CN106522937A - 一种基于井下随钻光谱钻井过程中h2s监测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于井下近红外随钻光谱钻井过程中H2S监测方法及系统，包括：井下近红外随钻光谱短节以常规方式同钻柱连接，地层流体通过流体检测通道经检测模块后，由流体检测通道出口排至环空；入射近红外检测信号照射穿过流体检测通道内流动的地层流体，出射近红外检测光信号进入检测器并通过信号传输系统与上位机建立通讯并完成随钻测量分析；上位机结合电子设备和数据分析系统控制随钻近红外测量工具同时分析、显示随钻测试数据。本发明采用低功耗、窄带宽、耐高温的近红外光源装置，提供特定波长区域的稳定近红外光信号，近红外光源信号透过无堆积、滞后流体检测通道内的井下地层流体，改变现有的地面检测方法完成井下实时监测。
Description
技术领域
本发明属于油气藏井勘探和开发技术领域，尤其涉及一种基于井下随钻光谱钻井过程中H2S监测方法及系统。
背景技术
当前，钻井施工现场H2S的监测主要通过地面检测H2S在钻井液、岩屑和井场大气中的体积分数。主要的检测方法是施工现场硫化氢地面监测方法和地层硫化氢预测法。施工现场硫化氢地面监测主要是通过专门仪器随钻检测硫化氢在钻井液、岩屑和井场大气中的体积分数，以达到确定地层流体是否含有硫化氢。地层硫化氢监测法是通过钻前地层分析、地层对比分析、录井数据分析等方法预测相似地层或邻近底层流体是否含有硫化氢。硫化氢是酸性气体，在目前最常用的碱性钻井液中，早期的侵入将发生酸碱中和反应地面检测设备不能发现硫化氢的侵入。当高温高压油气井钻井过程中，大量气侵时，过量的硫化氢将以气体形式裹在钻井液中迅速窜到地面上，因此，地面检测方式存着这较为严重的预警滞后问题。尤其，在高压含硫油气藏钻井中，发生井喷时间极短，从发生流体侵入到井喷只有5到10min，高压油气藏时间更短，甚至溢流和井喷同时发生，较短的滞后时间将会给井控安全及地面人员设备安全带来巨大安全隐患。地面检测存在较大的滞后性和准确性低等问题，目前还没有井下随钻实时监测硫化氢的方法和设备。
综上所述，在高压含硫油气藏钻井中现有的地面检测方法存在较大的滞后性和准确性低等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于井下随钻光谱钻井过程中H2S监测方法及系统，旨在解决在高压含硫油气藏钻井中现有的常规地面硫化氢监测预警方法中存的滞后性和准确性低等的问题。
本发明是这样实现的，一种基于井下近红外随钻光谱钻井过程中H2S监测方法，所述基于井下随钻光谱钻井过程中H2S监测方法包括：
(1)井下随钻光谱短节与钻柱连接，流体通过流体检测通道经检测模块后，由流体检测通道出口排到环空；
(2)入射近红外检测信号照射穿过流体检测通道的流体，出射近红外检测进入检测器并通过信号传输系统与上位机建立通讯并完成随钻测量数据上传；
(3)上位机结合电子设备和硫化氢分析系统实现随钻近红外测量工具的控制同时分析所的近红外光谱数据完成实时随钻监测分析并显示结果。
进一步，所述基于井下近红外随钻光谱硫化氢监测方法中地面上位机硫化氢分析系统接收信号传输系统上传的信号数据进行解码得到测试信号，根据硫化氢指纹谱图确定地层流体中是否含有硫化氢；根据标准硫化氢样品集和标准样品集的近红外图谱进行关联从而建立定量数学模型，可采用人工神经网路、多远线性回归、主成分回归、支持向量机等建立定量数学模型。本发明采用主成分回归建立数学模型X＝TPT+E，使用矩阵X主成分分析得到前n个向量得到矩阵T＝[t1,,t2,t3,…,tn]，代替吸光度进行多远回归得到主成分回归模型y＝Tb+E；采用间隔偏最小二乘回归法建立地层流体中硫化氢含量的校正模型，对定量模型进行校正。将目标光谱区间等分为多个等宽子区间，对每个等宽子区间进行最小二乘回归，找到交互验证均方根误差对应的区间，再以此区间为中心单向或双向消减波长变量得到最佳波长区间根据标准样品集近红外吸光度确定定量数学模型。
所述步骤(3)进一步包括：
标准样品光谱集建立：通过标准化学计量方法确定硫化氢气体浓度，测量硫化氢的标准光谱；对同一样品进行多次测量；对不同批次样品进行多次重复测量，以平均光谱作为目标物质标准光谱；
所述步骤(3)进一步包括：
上位机接收到来自井底上传的信号数据进行解码得到测试信号，根据指纹谱图确定地层流体是否含有硫化氢；然后，由标准样品集近红外吸光度确定定量数学模型和根据测量谱图预测被测流体中硫化氢的浓度，输出检测结果。
本发明的另一目的在于提供一种所述基于井下随钻光谱钻井过程中H2S监测方法的基于井下随钻光谱钻井过程中H2S监测系统，所述基于井下随钻光谱钻井过程中H2S监测系统设置有：
电源模块；
电源模块置于随钻短接内为光源模块供电；光源模块输出预定一个或者几个预定带宽的近红外光信号；
光源模块发出的近红外光信号通过入射光窗口，穿过流体检测室内的流体透过出射光窗口；
出射光携带所测信号通过连接出射光窗口的光纤束的传输路径进入流体检测模块；流体检测模块基于出射光生成电流，电流与入射光的量成比例；
被测电流信号进入信号传输模块，提供测量信号的编码及上传，采用泥浆脉冲法上传编码信号至上位机。
进一步，所述流体检测模块的检测器采用红外光子检测器或者电感耦合探测器；探测器基于入射光生成电流，电流与入射光的量成比例检测器得到的信号输入到井下信号传输模块将检测信息上传到地面数据处理系统。
本发明提供的基于井下随钻光谱钻井过程中H2S监测方法及系统，采用低功耗、窄带宽、耐高温的近红外光源装置，提供特定波长区域的稳定近红外光信号，近红外光源信号穿透过无堆积、滞后流体检测通道内的井下流体，通过光纤束进入光电检测器完成光电转换，再通过光电耦合方式输出，通过泥浆脉冲器传输到上位机完成解码，输出地层流体是否含有硫化氢及含有硫化氢的浓度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于井下随钻光谱钻井过程中H2S监测方法流程图。
图2是本发明实施例提供的井下近红外随钻近红外光谱短节的结构示意图。
图3是本发明实施例提供的井下近红外随钻光谱检测结构细节示意图。
图4是本发明实施例提供的井下近红外随钻光谱对随钻地层流体中某一带宽内硫化氢的吸收谱线图。
图中：1、电源模块；2、光源模块；3、流体检测通道；31、流体检测通道入口；32、被测流体混合组件；33、流体检测室；34、入射光窗口；35、出射光窗口；36、泵抽组件；37、流体检测通道出口。4、光纤束；5、流体检测模块；6、信号传输装置；7、上位机。
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，本发明实施例提供的基于井下随钻光谱钻井过程中H2S监测方法包括以下步骤：
S101：井下随钻光谱短节以常规方式同钻柱连接，流体通过流体检测通道经检测模块后，由流体检测通道出口排到环空；
S102：入射近红外检测信号照射穿过流体检测通道的流体，出射近红外检测光信号进入检测器并通过信号传输系统与上位机建立通讯并完成随钻测量分析；
S103：上位机结合适当的电子设备和硫化氢定性及定量分析系统控制随钻近红外测量工具同时分析、显示随钻监测数据及分析结果。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。
图2为本发明实施例的井下近红外随钻光谱短节的结构示意图；井下光谱短节以常规方式与位于在钻井井眼中钻杆相连。钻井施工过程中，由泵抽组件36抽汲随钻短节下端环空流体进入流体检测通道被测流体混合组件32，被测流体流经流体检测通道3由流体检测通道出口37排至随钻短节上端环空。
流体检测通道入口31、流体检测通道出口37分别布置在细长主体短节的同侧或异侧。装配的流体检测通道通3过预设结构设置，利用钻井液的压力做为泵抽组件36的动力，从而建立随钻短节下端的流体检测通道入口31、流体检测室33、随钻短接上端流体检测通道出口37在环空地层流体中的连通。被测流体进入流体检测通道入口31后通过被测流体混合组件32实现充分混合，流经流体检测室33并从随钻短节上端的流体检测通道出口37排放到环空内。从而实现随钻测量过程中的被测流体无堆积、滞后流过检测系统。
电源模块1置于随钻短接内为光源模块2供电，光源模块2输出预定一个或者几个预定带宽的近红外光信号，光源发出的近红外光信号通过入射光窗口34,穿过流体检测室33内的流体透过出射光窗口35。出射光携带所测信号通过连接出射光窗口35的光纤束4的传输路径进入流体检测模块5，该流体检测模块5基于出射光生成电流，电流与入射光的量成比例。检测信号进入信号传输模块6，提供测量信号的编码及上传，采用泥浆脉冲法上传编码信号至上位机7。上位机7接收到来自井底上传的信号数据进行解码得到测试信号，对比已知物质的指纹谱图确定流体成分；然后，对比根据已知浓度和吸光度建立的定量数学模型，利用已建立定量数学模型和被测流体的吸光度计算得到被测流体中硫化氢的浓度，输出检测结果。
图3为流体检测模块5示意图。穿过流体后的光信号通过光纤束进入不同的检测器，检测器将不同波段内的光强转化为电流信号输出。检测器采用红外光子检测器或者电感耦合探测器，本发明采用红外光子类铟镓砷探测器,但不限于铟镓砷可采用锗、铟镓砷、砷化铟、硫化铅、硒化铅等探测器。该光探测器基于入射光生成电流，电流与入射光的量成比例检测器得到的信号输入到井下信号传输模块将检测信息上传到地面数据处理系统。
本发明实施例的近红外光谱信号处理系统包括：
标准样品光谱集建立：通过标准方法确定硫化氢浓度，测量硫化氢的标准光谱；对同一样品进行多次测量；对不同批次样品进行多次重复测量，以平均光谱作为硫化氢标准光谱并优选近红外波段区间。
光谱预处理及目标物质特征光谱提取：采用最小二乘拟合法对原光谱进行卷积平滑处理，采取若干个峰组作为定性判断依据，可采用特征波长吸收比、PCA、FFT、小波变换；
光谱基线的校正与数据规范化处理:附加散射校正、变量标准化、数据规范化。
本发明实施例的硫化氢定性及定量分析系统包括：
上位机接收到来自井底上传的信号数据进行解码得到测试信号，对比已知物质的指纹谱图确定流体成分；然后，根据已知硫化氢浓度和吸光度建立的定量数学模型，利用已知定量数学模型和被测流体的吸光度计算得到被测流体中硫化氢的浓度，输出检测结果。
本发明优选低功耗、窄带宽的光源装置，提供特定波长区域的稳定光信号。光源信号穿透过无堆积、滞后流体接受排放装置内的井下流体，通过光纤束进入光电探测器完成光电转换，再通过光电耦合方式输出。通过泥浆脉冲器传输到上位机完成解码，输出环空流体是否含有硫化氢及含有硫化氢的浓度。根据朗伯—比尔定律流体被测物质的吸光度与光程、被测物质浓度成正比，与被测物质的吸光系数成正比。
图4为应用本发明提供的井下近红外随钻光谱对随钻地层流体中硫化氢在中某一带宽吸收谱线图。
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 (6)
1.一种基于井下近红外随钻光谱钻井过程中H2S监测方法，其特征在于，所述基于井下近红外随钻光谱钻井过程中H2S监测方法包括：
(1)井下近红外随钻光谱短节以常规方式同钻柱连接，流体通过流体检测通道经检测模块后，由流体检测通道出口排到环空；
(2)入射近红外检测信号照射穿过流体检测通道的流体，出射近红外检测光信号进入检测器并通过信号传输系统与上位机建立通讯并完成随钻测量分析；
(3)上位机结合电子设备和处理系统控制随钻近红外测量工具同时分析、显示随钻监测数据及分析结果。
2.如权利要求1所述的基于井下随钻光谱钻井过程中H2S监测方法，其特征在于，所述上位机接收到来自井底上传的信号数据进行解码得到测试信号，与已知物质的指纹谱图比对确定流体成分；根据已知浓度和吸光度建立的定量数学模型，利用定量数学模型和被测流体的吸光度计算得到被测流体中硫化氢的浓度，输出检测结果。
3.如权利要求1所述的基于井下随钻光谱钻井过程中H2S监测方法，其特征在于，所述步骤(3)进一步包括：
标准样品光谱集建立：通过标准方法确定硫化氢浓度，测量硫化氢的标准光谱；对同一样品进行多次测量；对不同批次样品进行多次重复测量，以平均光谱作为硫化氢标准光谱；
光谱预处理及目标物质特征光谱优选提取：采用最小二乘拟合法对原光谱进行卷积平滑处理，采取若干个峰组作为定性判断依据，采用特征波长吸收比、PCA、FFT、小波变换；
光谱基线的校正与数据规范化处理:附加散射校正、变量标准化、数据规范化。
4.如权利要求1所述的基于井下随钻光谱钻井过程中H2S监测方法，其特征在于，所述步骤(3)进一步包括：
上位机接收到来自井底上传的信号数据进行解码得到测试信号，对比已知物质的指纹谱图确定流体成分；然后，对比根据已知浓度和吸光度建立的工作曲线，利用已知定量曲线和被测流体的吸光度计算得到被测流体中硫化氢的浓度，输出检测结果。
5.一种如权利要求1所述基于井下随钻光谱钻井过程中H2S监测方法的基于井下随钻光谱钻井过程中H2S监测系统，其特征在于，所述基于井下随钻光谱钻井过程中H2S监测系统设置有：
电源模块，电源模块置于随钻短接内为光源模块供电；
光源模块输出预定一个或者几个预定带宽的近红外光信号；
光源模块发出的近红外光信号通过入射光窗口，穿过流体检测室内的流体透过出射光窗口；
出射光携带所测信号通过连接出射光窗口的光纤束的传输路径进入流体检测模块；流体检测模块基于出射光生成电流，电流与入射光的量成比例；
检测信号进入信号传输模块，提供测量信号的编码及上传，采用泥浆脉冲法上传编码信号至上位机。
6.如权利要求5所述的基于井下随钻光谱钻井过程中H2S监测系统，其特征在于，所述流体检测模块的检测器采用红外光子检测器；探测器基于入射光生成电流，电流与入射光的量成比例检测器得到的信号输入到井下信号传输模块将检测信息上传到地面数据处理系统。
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