CN102587898B - 一种随钻条件下混合流体含气量检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种随钻条件下混合流体含气量检测方法及装置，所述的方法包括：通过电信号激励产生超声波表面波；接收超声波表面波；获取接收到的超声波表面波的幅度信息；根据所述的幅度信息获取混合流体含气量信息。可以对井内流体的含气量进行实时、准确地定量测量，了解地下地质情况，及时发现油、气层信息，避免油、气资源的浪费；可以用于帮助识别超压地层，一旦钻遇超压地层便及时进行处理，防止“井涌”甚至“井喷”的发生，避免人身生命和财产的重大损失；还可能为钻井过程中进行钻进轨迹调整提供参考信息。

Description

一种随钻条件下混合流体含气量检测方法及装置

技术领域

本发明是关于石油勘探开发技术领域，尤其是关于混合流体含气量检测技术领域，具体来说是关于一种随钻条件下混合流体含气量检测方法及装置。

背景技术

石油钻井是发现油气藏的最直接手段，安全高效钻井是石油工程中最为突出的问题。地层中的气体突然进入井孔中是钻井过程中造成各种安全事故的主要原因之一，如何及时检测钻井液中所出现的气体是最主要的钻井安全措施之一。

在钻井过程中，当钻头遇到含油、含气地层时，地层中的气体可能进入井内并混入钻井液中，形成气体和液体的混相介质，如何尽可能早地发现这种油气显示非常重要。

钻井液(泥浆)一般是包含有水、各种添加剂的混合流体，可以用来清洗和保护井壁、润滑和冷却钻头和钻柱、携带岩石碎屑到地面并对井壁提供一定的静水压力。钻井液的密度和钻井液“液柱”的高度决定了钻井液“液柱”的静水压力，一般人们希望此静水压力略大于所钻地层的孔隙压力，这一方面维持了井壁的稳定性、另一方面可以防止地层内的流体流入井眼。地层气体进入井内会使钻井液的密度降低、进而导致钻井液的静水压力降低，这会进一步加剧地层流体进入井眼(亦称溢流或气侵)。地层流体进入井眼后会引起下井设备的腐蚀和失效，进入井内钻井液中的地层气体会沿着钻柱与井壁之间的环空空间向地面井口上升运动而形成“井涌”。更为严重的是，井涌规模的进一步发展可能成为无法控制的“井喷”。井喷能够引起井身和地面设备的损坏、井口附近环境的破坏、甚至引起井口及附近人员的安全灾难。可见，井涌的早期监测是钻井过程中的一个关键环节，如果发现比较晚，就会带来严重的安全问题。井涌的监测主要分为地面的录井监测和钻铤附近的随钻测量两种方式。

现有技术从井涌发展的不同时间阶段分析了在地面监测井涌的不同方法和应对措施。由于当井涌发生时会导致井口处泥浆流量的突然变化，因此泥浆出口流量的测量(包括泥浆池液面检测法)是在井口发现井涌的最直接的手段。但是，这种测量方法的准确性和时效性都存在很大问题。泥浆池液面法、钻井液返出流量计法虽然能在陆地上较为直观地监测到井涌，但是该方法在海洋钻井平台上使用会受到限制。利用半透膜脱气技术在井口对钻井液进行脱气处理并进行各种现代物理分析，可以判断钻井液中气体的有无、钻井液中所含气体的类型等，但这些技术对于评价气侵的产生和发展程度缺乏实时性。

由于声波在气液两相流体中传播速度明显低于在纯钻井液中的传播速度，现有技术采用声波法来进行气侵监测，即在钻井泵出口装一声波发生器，在钻井液返回出口装一声波接收器，通过测量作为复合介质的钻井液中声波传播时间来检测气侵情况。但由于声波测量频率与井口各种振动源的振动频率重叠，声源信号和声波测量信号受环境噪声影响太大，因此钻井液的声波波速测量结果会存在较大误差，另外，即使测准了钻井液中的声波传播波速，也难以对钻井液中的含气量做出准确的定量评价。在井口处布置超声波探头，可以测量超声波在钻井液中传播的衰减，超声波的衰减值大对应于钻井液中的含气量高，但同样存在测量结果滞后于井涌发生的问题。

综上所述，在井口处的各种气侵监测方法都存在测量结果滞后于井涌发生的缺点，即测量的时效性和准确性都不尽人如意。因此，发展钻铤附近的随钻气体检测技术势在必然。

相比传统地面气测录井，传感器位于钻头附近的井下随钻气体检测可以快速发现和识别油气、从根本上消除油气上返的滞后和干扰，并可以提前进行有毒气体预报以及井涌事件的预报。但是由于气体检测从地面延伸到地下，技术的复杂性大大增加。目前与钻具结合的随钻气体分离检测技术在国外发展迅速，随钻气体检测技术中一般采用膜分离技术对气体进行分离和取样，再采用电学技术、光学技术、光电技术、微型色谱技术等现代化学分析技术对钻井液中气体的有无和气体的种类进行定量分析，这种随钻气体检测技术正朝着检测实时化、快速化、连续化方向发展。然而这些检测方法在井下实现起来有相当大的难度，目前含气量检测的实时化和定量化以及准确程度还难以满足石油工程的需求。

发明内容

为克服现有技术中存在的混合流体含气量检测结果滞后以及测量结果不准确的问题，本发明提供一种随钻条件下混合流体含气量检测方法及装置。

本发明提供一种随钻条件下混合流体含气量检测装置，所述的装置包括：

超声波表面波发射换能单元，设置于钻铤上，用于产生超声波表面波；

超声波表面波接收换能单元，设置于钻铤上，用于接收超声波表面波；

幅度信息获取单元，与所述的超声波表面波接收换能单元相连，用于获取接收到的超声波表面波的幅度信息；

含气量信息获取单元，与所述的幅度信息获取单元相连，用于根据所述的幅度信息获取混合流体含气量信息。

本发明还提供一种随钻条件下混合流体含气量检测方法，所述的方法包括：

通过电信号激励产生超声波表面波；

接收超声波表面波；

获取接收到的超声波表面波的幅度信息；

根据所述的幅度信息获取混合流体含气量信息。

本发明实施例提供了一种全新的、方便实用的井涌实时检测技术，即随钻条件下混合流体含气量检测装置及方法，通过确定固体与气液混合流体界面上传播的界面波的幅度与介质中的气体含量的关系，使用混合流体与固体界面上的伪瑞利波的幅度来检测钻铤附近钻井液中气体含量，既解决了井下测量的难题，又可以克服以往部分测量方法测量结果滞后及不准确的缺点。在石油钻井过程中，当钻头钻遇含油、气地层时，可以对井内流体的含气量进行实时、准确地定量测量，了解地下地质情况，及时发现油、气层信息，避免油、气资源的浪费；可以用于帮助识别超压地层，一旦钻遇超压地层便及时进行处理，防止“井涌”甚至“井喷”的发生，避免人身生命和财产的重大损失；还可能为钻井过程中进行钻进轨迹调整提供参考信息。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是本发明实施例提供的一种随钻条件下混合流体含气量检测装置结构图。

图2是本发明实施例提供的一种随钻条件下混合流体含气量检测装置结构图。

图3是本发明实施例提供的一超声波表面波的幅度与混合流体含气量的对应关系图。

图4是本发明实施例提供的一种随钻条件下混合流体含气量检测方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本发明实施例提供一种随钻条件下混合流体含气量检测方法及装置，以下结合附图对本发明进行详细说明。

实施例一

图1是本发明实施例提供的一种随钻条件下混合流体含气量检测装置结构图，如图1所示，含气量检测装置包括：超声波表面波发射换能单元101、超声波表面波接收换能单元102、幅度信息获取单元103、含气量信息获取单元104和存储单元105。着眼于探头的实用性、易于拆卸和互换以及探头功能的单独测试和校验，本发明实施例所涉及到的超声表面波传感器均采用模块化结构，这些探头模块由压电振子和必要的封装部件构成，可以分别具备发射超声表面波信号和接收超声表面波信号的功能并能够分别安装在钻铤上进而实现随钻超声表面波测量功能，其中：

超声波表面波发射换能单元101，设置于钻铤上，用于产生超声波表面波。

目前，用于产生表面波的声表面波器件已广泛应用于雷达、通信、电视等电子技术领域，比如用作延迟线、带通滤波器、谐振器、卷积器等。市面上超声表面波换能器的工作频率一般都高于10MHz，它所激励产生的表面波衰减很大，不适合用于本装置中。

在本发明实施例中，超声波表面波发射换能单元101可以是超声波表面波换能器，其工作频率范围约为0.5MHz～3MHz，在此工作频率范围内超声波表面波的波长远小于钻铤的壁厚，因此可以将钻铤看成是半无限厚的固体介质，钻铤外表面外的流体则可视为由液体和气体混合而成的复合流体介质。由专用的电子线路通过电信号激励超声波表面波发射换能单元101可以在钻铤表面上有效地激发起超声波表面波，超声波表面波在钻铤表面(固体和流体介质界面)传播。超声波表面波可以是超声伪瑞利波，这种伪瑞利波在界面上传播时不断地向混合流体一侧辐射声波能量，在固定源距条件下伪瑞利波的幅度随着混合流体体积模量的变小(气体含量的增加)而变大、随着超声表面波频率的增加而变小。

超声波表面波接收换能单元102，设置于钻铤上，用于接收超声波表面波。

在本发明实施例中，超声波表面波接收换能单元102可以是超声波表面波换能器，其工作频率范围约为0.5MHz～3MHz。超声波表面波接收换能单元102接收由超声波表面波发射换能单元101发出的在钻铤表面上传播的超声波表面波。

在本发明实施例中，超声波表面波发射换能单元101设置在上部，超声波表面波接收换能单元102设置在下部，两单元间的距离可以是1cm-20cm。在本发明的另一实施例中，如图2所示的一种随钻条件下混合流体含气量检测装置结构图，超声波表面波发射换能单元101与超声波表面波接收换能单元102的位置可以互换，即超声波表面波发射换能单元101设置在下部，超声波表面波接收换能单元102设置在上部。

幅度信息获取单元103，与所述的超声波表面波接收换能单元102相连，用于通过专用的电子线路获取接收到的超声波表面波的幅度信息。

在本发明实施例中，幅度信息获取单元103通过专用的电子线路在井下进行超声波表面波的波形采集、幅度提取及其结果的记录和存取，所有的信号处理都由DSP硬件完成。

含气量信息获取单元104，与所述的幅度信息获取单元103相连，用于根据所述的幅度信息获取混合流体含气量信息。

在本发明实施例中，含气量检测装置中还可以包含一存储单元105，用于存储不同工作频率下超声波表面波的幅度与混合流体含气量的对应关系。如图3所示，图3是本发明实施例提供的一超声波表面波的幅度与混合流体含气量的对应关系图，固定源距为15cm，工作频率为2.5MHz，随着混合流体含气量的增加，超声波表面波的幅度也相应的增大。

当幅度信息获取单元103获取到的超声波表面波的相对幅度为0.02时，含气量信息获取单元104根据这一数据在存储单元105中查找与该幅度数据对应的含气量数据，得到的结果为含气量为10％。同样的，当幅度信息获取单元103获取到的超声波表面波的相对幅度为0.1时，含气量信息获取单元104获取到的含气量为40％。

本发明实施例提供了一种全新的、方便实用的井涌实时检测技术，即随钻条件下混合流体含气量检测装置，通过确定固体与气液混合流体界面上传播的界面波的幅度与介质中的气体含量的关系，使用混合流体与固体界面上的伪瑞利波的幅度来检测钻铤附近钻井液中气体含量，既解决了井下测量的难题，又可以克服以往部分测量方法测量结果滞后及不准确的缺点。在石油钻井过程中，当钻头钻遇含油、气地层时，可以对井内流体的含气量进行实时、准确地定量测量，了解地下地质情况，及时发现油、气层信息，避免油、气资源的浪费；可以用于帮助识别超压地层，一旦钻遇超压地层便及时进行处理，防止“井涌”甚至“井喷”的发生，避免人身生命和财产的重大损失；还可能为钻井过程中进行钻进轨迹调整提供参考信息。

实施例二

图4是本发明实施例提供的一种随钻条件下混合流体含气量检测方法流程图，如图4所示，含气量检测方法包括如下步骤：

S401，通过电信号激励产生超声波表面波。

在本发明实施例中，含气量检测方法可以通过实施例一中的含气量检测装置实现，含气量检测装置可以具有超声波表面波换能器，其工作频率范围约为0.5MHz～3MHz，在此工作频率范围内超声波表面波的波长远小于钻铤的壁厚，因此可以将钻铤看成是半无限厚的固体介质，钻铤外表面外的流体则可视为由液体和气体混合而成的复合流体介质。由专用的电子线路通过电信号激励超声波表面波换能器可以在钻铤表面上有效地激发起超声波表面波，超声波表面波在钻铤表面(固体和流体介质界面)传播。超声波表面波可以是超声伪瑞利波，这种伪瑞利波在界面上传播时不断地向混合流体一侧辐射声波能量，在固定源距条件下伪瑞利波的幅度随着混合流体体积模量的变小(气体含量的增加)而变大、随着超声表面波频率的增加而变小。

S402，接收超声波表面波。

在本发明实施例中，含气量检测装置可以通过超声波表面波换能器接收S401中发出的在钻铤表面上传播的超声波表面波，其工作频率范围约为0.5MHz～3MHz。

S403，获取接收到的超声波表面波的幅度信息。

在本发明实施例中，含气量检测装置可以通过专用的电子线路在井下进行超声波表面波的波形采集、幅度提取及其结果的记录和存取，所有的信号处理都由DSP硬件完成。

S404，根据所述的幅度信息获取混合流体含气量信息。

在本发明实施例中，含气量检测装置中还可以用于存储不同工作频率下超声波表面波的幅度与混合流体含气量的对应关系。如图3所示，图3是本发明实施例提供的一超声波表面波的幅度与混合流体含气量的对应关系图，固定源距为15cm，工作频率为2.5MHz，随着混合流体含气量的增加，超声波表面波的幅度也相应的增大。

当含气量检测装置获取到的超声波表面波的相对幅度为0.02时，含气量检测装置根据这一数据查找与该幅度数据对应的含气量数据，得到的结果为含气量为10％。同样的，当获取到的超声波表面波的相对幅度为0.1时，含气量检测装置获取到的含气量为40％。

本发明实施例提供了一种全新的、方便实用的井涌实时检测技术，即随钻条件下混合流体含气量检测方法，通过确定固体与气液混合流体界面上传播的界面波的幅度与介质中的气体含量的关系，使用混合流体与固体界面上的伪瑞利波的幅度来检测钻铤附近钻井液中气体含量，既解决了井下测量的难题，又可以克服以往部分测量方法测量结果滞后及不准确的缺点。在石油钻井过程中，当钻头钻遇含油、气地层时，可以对井内流体的含气量进行实时、准确地定量测量，了解地下地质情况，及时发现油、气层信息，避免油、气资源的浪费；可以用于帮助识别超压地层，一旦钻遇超压地层便及时进行处理，防止“井涌”甚至“井喷”的发生，避免人身生命和财产的重大损失；还可能为钻井过程中进行钻进轨迹调整提供参考信息。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种随钻条件下混合流体含气量检测装置，其特征在于，所述的装置包括：

超声波表面波发射换能单元，设置于钻铤上，用于产生超声波表面波；

所述超声波表面波在钻铤表面传播；

超声波表面波接收换能单元，设置于钻铤上，用于接收超声波表面波；

幅度信息获取单元，与所述的超声波表面波接收换能单元相连，用于获取接收到的超声波表面波的幅度信息；

含气量信息获取单元，与所述的幅度信息获取单元相连，用于根据所述的幅度信息获取混合流体含气量信息。

2.根据权利要求1所述的随钻条件下混合流体含气量检测装置，其特征在于，所述的超声波表面波发射换能单元和超声波表面波接收换能单元均为超声波表面波换能器。

3.根据权利要求1所述的随钻条件下混合流体含气量检测装置，其特征在于，所述的超声波表面波的频率范围为0.5MHz至3MHz。

4.根据权利要求1所述的随钻条件下混合流体含气量检测装置，其特征在于，所述的装置还包括一存储单元，用于存储所述的幅度信息与混合流体含气量信息的对应关系数据；

所述的含气量信息获取单元根据所述的幅度信息从所述的存储单元中获取混合流体含气量信息。

5.一种随钻条件下混合流体含气量检测方法，其特征在于，所述的方法包括：

通过电信号激励产生超声波表面波；

所述超声波表面波在钻铤表面传播；

接收超声波表面波；

获取接收到的超声波表面波的幅度信息；

根据所述的幅度信息获取混合流体含气量信息。

6.根据权利要求5所述的随钻条件下混合流体含气量检测方法，其特征在于，所述的通过电信号激励产生超声波表面波包括：通过电信号激励超声波表面波换能器产生超声波表面波。

7.根据权利要求5所述的随钻条件下混合流体含气量检测方法，其特征在于，所述的接收超声波表面波包括：通过超声波表面波换能器接收超声波表面波。

8.根据权利要求5所述的随钻条件下混合流体含气量检测方法，其特征在于，所述的超声波表面波的频率范围为0.5MHz至3MHz。

9.根据权利要求5所述的随钻条件下混合流体含气量检测方法，其特征在于，所述的根据所述的幅度信息获取混合流体含气量信息包括：根据预先存储的幅度信息与混合流体含气量信息的对应关系数据获取混合流体含气量信息。

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