使用无水CaCl 2除水,保证气体的干燥;无线传输系统使仪器安装更简单,避免了井场布线的麻烦;数据采集系统超小的体积大大减少了井场的占用;全数字信号传输,精度高。

系统测量参数多,精度高,稳定性好,维护方便。

监测系统工作流程及工作原理11工作流程井下燃爆监测系统工作流程如图1所示。

图1　井下燃爆监测系统工作流程如图1所示,当注气循环及正常钻进时,系统将在排砂管线的取样口处对井眼环空返出的气体进行分流取样。

取样气体通过降尘除水处理后流经气体流量计进入主仪器,最后由主仪器上的排气口排出。

取样气体在主仪器内的流动过程中,主仪器内的各种传感器[6]将对其中CO 2、CO 、O 2、H 2S 、CH 4气体体积分数以及压力和温度的原始数据进行采集,并由信号发射模块将各组数据信号以无线传输的方式发射至信号接收模块;同时监视排砂管口的云台摄像头和监视气体流量大小的摄像头,均以无线传输的方式将图像信号发射至图像接收仪器。

最后所有的数据都通过屏蔽电线传输到计算机上。

配套的监测软件会处理各类气体浓度以及压力和温度的原始数据,以坐标绘图的形式显示;图像信号也将以流畅的视频形式显示。

本监测系统放置于井场作业区内的装置占地面积不足1m 2,对井队其他作业不造成任何影响。

整个系统工作流程几乎不受人为干扰,只有无线传输过程理论上的干扰因素较多。

但在井场上实地工作时发现只要选好信号发射点与接收点,无线传输也非常稳定,无掉漏数据现象,并且各无线传输装置以及供电装置均达到了井场的防爆要求,可有效防止井场事故发生。

21工作原理井下燃爆监测系统的工作原理是在监测到烃类气体的情况下,通过检测CO 2、CO 、O 2气体体积分数的变化来判断是否发生井下燃爆。

由化学反应式可知,一旦发生井下燃爆,由于井下燃烧为不完全燃烧,返出气体中的CO 2、CO 气体体积分数会升高,而O 2气体体积分数会降低。

因此,只要在正常钻进时出现上述情况即可判断发生了井下燃爆。

如果上述3种气体只有其中1种或2种气体的体积分数发生了变化,则不能视为发生了井下燃爆;同样,在未监测到烃类气体的情况下,无论上述3种气体体积分数如何变化也不能视为发生了井下燃爆。

井下燃爆的判别发生井下燃爆时,返出气体中的CO 2、CO 气体体积分数会升高,而O 2气体体积分数会降低。

如果在监测过程中发现有上述情况,应立即按照井队安全预案向各相关单位报告。

应当指出的是,当地层逸出的烃类气体体积分数较小时,井下燃爆的程度也较弱甚至只是轻微燃烧,并且很快就会自熄。

对此应该注意防止持续燃烧现象的发生,不能掉以轻心。

下面是3种情况下监测界面图的对比(图2～4)。

图2　监测系统配套软件标准界面图2中显示的是正常情况下的监测数据坐标图(图中左右坐标轴可通过软件操作非常便捷地改变—63— 石　油　机　械2007年　第35卷　第5期所代表的物理量及相应测量范围,笔者在此以氧气和二氧化碳为坐标参数进行说明)。

可见,正常情况下O 2与CO 2的体积分数在某一范围内波动但幅度很小,CO 体积分数始终为0。

据此可以判断在这段时间内无井下燃爆发生。

图3　井下轻微燃烧曲线图图3中曲线反映出O 2体积分数略有下降,同时CO 2与CO 体积分数也略有上升,此时可以判断井下发生了燃爆。

但由图中可发现各气体体积分数在燃爆时变化很缓慢,波动幅度不大,且很快又恢复到正常范围内。

这是因为井下燃爆段内的烃类气体体积分数较小,燃烧较温和且很快自熄而造成的。

据此又可以进一步判断井下发生了轻微燃烧。

必须指出的是,如果连续出现轻微燃烧,也必须严格按照井队安全预案处理,不能掉以轻心。

图4　井下燃爆曲线图图4中的各气体体积分数曲线起伏极大,可见井下发生了相当猛烈的燃烧,因此不难判断此时井下发生了燃爆,应立即按井队安全预案处理,避免事故发生。

实际上图4正是典型的井下燃爆图。

在实际操作中,CH 4气体体积分数的升高往往是井下燃烧或燃爆的警示,因此一旦发现CH 4气体的体积分数升高就应当对当前时间段加密观察,一旦发现燃爆发生的迹象则应立即依照安全预案进行处理。

由上述对比分析可见,在UBD 气体监测系统监视下,井下燃爆可以准确、快速获知。

同时该监测系统还具有报警功能,当设置好各气体的体积分数值时,若某气体的体积分数高于或低于设置值时,系统将以声音加闪烁图像的形式报警。

井下燃爆实例分析UBD 气体监测系统在多口勘探井中发挥了重要作用,监测到多次井下燃爆并避免了事故发生。

下面以该系统在川东某井的监测为例进行分析。

川东某井发生井下燃爆,返出气体监测图如图5所示。

图5　川东某井燃爆图(1)图5中明显可见CO 及CO 2体积分数曲线不断攀升,O 2体积分数曲线不断下跌。

通知井队后,井队进行了关井操作(CO 2峰值时刻),再次注气循环后各气体体积分数迅速恢复正常。

图6中各气体体积分数曲线波动频繁,连续出现多次燃爆现象,可见井内烃类气体含量较高,估计已进入产气层。

关井后再次注气循环时点火成功,火柱达3m 长并持续燃烧2m in。

图6　川东某井燃爆图(2)结　束　语川东某井燃爆的成功监测,证明了本系统捕捉井下燃爆现象的灵敏性和准确性,同时说明了只要监测准确、处理及时,井下燃爆并不会造成大的损失和事故,并为空气钻井的提速快钻提供了安全保(下转第40页)—73—2007年　第35卷　第5期冯　靓等:空气钻井井下燃爆监测系统 度的天然气和硫化氢报警仪,全过程监控,气体体积分数控制在015%以下,从而实现了射孔—调整泵挂—下泵全过程的安全生产。

21应用效果温米油田应用的12口井施工成功率100%,单井节省工时约26h。

具体表现如下。

(1)气举掏空射孔实施8井次,射后观察,井口均见到油、气,捞出心筒不压井下泵。

由于井筒无压井液,射开层得到有效保护,开抽后立即见到产能,单井增油8t/d。

(2)替油射孔实施2井次,射后有溢流,捞出心筒不压井下泵,开抽后单井增产516t/d。

(3)一趟管柱卡上补下、不压井下泵作业实施2井次,封隔器坐封前替油,射孔后有溢流,放喷1个井筒容积后,捞出心筒不压井下泵,开抽后增产1118t/d。

此外,管柱上的封泵器也可用于下次检泵作业,并可多次重复使用。

结 论(1)射孔下泵不压井作业一体化管柱技术在温米油田的应用取得了很好效果,施工成功率达100%。

射孔后实现了不起管柱、不压井下泵作业,缩短了作业工时,减少了排液时间,有利于保护油层,有利于试油作业对油层的认识。

(2)该管柱技术特别适用于油田低压、敏感性储层油井补层作业需要。

对于层间差异大、作业时容易发生井涌甚至井喷的井,不仅可以有效保护低压层,也可以保证作业安全,实现绿色施工。

参　考　文　献1　崔彦立,李　军,许云春1高气液比抽油井不压井检泵作业技术的开发与应用1吐哈油气,2006,11(2): 134～1372　赵建国,李友军,陈兰明1不压井作业设备引进技术研究1石油矿场机械,2004,33(6):104～107第一作者简介:曾玉祥,工程师,生于1970年,1994年毕业于中国石油大学(华东)油气田开发专业,2005年获该校硕士学位,现从事油气田开发工作。