CN105401933A - 一种探井综合录井系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种探井综合录井系统与方法，该系统包括傅里叶变换红外光谱仪、上位机、下位机、无线传输系统，以及常规的压力、转矩、钻井液密度与电导率等其它探井平台参数检测传感器与仪器。傅里叶变换红外光谱法在探井井口进行气测录井，下位机除了收集光谱，并予以分析外，还监测钻井平台的压力、扭矩、钻井液密度与电导率等其它参数，并将结果通过无线数据传输系统发送至离井口50米甚至更远距离的录井房中的上位机。这种综合录井仪线路简单、分析速度快、维护方便。

Description

一种探井综合录井系统及方法

【技术领域】

本发明涉及石油、天然气、以及非常规油气勘探过程中油气资源的信息获取方法与装置，特别涉及一种地质探井过程中综合录井方法与系统。

【背景技术】

综合录井是集地质参数录井、气测录井、地层压力、钻井工程录井等为一体的综合型录井技术。该技术在油气探井作业中，使用多种传感器和分析仪器，直接实时获取、井深、压力、井下地质构造、岩性、含油气情况等各方面数据，具有获取信息及时、信息丰富、分析解释快等特点，对所勘探的油井或气井，或者其它地质勘探的评价具有不可替代的作用。

综合录井系统包括四大部分：

1)信息采集部分：包括用于探井平台压力、井深等各类参数检测的传感器和气体分析仪(气测录井仪)；

2)接口与总线部分：常用总线包括分线式数据接口和总线式数据接口，用来连接综合录井仪中各智能终端，包括智能传感器、服务器、智能仪表和控制器等；

3)数据处理与监控部分：包括录井过程的前台监控、工作站(服务器)、数据库和后台数据的处理系统，用于数据的滤波处理、间接测量数据的运算与转换、录井结果的综合判断等；

4)录井数据输出部分：包括录井数据和图表的打印、实时录井屏幕的终端输出和录井数据的远传系统。

综合录井仪所测量的参数包括直接测量参数和间接测量参数(由直接测量参数通过计算或转换后得到的参数)，两者所包括的具体参数分别如表1和表2所示。其中表1中的压力包括立管压力(SPP)和套管压力(CHKP)，钻井液体积一般涉及两个甚至多个钻井液池的体积，分别用TV01、TV02、…表示。

常规综合录井仪中，烃类气体组分气体、CO和H₂用气相色谱仪进行分析，其它直接测量参数用相应的传感器进行在线检测，而间接测量参数则用直接测量参数进行相关运算或转换得到。所用检测传感器和相关运算或转换方法已有相关文献或教材做了详细的介绍，如刘国强、朱清祥主编的《录井方法与原理》。

表1综合录井仪直接测量参数

表2综合录井仪间接测量参数

我国自上世纪70年代开发第一代面板式综合录井以来，陆续推出了多种型号的综合录井仪，如本世纪初上海神开推出的CMS综合录井仪，新乡二十二所推出的SLZ系列综合录井仪，胜利地质录井公司研制生产的SRP200综合录井仪等。此外，我国还从西方国家引进了多种综合录井仪，如从法国Geoservice公司引进的ALSII(AdvancedLoggingSystemII)综合录井仪，从美国BakerHughesInteq公司引进的Advantage综合录井仪，从美国Halliburton公司引进的SDL9000综合录井仪，从英国Gearheart公司引进的Drillbyte综合录井仪等。这些综合录井仪的结构总体上包括三大部分，其一是安装在钻井平台上的传感器或智能测试仪表，其二是数据总线，其三中仪器房。其中仪器房放置在钻井平台50米左右以外，并安装了防爆控制系统，气相色谱仪、打印设备、UPS等仪器或设备放置在仪器房中。钻井平台上的传感器或智能测试仪表将测试数据通过数据总线传输到仪器房中的服务器，或者综合录井仪的总监控平台上。

目前，国内外综合录井仪均采用气相色谱仪来作为气测录井仪的核心部件。即井口脱气器输出的井口气通过管路将气体输送到仪器房中的气相色谱仪进行气体分析。仪器房放置在井口50米以外，其原因在于气相色谱仪的氢火焰离子探测器可能点燃烃浓度过高的环境气体。一方面，过长的管路降低了气体分析的动态特性，以至于可能得到不够准确的评价结果；另一方面，离井口过近，除了不利于烃类气体的防爆外，也不利于防止有毒气体扩散到仪器房中对工作人员产生伤害。此外，气体直接输送到仪器房，如果发生气体泄漏，也可能对工作人员带来伤害。

另外，常规的气相色谱法分析轻烷烃气体的单次分析时间在2分钟以上，分析速度相对较慢。早期的探井速度不快，气相色谱法的录井速度足以应对，但随着探井技术的发展，探井速度越来越快，有时候可在一分钟内钻进1米以上，这使得综合仪器不能获取完整的地质参数，容易错过2米以内的薄油气层。虽然近年来，推出了快速气相色谱仪，单次分析时间可压缩到30多秒，但是随着探井技术的提高，以及油气价值的提高，这样的分析速度依然难以满足需求。而且，气相色谱法对所分析的气体是损耗性的，不能重新验证分析的正误，这降低了其录井结果的可靠性；气相色谱仪需要定期标定，甚至更换色谱柱，维护麻烦。

专利201210076503.8公开了一种井口气远程测定仪，该仪器采用红外光谱分析法来进行气测录井。同传统的气相色谱法相比，光谱法有单次分析时间12秒，速度快；无需重新标定，稳定性好，可免维护工作；光谱法可实时保存原始光谱，可根据光谱数据，而不是直接根据最初的气体成分及其浓度分析结果来重新评价所勘探的油井或气井，具有较高的溯源性，可提高评价准确性；没有压力装置，也没有明火，安全性好，而且可放在井口进行录井，提高了所获信息的准确性。此外，单张光谱有2000条上下的谱线，除了包含气测录井所需的甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷、正丁烷、异戊烷和正戊烷7种轻烷烃，以及CO和CO2的信息外，还包含了环戊烷、己烷等其它气体的信息，信息量大，在综合录井中可进一步加以利用，进一步提高油气评价的准确性。

此外，钻井平台的大钩压力、钻井液密度与电导率、转盘扭矩等参数的检测，可直接把传感器输出信号接至放置在井口的井口气测定仪中的工控机相连，在通过该测定仪的无线传输系统将检测结果一并发送至监控室中的上位机中，使得整个综合录井系统线路紧凑，不会象常规综合录井仪那样因为线路裸露在钻井平台之外受到碰撞、磨损而导致意外，安全性好，受到的干扰也少，信号衰减小，测试结果可靠性高。虽然目前也有综合录井仪采用无线总线系统进行数据传输，但在探井现场存在如下不足：探井现场的大发电机、大电机产生的电磁场非常大，这对无线数据的传输伤害比较大，无线信号传输越多，出现数据误传的可能性也越高，控制系统通过无线总线系统传输控制参数以及相关参数，实时性得不到保证，使得系统的可靠性大为降低。

【发明内容】

本发明的目的在于，提供一种速度快、安全性好、稳定性高、便于维护的探井综合录井系统及方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种探井综合录井系统，包括：脱气器、基于傅里叶变换的红外光谱仪气测录井系统、数据采集装置、无线数据收发装置、录井房以及上位机，所述基于傅里叶变换红外光谱仪气测录井系统放置在探井井口，脱气器将井口钻井液中的气体脱离出来，经干燥后直接输入到基于傅里叶变换红外光谱仪气测录井系统中，基于傅里叶变换红外光谱仪气测录井系统在下位机的控制下扫描光谱，然后将光谱保存下位机中，并通过分析获得烃类气体、以及二氧化碳和一氧化碳气体浓度参数结果，下位机同时通过数据采集装置采集直接参数，然后按照探井综合录井领域已有的相关原理与公式获得间接参数。

所述傅里叶变换红外光谱仪气测录井系统包括傅里叶变换红外光谱仪、氢气TCD检测池，以及硫化氢检测器，所述傅里叶变换红外光谱仪用于采集井口钻井液中的气体的光谱，所述氢气TCD检测池用于监测井口气中的氢气，硫化氢检测器用于监测井口气中的硫化氢。

所述上位机放置在距离探井井口50米以外的录井房中。

所述下位机与数据采集装置之间采用FF总线、CAN总线、Lonworks总线、DeviceNet总线、PROFIBUS总线、HART总线或CC-Link总线进行信息传送。

所述下位机中设置有数据采集卡，用于采集数据采集装置发出的各种信号。

一种探井综合录井方法，包括以下步骤：(1)脱气器将井口钻井液中的气体脱离出来，经干燥后，直接输入到放置在探井井口的傅里叶变换红外光谱仪气测录井系统；(2)傅里叶变换红外光谱仪气测录井系统收集钻井液中的气体的数据，并获取数据采集装置的数据，据此获取间接参数结果，然后将该结果传至上位机。

所述数据采集装置用于采集探井平台直接测量参数，包括压力、转矩、钻井液温度、液密度与电导率、泵冲速率、钻井液池中钻井液体积、温度、硫化氢浓度、氢气浓度，间接参数包括井深、钻压、钻时、钻速、钻井液流量、钻井液总体积、迟到时间、dc指数、Sigma指数、地层压力梯度、地层破裂压力梯度、地层孔隙度和每米钻井成本。

钻井液体积涉及两个甚至多个钻井液池中钻井液体积，钻井液密度、温度和电导率包括入口钻井液的密度、温度和电导率，以及出口钻井液的密度、温度和电导率。

所述基于傅里叶变换红外光谱仪的气测录井系统包括傅里叶变换红外光谱仪、氢气TCD检测池，以及硫化氢检测器，所述傅里叶变换红外光谱仪用于获取井口气中各组分极性分子气体的浓度，所述氢气TCD检测池用于监测井口气中的氢气浓度，硫化氢检测器用于监测井口气中的硫化氢浓度。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：在常规的综合录井仪系统中，用光谱气测录井法替换气相色谱气测录井法，并结合光谱数据来进行油气评价；光谱气测录井仪除了分析七种烃类气体浓度外，还分析一氧化碳和二氧化碳气体浓度。光谱法可以免维护工作，既无压力设备，也无明火，运行成本低，安全性好。光谱气测录井仪直接放在井口，该录井仪中的工控机(下位机)直接对探井平台上的参数进行检测，包括直接检测参数和间接检测参数，然后将检测结果通过无线通讯方式将结果发送到仪器房中。因为气路短，没有管路的平滑，因此气体分析实时性相对要好。无线传输数据量少，受干扰较少，几乎没有裸露在仪器房与钻井平台之间管路与线路，安全性好，现场安装连线简单。仪器房放在井口50米外，也可以放置在井口100米甚至更远的距离以外。由于随着距离的增加，气体浓度呈指数衰减，也没有气体管路输送到仪器房中，因此，仪器房可以不用安装防爆系统，甚至无需安装。

【附图说明】

图1为基于光谱气测录井的综合录井仪结构图；

图2为下位机工作流程图；

图3为综合录井结果中的烃类气体浓度曲线图。

【具体实施方式】

下面结合本发明的最优实施例对本发明技术方案进行详细阐述：

如图1所示，本发明包括傅里叶变换红外光谱仪气测录井系统、脱气器、工控机、无线传输系统、录井房，以及常规的探井平台直接测量参数传感器或检测仪器；上位机和下位机本身为工控机，录井房中的工控机为上位机，基于傅里叶变换红外光谱仪气的测录井系统中的工控机成为下位机；傅里叶变换红外光谱仪放在探井井口进行气测录井，下位机除了收集光谱，并予以分析外，还获取探井平台直接测量参数，并根据探井综合录井领域已有的相关原理或计算公式，获得间接检测参数结果。例如，井深H可由式(1)确定：

H＝kl-h(1)

式中，k为钻杆数量，l为钻杆长度，一般为10米，h为钻盘高度。

同时，下位机还将各结果通过无线数据传输系统发送至上位机。无线数据传输系统可以是大功率无线路由器，也可以是专用的无线收发模块，如T102D自动化远距离无线传输模块。

探井平台直接测量参数包括压力、转矩、钻井液密度与电导率、泵冲速率、钻井液池中钻井液体积、温度、钻井液流量、硫化氢浓度、氢气浓度，其中压力包括立管压力(SPP)和套管压力(CHKP)，钻井液体积涉及两个甚至多个钻井液池中钻井液体积，钻井液密度、温度和电导率包括入口钻井液的密度、温度和电导率，以及出口钻井液的密度、温度和电导率；间接参数包括标准井深、垂直井深、钻压、钻时、钻速、钻井液总体积、迟到时间、Sigma参数、地层压力梯度、地层破裂压力梯度、地层孔隙度、每米钻井成本。

基于傅里叶变换红外光谱仪的气测录井系统包括UPS、氢气TCD检测池、硫化氢检测器、下位机、傅里叶变换红外光谱仪、无线通信系统，该系统安装在一个机箱中，放在探井井口，脱气器将井口钻井液中的气体脱离出来后，经干燥剂干燥后，直接输入到该气测录井系统傅里叶变换红外光谱仪的气室中，光谱仪在下位机的控制下实时扫描光谱，并将光谱传至下位机中，下位机保存光谱数据，并实时对光谱进行分析，获得井口气中各组分极性分子气体的浓度，而井口气中的氢气则用氢气TCD检测池监测，硫化氢浓度用硫化氢检测器检测。

在获得分析结果后，下位机将分析结果和钻井平台参数发送至录井房中的上位机，同时在气测录井系统的显示屏幕上显示各组分气体的分析结果曲线，以及常规探井平台检测参数的曲线，并保存在下位机中。

录井房是一座可移动的小房子，放置于探井井口50米以外，其装有上位机、打印机、UPS、无线通信系统、烟雾探测器。

如果在陆地上录井，综合录井系统还有录井房，放置在井口50米以外，其中有工控机(下位机)、无线数据传输系统、空调、烟雾探测器、打印机和UPS，以及其它仪器，如荧光录井仪等。上位机和下位机中均装有录井软件，以规范地处理并显示综合录井结果。综合录井结果图有多张，是关于各参数与井深、时间的曲线图，烃类气体的录井曲线图如图3所示。其它参数的录井图与此类似。

若是海上录井，限于空间所限，可以没有录井房，打印机和气测录井仪中的工控机相连。

本发明的压力传感器、泵速传感器、大钩负荷传感器、转速传感器均为数字传感器，这些传感器通过串口与下位机相连，其它参数的传感器均用带有调理电路的传感器进行检测，其输出信号为4-20mA的电流信号，并在下位机中安装数据采集卡的方式进行数据采集，以获取直接测量参数。

烃类气体(含甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷、正丁烷、异戊烷和正戊烷)、CO和CO₂的分析用发明专利201210076503.8所述的井口气远程测定仪实现，氢气和硫化氢用相应传感器进行检测。氢气和硫化氢传感器安装在该测定仪的气路进气口。脱气器放置在井口，从井中返回的泥浆中的气脱离出来后，输送至测定仪，以供分析。录井仪中除了傅里叶变换红外光谱仪外，还有工控机、无线信号传输系统、UPS和微型空调。空调用来控制工控机和傅里叶变换光谱仪的温度在20摄氏度上下，外部输入的电力经UPS为工控机、光谱仪和传感器供电，确保外部电源切断后，还能继续工作5-30分钟，以便于工作者保存相关重要的数据。下位机的工作流程如图2所示。

下位机与探井平台参数检测传感器或者仪器之间可以采用FF(FoundationFieldbus)总线、CAN(ControllerAreaNetwork)总线、Lonworks总线、DeviceNet总线、PROFIBUS总线、HART总线、CC-Link总线进行信息传送；还可以是在下位机中安装数据采集卡，该数据采集卡直接采集各传感器的信号；还可以是其中的两种、三种、甚至四种总线同时混用。

上位机和下位机中均装有录井软件，该软件将录井参数在一张或者多张表上汇出来，其参考坐标/横坐标是井深和时间，纵坐标是参数检测结果。

本发明方法照搬了常规基于气相色谱法综合录井仪中除了气体以外其他参数的检测方法，以保证录井过程中，这些参数的稳定性。同时，采用基于傅里叶变换红外光谱仪的气测录井仪替换基于气相色谱仪的气测录井仪，并将新的气测录井仪放在井口，以最大限度缩短气路长度，减小气体浓度平滑作用，减少气路对探井现场带来的影响，也降低了气路中气体泄漏可能带来的录井房安全问题。同时用气测录井仪中的工控机(下位机)检测除了气体以外的其它参数。因为该工控机就在井口，因此线路短，连线方便，干扰小，信号衰减小，某些参数甚至可以采用无线信号传输。在气测录井仪中的下位机获得各参数之后，除了将参数保存在该仪器上之外，还将结果通过数据无线收发装置发送至录井房中的工控机(上位机)上。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (9)

1.一种探井综合录井系统，其特征在于：包括：脱气器、基于傅里叶变换的红外光谱仪气测录井系统、数据采集装置、无线数据收发装置、录井房以及上位机，所述基于傅里叶变换红外光谱仪气测录井系统放置在探井井口，脱气器将井口钻井液中的气体脱离出来，经干燥后直接输入到基于傅里叶变换红外光谱仪气测录井系统中，基于傅里叶变换红外光谱仪气测录井系统在下位机的控制下扫描光谱，然后将光谱保存下位机中，并通过分析获得烃类气体、以及二氧化碳和一氧化碳气体浓度参数结果，下位机同时通过数据采集装置直接参数，然后按照探井综合录井领域已有的相关原理与公式获得间接参数。

2.根据权利要求1所述的一种探井综合录井系统，其特征在于：所述傅里叶变换红外光谱仪气测录井系统包括傅里叶变换红外光谱仪、氢气TCD检测池，以及硫化氢检测器，所述傅里叶变换红外光谱仪用于采集井口钻井液中的气体的光谱，所述氢气TCD检测池用于监测井口气中的氢气，硫化氢检测器用于监测井口气中的硫化氢。

3.根据权利要求1所述的一种探井综合录井系统，其特征在于：所述上位机放置在距离探井井口50米以外的录井房中。

4.根据权利要求1所述的一种探井综合录井系统，其特征在于：所述下位机与数据采集装置之间采用FF总线、CAN总线、Lonworks总线、DeviceNet总线、PROFIBUS总线、HART总线或CC-Link总线进行信息传送。

5.根据权利要求1所述的一种探井综合录井系统，其特征在于：所述下位机中设置有数据采集卡，用于采集数据采集装置发出的各种信号。

6.一种探井综合录井方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)脱气器将井口钻井液中的气体脱离出来，经干燥后，直接输入到放置在探井井口的傅里叶变换红外光谱仪气测录井系统；

(2)傅里叶变换红外光谱仪气测录井系统收集钻井液中的气体的数据，并获取数据采集装置的数据，据此获取间接参数结果，然后将该结果传至上位机。

7.根据权利要求6所述的一种探井综合录井方法，其特征在于：所述数据采集装置用于采集探井平台直接测量参数，包括压力、转矩、钻井液温度、液密度与电导率、泵冲速率、钻井液池中钻井液体积、温度、硫化氢浓度、氢气浓度，间接参数包括井深、钻压、钻时、钻速、钻井液流量、钻井液总体积、迟到时间、d_c指数、Sigma指数、地层压力梯度、地层破裂压力梯度、地层孔隙度和每米钻井成本。

8.根据权利要求7所述的一种探井综合录井方法，其特征在于：钻井液体积涉及两个钻井液池中钻井液体积，钻井液密度、温度和电导率包括入口钻井液的密度、温度和电导率，以及出口钻井液的密度、温度和电导率。

9.根据权利要求6所述的一种探井综合录井方法，其特征在于：所述基于傅里叶变换红外光谱仪的气测录井系统包括傅里叶变换红外光谱仪、氢气TCD检测池，以及硫化氢检测器，所述傅里叶变换红外光谱仪用于获取井口气中各组分极性分子气体的浓度，所述氢气TCD检测池用于监测井口气中的氢气浓度，硫化氢检测器用于监测井口气中的硫化氢浓度。