CN101852077A - 一种基于井筒液面测量的溢流检测方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于井筒液面测量的溢流检测方法，其特征在于，所述方法包括：将一井筒液位下限开关设置在钻井四通阀，将一井筒液位上限开关设置在溢流管下方的井筒处，一出口流量传感器安装在溢流管上，一起下钻池液位传感器安装在起下钻池内；采集所述井筒液位下限开关提供的液位下限数据，所述井筒液位上限开关提供的液位上限数据和所述出口流量传感器提供的流量；接收包括钻井钩位、钩速、井底上空、钻头位置和溢漏在内的第三方数据；进行灌浆量、需灌浆量、出口流量、溢漏速度和出口流量增量的计算；根据计算结果进行井漏判定、井涌判定及控制。

Description

一种基于井筒液面测量的溢流检测方法

技术领域

本发明涉及一种对钻井现场起下钻过程的溢流进行检测的方法，属于石油勘探技术领域。

背景技术

在钻井现场，起下钻是一种很常规的作业，而起下钻作业过程中很可能出现很多意想不到的突发情况，尤其是井涌、井漏情况，起下钻发生井涌后极易诱发井喷，造成的后果极为严重。

在起钻过程中，起出一定数量的钻具后，井筒液面会下降到一定高度，需要灌注相应的钻井液以平衡地层的压力，补充取出的钻具体积所占的环空容积。在作业现场，一般规定每起3-5柱钻杆或一柱钻铤就应灌满一次，由于起钻是一个动态的过程，为便于人工观察，现场一般采用超灌的方式，即实际灌注量大于需灌量。在下钻过程中，由于钻具进入充满钻井液的井筒，井筒内的钻井液会通过溢流管返出，当出现溢流情况时，钻井液返出的速度和返出量会相应的增加。目前，国内在起下钻作业时，广泛采用方法的是由钻井工人观察溢流管处钻井液的返出量，依靠人工判断是否发生井涌或井漏，效率低下，人为因素影响较大。

钻井液的控制是钻井安全生产的重要措施，往井内灌送泥浆的数量有着严格的标准，起下钻作业时井筒内钻井液的变化量反应着井下情况的变化，是各类井下复杂、事故的预兆。而采用人工观察钻井液的变化量无疑会产生较大的误差，延误生产或引发安全事故。目前，溢流的准确判断是一个难题，井筒内的液面的准确检测更是一个国际难题，而本方法则可以有效的解决该问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种井筒内的钻井液面的监测方法，通过测量地层以上至钻台面的井筒内的钻井液面变化量综合判断溢流，提高溢流的检测精度，确保钻井作业的安全。

为实现以上目的，本发明的技术方案是提供一种基于井筒液位和出口流量返出量的测量方法，所述方法包括：

步骤一，将一井筒液位下限开关安装在钻井四通阀上，将一井筒液位上限开关安装在溢流管下方的井筒处，一出口流量传感器安装在溢流管上，一起下钻池液位传感器安装在起下钻池内；

步骤二，采集所述井筒液位下限开关提供的液位下限数据，所述井筒液位上限开关提供的液位上限数据和所述出口流量传感器提供的流量；

步骤三，接收包括钻井钩位、钩速、井底上空、钻头位置和溢漏在内的第三方数据；

步骤四，进行灌浆量、需灌浆量、出口流量、溢漏速度和出口流量增量的计算；

步骤五，根据计算结果进行井漏判定、井涌判定及控制。

比较好的是，所述灌浆量的计算为：

G＝Vbas-Vrel    (1)

其中，G为灌浆量，Vbas为基准池体积，即在灌浆清零时的起下钻池体积，Vrel为当前的起下钻池体积；

所述需灌浆量的计算为：

Vof＝Vos    (2)

其中，Vof为需灌注量，Vos为钻具体积，

其中：Vos＝∏(R12-R22)H    (3)

其中，R1为钻具外部半径，R2为钻具内部内径，H为取出钻具的长度。

比较好的是，所述出口流量是由所述出口流量传感器通过线性图版法计算得到；所述溢流速度由所述第三方数据提供；根据出口流量值计算出所述出口流量增量。

比较好的是，所述井漏判定包括：在一定时间内井筒液位低于所述下限开关，表明钻井液漏失速率较快，比较所述步骤四中的灌浆量与需灌浆量，如果所述灌浆量大于所述需灌浆量，进行井漏异常报警提示；如果所述灌浆量小于所述需灌浆量，进行溢流或井涌异常报警提示；如果所述灌浆量等于所述需灌浆量，给出正常提示。

比较好的是，所述井涌判定包括：在一定时间内井筒液位高于所述上限开关，表明所述溢漏速度和所述出口流量增量值较大，进行井涌报警。

比较好的是，所述井筒内超灌的钻井液通过所述溢流管流出相应体积的钻井液，通过所述出口流量传感器测量所述溢流管流出的钻井液量，该钻井液量等于返浆量，将一段时间内的灌浆量、返浆量与需灌浆量比较，若所述灌浆量减去所述需灌浆量小于所述返浆量，表明可能溢流或井涌；若所述灌浆量减去所述需灌浆量大于或等于所述返浆量，表明正常。

本方法对地面以上至钻台面的井筒内的泥浆液面进行检测，解决了常规检测方法检测精度低、溢流难以准确判断的问题，充分的提高系统的检测精度，确保钻井的安全。

附图说明

下面，参照附图，对于熟悉本技术领域的人员而言，从对本发明方法的详细描述中，本发明的上述和其他目的、特征和优点将显而易见。

图1为本申请一现场实施例的结构示意图；

图2为本申请的一较佳实施例流程图。

具体实施方式

在正常情况下，井筒液位的变化量即反映了钻具体积的排代量，近似于以下数学公式：Vof＝Vos    (1)

其中，Vof——需灌注量，Vos——钻具体积

而钻具体积的计算公式为：

Vos＝∏(R12-R22)H    (2)(钻具开口模式下)

其中，式中：R1——钻具外部半径，R2——钻具内部内径，

H——取出钻具的长度，可以人工估算或通过仪表直接计量得到

以最常用的5″普通钻杆为例，其外径为128mm、内径107mm、长度9.1m，则其钻具排代量近似为3.9L/m。目前，钻台面10至地层面的距离一般为7～11m左右，以最常用的350通径防喷器组15为例，则9m井筒的环空容积接近865L，相当于222m(8柱)钻具14的起出后的体积。

正常情况下，起钻过程中的通过自动或手动灌浆来填补起出钻具14的排代量，按作业规程的要求，灌浆误差不得超过0.5m3，也就是说，防喷器井筒内的液面维持在一定的高度范围内。由于井下的状态千变万化，存在许多未知因素，当井底出现异常情况时，井筒内的泥浆会相应的增加会减少，防喷器井筒内的液面平衡状态就会被打破。通过对防喷器井筒内液面的变化量和变化趋势，结合自动灌浆，以及溢流管出口处的流量检测，可准确的判断溢流情况。这样，就能尽可能早的发现事故的前期征兆，杜绝恶性事故的发生。

本申请方法的特征在于，将井筒液位下限开关安装在钻井四通阀11处，井筒液位上限开关安装在溢流管12下方的井筒13处，出口流量传感器安装在溢流管12上，起下钻池液位传感器安装在起下钻池内，通过第三方数据接口接收一些相关的工程数据(钩位、钩速、钻头位置、井底上空)，并通过数据处理器进行采集、运算和状态判断，给出分析结果，输出异常的状态判断结果以及各工程数据。

正常情况下，井筒内的液面维持在井筒液位下限开关和井筒液位上限开关的范围内。以5”钻具和350通径防喷器为例，1柱钻具(27.3m)取出后会引起井筒内的液面下降1.1m。同单柱钻具的排代量相比，井筒内容积空间显然要大的多，足以消除由于测量误差或起出钻具的需灌浆量的影响。井筒内的液面变化可通过安装在起下钻池内液位传感器4进行测量，得到灌浆量、溢漏等参数，结合时间可以得到相应的变化趋势。异常情况下，井筒内的液面会低于下限开关或长期高于上限开关2测量点；当井筒液面低于下限时，井筒液位下限检测开关会立即监测到该状态；当井筒液面超过上限时，井筒液位上限检测开关会立即监测到该状态；同时，各超限异常动作的持续时间会被准确的检测到，并由数据处理器结合各相关的工程数据进行判断，最终得到实际的工况和状态的变化，输出异常的状态判断结果以及各工程数据。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，本发明的基于井筒液面测量的溢流检测方法包括以下步骤：

步骤1，设置井筒液位下限开关、井筒液位上限开关、出口流量传感器和起下钻池液位传感器；

步骤2，通过数据采集接口采集以下传感器的各数据：钻井四通阀的位置安装井筒液位下限开关1提供的液位下限数据；溢流管下方的井筒上安装井筒液位上限开关2提供的液位上限数据；溢流管内的出口流量传感器提供的出口流量数据。

步骤3，通过第三方数据接口接收第三方数据，包括钻井的钩位、钩速、井底上空、钻头位置、溢漏等数据；

步骤4，进行如下计算：

A、灌浆量：根据起下钻池液位传感器4测得的采集数据量，该数据量的变化即可计算出灌浆量；灌浆量的计算如下：

G＝Vbas-Vrel    (3)

式中：G-灌浆量，单位为m3

Vbas-基准池体积，即在灌浆清零时的起下钻池体积

Vrel-当前的起下钻池体积

B、需灌浆量：结合第三方数据接口提供的钩位、井底上空等数据，计算出需灌浆量，具体公式为：

Vof＝Vos    (4)

上述公式(4)中，

Vof——需灌注量   Vos——钻具体积

Vos＝∏(R12-R22)H  (钻具开口模式下)(5)

在公式(5)中，

R1——钻具外部半径  R2——钻具内部内径

H——取出钻具的长度(根据钩位、井底上空、钻头位置数据计算)

C、出口流量：通过出口流量传感器通过线性图版法计算求得出口流量。

D、溢漏速度：根据溢漏值计算出溢漏速度，该参数反应了溢漏的变化速率，溢漏值来自第三方接口，由若干液位传感器经计算后提供。

E、出口流量增量，根据出口流量值计算出出口流量增量，该参数反应了出口流量的变化速率。

步骤5，进行异常结果的判定：

(1)井漏判定：

如果一定时间内井筒液位低于下限开关(这是通过下限开关采集的开关量来确定，如果为1表明检测到钻井液面，为0表明未检测到钻井液面)，则说明钻井液漏失速率较快，此时将步骤3中最近一段时间的灌浆量与需灌浆量数据进行比较，如果灌浆量大于需灌浆量，说明井筒中有可能出现井漏，系统进行井漏异常报警提示；

如果小于需灌浆量，说明有可能出现溢流或井涌，则系统进行其它异常报警提示；如果等于需灌浆量，说明正常。

(2)井涌判定：

如果一定时间内井筒液位高于上限开关(长期检测到钻井液)，且溢漏速度和出口流量增量值较大，准确排除人为的超灌因素后通过时间判定，则说明存在溢流或井涌情况，系统进行井涌。

一般情况下，由于惯性作用，井筒内超灌的钻井液会通过溢流管流出相应体积的钻井液，该情况可通过出口流量传感器测量溢流管流出的钻井液量，即返浆量；若将最近一段时间内的灌浆量、返浆量同需灌浆量进行比较，如果灌浆量减去需灌浆量小于返浆量，说明有可能出现溢流或井涌；如果大于或相等，说明正常。

步骤5，根据上述状态判断结果，输出各数据并进行相应的报警和控制。

通过本发明的方法可以对钻井现场的起下钻等作业的异常情况进行准确的判断，提高现场的作业效率，保障钻井的安全。

本发明的优点是：

1、利用传感器、数据处理器自动对井筒液面和出口流量返出量进行检测，多条件综合判断溢流，取代目前广泛使用的人工判断法，实时性强，自动化程度高；

2、井筒内的液面的连续检测是一个国际难题，本方法巧妙的避开了液面的连续测量，而以井筒液位下限检测开关和井筒液位上限检测开关，结合其他各种传感器，综合判断。通过本方法上可从源头上解决溢流检测的难题，实际应用的可操作性强；

3、同传统的基于泥浆池液位检测相比，本方法无需检测近百方泥浆液位的变化量，而是通过多个传感器的数据综合判断，检测精度高。

前面提供了对较佳实施例的描述，以使本领域内的任何技术人员可使用或利用本发明。对这些实施例的各种修改对本领域内的技术人员是显而易见的，可把这里所述的总的原理应用到其他实施例而不使用创造性。因而，本发明将不限于这里所示的实施例，而应依据符合这里所揭示的原理和新特征的最宽范围。

Claims (6)

1.一种基于井筒液面测量的溢流检测方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤一，将一井筒液位下限开关安装在钻井四通阀上，将一井筒液位上限开关安装在溢流管下方的井筒处，一出口流量传感器安装在溢流管上，一起下钻池液位传感器安装在起下钻池内；

步骤二，采集所述井筒液位下限开关提供的液位下限数据，所述井筒液位上限开关提供的液位上限数据和所述出口流量传感器提供的流量；

步骤三，接收包括钻井钩位、钩速、井底上空、钻头位置和溢漏在内的第三方数据；

步骤四，进行灌浆量、需灌浆量、出口流量、溢漏速度和出口流量增量的计算；

步骤五，根据计算结果进行井漏判定、井涌判定及控制。

2.根据权利要求1基于井筒液面测量的溢流检测方法，其特征在于，

所述灌浆量的计算为：

G＝Vbas-Vrel    (1)

其中，G为灌浆量，Vbas为基准池体积，即在灌浆清零时寸的起下钻池体积，Vrel为当前的起下钻池体积；

所述需灌浆量的计算为：

Vof＝Vos    (2)

其中，Vof为需灌注量，Vos为钻具体积，

其中：Vos＝∏(R12-R22)H    (3)

其中，R1为钻具外部半径，R2为钻具内部内径，H为取出钻具的长度。

3.根据权利要求1或2基于井筒液面测量的溢流检测方法，其特征在于，

所述出口流量是由所述出口流量传感器通过线性图版法计算得到；所述溢流速度由所述第三方数据提供；根据出口流量值计算出所述出口流量增量。

4.根据权利要求3基于井筒液面测量的溢流检测方法，其特征在于，所述井漏判定包括：

在一定时间内井筒液位低于所述下限开关，表明钻井液漏失速率较快，比较所述步骤四中的灌浆量与需灌浆量，如果所述灌浆量大于所述需灌浆量，进行井漏异常报警提示；如果所述灌浆量小于所述需灌浆量，进行溢流或井涌异常报警提示；如果所述灌浆量等于所述需灌浆量，给出正常提示。

5.根据权利要求4基于井筒液面测量的溢流检测方法，其特征在于，所述井涌判定包括：

在一定时间内井筒液位高于所述上限开关，表明所述溢漏速度和所述出口流量增量值较大，进行井涌报警。

6.根据权利要求5基于井筒液面测量的溢流检测方法，其特征在于，

所述井筒内超灌的钻井液通过所述溢流管流出相应体积的钻井液，通过所述出口流量传感器测量所述溢流管流出的钻井液量，该钻井液量等于返浆量，将一段时间内的灌浆量、返浆量与需灌浆量比较，若所述灌浆量减去所述需灌浆量小于所述返浆量，表明可能溢流或井涌；若所述灌浆量减去所述需灌浆量大于或等于所述返浆量，表明正常。

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