CN104632198B - 井筒溢流早期监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于石油钻探技术领域，具体地，涉及一种井筒溢流早期监测方法及装置，用于监测井筒环空是否有地层流体(油、气)侵入，预防井喷事故的发生。井筒溢流早期监测装置，包括：井下监测装置、井上监测装置；其中，井下监测装置对井筒环空流体的电容数据、温度数据和压力数据进行实时测量并模数转化，然后发送至井上监测装置，由井上监测装置对监测数据进行分析处理，进行预警和报警。本发明的有益效果如下：实时监测井下环空是否有地层流体侵入，利用井下测量短节内电容测量模块进行监测，在溢流阶段就能准确判别是否有地层流体侵入，提前预警，并通过计算得到的气侵量，为压井材料的准备提供数据支持。
Description
技术领域
本发明属于石油钻探技术领域，具体地，涉及一种井筒溢流早期监测方法及装置，用于监测井筒环空是否有地层流体(油、气)侵入，预防井喷事故的发生。
背景技术
钻井过程中井喷是地层流体(油、气、水)无控制地涌入井筒并喷出地面的现象，井喷有一个发展过程：井侵--溢流--井涌--井喷--井喷失控，每个环节若处理不好就会向下一个环节发展。为此，陆地和海洋平台钻井作业现场需要对井涌是否发生进行实时监测。
目前应用在陆地钻井作业现场的井涌监测方法绝大部分依赖综合录井仪所提供的测量数据，包括：出口流量、钻井液总池体积、泵压、泵冲程、大钩负荷、钻井液出口密度等。这些参数的测量都是在井口之上完成的，因此若发生井涌，此时已经是井涌上返期，侵入井筒的地层流体已快要到达井口，如果报警不及时，井喷事故必然发生，后果不堪设想。
应用于海洋平台钻井作业现场的井涌早期监测方法有：基于科里奥式质量流量计的出口流量的精确测量法和基于PWD的井涌早期监测法等。科里奥式质量流量计对出口流量的监测同样是在井口之上完成，报警仍具有一定的延后性。而通过井下PWD实时测量环空压力并结合水力学模型理论上可以监测环空水力情况，但由于环空压力是环空流动压耗和钻井液静压力综合作用的结果，受工程复杂因素的干扰和排量、流变参数变化的影响较大，给井涌的识别增加了难度，而且井底压力降低或增加不明显，将会提高误判溢流的可能性。一旦发生溢流，没有被PWD监测，这也可能造成井喷的发生。
综上所述，目前应用于陆地及海洋钻井作业现场的井涌早期监测方法和装置对井涌的监测具有延后性及判别不准确的缺点。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种井筒溢流早期监测装置及方法，在溢流阶段监测出是否有地层流体侵入井筒，为钻井安全提供保障。
为实现上述目的，本发明采用下述方案：
井筒溢流早期监测装置，包括：井下监测装置、井上监测装置；其中，井下监测装置对井筒环空流体的电容数据、温度数据和压力数据进行实时测量并模数转化，然后发送至井上监测装置，由井上监测装置对监测数据进行分析处理，进行预警和报警。
相对于现有技术，本发明的有益效果如下：
1、实时监测井下环空是否有地层流体(油、气)侵入：利用井下测量短节内电容测量模块进行监测。若地层流体侵入时，平行板电极片内的电容值变化明显，具有响应灵敏的特点。
2、发生井侵时实时计算地层流体的侵入量：通过实时上传至井上数据分析模块的数据组(电容值、温度值、压力值)，实时计算井下测量短节处环空的地层流体侵入量，进而累积计算地层流体的侵入量。
3、实现井筒环空发生井侵时，在溢流阶段就能准确判别是否有地层流体侵入，提前预警，并通过计算得到的气侵量，为压井材料的准备提供数据支持。
附图说明
图1为井筒溢流早期监测装置的示意图；
图2为井下溢流监测装置的结构示意图；
图3为井下测量短节剖面图；
图4为井下测量短节俯视图；
图中：1、钻头，2、井下测量短节，3、圆角矩形管，31、第一平行不锈钢电极片，32、第二平行电极不锈钢片，33、电容测量模块，34、温度测量模块，35、压力测量模块，4、电源信号电缆，51、供电锂电池，52、数据采集处理模块，53、数据上传模块，54、密封盒，6、泥浆脉冲发生器，7、泥浆脉冲解码器，81、数据传输线，82、井上数据分析及报警系统。
具体实施方式
如图1、图2、图3、图4所示，井筒溢流早期监测装置，包括：井下监测装置、井上监测装置；井下监测装置对井筒环空流体的电容数据、温度数据和压力数据进行实时测量并模数转化，然后发送至井上监测装置，由井上监测装置对监测数据进行分析处理，进行预警和报警。
井下监测装置，包括：井下测量短节2、圆角矩形管3、电容测量模块33、温度测量模块34、压力测量模块35、供电锂电池51、数据采集处理模块52、数据上传模块53和和泥浆脉冲发生器6；
井下测量短节2为上部带内螺纹、下部带外缧纹的圆钢管，井下测量短节2的上下两端分别与钻杆螺纹连接，井下测量短节2的管壁上设置两圆角矩形孔，圆角矩形孔为矩形孔的上下两边用一与竖向两边相切的圆弧替代而成；两圆角矩形孔中心的连线通过井下测量短节2的轴线并与水平面呈30度；
圆角矩形管3斜贯穿两圆角矩形孔，且圆角矩形管3与井下测量短节2的圆角矩形孔相匹配，圆角矩形管3与圆角矩形孔连接处焊接密封，圆角矩形管3形成井筒环空流体的流通测量通道，钻井过程中在通道压差和钻杆旋转作用下，井筒环空内部分流体将从圆角矩形管3内流过。
圆角矩形管3的两竖向壁面分别贴有第一平行不锈钢电极片31和第二平行 不锈钢电极片32，第一平行不锈钢电极片31和第二平行不锈钢电极片32均进行绝缘处理，第一平行不锈钢电极片31和第二平行不锈钢电极片32形成平行电极板；圆角矩形管3顶部设有电容测量模块33、温度测量模块34、压力测量模块35，其中，电容测量模块33通过两条导线分别连接第一平行不锈钢电极片31和第二平行不锈钢电极片32，对平行电极板之间的电容进行实时测量。
井下测量短节2的管壁内侧设有密封盒54，密封盒54内设有供电锂电池51、数据采集处理模块52、数据上传模块53；
电源信号电缆4包括三根电源电缆与三根信号电缆，电源电缆和信号电缆相互绝缘，三根电源电缆与三根信号电缆置于圆形密封钢管内，圆形密封钢管焊接安装在井下测量短节2内侧，三根电源电缆分别连接供电锂电池51和电容测量模块33、供电锂电池51和温度测量模块34、供电锂电池51和压力测量模块35，三根信号电缆分别连接数据采集处理模块52和电容测量模块33、数据采集处理模块52和温度测量模块34、数据采集处理模块52和压力测量模块35；
供电锂电池51对电容测量模块33进行供电，电容测量模块33将第一平行不锈钢电极片31和第二平行不锈钢电极片32之间流体的测量电容信号模数转化成数字信号，该数字信号由信号电缆传送至数据采集处理模块52；
供电锂电池51对温度测量模块34进行供电，温度测量模块34实时测量流通通道内的流体温度，并将温度信号模数转化成数字信号，该数字信号由信号电缆传送至数据采集处理模块52；
供电锂电池51对压力测量模块35进行供电，压力测量模块35实时测量流通通道内的流体压力，并将压力信号模数转化成数字信号，该数字信号通过信号电缆传送至数据采集处理模块52。
数据采集处理模块52由供电锂电池51供电，数据采集处理模块52将接收 的电容数字信号、温度数字信号和压力数字信号处理后，得到监测数据组，监测数据组即：电容值、温度值、压力值，并将监测数据组发送给数据上传模块53。
电容测量模块33、温度测量模块34和压力测量模块35对圆角矩形管3内流体的电容值、温度值、压力值采样频率为10HZ，数据采集处理模块52分别将10HZ的电容、温度和压力数据通过滤波算法处理成1HZ的监测数据组，监测数据组即电容值、温度值、压力值。
泥浆脉冲发生器6置于井下测量短节2上部钻杆的内部。
井上监测装置：泥浆脉冲解码器7、井上数据分析及报警系统82。
数据上传模块53将监测数据组发送至泥浆脉冲发生器6，泥浆脉冲发生器6将监测数据组进行编码，并将编码后监测数据组通过泥浆向地面发送泥浆脉冲信号，地面的泥浆脉冲解码器7接收由泥浆脉冲发生器6编码发送的泥浆脉冲信号，泥浆脉冲解码器7将接收的泥浆脉冲信号解码后得到监测数据组，泥浆脉冲解码器7将监测数据组通过数据传输线81传送至井上数据分析及报警系统82，井上数据分析及报警系统82计算分析电容测量值的变化：若发现电容测量值降低10％，则判别已有地层流体侵入井筒，井上数据分析及报警系统82进行报警；或者发现电容测量值连续降低10秒以上，井上数据分析及报警系统82进行报警。井上数据分析及报警系统82通过温度值、压力值计算判别气侵时的气体物性状态，并根据井筒环空中流体电容值的持续变化幅度和时间，结合钻井液返速和流量，计算地层流体的侵入量大小，为压井材料的准备提供数据支持。
基于电容法井筒溢流早期监测的理论依据：纯油属于中极性结构介质，在第一平行不锈钢电极片31和第二平行不锈钢电极片32之间电场的作用下，所 发生的极化主要是电子位移极化，在电磁波不同频率范围内，位移极化都有可能完成，即位移极化与交变电场频率无关，所以纯油的相对介电常数不会随外加电磁场的频率变化而变化，约2.3左右。常见气体(CO2、CH4、H2S等)属于非极性分子结构介质，在第一平行不锈钢电极片31和第二平行不锈钢电极片32之间电场的作用下，几乎不发生极化，相对介电常数约1左右。钻井液绝大部分由水构成，水是极性介质，外加电场频率较低时，取向极化发生比较充分，因此，在常温常压下，水的相对介电常数在80左右，即使在高温高压下，其相对介电常数也在50左右。井筒发生井侵时(油侵、气侵)，地层流体侵入井筒环空，钻井液相对介电常数与油、气的相对介电常数相差很大，而电容(C-电容量F；ε0-真空介电常数；εr-相对介电常数；S-为极板面积m2；d-极板间距m)，因此，测量第一平行不锈钢电极片31和第二平行不锈钢电极片32之间流体的电容变化能够监测地层流体是否侵入井筒环空。
井上数据分析及报警系统82对数据的处理方法：根据温度测量值通过公式εw＝Ae-bt(A＝87.85306、b＝0.00456992、t-温度值℃)计算圆角矩形管3内无地层流体侵入时的钻井液相对介电常数εw。利用电容测量值，通过公式(C-电容量F；ε0-真空介电常数；εr-相对介电常数；S-为极板面积m2；d-极板间距m)计算圆角矩形管3内流体的相对介电常数εr。(1)对于井底发生气侵时，根据气体的相对介电常数εg(约为1)，通过公式(ag为气体的体积分数)计算气体的体积分数ag。通过温度值、压力值计算判别气侵时的气体物性状态(液体、气态、超临界态)，再根据钻井流体返出流量积计算 累气体侵入量。(2)对于井底发生油侵时，根据原油的相对介电常数ε0(约为2.3)通过公式(ao为原油的体积分数)计算原油的体积分数ao，再根据钻井流体返出流量计算累积原油侵入量。。
井上数据分析及报警系统82对井侵发生是否的判别方法：(1)对于气侵发生时，第一平行不锈钢电极片31和第二平行不锈钢电极片32之间流体相对介电常数εr变化10％时即判别发生井侵，此时气体的体积分数ag约为5.9％，进行报警。或者第一平行不锈钢电极片31和第二平行不锈钢电极片32之间流体相对介电常数εr连续降低时间超过10秒即判别发生井侵，进行预警，提示钻井作业者井底发生井侵，地层流体侵入累积时间超过30秒进行报警。此时根据井上数据分析及报警系统82提供的气体侵入量和气体的物性状态准备压井材料。(2)对于油侵发生时，第一平行不锈钢电极片31和第二平行不锈钢电极片32之间流体相对介电常数εr变化10％时即判别发生井侵，此时原油的体积分数ao约为6.4％，进行报警。或者第一平行不锈钢电极片31和第二平行不锈钢电极片32之间流体相对介电常数εr连续降低时间超过10秒即判别发生井侵，进行预警，提示钻井作业者井底发生井侵，地层流体侵入累积时间超过30秒进行报警。此时根据井上数据分析及报警系统82提供的原油侵入量准备压井材料。
Claims (6)
1.一种井筒溢流早期监测装置，包括：井下监测装置、井上监测装置；其特征在于，井下监测装置对井筒环空流体的电容数据、温度数据和压力数据进行实时测量并模数转化，然后发送至井上监测装置，由井上监测装置对监测数据进行分析处理，进行预警和报警；
井下监测装置，包括：井下测量短节、圆角矩形管、电容测量模块、温度测量模块、压力测量模块、供电锂电池、数据采集处理模块、数据上传模块和泥浆脉冲发生器；井上监测装置,包括：泥浆脉冲解码器、井上数据分析及报警系统；
井下测量短节为上部带内螺纹、下部带外缧纹的圆钢管，井下测量短节的上下两端分别与钻杆螺纹连接，井下测量短节的管壁上设置两圆角矩形孔，圆角矩形孔为矩形孔的上下两边用一与竖向两边相切的圆弧替代而成；两圆角矩形孔中心的连线通过井下测量短节的轴线并与水平面呈30度；圆角矩形管斜贯穿两圆角矩形孔，且圆角矩形管与井下测量短节的圆角矩形孔相匹配，圆角矩形管与圆角矩形孔连接处焊接密封；
圆角矩形管的两竖向壁面分别贴有第一平行不锈钢电极片和第二平行不锈钢电极片，第一平行不锈钢电极片和第二平行不锈钢电极片均进行绝缘处理，第一平行不锈钢电极片和第二平行不锈钢电极片形成平行电极板；圆角矩形管顶部设有电容测量模块、温度测量模块、压力测量模块，其中，电容测量模块通过两条导线分别连接第一平行不锈钢电极片和第二平行不锈钢电极片，对平行电极板之间的电容进行实时测量；
井下测量短节的管壁内侧设有密封盒，密封盒内设有供电锂电池、数据采集处理模块、数据上传模块；电源信号电缆包括三根电源电缆与三根信号电缆，电源电缆和信号电缆相互绝缘，三根电源电缆与三根信号电缆置于圆形密封钢 管内，圆形密封钢管焊接安装在井下测量短节内侧，三根电源电缆分别连接供电锂电池和电容测量模块、供电锂电池和温度测量模块、供电锂电池和压力测量模块，三根信号电缆分别连接数据采集处理模块和电容测量模块、数据采集处理模块和温度测量模块、数据采集处理模块和压力测量模块；供电锂电池对电容测量模块进行供电，电容测量模块将第一平行不锈钢电极片和第二平行不锈钢电极片之间流体的测量电容信号模数转化成数字信号，该数字信号由信号电缆传送至数据采集处理模块；供电锂电池对温度测量模块进行供电，温度测量模块实时测量流通通道内的流体温度，并将温度信号模数转化成数字信号，该数字信号由信号电缆传送至数据采集处理模块；供电锂电池对压力测量模块进行供电，压力测量模块实时测量流通通道内的流体压力，并将压力信号模数转化成数字信号，该数字信号通过信号电缆传送至数据采集处理模块。
2.根据权利要求1所述的井筒溢流早期监测装置，其特征在于，数据采集处理模块由供电锂电池供电，数据采集处理模块将接收的电容数字信号、温度数字信号和压力数字信号处理后，得到监测数据组，监测数据组即：电容值、温度值、压力值，并将监测数据组发送给数据上传模块。
3.根据权利要求2所述的井筒溢流早期监测装置，其特征在于，电容测量模块、温度测量模块和压力测量模块对圆角矩形管内流体的电容值、温度值、压力值采样频率为10HZ，数据采集处理模块分别将10HZ的电容、温度和压力数据通过滤波算法处理成1HZ的监测数据组。
4.根据权利要求3所述的井筒溢流早期监测装置，其特征在于，泥浆脉冲发生器置于井下测量短节上部钻杆的内部。
5.根据权利要求4所述的井筒溢流早期监测装置，其特征在于，数据上传模块将监测数据组发送至泥浆脉冲发生器，泥浆脉冲发生器将监测数据组进 行编码，并将编码后监测数据组通过泥浆向地面发送泥浆脉冲信号，地面的泥浆脉冲解码器接收由泥浆脉冲发生器编码发送的泥浆脉冲信号，泥浆脉冲解码器将接收的泥浆脉冲信号解码后得到监测数据组，泥浆脉冲解码器将监测数据组通过数据传输线传送至井上数据分析及报警系统，井上数据分析及报警系统计算分析电容测量值的变化：若发现电容测量值降低10％，则判别已有地层流体侵入井筒，井上数据分析及报警系统进行报警；或者发现电容测量值连续降低10秒以上，井上数据分析及报警系统进行报警。
6.根据权利要求5所述的井筒溢流早期监测装置，其特征在于，井上数据分析及报警系统通过温度值、压力值计算判别气侵时的气体物性状态，并根据井筒环空中流体电容值的持续变化幅度和时间，结合钻井液返速和流量，计算地层流体的侵入量大小，为压井材料的准备提供数据支持。
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