气体钻井过程中地层出水的微波随钻监测方法

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1、学兔兔www.xuetutu.com石油天然气学报(江汉石油学院学报)2014年5月第36卷第5期JournalofOilandGasTechnology(J．JgI)May．2014Vo!．36No．5气体钻井过程中地层出水的微波随钻监测方法刘清友，包凯，任文希(油气藏地质及开发工程国家重点实验室(西南石油大学)，四JlI成都610500)[摘要]针对目前气体钻井过程中地层出水预测方法不够完善，往往导致预测结果滞后，尤其是在刚钻遇水层或地层微量出水时难以准确判断井下出水状况，提出了一种基于微波技术的随钻监测气体钻井地层出水的新方法，依据微波谐振腔的微扰原理，通过测量微

2、波谐振腔的谐振频率偏移，以实现对空气钻井过程中返出气体湿度的连续在线监测，并根据气体钻井现场工况，对微波谐振腔传感器进行优化设计。室内模拟试验表明，该项监测技术测量结果同实际值基本相符，误差约为7，且具有灵敏、连续及操作方便等优点，能够及时有效地反映返出气体的湿度变化，表明提出的监测技术是可靠的，且具有一定的现场参考价值。[关键词]气体钻井；地层出水；微波技术；随钻监测；试验研究[中图分类号]TE242[文献标志码]A[文章编号]1000—9752(2014)O5—0093一O4气体钻井技术是利用气体循环介质替代传统液体循环介质的钻井新方法__1q]。气体钻井作为欠平衡

3、钻井技术的一个重要分支，近年来以其独特的技术优势在油气田开发中广泛推广，其主要特点如下：①大幅度提高机械钻速，缩短建井周期；②避免漏失问题；③有效预防储层损害，极大地保护了地层的原始产能_4]。但“气体钻井怕水”一直是困扰气体钻井发展的主要技术瓶颈之一，地层出水后，若未能及时发现和处理，可能会导致井壁失稳、钻具泥包、卡钻等井下复杂事故，严重威胁钻井施工安全。目前预测气体钻井时地层出水的方法主要有3类：①利用已有的测井资料对出水地层进行钻前预测；②钻井过程中，对地层出水进行实时监测；③通过钻井施工过程中地面反映出的各种参数数据、现象来判断地层出水情况，如立管压力、转盘扭矩

4、变化、排砂管喷势等。前两类方法大多基于测井数据和渗流力学模型来对地层出水进行预测，由于存在测量误差且采用理想化模型的缘故，得出的结果同实际数据往往存在一定的差距；后一类现场采用的简易判断方法，多依据工作经验，对于刚钻遇水层或地层微量出水时，往往难以准确判断井下出水状况，容易贻误气液转换时机，甚至引起更为严重的后果L5]。此外文献[9，lo]指出，气体钻井过程中地层微量出水有利于泥饼在井壁堆积，泥饼过厚导致环空间隙变小，进而造成环空憋堵等井下复杂情况。地层微量出水往往具有隐蔽性强、难以监测的特点，因此实现对地层微量出水的监测极其重要。笔者基于微波谐振腔的微扰原理，建立了返

5、出气体湿度与谐振腔的谐振频率偏移的数学模型，通过测量谐振腔的谐振频率偏移，以实现对返出气体湿度的连续在线监测。微波技术监测方案及机理1．1微波技术监测方案气体钻井是利用压缩机向井内注入压缩气体，依靠环空高压气体的能量，把钻屑从井底经排砂管带到地面，并在地面进行固体气体分离。在注气循环或钻进过程中，为了实现对地层出水的随钻监测，笔者提出在排砂管上安装气体取样管，环空返排的混合气流通过微波传感器，引起微波传感器腔内混合物介电常数的变化，导致微波谐振频率也产生变化，当返出的混合气流温度、压力一定时，通过检测微波传感器的谐振频率变化来确定返出气流的湿度，进而实现对地层出水情况的

6、判断，气体钻井微波技术随[收稿日期]2013—11—05[基金项目]国家自然科学基金项目(51134004)。[作者简介]刘清友(1965一)，男，1986年西南石油学院毕业，教授，博士生导师，长江学者特聘教授，主要从事石油天然气装备、油气井工程力学、井下爬行器、计算机仿真等方面的教学和科研工作。学兔兔www.xuetutu.com学兔兔www.xuetutu.com第36卷第5期刘清友等：气体钻井过程中地层出水的微波随钻监测方法振腔传感器极易受外界环境的影响，特别是温度的影响，应尽可能减小温度的变化，以保证高谐振频率的稳定性；③谐振腔内壁应涂有良好的导体层，以提高其品

7、质因素，使频率的变化能准确反映混合气流湿度的变化。2．2微波谐振腔传感器特点微波谐振腔传感器示意图见图2。该传感器具有1矩形波导0JJ如下特点：①所设计的谐振腔为反射式，只有一个耦U一L合机构，兼作信号输入和输出，谐振腔与矩形波导之进口一耦合小孔一出口间靠磁场耦合，耦合装置为耦合小孔，谐振频率点谐、一．，一———一————————振腔与矩形波导相匹配，实现最大信号的输出，输出一———一一分隔器一信号通过处理后频率范围为0～10MHz；②环形分隔TT_Il器与谐振腔同轴，位于谐振腔两端，保证谐振腔两端在电气上短路，使电磁波在两端发生全反射，