CN104331598B - 一种气体钻井井筒内携岩状态快速判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体钻井井筒内携岩状态快速判断方法，包括：(1)在排砂管线上游段下壁安装音频信号采集器；(2)停止钻进的情况下，采集不同直径大小标准岩样颗粒在管内运动的音频信号；(3)对有效音频信号段进行提取；(4)建立大颗粒岩屑直径与音频信号特征的对应关系；(5)钻进的情况下，提取排砂管内大颗粒岩屑运动产生的音频信号，判别颗粒直径；(6)统计单位时间内排砂管内各种直径大小d_n颗粒对应的数量N_n，计算排出大颗粒岩屑的体积；(7)确立排砂管内排出大颗粒岩屑体积流量与机械钻速的关系；(8)快速判断气体钻井井筒内的携岩状态。本发明原理可靠，操作简便，监测连续实时、迅速，判断结果直观，符合钻井施工的需求，具有很好的应用前景。

Description

一种气体钻井井筒内携岩状态快速判断方法

技术领域

本发明涉及油气开采领域中，气体钻井实时监测井下携岩状态的方法，为气体钻井的正常钻进提供一种在线监测手段。

背景技术

在气体钻井施工中，井筒内所产生岩石碎屑的连续排出状况是关系气体钻井是否能够安全和高效钻进的重要因素。开展气体钻井工程施工以来，工程技术人员依靠“一听二看三探”来判断井筒内携岩状态，即：听——耳朵直接贴在排砂管线上听管内岩屑运动的声音；看——肉眼直接观察排砂管线出口处的岩屑排出情况；探——停止注气后探测钻头下沉砂的多少，这是人们判断井筒内携岩状态的经验方法，也是目前工程施工中使用的方法。随着深井、复杂井中气体钻井的应用发展，这种简单的经验方法已经不能满足施工的要求。

正常气体钻井条件下，井筒内的固相物流量就是钻头破碎地层的岩屑体积流量，是随时间基本恒定的。然而在突发井壁掉块、坍塌，钻遇高压储层时产生的岩爆以及井筒携岩不畅通发生阻卡时，排砂管线的固相物流量会突然变化，准确、及时地监测排砂管线固相物尤其是大颗粒岩屑体积流量的变化，对于预防、判断井下突发的复杂状况或事故有非常重要的意义。由于气体钻井条件下返出流体的强烈冲蚀作用和粘性附着影响，而使得目前工业界常用的各种固相物流量测量方法不适合本应用。本发明的目的在于提供一种气体钻井排砂管内大颗粒岩屑体积流量快速监测方法，能进一步对井筒内携岩状态进行判断。原理简单可靠，现场操作简便，可长期稳定工作，监测连续实时、迅速，判断结果直观，符合钻井施工的需求，且有一定的适应性，很好地解决了不能使用各种常规的测量方法对气体钻井排砂管线大颗粒固相物流量实时监测、异常判断的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气体钻井井筒内携岩状态快速判断方法，原理可靠，操作简便，监测连续实时、迅速，判断结果直观，符合钻井施工的需求，具有很好的应用前景。

为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。

所述气体钻井井筒内携岩状态快速判断方法，其原理是通过监测排砂管内大颗粒岩屑运动所产生的音频信号，从而获取大颗粒岩屑的体积和数量信息，间接估算气体钻井返出流体中大颗粒岩屑瞬态体积流量，从而了解井筒内携岩状态信息，为进一步判断井筒内突发掉块、井塌、出砂、砂桥崩溃、出水等异常状况提供依据。其技术关键是对排砂管内大颗粒岩屑的体积及数量进行判断，内容包括管内音频信号的采集，不同直径大小颗粒运动音频信号模型样本的建立，颗粒直径大小的估算方法，气体钻井井筒内携岩状态快速判断方法。

一种气体钻井井筒内携岩状态快速判断方法，依次包括以下步骤：

(1)在排砂管线上游段下壁安装一个音频信号采集器，采集器的拾音元件紧贴管壁，并用隔音材料包裹该段排砂管线，拾音元件也包裹在其中。采集器具有模数转换功能，将采集的模拟信号转换为数字信号，并实现远程实时传输，避免在传输过程中引入新的模拟噪声。

(2)停止钻进的情况下，采集不同直径大小标准岩样颗粒在管内运动的音频信号。

具体方法为：在排砂管线上游段的上壁设置岩样颗粒注入口，入口大小保证可注入最大直径的标准岩样颗粒。停止钻进并保持正常钻进的注气量，在排砂管岩样颗粒注入口逐个掷入直径大小为d₁、d₂…d_n的标准岩样颗粒(n：岩样直径大小编号)，每个岩样颗粒进行m次实验，用音频信号采集器采集其在管内运动的音频信号。

(3)对采集音频信号中的非噪声信号进行端点检测，根据该端点对有效音频信号段进行提取。

(4)对提取的有效音频信号段进行短时能量计算，计算结果作为信号模型样本，建立大颗粒岩屑直径与音频信号特征的对应关系。

具体方法为：首先对提取的有效音频信号段按时间进行分段处理得到若干子段，然后对每个子段求取短时能量，得到该信号段随时间的短时能量分布，将该分布作为标准岩样颗粒的短时能量分布模型样本；每个标准岩样颗粒做m次实验，n个颗粒得到n×m个模型样本集合并建立样本库S，样本库S中各模型样本用s_nm表示，下标n表示岩样直径大小编号，m表示该颗粒第m次实验获得的模型样本。即建立排砂管内运动的大颗粒岩屑直径与音频信号特征的对应关系。

(5)钻进的情况下，提取排砂管内大颗粒岩屑运动产生的音频信号，判别颗粒直径。

具体方法为：在钻进过程中，用步骤(1)的方法实时采集排砂管内音频信号；用步骤(3)的方法实时提取其中某个有效音频信号段x后进行分段，求取短时能量后得到该信号段随时间的短时能量分布y，采用动态时间规整算法(DTW)将y逐个与样本库S中的模型样本s_nm求取匹配距离k_i，找出具有最小匹配距离的模型样本s_nm，即样本库中第n个颗粒的第m次实验得到的模型样本，则判断产生有效音频信号段x的大颗粒岩屑与第n个直径大小的标准岩样颗粒具有相同的直径大小d_n及体积参数。

(6)统计单位时间内排砂管内各种直径大小d_n颗粒对应的数量N_n，即可计算排出大颗粒岩屑的体积，作为单位时间内的大颗粒岩屑体积量V_z：

(7)正常钻进状态下，确立排砂管内排出大颗粒岩屑体积流量与机械钻速的关系。

具体方法为：首先利用机械钻速等相关参数确定正常钻进状态，用(6)方法统计该状态下任意p个单位时间段内排出大颗粒岩屑的体积，求取平均值后得到正常钻进时，排出大颗粒岩屑体积流量的标准值V_zb。改变机械钻速重复上述过程，得到一系列标准值V_zb，用曲线拟合的方式建立钻速rop与标准值V_zb之间的函数关系式V_zb＝f(rop)；并根据现场地质资料情况设定正常的波动范围△V_z(可取ΔV_z＝V_zb*20％)；

(8)快速判断气体钻井井筒内的携岩状态。

具体方法为：钻进过程中，首先将当前机械钻速rop代入函数关系式V_zb＝f(rop)，计算当前正常钻进时应排出的大颗粒岩屑体积流量标准值如果机械钻速稳定，而实时监测到的排出大颗粒岩屑体积流量突然超出正常钻进的波动范围：则判断井筒内气携岩状态不正常，根据岩屑迟到时间参数，可以推断井筒内对应时间点可能出现了掉块、井塌、井底岩爆、砂桥崩溃等异常状况；则判断井筒内气携岩状态不正常，可能出现携岩不畅、地层出水等异常状况，应及时提示施工过程，注意观察扭矩、钻压、转盘憋跳、立管压力等其它参数，综合判断井筒内复杂情况。如果机械钻速有改变，则按照上述过程重新进行判断。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：原理简单可靠，现场操作简便，可长期稳定工作，监测连续实时、迅速，判断结果直观，符合钻井施工的需求，且有一定的适应性，解决了不能使用各种常规方法对气体钻井排砂管线固相物尤其是大颗粒岩屑流量进行监测的问题，解决了不能对气体钻井井筒内携岩状态快速判断的问题。

附图说明

图1是本发明的原理示意图。

图2是排砂管返出流体管内分布示意图。

图中：1是气体流量计，2是钻柱，3是排砂管岩样颗粒注入口，4是排砂管，5是音频信号采集器，6是安装有处理软件的计算机，7是井筒，8是粉尘，9是悬浮颗粒，10是跃移颗粒，11是滚动颗粒。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。通过以下对本发明实施例的详细描述和附图，将会更全面地了解本发明，但不应当将描述和附图看作将本发明局限于所述的具体实施例，它们仅用于解释和理解。

本发明的流程如下(参见图1、图2)：

气体钻井过程中，地面通过钻柱2以恒定流量注入的气体经过井筒7循环后，携带岩屑从排砂管4排出。岩屑在排砂管4中以粉尘8，悬浮颗粒9，跃移颗粒10，滚动颗粒11的形式存在，构成混合流体，将悬浮颗粒9，跃移颗粒10，滚动颗粒11作为大颗粒岩屑。直径最大的滚动颗粒11在管底部以滚动的形式运动；直径次大的跃移颗粒10在管下部以跃移的形式运动；直径较小的悬浮颗粒9在管内紊流的作用下以悬浮的形式运动，悬浮的流动速度较快，但由于其浮力始终小于其自身重力，因此在悬浮一段时间后会沉降至管底再反弹并发出撞击声，然后在紊流的作用下再次进入悬浮状态。三种大颗粒岩屑在管内运移过程中均会产生具有一定特征的有效音频信号，直径最小的粉尘8在管内随气体流动。

第一步：在钻柱2的注气口安装气体流量计1，对钻柱2注入气量进行监测，在排砂管线中段下壁安装具有模数转换功能的音频信号采集器5，采集管内音频信号，排砂管为直径D的等径直管。音频信号采集器5安装位置应在稳定气流段，以保证音频信号采集的准确性，音频信号采集器5能实时将采集的音频信号以数字信号的方式传输给计算机6进行分析和处理。

第二步：停止钻进但保持正常钻进时的注气量Q_g，用气体流量计1实时监测，此时钻头并未破碎地层岩石，故排砂管内无返出岩屑。在排砂管岩样颗粒注入口3由小到大逐个注入不同直径大小d₁、d₂…d_n岩样颗粒，岩样颗粒事先根据地层岩石制作。每个岩样颗粒进行m次实验，用音频信号采集器5采集其在管内运动的音频信号。为了迅速确定d_n的选取范围，事先可用当前注气量Q_g计算排砂管气流速度u_m，利用钻进岩层岩石密度ρ_s，根据岩屑颗粒跃移起动条件、岩屑颗粒滚动起动条件公式(1.NaWei,YingfengMeng,Gao Li.CuttingsTransport Models and Experimental Visualization of Underbalanced HorizontalDrilling[J],Mathematical Problems in Engineering(SCI)2013.IF1.32.2.魏纳，孟英峰，李皋.欠平衡钻水平井岩屑运移可视化实验[J]，天然气工业，2014.1.80～85)计算得到滚动颗粒、跃移颗粒直径的临界值d_gh、d_yh，作为岩样颗粒直径大小选取范围的参考值。

第三步：安装有处理软件的计算机6对采集的音频信号用三门限算法或者能频值算法进行有效信号端点检测，再将端点内的信号段进行复制，成为独立的音频信号段，完成有效音频信号段的提取。算法程序可采用MATLAB、VC++等多种开发环境实现。

第四步：安装有处理软件的计算机6对提取的有效音频信号段进行滤波、分段、短时能量计算后作为信号模型样本，建立样本库S，样本库中含有n×m个模型样本，用s_nm表示，样本库中每个样本模型s_nm对应的颗粒直径大小为已知量d_n。

第五步：在钻井过程中，用第一步的方法采集音频信号，用第三步的方法提取有效信号段x后进行滤波、分段，短时能量计算后得到该信号段的短时能量时间分布y，采用动态时间规整算法(DTW)将该分布y逐个与样本库S中模型样本s_nm求取匹配距离k_i，筛选出最小匹配距离，视该颗粒与匹配距离最小模型样本s_nm对应的标准岩样颗粒具有相同颗粒直径d_n，则完成了有效信号段x对应岩屑颗粒直径大小的识别。可以忽略排砂管气流速度u_m小幅波动对识别结果的影响，如果注气量Qg发生较大变化，从第二步开始重新进行处理。

第六步：以一分钟为单位时间，分别统计一分钟内d₁、d₂…d_n颗粒对应的数量N₁、N₂…N_n，由式得到一分钟内V_z。可以每十秒启动一次统计线程，六个统计线程同时运行，数据每十秒更新一次。

第七步：利用录井获得的机械钻速、地层岩性和空钻公司的注入气量等相关参数确定正常钻进状态，用第六步的方法统计该状态下五个单位时间段内排出岩屑颗粒的总体积，求取平均值后得到正常钻进时排出岩屑颗粒体积流量的标准值V_zb；由于改变机械钻速后会导致排出大颗粒岩屑量的变化，因此在条件允许的情况下，采用其它三～五个典型机械钻速钻进，重复上述过程得到一系列V_zb值，用曲线拟合的方式建立钻速rop与标准值V_zb之间的函数关系式V_zb＝f(rop)；并根据现场地质资料情况和经验设定正常的波动范围ΔV_zb＝V_zb*20％或ΔV_zb＝V_zb*50％。

第八步：钻进过程中，首先将当前机械钻速rop代入关系式V_zb＝f(rop)计算得到当前正常钻进时排出岩屑颗粒体积流量的标准值V_zb，如果机械钻速稳定，而实时监测到排出大颗粒岩屑的体积流量突然超出正常钻进的波动范围：或则判断井筒内气携岩状态不正常，再根据岩屑迟到时间参数，可以推断井筒内对应时间点可能出现了掉块、井塌、井底岩爆、砂桥崩溃或者是携岩不畅、地层出水等异常状况，则应提示施工过程，注意观察扭矩、钻压、转盘憋跳、立管压力等其它参数，综合判断井筒内复杂情况。

Claims (3)

1.一种气体钻井井筒内携岩状态快速判断方法，依次包括以下步骤：

(1)在排砂管线上游段下壁安装一个具有模数转换功能的音频信号采集器；

(2)停止钻进的情况下，采集不同直径大小标准岩样颗粒在管内运动的音频信号，具体包括：在排砂管线上游段的上壁设置岩样颗粒注入口，入口大小保证可注入最大直径的标准岩样颗粒，停止钻进并保持正常钻进的注气量，在排砂管岩样颗粒注入口逐个掷入直径大小为d₁、d₂…d_n的标准岩样颗粒，每个岩样颗粒进行m次实验，用音频信号采集器采集其在管内运动的音频信号；

(3)对采集音频信号中的非噪声信号进行端点检测，根据该端点对有效音频信号段进行提取；

(4)对提取的有效音频信号段进行短时能量计算，计算结果作为信号模型样本，建立大颗粒岩屑直径与音频信号特征的对应关系；

(5)钻进的情况下，提取排砂管内大颗粒岩屑运动产生的音频信号，判别颗粒直径；

(6)统计单位时间内排砂管内各种直径大小d_n颗粒对应的数量N_n，计算排出大颗粒岩屑的体积，作为单位时间内的大颗粒岩屑体积量V_z：

$V_z=\mathrm{\Σ}\frac{4\mathrm{\π}}{3}{\left(\frac{d_n}{2}\right)}^3*N_n;$

(7)正常钻进状态下，确立排砂管内排出大颗粒岩屑体积流量与机械钻速的关系，具体包括：首先利用机械钻速确定正常钻进状态，用(6)方法统计该状态下任意p个单位时间段内排出大颗粒岩屑的体积，求取平均值后得到正常钻进时，排出大颗粒岩屑体积流量的标准值V_zb，改变机械钻速重复上述过程，得到一系列标准值V_zb，用曲线拟合的方式建立钻速rop与标准值V_zb之间的函数关系式V_zb＝f(rop)，并设定正常的波动范围ΔV_z＝V_zb*20％；

(8)快速判断气体钻井井筒内的携岩状态，具体包括：钻进过程中，首先将当前机械钻速rop代入函数关系式V_zb＝f(rop)，计算当前正常钻进时应排出的大颗粒岩屑体积流量标准值如果机械钻速稳定，而实时监测到的排出大颗粒岩屑体积流量突然超出正常钻进的波动范围：则判断井筒内气携岩状态不正常，根据岩屑迟到时间参数，可以推断井筒内对应时间点可能出现了掉块、井塌、井底岩爆或砂桥崩溃的异常状况；则判断井筒内气携岩状态不正常，可能出现携岩不畅或地层出水的异常状况。

2.如权利要求1所述的气体钻井井筒内携岩状态快速判断方法，其特征在于，所述步骤(4)包括：首先对提取的有效音频信号段按时间进行分段处理得到若干子段，然后对每个子段求取短时能量，得到该信号段随时间的短时能量分布，将该分布作为标准岩样颗粒的短时能量分布模型样本；每个标准岩样颗粒做m次实验，n个颗粒得到n×m个模型样本集合并建立样本库S，样本库S中各模型样本用s_nm表示，下标n表示岩样直径大小编号，m表示该颗粒第m次实验获得的模型样本，建立排砂管内运动的大颗粒岩屑直径与音频信号特征的对应关系。

3.如权利要求1所述的气体钻井井筒内携岩状态快速判断方法，其特征在于，所述步骤(5)包括：在钻进过程中，用步骤(1)的方法实时采集排砂管内音频信号；用步骤(3)的方法实时提取其中某个有效音频信号段x后进行分段，求取短时能量后得到该信号段随时间的短时能量分布y，采用动态时间规整算法将y逐个与样本库S中的模型样本s_nm求取匹配距离k_i，找出具有最小匹配距离的模型样本s_nm，即样本库中第n个颗粒的第m次实验得到的模型样本，则判断产生有效音频信号段x的大颗粒岩屑与第n个直径大小的标准岩样颗粒具有相同的直径大小d_n及体积参数。