CN104632111A - 一种在充气钻井条件下使用泥浆脉冲传输井下信号的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在充气钻井条件下使用泥浆脉冲传输井下信号的装置及方法，包括信号接收传感器（12）和注气流量自动控制单元（17），信号接收传感器（12）设置在立管（11）上；注气流量自动控制单元（17）包括注气流量控制阀（14）、控制器（15）和排放气量流量计（16），注气流量控制阀（14）和排放气量流量计（16）分别连接于注气管线与地面大气环境（18）之间，注气流量控制阀（14）与控制器（15）的控制信号输出端相连，信号接收传感器（12）与控制器（15）的采样信号输入端连接。本发明可实现最大注气量和最小注气量的分时段间隔注气，在最小注气量时段有效传输信号，在最大注气量时段放弃传输信号、保障井内压力控制所需的注气体积。

Description

一种在充气钻井条件下使用泥浆脉冲传输井下信号的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种在充气钻井条件下使用泥浆脉冲传输井下信号的装置及方法。

背景技术

在勘探、开采石油与天然气的钻井过程中，经常需要将井下的某些传感器测得的工程参数传递到地面，例如：1、控压钻井中井下实测的压力和温度。2、定向井、水平井等轨迹控制钻井中井下实测的井斜角、方位角、工具面角等。3、地质导向钻井中井下实测的伽马、中子、电阻率等。有时也会遇到将地面信号传输到井下的需求，如：闭环地质导向钻井的轨迹控制中，将地面调整指令发送到井下，改变井下造斜工具的姿态参数，以期达到改变井眼轨迹的目的。

常规钻井条件下钻井液为液体，此时传输井下信号最常用的方法是“脉冲信号发生器”，它通过控制装在钻柱内的井下阀开度的大小，产生钻井液中的压力脉冲，此压力脉冲沿钻柱内液体向上传输，到达地面后被监测传感器记录。井下测量的参数变成编码，以压力波形式传递到地面，被接收之后解释出井下参数。这种传输技术被称之为“泥浆脉冲传输”(MWD——Measurement While Drilling)，是目前世界最广泛成功应用的主力技术。

然而，某些特殊情况下，人们必须向钻井液内注气，地面的气液两相流体通过钻柱流至井底，由井底通过环空返至地面。此种情况下，钻柱内向下流动的不是液体，而是气液混合流体。在这种情况下，由于压力波在含气流体中的衰减和畸变，井下脉冲发生器产生的压力波不能传输到地面，地面监测传感器接收不到有效信号，压力脉冲信号传输技术在此种条件下完全失效。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在通过钻杆向井内环空充气的充气钻井条件下，在常规压力脉冲仪器传输的技术条件下，既能连续间断传输井下信号，又能实现连续的阶段注气的充气钻井作业的在充气钻井条件下使用泥浆脉冲传输井下信号的装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种在充气钻井条件下使用泥浆脉冲传输井下信号的装置，包括钻井液输送组件、注气组件、气液混合器、钻井组件和返出分离组件；

钻井液输送组件包括泥浆罐和泥浆泵，泥浆罐通过泥浆泵与气液混合器的一个入口相连；注气组件包括空压机，空压机通过注气管线与气液混合器的另一个入口连接；

钻井组件包括压力脉冲发生器、钻柱、井筒、返出口和水龙头，返出口设置于井筒的顶部，压力脉冲发生器设置于钻柱的底部，水龙头设置于钻柱的顶部，水龙头通过立管和高压注入管线与气液混合器的出口相连；

返出分离组件通过返出管线与返出口相连；

还包括信号接收传感器和注气流量自动控制单元，信号接收传感器设置在立管上；注气流量自动控制单元包括注气流量控制阀、控制器和排放气量流量计，注气流量控制阀和排放气量流量计分别连接于注气管线与地面大气环境之间，注气流量控制阀与控制器的控制信号输出端相连，信号接收传感器与控制器的采样信号输入端连接。

所述的气液混合器靠近钻台及水龙头设置。

所述的控制器上设置有最小注气量计算模块，用于计算信号接收传感器能够正常接收压力脉冲信号的临界注气量。

所述的控制器上设置有计时模块，用于计算信号接收传感器接收一组完整参数所需的最短时间。

所述的控制器上设置有最短切换时间计算模块，用于根据最大注气量条件下的压力脉冲信号传输距离计算最短切换时间。

一种在充气钻井条件下使用泥浆脉冲传输井下信号的方法，包括以下步骤：

S1：确定信号接收传感器能够正常接收压力脉冲信号的临界注气量即最小注气量Q_最小：

完全打开注气流量控制阀，注气量从零开始；逐渐减小注气流量控制阀的开度，增加注气量并稳定循环一周，信号接收传感器连续读取井下压力脉冲信号，直到信号接收传感器接收不到压力脉冲信号为止，该临界时刻的注气量即为最小注气量Q_最小；

S2：确定信号接收传感器接收一组完整参数所需的最短时间t_接收：

在最小注气量Q_最小的条件下循环，记录信号接收传感器接收到的压力脉冲信号，由读取的压力脉冲信号判断读取一组完整参数所需的最短时间t_接收；

S3：确定最大注气量Q_最大条件下压力脉冲信号的传输距离，进而确定所需的最短切换时间t_切换：

完全关闭注气流量控制阀，达到最大注气量Q_最大，循环满一周，此时地面的信号接收传感器接收不到有效的压力脉冲信号，在井内的压力脉冲信号只能从井底向上传输到井内某个高度位置，该位置向下能够接收到压力脉冲信号，向上则接收不到；

将注气量由最大注气量Q_最大切换到最小注气量Q_最小，隔一段时间后信号接收传感器重新接收到有效的压力脉冲信号，该段时间即为由最大注气量切换到最小注气量后能够有效接收到压力脉冲信号的最短时间t_切换；

计算气液混合流体的体积、流量，并根据管道内径计算移动距离，从而得到最大注气量Q_最大条件下压力脉冲信号的最大传输距离；

S4：校准该钻井条件下的注气流量控制阀：

在最大注气量Q_最大条件下，注气流量控制阀完全关闭；

微调注气流量控制阀的开度，使注入井内气量为最小注气量Q_最小时，排放气量为Q_最大-Q_最小，与排放气量流量计的读数保持一致；

S5：交替注气施工：

计算最小注气量Q_最小的注入持续时间t_最小＝t_切换+t_接收；

在持续以最大注气量Q_最大注气t_最大时间后，以最小注气量Q_最小注气t_最小时间完成一个交替周期，以此反复。

本发明的有益效果是：本发明操作者可以现场确定可有效传输压力脉冲信号的极限注气量、最大注气量条件下的脉冲信号可达深度、有效读取井下参数的最短时间；由脉冲信号可达深度、有效读取参数最短时间，确定在极限注气量条件下传输一组完整参数的时间。然后通过配套装置的自动控制，可实现最大注气量和极限(最小)注气量的分时段间隔注气，在最小注气量时段有效传输信号，在最大注气量时段放弃传输信号、保障井内压力控制所需的注气体积。利用本发明，既实现了连续的阶段注气的充气钻井作业，又实现了连续间隔式传输井下信号的需求。最短信号传输间隔可以做到每10分钟一组，该采样密度可以满足一般地质导向钻井和轨迹控制钻井的要求。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为本发明间隔注气注气量-时间关系图；

图中，1-喷嘴，2-钻头，3-传感器，4-压力脉冲发生器，5-钻柱，6-环空，7-井筒，8-返出口，9-井口组合，10-水龙头，11-立管，12-信号接收传感器，13-气液混合器，14-注气流量控制阀，15-控制器，16-排放气量流量计，17-注气流量自动控制单元，18-地面大气环境，19-空压机，20-泥浆泵，21-泥浆罐，22-钻井液，23-气液固三相分离器，24-气相，25-液相，26-固相，27-液相输送泵，28-高压注入管线，29-钻台，30-返出管线。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

通过理论研究、室内实验和现场试验，我们找到并验证了2条重要的客观发现：1、充气钻井条件下，井下压力脉冲信号是否能传递到地面，与钻井过程中的充气量直接相关：一定钻井条件下，存在一个极限充气量。在小于此极限充气量的条件下，压力脉冲信号可以传递到地面；反之，在大于此极限充气量的条件下，压力脉冲信号不可以传递到地面。在常见钻井条件下该极限注气量的范围为6～10m³/min。2、在较大充气量条件下，虽然井下压力脉冲信号不能传递到地面，但并非在整个钻柱内都没有有效信号，而只是在上部一小段井段内没有有效信号。也就是说，在较大充气量条件下，井下压力脉冲信号向上传输，并沿传输路程衰减，直到达到某点时，信号能量衰减至背景噪声的能量水平，信号消失。在常见钻井条件下，这个信号消失的深度在距地面200至500米之间。

如图1所示，一种在充气钻井条件下使用泥浆脉冲传输井下信号的装置，包括钻井液输送组件、注气组件、气液混合器13、钻井组件和返出分离组件；

钻井液输送组件包括泥浆罐21和泥浆泵20，钻井液22置于泥浆罐21内，泥浆罐21通过泥浆泵20与气液混合器13的一个入口相连；注气组件包括空压机19，空压机19通过注气管线与气液混合器13的另一个入口连接；

钻井组件包括钻头2、传感器3、压力脉冲发生器4、钻柱5、环空6、井筒7、返出口8、井口组合9和水龙头10。钻头2上安装有合适的喷嘴1，尽量提高注入压力，一方面有助于钻井的高效破岩，另一方面可以大幅度提高最大注气量下压力脉冲信号的可达深度。尽量选用大功率的井下压力脉冲发生器4，有助于提高压力脉冲信号的传输距离。

传感器3设置于压力脉冲发生器4下方且与压力脉冲发生器4电连接，钻柱5与井筒7之间形成环空6。返出口8和井口组合9设置于井筒7的顶部，压力脉冲发生器4设置于钻柱5的底部，水龙头10设置于钻柱5的顶部，水龙头10通过立管11和高压注入管线28与气液混合器13的出口相连；

返出分离组件通过返出管线30与返出口8相连；返出分离组件包括气液固三相分离器23和液相输送泵27，返出口8通过返出管线30与气液固三相分离器23的入口连接，气液固三相分离器23的液相25的出口通过液相输送泵27与泥浆罐21相连，气相24和固相26分别从气液固三相分离器23排出；

在充气钻井条件下使用泥浆脉冲传输井下信号的装置还包括信号接收传感器12和注气流量自动控制单元17，信号接收传感器12设置在立管11上；注气流量自动控制单元17包括注气流量控制阀14、控制器15和排放气量流量计16，注气流量控制阀14和排放气量流量计16分别连接于注气管线与地面大气环境18之间，注气流量控制阀14与控制器15的控制信号输出端相连，信号接收传感器12与控制器15的采样信号输入端连接。

所述的气液混合器13靠近钻台29及水龙头10设置，尽量前移高压注入管线28的注气点，靠近钻台29，有助于缩短最大注气量转换最小注气量后有效接收信号的时间。

所述的控制器15上设置有最小注气量计算模块，用于计算信号接收传感器12能够正常接收压力脉冲信号的临界注气量。

所述的控制器15上设置有计时模块，用于计算信号接收传感器12接收一组完整参数所需的最短时间。

所述的控制器15上设置有最短切换时间计算模块，用于根据最大注气量条件下的压力脉冲信号传输距离计算最短切换时间。

一种在充气钻井条件下使用泥浆脉冲传输井下信号的方法，包括以下步骤：

S1：确定信号接收传感器12能够正常接收压力脉冲信号的临界注气量即最小注气量Q_{最 小}：

完全打开注气流量控制阀14，注气量从零开始；逐渐减小注气流量控制阀14的开度，增加注气量(例如每次增加2m³/min)并稳定循环一周，信号接收传感器12连续读取井下压力脉冲信号，直到信号接收传感器12接收不到压力脉冲信号为止，该临界时刻的注气量即为最小注气量Q_最小；例如：0、2、4、6、8m³/min注气量都可以正常接收信号，但在10m³/min时不能正常接收信号，则保证压力脉冲信号正常传输的临界注气量为8m³/min。

S2：确定信号接收传感器12接收一组完整参数所需的最短时间t_接收：

在最小注气量Q_最小的条件下循环，记录信号接收传感器12接收到的压力脉冲信号，由读取的压力脉冲信号判断读取一组完整参数所需的最短时间t_接收；一般情况下，对轨迹控制作业中读取一组井斜角、方位角、工具面角的最短时间约为半分钟，对地质导向作业中读取一组参数的时间在1～2分钟之间。

S3：确定最大注气量Q_最大条件下压力脉冲信号的传输距离，进而确定所需的最短切换时间t_切换：

完全关闭注气流量控制阀14，达到最大注气量Q_最大，循环满一周，此时地面的信号接收传感器12接收不到有效的压力脉冲信号，在井内的压力脉冲信号只能从井底向上传输到井内某个高度位置，该位置向下能够接收到压力脉冲信号，向上则接收不到；

将注气量由最大注气量Q_最大切换到最小注气量Q_最小，隔一段时间后信号接收传感器12重新接收到有效的压力脉冲信号，该段时间即为由最大注气量切换到最小注气量后能够有效接收到压力脉冲信号的最短时间t_切换；

计算气液混合流体的体积、流量，并根据管道内径计算移动距离，从而得到最大注气量Q_最大条件下压力脉冲信号的最大传输距离；一般钻井条件下，该位置距离井口在200～500米之间。

S4：校准该钻井条件下的注气流量控制阀14：

在最大注气量Q_最大条件下，注气流量控制阀14完全关闭；

微调注气流量控制阀14的开度，使注入井内气量为最小注气量Q_最小时，排放气量为Q_{最 大}-Q_最小，与排放气量流量计16的读数保持一致；

调整阀门开度，绘制气量-开度-压力图版，近似的，有气量-开度-压力图版可用，可以在压力确定的条件下查出对应气量的阀门开度。

S5：交替注气施工：

t_切换——上述求得的由最大注气量切换到最小注气量后，能接收到有效信号的最短时间；

t_接收——由接收到有效信号到完整接收到一组参数的最短时间；

t_最小——最小注气量的注入持续时间：t_最小＝t_切换+t_接收；

t_最大——最大注气量的注入持续时间；

t_间隔——工程上确定的必需提供一组完整参数的时间间隔；

计算最小注气量Q_最小的注入持续时间t_最小＝t_切换+t_接收；

向控制器15输入t_最小、t_最大、Q_最小参数，空压机19以最大注气量Q_最大工作，注气流量自动控制单元17则通过注气流量控制阀14自动控制注气量实现间隔变化注气；

如图2所示，在持续以最大注气量Q_最大注气t_最大时间后，以最小注气量Q_最小注气t_最小时间完成一个交替周期，以此反复。

假设，由工程计算得到的设计注气量为Q_设计，则有如下关系：

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其它实施例的排除，而可用于各种其它组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种在充气钻井条件下使用泥浆脉冲传输井下信号的装置，包括钻井液输送组件、注气组件、气液混合器（13）、钻井组件和返出分离组件；

钻井液输送组件包括泥浆罐（21）和泥浆泵（20），泥浆罐（21）通过泥浆泵（20）与气液混合器（13）的一个入口相连；注气组件包括空压机（19），空压机（19）通过注气管线与气液混合器（13）的另一个入口连接；

钻井组件包括压力脉冲发生器（4）、钻柱（5）、井筒（7）、返出口（8）和水龙头（10），返出口（8）设置于井筒（7）的顶部，压力脉冲发生器（4）设置于钻柱（5）的底部，水龙头（10）设置于钻柱（5）的顶部，水龙头（10）通过立管（11）和高压注入管线（28）与气液混合器（13）的出口相连；

返出分离组件通过返出管线（30）与返出口（8）相连；

其特征在于：还包括信号接收传感器（12）和注气流量自动控制单元（17），信号接收传感器（12）设置在立管（11）上；注气流量自动控制单元（17）包括注气流量控制阀（14）、控制器（15）和排放气量流量计（16），注气流量控制阀（14）和排放气量流量计（16）分别连接于注气管线与地面大气环境（18）之间，注气流量控制阀（14）与控制器（15）的控制信号输出端相连，信号接收传感器（12）与控制器（15）的采样信号输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种在充气钻井条件下使用泥浆脉冲传输井下信号的装置，其特征在于：所述的气液混合器（13）靠近钻台（29）及水龙头（10）设置。

3.根据权利要求1所述的一种在充气钻井条件下使用泥浆脉冲传输井下信号的装置，其特征在于：所述的控制器（15）上设置有最小注气量计算模块，用于计算信号接收传感器（12）能够正常接收压力脉冲信号的临界注气量。

4.根据权利要求1所述的一种在充气钻井条件下使用泥浆脉冲传输井下信号的装置，其特征在于：所述的控制器（15）上设置有计时模块，用于计算信号接收传感器（12）接收一组完整参数所需的最短时间。

5.根据权利要求1所述的一种在充气钻井条件下使用泥浆脉冲传输井下信号的装置，其特征在于：所述的控制器（15）上设置有最短切换时间计算模块，用于根据最大注气量条件下的压力脉冲信号传输距离计算最短切换时间。

6.一种在充气钻井条件下使用泥浆脉冲传输井下信号的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：确定信号接收传感器（12）能够正常接收压力脉冲信号的临界注气量即最小注气量Q_最小：

完全打开注气流量控制阀（14），注气量从零开始；逐渐减小注气流量控制阀（14）的开度，增加注气量并稳定循环一周，信号接收传感器（12）连续读取井下压力脉冲信号，直到信号接收传感器（12）接收不到压力脉冲信号为止，该临界时刻的注气量即为最小注气量Q_最小；

S2：确定信号接收传感器（12）接收一组完整参数所需的最短时间t_接收：

在最小注气量Q_最小的条件下循环，记录信号接收传感器（12）接收到的压力脉冲信号，由读取的压力脉冲信号判断读取一组完整参数所需的最短时间t_接收；

S3：确定最大注气量Q_最大条件下压力脉冲信号的传输距离，进而确定所需的最短切换时间t_切换：

完全关闭注气流量控制阀（14），达到最大注气量Q_最大，循环满一周，此时地面的信号接收传感器（12）接收不到有效的压力脉冲信号，在井内的压力脉冲信号只能从井底向上传输到井内某个高度位置，该位置向下能够接收到压力脉冲信号，向上则接收不到；

将注气量由最大注气量Q_最大切换到最小注气量Q_最小，隔一段时间后信号接收传感器（12）重新接收到有效的压力脉冲信号，该段时间即为由最大注气量切换到最小注气量后能够有效接收到压力脉冲信号的最短时间t_切换；

计算气液混合流体的体积、流量，并根据管道内径计算移动距离，从而得到最大注气量Q_最大条件下压力脉冲信号的最大传输距离；

S4：校准该钻井条件下的注气流量控制阀（14）：

在最大注气量Q_最大条件下，注气流量控制阀（14）完全关闭；

微调注气流量控制阀（14）的开度，使注入井内气量为最小注气量Q_最小时，排放气量为Q_最大-Q_最小，与排放气量流量计（16）的读数保持一致；

S5：交替注气施工：

计算最小注气量Q_最小的注入持续时间t_最小= t_切换+ t_接收；

在持续以最大注气量Q_最大注气t_最大时间后，以最小注气量Q_最小注气t_最小时间完成一个交替周期，以此反复。