Влияние размера пузырьков на обратное рассеяние ультразвука от пузырьковых облаков в контексте обнаружения газовых выбросов в скважинах

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 11825 (2023) Цитировать эту статью

347 Доступов

Подробности о метриках

Раннее обнаружение притока газа в скважины во время бурения представляет значительный интерес для операторов бурения. Некоторые исследования предполагают хорошую корреляцию между обратным рассеянием/затуханием ультразвука и объемной долей газа (ОПГ) в буровых растворах и, таким образом, предлагают методы количественного определения ОПФ в скважинах. Однако в вышеупомянутых исследованиях не учитывается влияние размера пузырьков, который может значительно меняться со временем. В данной статье предлагается модель, объединяющая существующие теории обратного рассеяния ультразвука от пузырьков в зависимости от их размера, а именно. Рэлеевское рассеяние для пузырьков меньшего размера и зеркальное отражение для пузырьков большего размера. Предлагаемая модель демонстрируется с помощью моделирования и экспериментов, в которых обратное рассеяние ультразвука оценивается от облаков пузырьков различного размера. Показано, что размер и количество пузырьков сильно влияют на интенсивность обратного рассеяния ультразвука и коррелируют с GVF только тогда, когда известно распределение пузырьков по размерам. Информацию о размере пузырьков трудно получить в полевых условиях, что приводит к нарушению этой корреляции. Следовательно, трудно надежно применять методы, основанные на обратном рассеянии ультразвука и, как следствие, его затухании, для количественной оценки GVF во время событий притока в скважину. Однако эти методы могут быть применены в качестве высокочувствительных детекторов газовых пузырьков для GVF \(\ge\)1 vol\(\%\).

Бурение скважин в недрах необходимо для добычи углеводородов из подземных залежей нефти и газа, разработки геотермальных энергетических ресурсов, а также улавливания и хранения углерода. Давление бурового раствора в скважине обычно поддерживается на несколько более высоком уровне по сравнению с пластовым давлением. Однако некоторые события во время бурения могут привести к тому, что давление в скважине упадет ниже пластового давления, что приведет к непреднамеренному притоку пластового флюида в скважину. Такие события называются «ударами», и раннее обнаружение ударов часто имеет решающее значение для безопасных операций бурения. В худшем случае запоздалая реакция на удар может перерасти в неконтролируемый выброс углеводородов на поверхность, известный как «выброс».

Пластовое давление и температура обычно увеличиваются с вертикальной глубиной, а для глубоких скважин значения 10 000 фунтов на квадратный дюйм и 150 \(^{\circ }\)C не являются редкостью. В этих условиях приток газа или газоконденсатов существует в сверхкритическом состоянии вещества, поэтому их масса и плотность приближаются к жидкому состоянию. Приходящие газы расширяются в объеме по мере подъема по скважине к поверхности, когда давление и температура падают ниже критических точек. В зависимости от глубины бурения притоку газа может потребоваться несколько минут, чтобы подняться до этой точки, где его можно будет обнаружить в параметрах процесса бурения, если количество газа в буровом растворе достаточно велико. Низкая чувствительность обнаружения ограничивает возможности операторов скважин инициировать своевременные корректирующие действия. Растворимость газа в буровом растворе еще больше усложняет это явление1,2,3. При бурении газа на небольшой глубине, где глубина обычно < 1000 м, приток газа проникает в скважину непосредственно в газообразном состоянии, и даже небольшая масса притока проявляется как большое изменение объема бурового раствора в скважине. Следовательно, время между фактическим притоком и его проявлением на поверхности очень короткое, а это означает, что у операторов скважин есть очень короткий временной интервал для осуществления эффективных действий4. Таким образом, раннее обнаружение притока газа в буровой раствор во время бурения представляет значительный интерес для операторов бурения с точки зрения безопасности и эффективности бурения.

Современные методы, используемые в полевых условиях для обнаружения газовых выбросов, включают мониторинг объемного расхода возвратного бурового раствора, который будет постоянно увеличиваться, если в возвратном растворе присутствует газ. Однако чувствительность этого метода обычно очень низкая. Другой распространенный метод включает измерение массового расхода в возвратном буровом трубопроводе с использованием расходомеров Кориолиса, но для точного измерения он требует, чтобы буровой трубопровод был полностью загружен газом5,6, что подразумевает низкую чувствительность. Усовершенствованный каротаж с использованием газовой хроматографии также используется для обнаружения газовых выбросов, среди прочего, путем анализа состава газа в линии возврата бурового раствора7. Недавно были разработаны методы машинного обучения для использования в современных каротажах бурового газа с целью их быстрой оценки8. Однако эти методы ограничены использованием на поверхности, поскольку они основаны на сложном оборудовании для анализа. Это может привести к значительной задержке информации в зависимости от глубины скважины, ее диаметра и скорости циркуляции бурового раствора.