CN104712320B - 钻井过程中气侵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，涉及一种钻井过程中气侵早期监测装置及方法。钻井过程中气侵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声波衰减数据、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。本发明实时监测井下环空是否有地层气体侵入，具有响应灵敏的特点，通过实时上传至井上数据分析模块的数据组，实时计算井下测量短节处环空的地层气体侵入量，进而累积计算地层气体的侵入量，在气侵阶段就能准确判别是否有地层气体侵入，提前预警，并通过计算得到气侵量，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，涉及一种钻井过程中气侵早期监测装置及方法，用于监测井筒环空是否有地层气体侵入，预防井喷事故的发生。
背景技术
钻井过程中，当地层孔隙压力大于井底压力时，地层孔隙中的天然气将侵入井内，称之为气侵。若地层中的天然气大量侵入井筒并喷出地面的现象称之为气侵井喷，气侵井喷有一个发展过程：气侵--溢流--井涌--井喷--井喷失控。由于气体有压缩和膨胀的特性，气体侵入钻井液后，在井底时因受上部液柱的压力，气体体积很小，气侵很难被发现，具有隐蔽性。随着钻井液循环上返，气体上升速度越来越大，气体所受液柱压力也会逐渐减小，气体体积就逐渐膨胀增大，特别是气体接近地面时气体膨胀就很快增大，此时已经是井涌上返期，很容易就造成井喷事故发生。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，因此若发生气侵，此时已经是井涌上返期，侵入井筒的地层气体已快要到达井口，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，将会提高误判井涌的可能性。一旦发生井涌，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气侵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，本发明提供一种钻井过程中气侵早期监测装置及方法，在气侵阶段监测出是否有地层气体侵入井筒，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：
钻井过程中气侵早期监测装置，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声波衰减数据、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气体侵入：利用井下测量短节内声波测量模块进行监测。若地层气体侵入，声波衰减明显，具有响应灵敏的特点。
2、发生气侵时实时计算地层气体的侵入量：通过实时上传至井上数据分析模块的数据组(声波衰减值、温度值、压力值)，实时计算井下测量短节处环空的地层气体侵入量，进而累积计算地层气体的侵入量。
3、实现井筒环空发生气侵时，在气侵阶段就能准确判别是否有地层气体侵入，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为钻井过程中气侵早期监测装置的示意图；
图2为井下气侵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、矩形管，41、监测模块密封盒，42、超声波探头，43、超声波测量模块，44、温度传感器，45、温度测量模块，46、压力传感器，47、压力测量模块，5、电源信号电缆，61、密封盒，62、供电锂电池，63、数据采集处理模块，64、数据上传模块，7、泥浆脉冲发生器，8、泥浆脉冲解码器，91、数据传输线，92、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，钻井过程中气侵早期监测装置，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声波衰减数据、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、矩形管3、超声波测量模块43、温度测量模块45、压力测量模块47、供电锂电池62、数据采集处理模块63、数据上传模块64和和泥浆脉冲发生器7；
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的管壁上设置两矩形孔，两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20度；
矩形管3斜贯穿两矩形孔，且矩形管3与井下测量短节2的矩形孔相匹配，矩形管3与矩形孔连接处焊接密封，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矩形 管3内流过。
矩形管3顶部设有监测模块密封盒41，监测模块密封盒41内安装有超声波测量模块43、温度测量模块45和压力测量模块47。监测模块密封盒41下表面嵌入密封有超声波探头42，超声波测量模块43通过导线与超声波探头42连接，对矩形管3内流体的声波衰减进行实时测量。监测模块密封盒41下表面密封嵌入密封有温度传感器44，温度测量模块45通过导线与温度传感器44连接，对矩形管3内流体的温度数据进行实时测量。监测模块密封盒41下表面密封嵌入密封有压力传感器46，压力测量模块47通过导线与压力传感器46连接，对矩形管3内流体的压力数据进行实时测量。
井下测量短节2的管壁内侧设有密封盒61，密封盒61内设有供电锂电池62、数据采集处理模块63、数据上传模块64；
电源信号电缆5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62和超声波测量模块43、供电锂电池62和温度测量模块45、供电锂电池62和压力测量模块47，三根信号电缆分别连接数据采集处理模块63和超声波测量模块43、数据采集处理模块63和温度测量模块45、数据采集处理模块63和压力测量模块47；
供电锂电池62对超声波测量模块43进行供电，超声波测量模块43将入射波信号通过导线传递给超声波探头42，超声波探头42发射入射波，入射波经过监测模块密封盒41下表面和矩形管3下底面之间流体，在矩形管3下底面反射，形成反射波，反射波经过矩形管3下底面和监测模块密封盒41下表面之间流体，传递到超声波探头42，反射波被超声波探头42接收，超声波探头42将接收的 反射波信号通过导线传递至超声波测量模块43。超声波测量模块43将入射波信号与反射波信号与相减，得到衰减波信号，衰减波信号与入射波信号相除即得到声波衰减信号，超声波测量模块43将声波衰减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63；
供电锂电池62对温度测量模块45进行供电，温度测量模块45通过温度传感器44实时测量矩形管3内流体温度，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63；
供电锂电池62对压力测量模块475进行供电，压力测量模块47通过压力传感器46实时测量矩形管3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63。
数据采集处理模块63由供电锂电池62供电，数据采集处理模块63将接收的声波衰减数字信号、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：声波衰减值、温度值、压力值，并将监测数据组发送给数据上传模块64。
超声波测量模块43、温度测量模块45和压力测量模块47对矩形管3内流体的声波衰减值、温度值、压力值采样频率为20HZ，数据采集处理模块63分别将20HZ的声波衰减、温度和压力数据通过滤波算法处理成1HZ的监测数据组，监测数据组即声波衰减值、温度值、压力值。
泥浆脉冲发生器7置于井下测量短节2上部钻杆的内部。
井上监测装置，包括：泥浆脉冲解码器8、井上数据分析及报警系统92，泥浆脉冲解码器8通过数据传输线91与井上数据分析及报警系统92相连。
数据上传模块64将监测数据组发送至泥浆脉冲发生器7，泥浆脉冲发生器7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8接收由泥浆脉冲发生器7编码发送的泥浆脉冲信号，泥浆脉冲解码器8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8将监测数据组通过数据传输线91传送至井上数据分析及报警系统92，井上数据分析及报警系统92计算分析声波衰减测量值的变化：若发现声波衰减测量值增加至6％，则判别已有地层气体侵入井筒，井上数据分析及报警系统92进行报警；或者发现声波衰减测量值连续增加30秒以上，井上数据分析及报警系统92进行报警。井上数据分析及报警系统92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声波衰减值的持续变化幅度和时间，结合钻井液返速和流量，计算地层气体的侵入量大小，为压井材料的准备提供数据支持。
基于声波衰减法井筒气侵早期监测的理论依据：矩形管3内流体是纯液体时，由于纯液体的粘滞性稳定，且监测模块密封盒41下表面和矩形管3下底面之间距离很短，所以无气体存在时声波衰减值稳定且很小，近乎可以忽略。当矩形管3内流体含有气体时，由于气泡对声波具有散射效应，此时在介质中除了原已有的声波外,还会出现一列从气泡向四周散射的散射波,这两种声波在空间中叠加产生干涉，造成声波的衰减，且声波的衰减与流体中气体的含量成正比。
井上数据分析及报警系统92对井筒气侵发生是否的判别方法：(1)监测模块密封盒41下表面和矩形管3下底面之间流体声波衰减测量值增加至6％，则判别已有地层气体侵入井筒，井上数据分析及报警系统92进行报警；(2)监测模块密封盒41下表面和矩形管3下底面之间流体声波衰减测量值连续增加时间超过15秒即判别发生气侵，进行预警，提示钻井作业者井底发生井侵，地层气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92提供 的气体侵入量和气体的物性状态准备压井材料。
井上数据分析及报警系统92对数据的处理方法：已判别地层气体侵入井筒时，根据声波衰减测量值持续变化幅度和时间，结合钻井液返速和流量，计算地层气体的侵入量大小，再根据温度测量值和压力测量值，通过气体状态方程PV＝nRT(P-气体压强Pa、V-气体体积m3、n-气体物质的量mol、T-体系温度℃)计算气体到达井口时的体积。井上数据分析及报警系统92根据气体达到井口体积和气体的物性状态准备压井材料。
Claims (4)
1.一种钻井过程中气侵早期监测装置，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声波衰减数据、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、矩形管、超声波测量模块、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，泥浆脉冲解码器通过数据传输线与井上数据分析及报警系统相连；
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矩形孔，矩形管斜贯穿两矩形孔，且矩形管与井下测量短节的矩形孔相匹配，矩形管与矩形孔连接处焊接密封；
矩形管顶部设有监测模块密封盒，监测模块密封盒内安装有超声波测量模块、温度测量模块和压力测量模块；监测模块密封盒下表面嵌入密封有超声波探头，超声波测量模块通过导线与超声波探头连接；监测模块密封盒下表面密封嵌入密封有温度传感器，温度测量模块通过导线与温度传感器连接；监测模块密封盒下表面密封嵌入密封有压力传感器，压力测量模块通过导线与压力传感器连接；
井下测量短节，包括：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超声波测量模块、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超声波测量模块、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；
供电锂电池对超声波测量模块进行供电，供电锂电池对温度测量模块进行供电，供电锂电池对压力测量模块进行供电，数据采集处理模块由供电锂电池供电。
2.根据权利要求1所述的钻井过程中气侵早期监测装置，其特征在于，超声波测量模块、温度测量模块和压力测量模块对矩形管内流体的声波衰减值、温度值、压力值采样频率为20HZ，数据采集处理模块分别将20HZ的声波衰减、温度和压力数据通过滤波算法处理成1HZ的监测数据组，监测数据组即声波衰减值、温度值、压力值。
3.根据权利要求2所述的钻井过程中气侵早期监测装置，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。
4.根据权利要求3所述的钻井过程中气侵早期监测装置，其特征在于，两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20度。
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