CN103291290B - 一种泥浆气体井下检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泥浆气体井下检测方法，解决了在泥浆气体检测领域中，现有检测技术实时性低的问题。该检测方法基于电化学检测原理，使泥浆通过电化学检测室，经过两层过滤膜，气体在三电极上发生氧化还原反应产生电流，电流经过信号处理和发射装置传输到钻井平台上由值班人员做出判断。本发明设计了电化学检测室、由冲孔板复合烧结金属过滤器和气透膜构成的两层过滤膜结构，适用于甲烷检测的三电极电化学测试系统、和气体检测信号的信号处理和发射装置。适用于现实检测，能够实时地进行井下泥浆气体检测，从而提前预防井喷事故，并且帮助地质人员更好的发现和评价地下油气，具有重要的研究价值。

Description

一种泥浆气体井下检测方法

技术领域

本发明涉及泥浆气体检测领域，特别是涉及一种泥浆气体井下检测方法。

背景技术

在石油天然气的开采过程中，只要油气层被打开，油气层内的烃类等危险气体或多或少都要混入泥浆中被携带到地面上来，使使用的泥浆密度不足以平衡地层压力，地层油气大量进入井筒使地层压力高于泥浆液柱压力，又会引起泥浆密度降低，严重失衡会导致井喷。因此，越早检测到地下的油气异常，就能越早避免事故。尽管录井泥浆气体检测的种类很多，但是能够真正实现实时地检测地下泥浆气体检测技术几乎没有，目前常用的泥浆气体检测技术都是地面或井口检测，如文献“王印.储层钻井液气体定量检测影响因素及方法研究[D].山东科技大学.2010”所述检测方法。这些检测技术由于受到钻井液上返迟到时间的影响，往往会在钻开油气层十几分钟或几十分钟后才能检测到油气的存在，因此，泥浆气体检测技术必须尽可能地缩短从钻开油气层至检测到油气存在的时间，提高气体检测的实时性，实现真正意义上的泥浆气体井下检测。目前世界石油测录井行业的领先者，如Schlumberger、Halliburton、Datalog及Geoservices等公司正在地面气体检测的基础上，全力进行井下随钻气体检测的研究，如文献“张卫.随钻井下气体检测技术进展[J].录井工程.2010，06”，专利“RoccoDifoggio.MethodandApparatusforDownholeDetectionofCO₂andH₂SUsingResonatorsCoatedwithCO₂andH₂SSorbents[P].US7516654B2.2009,4”中所述。

若能开发一种泥浆气体井下检测并实时将检测结果上传至井上的装置，这样就可以提前预警，从而避免井喷事故的发生。文献“张卫，慈兴华，张光华等.钻井液气体分析检测技术研究[J].天然气工业，2006，26(5)”中提到，常用的井下气体检测方法采用红外全烃检测方式，色谱分析等，专利“LiJiang.HydrogenSulphideDetectionMethodandApparatus[P].US6939717B2.2005.9”中也提到泥浆中硫化物的检测方法。以甲烷为例：目前，在甲烷的检测方法中，基于化学氧化和分解甲烷来达到检测甲烷的检测方法要求较高的能量和温度。用光谱和色谱检测甲烷需要大型的仪器，不适合溶液中甲烷的实时检测。本发明利用电化学检测泥浆气体的方法，甲烷的电化学检测是通过甲烷在电极材料表面的吸附，或者转化过程中存在的荷电催化中心和荷电粒子来进行研究的。其优点在于可以借助电极材料的选择获得目的产物，通过控制电极电位可以控制电化学反应速度。其活化性能低，比相同条件下的化学催化反应速度快，易于应用于现实检测，实现商业化，具有重要的研究价值。

Jafarian等人研究了甲烷在镍电极上在碱性电解液中的电氧化，研究认为镍电极在碱性电解液中循环扫描表面会发生Ni(II)/(III)的转化，对甲烷的氧化起催化作用的是NiOOH，分步反应如下：

或者

电极表面发生的反应为:

在镍电极上没有发现由于中间产物的吸附而中毒的现象，CO₃ ^-2是甲烷电氧化的唯一产物。Psofogiannakis用密度功能的理论在10原子Pt簇上计算了甲烷在Pt(111)上电氧化反应相关的电子能垒机理，调查研究了许多反应路径认为主要的反应路径是：

CH₄→^*CH₃→^*CH₂→^*CH→^*CHOH→^*CHO→^*CO→^*CO₂(6)

CH₄到^*CO到决速步骤是游离的CH₄的电化学吸附。这步反应的速率缓慢的是因为需要克服一个大的能垒，还有进一步的原因是甲烷在水溶液中较小的溶解度以及甲烷在电极表面的吸附必须与水分子竞争。阳极的催化有可能比铂直接催化氧化甲烷需要更高的电流密度，这是因为甲烷在电极上的吸附也是一个决速过程，如果改进的催化剂可以在较低的电压下氧化^*CO，但是它如果同时降低了甲烷在电极上的吸附，这样也不能加快甲烷的电催化氧化。

发明内容

本发明的目的在于克服现有泥浆检测技术存在的上述不足，提出一种泥浆气体井下检测方法。本发明能够在井下检测出泥浆气体并实时将检测结果上传至井上，这样就可以提前预警，从而避免井喷事故的发生。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种泥浆气体井下检测方法，采用电化学方法检测原理在井下检测泥浆气体，其步骤如下：

步骤1：启动水泵，使电化学检测室中的液体保持流动以便实时检测泥浆中是否含有气体，泥浆钻井液通过两层过滤膜后，仅可溶性物质，准确说是比过滤膜孔隙孔径小的微粒和水进入电化学检测室；该两层过滤膜结构选择是由冲孔板复合烧结金属过滤器和气透膜构成的两层滤膜；冲孔板复合烧结金属过滤器将金属耐压骨架与过滤网烧结为一体，耐压骨架起着支撑作用，用来承受气体检测腔和外部泥浆之间的压差，由于骨架有孔，泥浆可以通过其到达烧结金属过滤器；烧结金属过滤器用来滤除泥浆中的砂岩，避免砂岩对气透膜造成损坏；

步骤2：如果泥浆中有气体，气体则会吸附在镍基短碳纳米管-金修饰电极上被氧化或还原，产生电流，然后利用信号处理和发射装置将产生的电流信号进行一系列的处理：从井下电化学检测室中输出电流，该电流包含背景电流与有效电流两部分；首先电流-电压转换电路将输出电流转换为与之对应的电压以满足后续电路的需要；根据井下的实际情况以及气体变化的频率，电压初级放大及滤波模块通过低通滤波的功能滤除干扰信号，为了提高测量精度可将输入信号放大；之后减法电路消除其中的背景电流；电压-电流转换电路再将检测电压转换为标准的4～20mA直流信号输出；由无线发射模块实现无线发送数据，将数据传输到井口；

步骤3：由井上的接收装置接收从井底发送的有用数据并记录，根据接收的信号判断井下泥浆中是否含有被检测的气体，并发出信号，由值班工程师根据情况再做出处理。

本发明的有益效果在于：该检测方法针对大多数钻井液碱性，设计了泥浆气体的电化学检测室实验装置，该装置内气体与电极催化氧化反应，产生的电信号经放大后传输到钻井平台上，实现了井下气体检测信号的实时传输，从而达到预防井喷事故的发生，并且帮助地质人员更好的发现和评价地下油气。此外，本发明的检测方法还具有以下优点：选用检测效果好的镍基修饰的工作电极，提高了催化速度，缩短了检测气体的时间；两层膜过滤网的结构能够在搅拌的泥浆中长时间使用而不会造成严重的堵塞情况，能够满足长时间在井下环境中使用；同时防止井下钻井液含岩屑、重金石等固体颗粒物破坏工作电极表面及其涂层，和防止其他物质在电极表面发生反应。

附图说明

图1是井下电化学检测室实验装置工作原理示意图，主要由水泵、电化学检测室和信号处理和发射装置组成；

图2是信号处理和发射装置原理框图，主要包括六部分电路：电流-电压转换电路、电压初级放大及滤波模块、减法电路、电压次级放大电路、电压-电流转换电路、无线发射模块。

具体实施方式

下面将结合各个参考附图对本发明的技术方案的主要实现原理、具体实施方式等进行详细描述。

本发明所提供的方法，采用电化学方法检测原理井下检测泥浆气体，设计了电化学检测室，该装置的工作原理如图1所示。主要包括：水泵，保证电化学检测室中的液体保持流动；电化学检测室(1)，主要由两层过滤膜结构和三电极电化学测试系统(工作电极WE、对比电极CE、参比电极RE)构成，用于过滤气体和进行催化反应；信号处理和发射装置，用于电信号的放大处理和无线传输。

请参照图1，其工作原理如下：首先启动水泵，让钻井液通过两层过滤膜后，仅可溶性物质，准确说是比过滤膜孔隙孔径小的微粒和水进入电化学检测室；若含有气体，则检测气体吸附在工作电极WE上被氧化或还原，产生电流，利用井下信号处理与发射电路实现微弱信号的放大、滤波等处理后，采用发射装置将有用信号传送到井上。由于电化学检测装置产生的电流很小，而背景电流可能很大，因此信号处理电路还需要将背景电流清楚。井上接收装置完成对井底发射的数据进行接收，并得出井底泥浆中气体的含量，值班工程师根据情况做出判断。

其中，所述的信号处理和发射装置原理框图如图2所示，该装置工作原理如下：从井下电化学检测室中获得与气体相对应的输出电流，该电流包含背景电流与有效电流两部分；首先电流-电压转换电路将输出电流转换为与之对应的电压以满足后续电路的需要；根据井下的实际情况以及气体变化的频率，电压初级放大及滤波模块通过低通滤波的功能滤除干扰信号，并为了提高测量精度将输入信号放大；之后减法电路消除其中的背景电流；电压-电流转换电路将检测电压转换为标准的4～20mA直流信号的输出；无线发射模块实现无线发送数据，将数据传输到井口。

所述的两层过滤膜结构选择由冲孔板复合烧结金属过滤器和气透膜构成的两层滤膜；冲孔板复合烧结金属过滤器将金属耐压骨架与过滤网烧结为一体，耐压骨架起着支撑作用，用来承受气体检测腔和外部泥浆之间的压差，由于骨架有孔，泥浆可以通过其到达烧结金属过滤器；烧结金属过滤器用来滤除泥浆中的砂岩，避免砂岩对气透膜造成损坏；气透膜只允许待检测的气体分子和水蒸气分子可以进入气体检测腔。

所述的三电极电化学测试系统，由于大多数钻井液为碱性，故其中工作电极WE为镍基修饰电极，对比电极CE、参比电极RE都采用铂丝，利用工作电极WE将泥浆中的甲烷进行催化氧化产生电信号，信号经信号处理和发射装置传输到钻井平台上从而达到预防井喷事故。

根据上述技术方案的描述，使用本发明在实验室进行了泥浆中甲烷气体检测实施例，采用恒电位电解法检测现场泥浆中甲烷，具体实施方法如下：

以镍基短碳纳米管-金电极为工作电极，对电极和参比电极均为铂丝，将电化学检测室放于泥浆中，用微量水泵做动力设备，使电化学检测池中的液体处于流动状态，预先设置好实验参数，先通入甲烷一定时间以除去泥浆中的氧气，打开仪器进行检测，当电解时间到30分钟时，停止通入氮气，将甲烷通入泥浆，继续进行电解，等反应了120分钟时，停止实验。所得数据经分析后如表1所示：

表1不同条件下的各时间段曲线斜率变化情况

表中，条件为预电解电位/电解时间，单位分别为V、s。其中预电解的目的是施加一个负电压，利用通性相斥的原理使吸附在电极表面的聚合物脱附。

实验条件通过多次重复实验并对实验数据进行分析、整理，得出这样的结论：现场泥浆在通入甲烷后的30分钟里其曲线变化非常小，不管是施加的0.2V还是0.3V，其斜率都在10^-6A/s和10^-7A/s左右，这样的斜率变化仅凭肉眼是难以观测到的，可以认为在这段时间里电极对泥浆中的甲烷没有响应。继续长时间施加高电位，发现检测的数据出现振荡不稳定，其线性关系变化也不稳定。于是进行了采用不同剧烈程度通甲烷的方式来验证，可以认为恒电位电解法能够检测出当泥浆中出现气泡会对电极反应产生扰动且进入检测室的气泡越多产生的扰动越剧烈。

Claims (1)

1.一种泥浆气体井下检测方法，其特征在于：采用电化学方法检测原理在井下检测泥浆气体，该气体为甲烷，该方法包括如下步骤：

步骤1：启动水泵，使电化学检测室中的液体保持流动，以便实时检测泥浆中是否含有气体；泥浆钻井液通过两层过滤膜后，比过滤膜孔隙孔径小的微粒和水进入电化学检测室；该两层过滤膜结构选择是由冲孔板复合烧结金属过滤器和气透膜构成的两层滤膜；冲孔板复合烧结金属过滤器将金属耐压骨架与过滤网烧结为一体，耐压骨架起着支撑作用，用来承受气体检测腔和外部泥浆之间的压差，由于骨架有孔，泥浆可以通过其到达烧结金属过滤器；烧结金属过滤器用来滤除泥浆中的砂岩，避免砂岩对气透膜造成损坏；

步骤2：如果泥浆中有气体，气体则会吸附在镍基短碳纳米管-金修饰电极上被氧化或还原，产生电流，然后利用信号处理和发射装置将产生的电流信号进行一系列的处理：从井下电化学检测室中输出电流，该电流包含背景电流与有效电流两部分；首先电流-电压转换电路将输出电流转换为与之对应的电压以满足后续电路的需要；根据井下的实际情况以及气体变化的频率，电压初级放大及滤波模块通过低通滤波的功能滤除干扰信号，将输入信号放大；之后减法电路消除其中的背景电流；电压-电流转换电路再将检测电压转换为标准的4～20mA直流信号输出；由无线发射模块实现无线发送数据，将数据传输到井口；

步骤3：由井上的接收装置接收从井底发送的有用数据并记录，根据接收的信号判断井下泥浆中是否含有被检测的气体，并发出信号，由值班工程师根据情况再做出处理。