CN105136904B - 一种气体钻井钻柱内声波传输特性的测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体钻井钻柱内声波传输特性的测试装置及方法，该装置主要由空气压缩机1、加热器2、储气罐3、可调式大功率声源4、计算机5、多通道声卡6、测试管道系统组成，空气压缩机1、加热器2、储气罐3和可调式大功率声源4、计算机5分别通过注气管线17连接测试管道系统，测试管道系统连接多通道声卡6和计算机5。通过采集不同内径尺寸和内壁粗糙度测试管道内不同测试点处的声波信号，在计算机上进行信号的处理与分析工作，可得出在不同工况条件下测试管道内声波信号传输的衰减规律和波导特性。本发明可模拟气体钻井过程中井下钻具内高温高压高速气体流动的实际工况，为建立气体钻井中以钻柱内气体为信道的随钻数据传输方法提供参考和依据。

Description

一种气体钻井钻柱内声波传输特性的测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种气体钻井钻柱内声波传输特性的测试装置及方法，属于油气开采领域中用于分析气体钻井钻柱内声波传输特性的实验装置和方法。

背景技术

气体钻井技术凭借其及时发现和保护储层、大规模提高钻速和单井产量、有效防止和克服恶性井漏等方面的独特优势，已经成为开发大规模低品位油气资源及深层油气资源的关键技术。特别是气体钻井技术与特殊轨迹井相结合，在开发大规模低品位油气资源方面更是具有突出的技术优势，能够取得提高单井产量数倍至数十倍的效果。但气体钻井的应用也面临很多问题，尤其是地层出水和井眼轨迹控制在很大程度上限制了该项技术的发展，若能在气体钻井过程中对井下工况参数进行实时监测，及时采取相应的处理措施，则能保证气体钻井更加安全、高效的进行。

随钻测量技术是实现快速优质钻井的重要保障，其中的核心问题就是信号传输，现有的随钻测量技术中信道主要有泥浆脉冲、电磁波、声波三种方式。气体钻井采用气相循环介质，由于气体的可压缩性导致常规泥浆脉冲遥测技术无法使用，电磁波随钻测量技术通过地层中传播的电磁波来传输信号，不受循环介质的影响，但目前很难突破3000米的应用极限，尤其是在低电阻率地层中信号传输距离更为有限。声波传输技术作为解决气体钻井随钻测量问题的潜在技术，近年来受到业内的广泛关注，常规的声波传输技术使用钻柱系统为信号传输通道，由于钻井工况的复杂致使信号传输过程中受到钻头破岩、井壁摩擦碰撞等干扰因素的影响，效果不太理想，目前还没有成熟产品投入商业应用。

参考医用听诊器的工作原理，在气体钻井中以钻柱内气体作为传输声波信号的通道，一方面能够有效提升气体钻井无线随钻信号传输的通讯距离，另一方面还能避免现有以钻杆为介质的声波传输方法中钻具与井壁碰撞带来的噪声干扰问题，为气体钻井随钻测量难题提供了新的解决思路。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气体钻井钻柱内声波传输特性的测试装置，该装置原理可靠，操作简便，可模拟气体钻井过程中井下钻具内高温高压高速气体流动环境，并利用多通道声波信号同时采集的方法，实现测试管道内声波信号的实时处理与分析。

本发明的另一目的还在于提供利用上述装置对气体钻井钻柱内声波传输特性进行测试及分析的方法，从而研究气体钻井钻柱内声波信号的传输机理与特性，为建立气体钻井中以钻柱内气体为信道的随钻数据传输方法提供参考和依据。

为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。

从声波信号传输衰减规律和波导特性两方面入手，设计实验装置并开展测试，为气体钻井钻柱内声波传输系统设计中的核心问题提供依据。声波信号传输衰减规律通过对比不同工况条件下不同传输距离声波信号幅值进行比对分析。声波信号传输波导特性通过对比不同工况条件下不同传输距离声波信号频谱特性进行比对分析。其测试装置需要模拟气体钻井过程中的实际工况，包括井下钻具内高温、高压、高速气体注入环境。

一种气体钻井钻柱内声波传输特性的测试装置，由测试管道、声源系统、加压系统、加热系统、信号采集处理系统构成，可模拟气体钻井过程中井下钻具内高温高压高速气体流动环境；利用多通道声波信号同时采集的方法，能够实现测试管道内声波信号的实时处理与分析。

所述测试管道，其内径尺寸和材质与气体钻井常用钻具类似，选取不同内壁粗糙度的管道进行测试。

所述声源系统，由计算机输出测试用声波信号，驱动大功率声源，模拟气体钻井过程中利用注入高速气体产生的超强声波信号，选择宽频域可调式声源是为尽量覆盖整个可听域(20Hz—20KHz)，从而有效分析测试管道内声波传输的波导特性。

所述加压系统，利用空气压缩机提供高压气源，通过调节控压阀门的开度大小可调节测试管道内的压力，模拟气体钻井过程中钻具内高压气体流动环境，一般气体钻井过程中钻具内气体压力在3MPa—5MPa左右，同时管道内气体会产生流动，可模拟气体钻井过程中注入的高速气体。

所述加热系统，可通过调节加热器来控制测试管道内的温度，模拟气体钻井过程中井下钻具内气体的高温环境，随着井深的增加，温度会逐级上升，温度的变化会在一定程度上影响管道内声波的传输特性。

所述信号采集处理系统，具备多通道同时采集功能，可同时将测试管道不同位置所采集到的声波信号送入计算机进行综合分析，测试时采用多通道同时采集的方法，在每根测试管道上每个声波信号采集点采集声波信号，通过多通道声卡传入计算机，由计算机完成信号的实时处理与分析。

气体钻井钻柱内声波传输特性的分析方法包括声波传输衰减规律和波导特性两部分，所述钻柱内声波传输衰减规律可通过在声波传输过程中不同传输位置的声信号幅值比对分析得出；声波传输波导特性可通过对比不同内径尺寸、内壁粗糙程度和系统压力条件下不同传输位置声波信号的频谱特性得出。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：可模拟气体钻井过程中井下钻具内高温高压高速气体流动的实际工况，利用多通道同时采集分析的方法，对不同测试条件下管道内声波传输衰减规律和波导特性开展实验分析，为气体钻井钻柱内声波传输系统设计中的核心技术问题提供依据。

附图说明

图1是一种气体钻井钻柱内声波传输特性的测试装置的结构示意图。

图中：1—空气压缩机，2—加热器，3—储气罐，4—可调式大功率声源，5—计算机，6—多通道声卡，7—小尺寸光滑内壁测试管道，8—中尺寸光滑内壁测试管道，9—大尺寸光滑内壁测试管道，10—大尺寸粗糙内壁测试管道，11—中尺寸粗糙内壁测试管道，12—小尺寸粗糙内壁测试管道，13—声波信号采集点，14—温度计，15—压力表，16—控压阀门，17—注气管线，18—声波信号采集线，19—数据传输线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参见图1。

一种气体钻井钻柱内声波传输特性的测试装置，主要由空气压缩机1、加热器2、储气罐3、可调式大功率声源4、计算机5、多通道声卡6、测试管道系统组成，所述测试管道系统包括小尺寸光滑内壁测试管道7、中尺寸光滑内壁测试管道8、大尺寸光滑内壁测试管道9、大尺寸粗糙内壁测试管道10、中尺寸粗糙内壁测试管道11、小尺寸粗糙内壁测试管道12，所述测试管道7—12以两种内壁粗糙度下选取三种内径尺寸管道为例，其内径尺寸与气体钻井常用钻具尺寸相同，在测试管道上不同传输距离位置设有声波信号采集点13，测试管道上还设有温度计14、压力表15和控压阀门16。

所述空气压缩机1、加热器2、储气罐3通过注气管线17连接测试管道系统，空气压缩机提供高压气源，加热器2给注入气体加温，气体从注气管线17进入测试管道，通过调节控压阀门的开度大小可调节测试管道内的压力，通过调节加热器可控制测试管道内的温度，模拟气体钻井过程中井下钻具内流动气体的高温高压环境。

可调式大功率声源4、计算机5也通过注气管线17连接测试管道系统，由计算机5输出所需的测试声波信号，驱动大功率声源4产生相应的声波信号，经过注气管线17进入测试管道，模拟气体钻井井下所产生的超强声波信号，大功率声源的设计需要具备一定的承压能力。

所述测试管道系统通过声波信号采集线18、数据传输线19连接多通道声卡6和计算机5，在不同测试条件下采用多通道同时采集的方法，将在每根测试管道上的声波信号采集点13采集到的声波信号，通过多通道声卡6传入计算机5，在计算机上进行信号的处理与分析工作。

利用上述装置对气体钻井钻柱内声波传输特性进行测试及分析的方法，包括如下步骤：

(1)、驱动可调式大功率声源4，输入扫频声波信号，在测试管道内压力为标准大气压时采集不同内径尺寸和内壁粗糙度测试管道内不同测试点处的声波信号；

(2)、打开空气压缩机1、储气罐3，通过压力表15和控压阀门16调节测试管道系统的压力，采集不同内径尺寸和内壁粗糙度测试管道内不同测试点处的声波信号；

(3)、打开加热器2，通过温度计14调节测试管道系统的温度，在测试管道内压力为标准大气压时采集不同内径尺寸和内壁粗糙度测试管道内不同测试点处的声波信号；

(4)、同时打开空气压缩机1、加热器2、储气罐3，调节测试管道系统的压力和温度，模拟气体钻井过程中的实际工况，采集不同内径尺寸和内壁粗糙度测试管道内不同测试点处的声波信号；

(5)、多通道声卡6将采集到的声波信号传入计算机5，在计算机上进行信号的处理与分析工作；

(6)对采集到的所有声波信号数据进行对比分析，可得出在不同工况条件下测试管道内声波信号传输的衰减规律和波导特性。

通过对比在不同测试条件下每根测试管道上不同采集位置的声波信号幅值进行分析，得到声波信号传输的衰减规律。

通过对比在不同测试条件下每根测试管道上不同采集位置的声波信号的频谱特性进行分析，得到波导特性。

Claims (4)

1.一种气体钻井钻柱内声波传输特性的测试装置，主要由空气压缩机(1)、加热器(2)、储气罐(3)、可调式大功率声源(4)、计算机(5)、多通道声卡(6)、测试管道系统组成，其特征在于，所述测试管道系统包括小尺寸光滑内壁测试管道(7)、中尺寸光滑内壁测试管道(8)、大尺寸光滑内壁测试管道(9)、大尺寸粗糙内壁测试管道(10)、中尺寸粗糙内壁测试管道(11)、小尺寸粗糙内壁测试管道(12)，所述测试管道(7—12)的内径尺寸与气体钻井常用钻具尺寸相同，其不同传输距离位置设有声波信号采集点(13)，还设有温度计(14)、压力表(15)和控压阀门(16)；所述空气压缩机(1)、加热器(2)、储气罐(3)通过注气管线(17)连接测试管道系统，可调式大功率声源(4)、计算机(5)也通过注气管线(17)连接测试管道系统，所述测试管道系统通过声波信号采集线(18)、数据传输线(19)连接多通道声卡(6)和计算机(5)。

2.利用权利要求1所述的装置对气体钻井钻柱内声波传输特性进行测试及分析的方法，包括如下步骤：

(1)、驱动可调式大功率声源(4)，输入扫频声波信号，在测试管道内压力为标准大气压时采集不同内径尺寸和内壁粗糙度测试管道内不同测试点处的声波信号；

(2)、打开空气压缩机(1)、储气罐(3)，通过压力表(15)和控压阀门(16)调节测试管道系统的压力，采集不同内径尺寸和内壁粗糙度测试管道内不同测试点处的声波信号；

(3)、打开加热器(2)，通过温度计(14)调节测试管道系统的温度，在测试管道内压力为标准大气压时采集不同内径尺寸和内壁粗糙度测试管道内不同测试点处的声波信号；

(4)、同时打开空气压缩机(1)、加热器(2)、储气罐(3)，调节测试管道系统的压力和温度，模拟气体钻井过程中的实际工况，采集不同内径尺寸和内壁粗糙度测试管道内不同测试点处的声波信号；

(5)、多通道声卡(6)将采集到的声波信号传入计算机(5)，在计算机上进行信号的处理与分析工作；

(6)对采集到的所有声波信号数据进行对比分析，可得出在不同工况条件下测试管道内声波信号传输的衰减规律和波导特性。

3.如权利要求2所述的对气体钻井钻柱内声波传输特性进行测试及分析的方法，其特征在于，所述步骤(6)声波信号传输的衰减规律，通过对比在不同测试条件下每根测试管道上不同采集位置的声波信号幅值进行分析得到。

4.如权利要求2所述的对气体钻井钻柱内声波传输特性进行测试及分析的方法，其特征在于，所述步骤(6)波导特性，通过对比在不同测试条件下每根测试管道上不同采集位置的声波信号的频谱特性进行分析得到。