CN103670306A - 一种钻井复杂工况监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钻井复杂工况监测装置，该装置包括进液管、排液管、上盖、滑动活塞、气瓶；进液管一端设有法兰盘、另一端设有外螺纹；进液管的内径沿轴线方向不同，进液管的上端设置通气口，进液管内设有防冲蚀衬管，上盖与进液管螺纹连接，上盖的中心位置安装有小气压缸、小气压腔压力传感器，上盖的注气孔通过气体管线与气瓶，滑动活塞由大活塞和小活塞构成，小活塞在小气缸内滑动，大活塞在进液管内水平滑动。本发明具利用大小活塞之间的面积差，将钻井液流动过程中施加在大活塞上的流动压力进行放大，并利用压力传感器监测小气缸内气体压力的变化，该装置安装简单，调整方便，调节范围广，灵敏度高，使用安全可靠，能够满足早期监测的需要。

Description

一种钻井复杂工况监测装置

技术领域

本发明属于石油工程领域，具体地，涉及一种钻井复杂工况监测装置，该装置安装在钻井液出口节流压井管汇上，与旋转控制头配合使用,对钻井液出口的钻井液流动压力的监测，提高钻井复杂工况监测的及时性和准确性。

背景技术

由于许多不确定因素的存在，常常导致在钻井过程中发生复杂工况。在众多的复杂工况中，以井涌工况可能造成的损失最大。当钻遇高压地层时，地层中的高压流体会流进井筒，高压流体进入井筒后，会沿着井筒向上运移扩散，如果在没有任何措施的情况下使其到达地面，那么钻井液及钻井工具极有可能被喷出井眼。这种情况下会导致钻机损毁和人员伤亡的灾难性后果。

虽然人们对井喷的危害性有着深刻的认识，但是近年来由于井喷引起的重大安全事故有逐年上升的趋势。作为预防井喷事故发生的关键技术、井涌早期监测技术逐渐受到越来越多的重视。尽管采用了几乎的所有预防措施，在钻井过程中，钻遇高压地层仍然是不可避免的。

如果可以找到一种预测或监测方法，能够对即将发生的井涌和井喷做出准确而及时的预报，使现场人员能够有充分的时间处理进入井筒的高压流体，那么将大大降低钻井工程的风险和损失。

早期井涌监测技术可以及时警示钻井作业者，警示时间越早给操作者提供的应对时间越长，可使成功处理井涌事故的概率大大增加，从而最大限度的消除井涌可能带来的灾难性后果。因此，研究能够尽早发现和监测到井涌发生的方法和系统对安全钻井具有极其重要的价值。

随着石油工业的发展，在钻井工程领域已经发展出多种形式的井涌监测的方法和技术，例如：通过监测监控钻井过程中泥浆池中钻井液体积的增减，来判断井涌发生概率；在钻井液出口安装挡板流量计，通过监测钻井液返出速度的大小，来判断井下溢流情况；或者通过声波时差法来判断钻井液中是否溶解有气体；还有在底部钻具上安装压力传感器，利用泥浆脉冲信号将井底压力数据传回地面，通过分析信号数据来判断地层流体侵入井筒的情况。

虽然存在各种井涌监测技术，还是需要继续改进井涌早期监测的方法和技术，本发明方法和系统能够较早地提供井涌报警以进一步提高地下勘探和生产作业的安全。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明提出一种钻井复杂工况监测装置，该装置安装在钻井液出口节流压井管汇上与旋转控制头配合使用，通过该装置能够实现对钻井液出口的钻井液流动压力的监测，提高钻井复杂工况监测的及时性和准确性。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

钻井复杂工况监测装置，包括：进液管、排液管、上盖、滑动活塞、气瓶；

进液管、排液管呈T字型连接；

排液管的一端与进液管的中部相连、另一端安装有法兰盘；

进液管一端安装有法兰盘、另一端设有外螺纹；进液管的内径沿轴线方向不同，靠近法兰盘端的内径小、靠近外螺纹端的内径大，内径小的部分与内径大的部分相交处形成一台阶；该台阶位于进液管与排液管交接处、靠进液管的外螺纹一侧位置；在进液管的上端设置通气口，通气口靠近螺纹端；

上盖设有内螺纹，上盖通过内螺纹与进液管的外螺纹连接；上盖内侧的中心位置安装有小气压缸；上盖上设有小气压腔压力传感器，小气压腔压力传感器与小气压缸联通，上盖顶部设有注气孔，注气孔联通小气压缸，注气孔通过气体管线与气瓶连接，气瓶内的气体经由气体管线通过上盖顶部的注气孔进入小气缸；

滑动活塞由大活塞和小活塞构成，大活塞和小活塞固定连接；小活塞在小气缸内滑动；

大活塞在进液管内水平滑动，大活塞靠小活塞端的位置上成型一限位环，限位环只具有限位功能，限位环的外径与进液管靠螺纹端的内径相同，大活塞靠法兰盘端的外径与进液管靠法兰盘端的的内径相同；进液管上设置的通气口。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、利用大小活塞之间的面积差，将钻井液流动过程中施加在大活塞上的流动压力进行放大，并利用压力传感器监测小气缸内气体压力的变化，该装置安装简单，调整方便，调节范围广，灵敏度高，使用安全可靠，能够满足井涌早期监测的需要。

2、通过数据采集系统，将小气缸内压力归一化曲线与立管压力归一化曲线进行对比分析，可以清晰的判断出井涌程度，算法原理简单，代码浅显易懂。

附图说明

图1a为本发明监测装置(开启度0%时)的结构示意图；

图1b为本发明监测装置(开启度25%时)的结构示意图；

图1c为本发明监测装置(开启度50%时)的结构示意图；

图1d为本发明监测装置(开启度75%时)的结构示意图；

图1e为本发明监测装置全开状态(开启度100%时)的结构示意图；

图2a为停止循环时钻井液流动状态示意图；

图2b为正常循环时钻井液流动状态示意图；

图2c为井涌或气侵发生时钻井液流动状态示意图；

图2d为钻杆刺漏发生时钻井液流动状态示意图；

图2e为节流管线阻塞发生时钻井液流动状态示意图；

图2f为泵发生故障或钻井液漏失发生时钻井液流动状态示意图；

图2g为钻杆阻塞或井眼坍塌发生时钻井液流动状态示意图；

图中：1、泥浆池，2、钻井液，3、泥浆泵管线，4、泥浆泵，5、立压传感器，6、立管，7、旋转控制头，8、环形防喷器，9、闸板防喷器，10、钻柱，11、钻头水眼，12、钻头，13、井筒，14、地层，15、钻井复杂工况监测装置，151、进液管，152、排液管，153、上盖，154、滑动活塞，155、气瓶，1511、进液管防冲蚀衬管，1512、进液管通气口，1521、排液管防冲蚀衬管，1531、小气压缸，1532、小气压腔压力传感器，1541、大活塞，1542、大活塞密封总成，1543、小活塞，1544、小活塞密封总成，16、节流管线，17、钻井液出口，18、小气腔压力传感器数据线，19、立管传感器数据线，20、数据采集及分析系统，21、井涌或气侵位置，22、钻杆刺漏位置，23、节流管线阻塞位置，24、钻井液漏失位置，25、井眼坍塌位置，26、钻杆阻塞位置。

具体实施方式

如图1a,1b,1c,1d,1e所示，钻井复杂工况监测装置，包括：进液管151、排液管152、上盖153、滑动活塞154、气瓶155。

进液管151、排液管152呈T字型连接，构成钻井复杂工况监测装置的外壳；进液管151的长度比排液管152的长度长。

排液管152的一端与进液管151的中部相连、另一端安装有法兰盘，钻井复杂工况监测装置通过排液管152的法兰盘与节流管汇相连(如图2a所示)；排液管152内设有防冲蚀衬管1521，防冲蚀衬管1521用于降低钻井液对钻井复杂工况监测装置内部的冲蚀。

进液管151一端安装有法兰盘、另一端设有外螺纹；进液管151通过法兰盘与井口出口相连；进液管151的内径沿轴线方向不同，靠近法兰盘端的内径小、靠近外螺纹端的内径大，内径小的部分与内径大的部分相交处形成一台阶；该台阶位于进液管151与排液管152交接处、靠进液管151的外螺纹一侧位置；在进液管151的上端设置通气口1512，通气口1512靠近螺纹端；台阶与通气口1512的距离在数值上大于一个大活塞1541水平方向的长度；进液管151内设有防冲蚀衬管1511，防冲蚀衬管1511设在进液管151与排液管152交接处至进液管151的法兰盘位置，防冲蚀衬管1511用于降低钻井液对钻井复杂工况监测装置内部的冲蚀。

上盖153设有内螺纹，上盖153通过内螺纹与进液管151的外螺纹连接；上盖153内侧的中心位置安装有小气压缸1531；上盖153上设有小气压腔压力传感器1532，小气压腔压力传感器1532与小气压缸1531联通，小气压腔压力传感器1532用于测量小气压缸1531气压腔内的压力；上盖153顶部设有注气孔，注气孔联通小气压缸1531，注气孔通过气体管线与气瓶155连接，气瓶155内的气体经由气体管线通过上盖155顶部的注气孔进入小气缸，用来调节小气压缸1531气压腔内的压力。

滑动活塞154由大活塞1541和小活塞1543构成，大活塞1541和小活塞1543固定连接；小活塞1543在小气缸内滑动，小活塞1543上安装有小活塞密封总成1544，小活塞1543通过小活塞密封总成1544与小气压缸1531实现密封连接；

大活塞1541在进液管151内水平滑动，大活塞1541靠小活塞端的位置上成型一限位环，限位环只具有限位功能，不具有密封功能，限位环的外径与进液管151靠螺纹端的内径相同，大活塞1541靠法兰盘端的外径与进液管151靠法兰盘端的的内径相同；大活塞1541上安装有大活塞密封总成1542，大活塞1541通过大活塞密封总成1542与进液管151实现密封连接；进液管151上设置的通气口1512可以确保大活塞1541能够顺利滑动。

大活塞1541沿进液管151向法兰盘端运行到极限时，大活塞1541上的限位环正好与进液管151的台阶紧密配合，大活塞1541也恰好将进液管151和排液管152之间的流动通道全部关闭，大活塞1541抵靠在防冲蚀衬管1511的端面，此时，开启度为0%；开启度是指大活塞1541与防冲蚀衬管1511之间的距离与排液管152直径之间的比值。

大活塞1541沿进液管151向螺纹端运行到极限时，大活塞1541恰好顶在小气压缸1531的端面，进液管151和排液管152之间的流动通道恰好全部打开，开启度为100%。当大活塞1541上受的力介于以上两种工况之间时，开启度也将发生变化。正常钻进时，开启度接近50%，如图1c所示；钻井液流量较小或者大活塞1541受力降低时，开启度小于50%，如图1b所示；钻井液流量较大时或者大活塞1541受力增加时，开启度大于50%，如图1d所示。

如图2a-2g所示，在钻井系统中，钻井复杂工况监测装置位于节流管线与井口之间的循环管路上；钻井复杂工况监测装置通过进液管151上的法兰盘与井筒钻井液出口管线连接；钻井复杂工况监测装置通过的排液管152上的法兰盘与节流管线16连接。

钻井液存储在泥浆池1中，钻井液经过泥浆泵管线3由钻井泵4注入到立管6中，然后经过钻柱10和钻头水眼11进入井筒，随后沿井筒向上循环到井口，流经环形防喷器8和闸板防喷器9及旋转控制头7后，经钻井复杂工况监测装置以及节流管线16流回泥浆池1；在立管6上安装有立压传感器5；钻井复杂工况监测装置气腔压力传感器1503采集的小气腔压力数据和立压传感器5采集的数据分别通过小气腔压力传感器数据线18和立管传感器数据线19传输到数据采集及分析计算机20进行数据处理与分析。通过在计算机上对比立压信号和小气缸压力信号的变化规律，能够判断是否发生泵故障、溢流、钻杆刺漏、节流管线阻塞、漏失、钻杆阻塞、井眼坍塌等复杂工况。

如图2a所示，钻井系统停止循环钻井液时，进液管151法兰盘一端没有钻井液流入，因此在大活塞1541靠法兰盘端面，没有流动压力存在，在小气压腔1531内气体压力的作用下，大活塞1541抵靠在防冲蚀衬管1511的端面，处于关闭位置，开启度为0%，活塞位置如图1a所示。这种工况下，小气压腔1531内的压力和立压传感器5的压力在数值上都保持恒定，且立管6压力接近为零。

如图2b所示，钻井系统正常钻进时，存在以下几个主要工况：开泵、循环、停泵。

开泵条件下，进液管151法兰盘端的钻井液排量将从零逐渐增加到正常排量。大活塞1541在钻井液的推动下，克服了运动阻力，并打开了进液管151和排液管152之间的流动通道，随着钻井液排量持续增加，大活塞1541位置继续发生变化，开启度从0%的状态（如图1a所示）逐渐运动到50%的状态（如图1c所示）。最终在钻井液流动正常循环后，大活塞1541位置不再发生变化。在开泵过程中，小活塞1543在大活塞1541的推动下，不断压缩小气压腔1531内气体体积，小气压腔1531内气体压力的变化规律，与立压传感器5压力的变化规律一致，都是从最小值开始上升，并最终稳定，且不同的开泵策略对应着不同的变化规律。

循环条件下，钻进液排量不会发生进一步变化，大活塞1541将一直处于开启状态，且开启度将保持恒定。这种工况下，小气压缸1531内的压力和立压传感器5的度数在数值上也都保持恒定，且均不为零。

停泵条件下，进液管151法兰盘端的钻井液排量从正常排量逐渐降低到零。大活塞1541的受力平衡状态被打破，小活塞1543在小气压缸1531内气体压力的作用下，推动大活塞1541移动，开启度从50%的状态（如图1c所示）逐渐变化到0%的状态（如图1a所示）。在钻井液停止循环后，大活塞1541位置不再发生变化。在停泵过程中，随着小活塞1543和大活塞1541的移动，小气压缸1531内气体体积被逐渐释放，小气压腔1531内气体压力的变化规律，与立压传感器5压力的变化规律一致，都是从逐渐降到最小值，且不同的停泵策略对应着不同的变化规律。

如图2c所示，在钻井过程中当钻遇高压地层14时，极易发生井涌或者气侵现象，在井涌或气侵位置21地层14压力高于井底压力，在刚打开高压层时，立压传感器5压力会上升；地层流体进入井筒13，顶替一部分钻井液，使井口钻井液排量增加，大活塞1541从开启度50%的状态（如图1c所示）开始增加，同时小气压缸1543内压力升高；在井涌初期，由于液体的不可压缩性质，立管6压力和小气压腔1505内压力的增加趋势同时发生且具有一致性。当地层流体随着钻井液上返过程中，由于油、气、水的密度往往小于钻井液密度，因此大量地层流体侵入会导致井筒13液柱压力下降，使循环系统立压传感器5读数下降；而地层14流体不断的进入井筒13，使钻井液的排量持续增加，大活塞1541的开启度不断增加（如图1d所示），增加幅度根据井涌程度而定。小活塞1543在大活塞1541的推动下，不断压缩小气压缸1531内气体体积，小气压缸1531内的压力继续增加，尤其是当气侵发生时，气体膨胀效应会加剧这一过程，此时大活塞的开启度可能达到100%（如图1e所示）。

如图2d所示所示，在钻杆刺漏位置22钻杆10发生刺漏时，钻井液从刺漏点进入环空井筒13，而不是通过钻头水眼11进入环空井筒13，因此钻井液在井筒内的循环显著减小，根据流体力学原理，立压传感器5读数会随之降低；但此时钻井液的循环排量并没有发生变化，钻井液对大活塞1541的作用力并没有降低，大活塞1541的开启度依然为50%（如图1c所示），所以小气压缸1531内气体压力没有明显变化。

如图2e所示，在节流管线阻塞位置23节流管汇16发生阻塞时，阻塞情况越严重，阻塞段附近的节流效应越明显，节流管汇16阻塞点靠近钻井复杂工况监测装置15的一侧压力会明显升高，大活塞1541受到压力上升的影响，从开启度50%的状态（如图1c所示）开始增加，如果阻塞情况十分严重，大活塞1541的最大开启度可能达75%（如图1d所示）或100%（如图1e所示），此时小气压缸1531内的压力升高明显。节流管汇16发生阻塞时，同时造成钻杆10、环空井筒13的系统内压力也增加，即立压传感器5读数增加，但随着阻塞时间的增加，立压传感器5读数不会继续降低。

如图2f所示，在钻井液漏失位置24当钻井液发生漏失或钻井泵出现故障时，都会导致井筒13出口的钻井液流量减小，大活塞1541的受力平衡状态被打破，小活塞1543在小气压缸1531内气体压力的作用下，推动大活塞1541移动，大活塞1541开启度从50%的状态（如图1c所示）开始下降，如果以上情况十分严重，井口无钻井液返出，则大活塞1541的开启度将降为0%（如图1a所示）；漏失发生时，由于钻井液出口流量减小，环空循环压耗降低，造成立管压力传感器5读数将减小；以上所有参数的降低幅度与钻井液排量的减小幅度相一致。

如图2g所示，在钻杆阻塞位置26或井眼坍塌位置25处，当钻杆10阻塞或者发生井眼坍塌事故时，在阻塞点或坍塌点之前的管路中，压力会因为阻塞突然升高，导致立管压力传感器5的度数上升；而在阻塞点或者坍塌点之后的管路中，由于钻井液失去动力，排量迅速降为零，大活塞1541在小活塞1531的推动下，开启度从50%的状态（如图1c所示）降为0%（如图1a所示），此时小气压缸1531内气体压力降为最小值。

可以根据此时小气压缸1531内气体压力和立压传感器5读数的变化规律特点对上述各种复杂工况进行判断。

Claims (10)

1.一种钻井复杂工况监测装置，包括：进液管、排液管、上盖、滑动活塞、气瓶；其特征在于：

进液管、排液管呈T字型连接；

排液管的一端与进液管的中部相连、另一端安装有法兰盘；

进液管一端安装有法兰盘、另一端设有外螺纹；进液管的内径沿轴线方向不同，靠近法兰盘端的内径小、靠近外螺纹端的内径大，内径小的部分与内径大的部分相交处形成一台阶；该台阶位于进液管与排液管交接处、靠进液管的外螺纹一侧位置；在进液管的上端设置通气口，通气口靠近螺纹端；

上盖设有内螺纹，上盖通过内螺纹与进液管的外螺纹连接；上盖内侧的中心位置安装有小气压缸；上盖上设有小气压腔压力传感器，小气压腔压力传感器与小气压缸联通，上盖顶部设有注气孔，注气孔联通小气压缸，注气孔通过气体管线与气瓶连接，气瓶内的气体经由气体管线通过上盖顶部的注气孔进入小气缸；

滑动活塞由大活塞和小活塞构成，大活塞和小活塞固定连接；小活塞在小气缸内滑动；

大活塞在进液管内水平滑动，大活塞靠小活塞端的位置上成型一限位环，限位环只具有限位功能，限位环的外径与进液管靠螺纹端的内径相同，大活塞靠法兰盘端的外径与进液管靠法兰盘端的的内径相同；进液管上设置的通气口。

2.根据权利要求1所述的钻井复杂工况监测装置，其特征在于：进液管内设有防冲蚀衬管，防冲蚀衬管设在进液管与排液管交接处至进液管的法兰盘位置。

3.根据权利要求1-2所述的钻井复杂工况监测装置，其特征在于：大活塞沿进液管向法兰盘端运行到极限时，大活塞上的限位环正好与进液管的台阶紧密配合，大活塞也恰好将进液管和排液管之间的流动通道全部关闭，大活塞抵靠在防冲蚀衬管的端面。

4.根据权利要求1-3所述的钻井复杂工况监测装置，其特征在于：大活塞沿进液管向螺纹端运行到极限时，大活塞恰好顶在小气压缸的端面，进液管和排液管之间的流动通道恰好全部打开。

5.根据权利要求1-4所述的钻井复杂工况监测装置，其特征在于：小活塞上安装有小活塞密封总成，小活塞通过小活塞密封总成与小气压缸实现密封连接。

6.根据权利要求1-5所述的钻井复杂工况监测装置，其特征在于：大活塞上安装有大活塞密封总成，大活塞通过大活塞密封总成与进液管实现密封连接。

7.根据权利要求1-6所述的钻井复杂工况监测装置，其特征在于：排液管内设有防冲蚀衬管。

8.根据权利要求1-7所述的钻井复杂工况监测装置，其特征在于：台阶与通气口的距离在数值上大于一个大活塞水平方向的长度；进液管的长度比排液管的长度长。

9.一种钻井系统，采用权利要求1-8所述的钻井复杂工况监测装置，其特征在于：钻井复杂工况监测装置位于节流管线与井口之间的循环管路上；钻井复杂工况监测装置通过进液管上的法兰盘与井筒钻井液出口管线连接；钻井复杂工况监测装置通过的排液管上的法兰盘与节流管线连接。

10.根据权利要求9所述的钻井系统，其特征在于：钻井液存储在泥浆池中，钻井液经过泥浆泵管线由钻井泵注入到立管中，然后经过钻柱和钻头水眼进入井筒，随后沿井筒向上循环到井口，流经环形防喷器和闸板防喷器及旋转控制头后，经钻井复杂工况监测装置以及节流管线流回泥浆池；在立管上安装有立压传感器；钻井复杂工况监测装置气腔压力传感器采集的小气腔压力数据和立压传感器采集的数据分别通过小气腔压力传感器数据线和立管传感器数据线传输到数据采集及分析计算机进行数据处理与分析。

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