CN105952436B - 一种基于瞬时流量进行早期井涌溢流实时监测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于瞬时流量进行早期井涌溢流实时监测的方法，运用井口瞬时流量计，泥浆压力传感器，泥浆液位计对井口返出的钻井液进行实时监控，提早发现井涌溢流，解决当前早期井涌溢流实时性和准确性较差的问题。本发明在钻井现场，利用相关测量装置采集井筒内压力、温度和流体体积，不受井眼尺寸和钻机类型的限制，所以监测方法简单、快速、有效。本发明由于根据井筒内压力、温度、流体体积以及直井段、水平段的摩阻/扭矩数据一同综合分析，所需参数可通过地面测量数据精确得到，可以更加迅速准确的对早期井涌溢流进行实时监测。

Description

一种基于瞬时流量进行早期井涌溢流实时监测的方法

技术领域

本发明属于钻井施工技术领域，尤其涉及一种基于瞬时流量进行早期井涌溢流实时监测的方法。

背景技术

井涌溢流是影响钻井施工安全的钻井复杂情况，井涌溢流不仅在一定程度上阻碍钻井作业的正常进行，降低钻井效率，甚至导致井眼报废造成大量人员伤亡。井涌溢流的早期发现将赢得宝贵的井控时间，降低事故排除及二次井控的难度。

目前，国内早期井涌溢流实时监测方法主要有地面监测和井下监测两种。其中地面监测经济实用但缺乏及时性和准确性；井下监测方法虽然及时准确，但目前技术不够成熟，而且系统成本也极高，很难实现工业化的推广应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于瞬时流量进行早期井涌溢流实时监测的方法，旨在提供一种成本较低，较为准确和迅速的实现早期井涌溢流实时监测的方法。

本发明是这样实现的，一种基于瞬时流量进行早期井涌溢流实时监测的方法，所述基于瞬时流量进行早期井涌溢流实时监测的方法运用井口瞬时流量计，泥浆压力传感器，泥浆液位计对井口返出的钻井液进行实时监控，发现井涌溢流；利用相关测量装置采集井筒内压力、温度和流体体积；根据井筒内压力、温度、流体体积以及直井段、水平段的摩阻/扭矩数据一同综合分析。通过对相关数据的测量和计算，及时判断是否发生了井涌溢流，达到对早期井涌溢流进行实时监测的技术效果。

进一步，所述基于瞬时流量进行早期井涌溢流实时监测的方法通过泥浆压力传感器采集的数据，泥浆液位计液位的变化，实时对泥浆泵的排量进行监测；根据泥浆泵排量计算模型计算出泵排量Q，用Q_入和Q_出分别表示泥浆泵在指定相同的时间段内泵入的流量和泵出的流量；△Q＝Q_出-Q_入，△Q表示泵出和泵入的泥浆的差值；根据流体热膨胀模型计算出流体热膨胀量Q_热。

进一步，所述基于瞬时流量进行早期井涌溢流实时监测的方法当摩阻/扭矩参数发生明显的变化时，井下发生井壁崩落；摩阻/扭矩参数通过地面测量数据精确得到。

本发明提供的基于瞬时流量进行早期井涌溢流实时监测的方法，运用井口瞬时流量计，泥浆压力传感器，泥浆液位计对井口返出的钻井液进行实时监控，判断是否发生井涌溢流；利用相关测量装置采集井筒内压力、温度和流体体积；根据所建立的数学模型计算泵排量的变化，流体热膨胀量，以及直井段、水平段的摩阻/扭矩；通过对相关数据的实时测量和相关模型的计算，进行综合分析，及时判断是否发生了井涌溢流，达到对早期井涌溢流进行实时和准确的监测的目的。与现有技术相比，本发明所述的基于瞬时流量进行早期井涌溢流监测的方法具有以下优点：

(1)本发明在钻井现场，利用相关测量装置采集井筒内压力、温度和流体体积，其所采集的数据为判断早期井涌溢流的发生提供了三个方面的重要数据，而且不受井眼尺寸和钻机类型的限制，其中压力和温度可由响应的压力传感器和温度传感器在很短的时间内测得并响应，流体体积可以通过所建立的数学模型计算得到，所以监测方法简单、快速。

(2)本发明由于根据井筒内压力、温度、流体体积以及直井段、水平段的摩阻/扭矩数据一同综合分析，所需参数可通过地面测量数据精确得到，因此可以更加迅速准确的对早期井涌溢流进行实时监测。

(3)本发明利用瞬时流量计配合泥浆压力传感器，泥浆液位计。可以准确的对泥浆泵的排量进行计算与实时监测，其中泥浆压力传感器的响应频率≤50HZ，稳定性能为±0.1％FS/年，可实时并可靠地对早期井涌溢流进行监测。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于瞬时流量进行早期井涌溢流实时监测的方法流程图。

图2是本发明实施例提供的泥浆泵排量计量结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例的基于瞬时流量进行早期井涌溢流实时监测的方法包括以下步骤：

(A)在井口安装一个钻井液返出瞬时流量计，将泥浆循环池连接一泥浆泵，泥浆泵配套安装一泥浆压力传感器、一泥浆液位计，用来实时计量泥浆泵排量的变化。

(B)启动泥浆泵，使泥浆开始循环，在循环过程中，通过泥浆压力传感器采集的数据和泥浆液位计液位的变化，实时对泥浆泵的排量进行监测。开泵工作时，由于泥浆内或者泵缸中可能含有气体，影响泵的吸入充满程度；排出阀和吸入阀都未能及时关闭，活塞、泵阀及其它密闭效果不良，可能引起高压液体漏失等因素都有可能使泵的实际排量发生变化，使得泵入井内泥浆流量发生变化，结果导致井底压力激动，进而由于井筒环空的活塞效应，使得出口泥浆流量也会随着泵的排量变化而发生波动。因此排除泥浆泵排量变化因素有利于准确监测出口泥浆瞬时流量。

本发明通过泥浆泵冲数、泵容积和泵排量系数等参数建立模型，得到泥浆泵排量。由于泥浆泵在工作时，受到诸如泵缸含气、密封不严等因素的影响，泵在单位时间内实际排液量要小于理论排液量。在现场实际应用中，泥浆泵分为单作用泵和双作用泵，设实际平均排量为Q，则根据现场实际情况，选择合适的泵排量计算模型：

单作用泵的实际平均排量为：

Q＝βmnLS¹；

双作用泵的实际平均排量为：

式中：

S₁─泵活塞横断面积，S₁＝πD²/4,分米²；

S₂─拉杆横断面积，S₂＝πd²/4,分米²；

L─活塞冲程，分米；

n─活塞冲次数，冲/分；

m─泥浆泵缸数；

β─泥浆泵排量系数，一般β＝0.8～0.96；

Q─泥浆泵排量，升/分；

D─泵活塞宽度，m；

d─拉杆宽度，m。

用Q_入和Q_出分别表示泥浆泵在指定相同的时间段内泵入的流量和泵出的流量。△Q＝Q_出-Q_入，△Q表示泵出和泵入的泥浆的差值。

(C)根据本发明提出的流体热膨胀模型计算出流体热膨胀量Q_热，一般情况下，流体体积随温度改变而变化的性质称为流体的热膨胀性，任何流体都具有热膨胀性。本发明钻井液的该特性对于提高出口泥浆瞬时流量的监测精度具有重要意义。Q_热定义为在压强不变的条件下温度升高一个单位时流体体积的相对增加量。地层温度梯度即地温梯度，指地层单位深度下的地层温度的增高量。本发明建立的由于钻井液热膨胀效应引发的流体体积变化量为：

式中：

表征温度影响因素的被称为等压热膨胀系数，℃^-1，表示流体在所受压强一定的情况下，温度每升高1℃，流体体积的相对膨胀率；

Q_热─流体热膨胀量，m³；

V─流体初始体积，m³；

ΔT─泥浆温度变化量，℃；

t₀─泥浆地面温度，℃，本发明假设为入口温度；

t₂─地层温度，℃；

c─泥浆比热容，J/(kg·℃)；

m─环空泥浆质量，kg；

r₂─井内环空外径，m；

r₁─井内环空内径，m；

λ─物质的导热系数，W/(m·℃)；

L─井段长度，m。

当井身设计为水平段时，同一层位地层温度相同，因此水平段井身中流体热膨胀效应引发的体积变化量为：

ΔV＝αVΔT＝αV_sp(t_sp-t₀)＝αV_spGh_cs；

其中：V_sp为水平段井眼环空体积；

h_cs为井眼垂深；

t_sp为水平段井眼环空温度。

由于纯液体的体积压缩率相当小。当温度在0～200℃以及压强在0.1～50MPa范围内时，水的体积压缩率仅为0.5×10^-4。由于本发明针对早期溢流进行监测，地层气体尚未侵入井内，因此井内泥浆可近似看做是纯液体，在常规钻井时，井口是非封闭的且不会对返出泥浆施加额外的回压，返出泥浆一般也就处在0～200℃以及0.1～50MPa环境下，而且泥浆密度大于水密度，所以泥浆压缩性会比水还低。因此，可把泥浆看作是不可压缩流体，表征压力影响因素的流体压缩性可忽略不计，并且钢材的热膨胀系数比流体的热膨胀系数至少小一个数量级，套管的热膨胀效应也忽略不计，即本发明将只针对由于钻井液热膨胀效应引发的流体体积变化进行研究。

此处的Q_热≥0。当Q_热＝0时，即没有流体热膨胀的干扰，此时若△Q＝0，则说明瞬时流量不存在异常增大，即没有发生早期井涌溢流。

(D)当Q_热＞0时，即存在流体热膨胀的干扰，此时若△Q-Q_热,＝0，则转到D1。此时若△Q-Q_热＞0，则转到D2。

(D1)说明瞬时流量的增大只与流体热膨胀有关，排除了该影响后瞬时流量便不再异常增大，即没有发生早期井涌溢流。

(D2)说明排除了流体热膨胀的干扰后仍然存在瞬时流量异常增大的情况，那么有可能是由于井壁崩落造成的，也有可能发生了早期井涌溢流。

(E)当摩阻/扭矩参数发生明显的变化时，说明井下发生了井壁崩落。摩阻/扭矩参数可通过地面测量数据精确得到，因此通过摩阻/扭矩的计算可以判断是否发生了井壁崩落。根据摩阻/扭矩的计算若发现发生了井壁崩落，转到E1。若没有发生井壁崩落，转到E2。

这里只考虑直井段、水平段的摩阻/扭矩计算模型。

T_i+1＝T_i+(Wdlcosα±μN_i)

M_i+1＝M_i+μN_ir

F＝±μN_i；

式中：

T_i+1,T_i——分别为第i段管柱单元上下端的轴向力；

M_i+1,M_i——分别为第i段管柱单元上下端的扭矩；

N_i——为第i段管柱单元与井壁的接触正压力；

W——为单元管柱浮重；

μ——为滑动摩擦系数；

r——为管柱单元半径；

F——为摩阻；

α,Δα,——分别为平均井斜角、井斜角增量、方位角增量。

(E1)瞬时流量的异常增大是由井壁崩落造成的，即不存在早期井涌溢流。

(E2)瞬时流量的异常增大不是由井壁崩落造成的，则发生了早期井涌溢流。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于瞬时流量进行早期井涌溢流实时监测的方法，其特征在于，所述基于瞬时流量进行早期井涌溢流实时监测的方法运用井口瞬时流量计，泥浆压力传感器，泥浆液位计对井口返出的钻井液进行实时监控，发现井涌溢流；利用相关测量装置采集井筒内压力、温度和流体体积；根据井筒内压力、温度、流体体积以及直井段、水平段的摩阻/扭矩数据一同综合分析；通过对相关数据的测量和计算，及时判断是否发生了井涌溢流，达到对早期井涌溢流进行实时监测；

基于瞬时流量进行早期井涌溢流实时监测的方法包括以下步骤：

(A)在井口安装一个钻井液返出瞬时流量计，将泥浆循环池连接一泥浆泵，泥浆泵配套安装一泥浆压力传感器、一泥浆液位计，用来实时计量泥浆泵排量的变化；

(B)启动泥浆泵，使泥浆开始循环，在循环过程中，通过泥浆压力传感器采集的数据和泥浆液位计液位的变化，实时对泥浆泵的排量进行监测；

通过泥浆泵冲数、泵容积和泵排量系数建立模型，得到泥浆泵排量；泥浆泵分为单作用泵和双作用泵，设实际平均排量为Q，

单作用泵的实际平均排量为：

Q＝βmnLS₁；

双作用泵的实际平均排量为：

式中：

S₁──泵活塞横断面积，S₁＝πD²/4,分米²；

S₂──拉杆横断面积，S₂＝πd²/4,分米²；

L──活塞冲程，分米；

n──活塞冲次数，冲/分；

m──泥浆泵缸数；

β──泥浆泵排量系数，β＝0.8～0.96；

Q──泥浆泵排量，升/分；

D──泵活塞宽度，m；

d──拉杆宽度，m；

(C)根据泥浆泵排量计算模型计算实际平均排量Q，用Q_入和Q_出分别表示泥浆泵在指定相同的时间段内泵入的流量和泵出的流量；△Q＝Q_出-Q_入，△Q表示泵出和泵入的泥浆的差值；根据流体热膨胀模型计算出流体热膨胀量Q_热；

建立由于钻井液热膨胀效应引发的流体体积变化量为：

式中：

表征温度影响因素的被称为等压热膨胀系数，℃^-1，表示流体在所受压强一定的情况下，温度每升高1℃，流体体积的相对膨胀率；

Q_热──流体热膨胀量，m³；

V──流体初始体积，m³；

ΔT──泥浆温度变化量，℃；

t₁──泥浆地面温度，℃，本发明假设为入口温度；

t₂──地层温度，℃；

c──泥浆比热容，J/(kg·℃)；

m──环空泥浆质量，kg；

r₂──井内环空外径，m；

r₁──井内环空内径，m；

λ──物质的导热系数，W/(m·℃)；

L──井段长度，m；

当井身设计为水平段时，同一层位地层温度相同，因此水平段井身中流体热膨胀效应引发的体积变化量为：

ΔV＝αVΔT＝αV_sp(t_sp-t₀)＝αV_spGh_cs；

其中：V_sp为水平段井眼环空体积；

h_cs为井眼垂深；

t_sp为水平段井眼环空温度；

当Q_热＝0时，即没有流体热膨胀的干扰，此时若△Q＝0，则说明瞬时流量不存在异常增大，即没有发生早期井涌溢流；

(D)当Q_热＞0时，即存在流体热膨胀的干扰，此时若△Q-Q_热,＝0，则转到D1，此时若△Q-Q_热＞0，则转到D2；

(D1)瞬时流量的增大只与流体热膨胀有关，排除了该影响后瞬时流量便不再异常增大，即没有发生早期井涌溢流；

(D2)排除了流体热膨胀的干扰后仍然存在瞬时流量异常增大的情况，那么有可能是由于井壁崩落造成的，也有可能发生了早期井涌溢流；

(E)当摩阻/扭矩参数发生明显的变化时，井下发生井壁崩落；摩阻/扭矩参数通过地面测量数据精确得到；

根据摩阻/扭矩的计算若发现发生了井壁崩落，转到E1，若没有发生井壁崩落，转到E2，

直井段、水平段的摩阻/扭矩计算模型：

T_i+1＝T_i+(Wdlcosα±μN_i)

M_i+1＝M_i+μN_ir

F＝±μN_i；

式中：

T_i+1,T_i——分别为第i段管柱单元上下端的轴向力；

M_i+1,M_i——分别为第i段管柱单元上下端的扭矩；

N_i——为第i段管柱单元与井壁的接触正压力；

W——为单元管柱浮重；

μ——为滑动摩擦系数；

r——为管柱单元半径；

F——为摩阻；

α,Δα,——分别为平均井斜角、井斜角增量、方位角增量；

(E1)瞬时流量的异常增大是由井壁崩落造成的，即不存在早期井涌溢流；

(E2)瞬时流量的异常增大不是由井壁崩落造成的，则发生了早期井涌溢流。