CN106640051A - 隔水管内气侵早期声波监测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种隔水管内气侵早期声波监测方法及系统，该隔水管内气侵早期声波监测系统包括：隔水管系统以及声波测量系统；所述隔水管系统设置于海水中，所述隔水管系统由内向外的介质依次为水眼、钻柱、隔水管内混合流体及隔水管；所述声波测量系统由套设在所述隔水管外侧的至少一个发射换能器及多个接收换能器组成，所述发射换能器用于在所述隔水管内外空间激发声场，在所述隔水管本体材料内产生声波，所述接收换能器接收所述声波，并根据所述接收到的声波判断隔水管内的混合流体中含气量的变化。
Description
技术领域
本发明涉及石油钻井气侵早期监测技术领域，具体地，涉及一种基于Lamb波的隔水管内气侵早期声波监测方法及系统。
背景技术
随着石油需求的增长和石油工业技术的发展，石油开发已经进军领域。井筒复杂的钻井工况等因素使得钻井更加危险，国内外都曾发生过多起恶性井喷事故。导致井喷的工程技术原因主要有如下两个：
(1)钻头钻遇超压地层时，高压气体会突然进入井孔并经由隔水管向井口移动并形成井喷。目前监测气体侵入的手段少，可靠性差；
(2)现有气侵监测系统报警迟缓，井喷一旦发生便难以及时进行井控，危害极大。目前的钻井含气监测方法虽有很多种，但都存在一定的局限性。因此，研究隔水管气侵早期监测方法，在气体刚刚进入隔水管就能及时识别和发现，将对钻井具有重要意义。
目前，国内外关于钻井气侵的早期监测主要有钻井参数异常变化监测法、气测值分析法、钻井液池液面监测法、流量监测法、LWD溢流监测法、APWD溢流监测法等。这些方法都有其优势，但也有如下局限性：
1)钻井参数异常变化监测法对钻遇地层的参数变化反应灵敏，但是影响因素多，判断溢流有困难。
2)气测值分析法对气体的反应较灵敏，但监测速度慢，难以应用于气侵早期监测。
3)钻井液池液面监测法在许多情况下监测溢流有效,但实时性太差。
4)流量监测法在许多情况下监测溢流都非常有效，但对气侵量较小或油基钻井液在一定的泡点压力范围内的情况监测效果差。
5)LWD溢流监测法能够第一时间识别钻遇地层(包括油气藏)的性质，但不能评价溢流发生的时间及发生程度，需要借助专用软件并由专业人员判断。
6)APWD溢流监测法能够实时测量井底环空压力变化，但测量分辨率不高，对于气侵强度较低的情况监测较慢。
发明内容
本发明实施例提供了一种隔水管内气侵早期声波监测方法及系统，以在不破坏隔水管系统原有机械结构及强度的前提下，判断隔水管内混合流体中的气体含量，对隔水管内气侵进行早期声波监测。
为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种隔水管内气侵早期声波监测系统，该隔水管内气侵早期声波监测系统包括：隔水管系统以及声波测量系统；
所述隔水管系统设置于海水中，所述隔水管系统由内向外的介质依次为水眼、钻柱、隔水管内混合流体及隔水管；
所述声波测量系统由套设在所述隔水管外侧的至少一个发射换能器及多个接收换能器组成，所述发射换能器用于在所述隔水管内外空间激发声场，在所述隔水管本体材料内产生声波，所述接收换能器接收所述声波，并根据所述声波判断隔水管内的混合流体的含气量的变化。
一实施例中，所述多个接收换能器接收到的隔水管中的声波为S0模式Lamb波，通过分析所述S0模式Lamb波的幅度和衰减系数随时间变化的关系判断隔水管内的混合流体的含气量的变化。
一实施例中，所述声场的激发频率低于20kHz。
一实施例中，所述接收换能器的个数至少为2个，与所述发射换能器间隔套设在所述隔水管外侧的底部。
一实施例中，所述发射换能器与所述接收换能器之间的间隔大于或等于1米，相邻的接收换能器之间的间隔大于或等于10cm。
一实施例中，所述发射换能器及接收换能器为环状结构，与所述隔水管的外壁契合。
为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种隔水管内气侵早期声波监测方法，该隔水管内气侵早期声波监测方法包括：
套设在隔水管外侧的至少一环状发射换能器在所述隔水管内外空间激发声场，在所述隔水管材料本体内产生声波；
套设在隔水管外侧的多个环状接收换能器接收所述声波；
多个所述环状接收换能器通过分析接收到的所述声波来判断隔水管内的混合流体的含气量的变化。
一实施例中，所述多个接收换能器接收到的隔水管中的声波为S0模式Lamb波，通过分析所述S0模式Lamb波的幅度和衰减系数随时间变化的关系判断隔水管内的混合流体的含气量的变化。
一实施例中，所述声场的激发频率低于20kHz。
一实施例中，所述接收换能器的个数至少为2个，与所述发射换能器间隔套设在所述隔水管外侧的底部。
一实施例中，所述发射换能器与所述接收换能器之间的间隔大于或等于1米，相邻的接收换能器之间的间隔大于或等于10cm。
一实施例中，所述发射换能器及接收换能器为环状结构，与所述隔水管的外壁契合。
利用本发明，可以在不破坏隔水管系统原有机械结构及强度的前提下，判断隔水管内混合流体中的气体含量，对隔水管内气侵进行早期监测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的隔水管系统的结构示意图；
图2为本发明实施例的隔水管内气侵早期声波监测系统的结构示意图；
图3为本发明一实施例的隔水管内气侵早期声波监测方法流程图；
图4为本发明另一实施例的隔水管内气侵早期声波监测方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
自H.Lamb首次发现了固体板中的兰姆波以来，许多学者对将它应用于无损监测方面做了大量的研究，在定量无损评价方面被国际学术界与工业界寄予厚望。本发明基于Lamb波测量技术，考虑侵入气对隔水管内流体的弹性参数带来的影响，通过隔水管内气液两相介质的含气量与Lamb波幅度之间的关系，以期在气体侵入隔水管中下部时就能及时有效地监测到，为安全井控赢得时间。在隔水管底部外侧布置声波换能器，采用一发多收的工作方式，通过接收波形中特定模式波的幅度和衰减系数随时间变化的关系，来实现气侵的早期监测。
实施例一
基于此，本发明提供了一种隔水管内气侵早期声波监测系统，该隔水管内气侵早期声波监测系统包括：隔水管系统以及声波测量系统。
如图1所示，隔水管系统设置于海水中，隔水管系统由内向外的介质依次为水眼101、钻柱102、隔水管内混合流体103及隔水管104。
如图1所示，水眼101、钻柱102、隔水管内混合流体103及隔水管104的外径分别为r0、r1、r2和r3。钻柱101的内侧为钻井液。钻柱102的外侧为携带岩屑的循环泥浆，为气液两相混合流体。隔水管104的外侧为海水。
声波测量系统由套设在隔水管104外侧的至少一个发射换能器及多个接收换能器组成，发射换能器可以用于在隔水管内外空间激发声场，在隔水管本体材料内产生声波，接收换能器可以接收该声波，并声波判断隔水管内的混合流体的含气量的变化。
一实施例中，接收换能器的个数为两个。如图2所示，声波测量系统由套设在隔水管104外侧的一个发射换能器T及接收换能器R1及接收换能器R2组成，发射换能器T用于在隔水管内外空间激发声场，在隔水管104本体材料内产生声波，接收换能器R1及接收换能器R2接收该声波，并根据声波判断隔水管内的混合流体的含气量的变化。
一实施例中，声场的激发频率低于20kHz。可选地，声波的测量频率范围为500Hz～20kHz。
一实施例中，发射换能器激励起隔水管中的S0模式Lamb波(又称为对称模式波S0)，该模式波的幅度和衰减对管内混合流体中的含气量敏感。通过分析该S0模式Lamb波的幅度和衰减系数随时间变化的关系判断隔水管内的混合流体的含气量的变化，具体原理如下：
当隔水管和钻柱形成的环空中的钻井液(混合流体)的含气量发生变化时，隔水管中不同模式的Lamb波的幅度和声衰减会发生变化。
例如，当钻井液含气量为0时，在Lamb波沿隔水管的本体材料传播的过程中，泄露到隔水管内混合流体中的声波能量多。当钻井液含气量逐渐增多时，在Lamb波沿隔水管本体材料传播的过程中，越来越少的能量泄露到隔水管内的混合流体中，表现为S0模式套管波的幅度较大、声衰减较小。当混合流体为纯气时，首波为S0模式Lamb波，紧随其后到达的波包为A0模式Lamb波，首波(S0模式Lamb波)在传播过程中向隔水管内流体泄露的能量非常少，因此几乎观察不到由钻柱反射后产生的次生S0模式Lamb波，这与当隔水管内流体为纯水时不同。在管内流体为纯水时，在首波(S0模式Lamb波)之后还存在一个波包，其传播速度与首波一致，这个波包是由钻柱处的反射波在隔水管内的混合流体中产生的次生S0模式Lamb波，因此其波形特征以及传播速度都与首波一致。此时，由于S0模式Lamb波幅度较强，导致A0模式Lamb波不易被观察到。
基于上述原理可知，隔水管中的Lamb波传播的过程中泄漏到隔水管内部的钻井液中能量多少与隔水管内钻井液的含气量之间存在一定的联系，这种能量的泄露会体现在接收波形的幅度上。因此，用Lamb波的幅度反映钻井液气体含量具有可行性。通过提取不同接收换能器接收到的Lamb波的幅度和衰减系数，就可利用Lamb评价钻井液中的含气量。当含气量变化时，短源距和长源距的接收波形均可以看出随着含气量的线性增大，Lamb波的幅度变化在含气量很小(低于5％)时变化剧烈。
声波测量系统具体安装时，接收换能器与多个发射换能器可以间隔套设在隔水管外侧的底部。一实施例中，发射换能器与接收换能器之间的间隔大于或等于1米，相邻的接收换能器之间的间隔大于或等于10cm。采用一发多收的工作方式，结合接收波形中特定模式波的幅度和衰减系数随时间变化的关系，可以实现气侵的早期监测。
在一较佳实施例中，发射换能器及接收换能器均为环状结构，使得发射换能器及接收换能器可以与隔水管的外壁契合。
由于Lamb波的幅度和衰减对低含气量非常敏感，且这种基于Lamb波的隔水管内气侵早期声波监测方法在应用时，只需要在原有的隔水管外侧安装声波测量系统，不会破坏隔水管系统原有的机械结构和机械强度。并且这种基于Lamb波的隔水管气侵内早期声波监测方法，对及时发现渗流，减少钻井中的井喷事故的发生具有重要的意义。
实施例二
图3为本发明实施例的隔水管内气侵早期声波监测方法流程图，如图3所示，该隔水管内气侵早期方法监测方法包括：
S301：套设在隔水管外侧的至少一环状发射换能器在所述隔水管内外空间激发声场，在所述隔水管材料本体内产生声波。
S302：套设在隔水管外侧的多个环状接收换能器接收所述声波。
S303：多个所述环状接收换能器通过分析接收到的所述声波来判断隔水管内的混合流体的含气量的变化。
该隔水管内气侵早期声波监测方法可以应用于图2所示的隔水管内气侵早期声波监测系统，该隔水管内气侵早期声波监测系统包括：隔水管系统以及声波测量系统。如图1所示，隔水管系统设置于海水中，隔水管系统由内向外的介质依次为水眼101、钻柱102、隔水管内混合流体103及隔水管104。
如图1所示，水眼101、钻柱102、隔水管内混合流体103及隔水管104的外径分别为r0、r1、r2和r3。钻柱101的内侧为钻井液。钻柱102的外侧为携带岩屑的循环泥浆，为气液两相混合流体。隔水管104的外侧为海水。
一实施例中，如图4所示，该隔水管内气侵早期声波监测方法还包括：
S401：在所述隔水管的外侧套设所述发射换能器及接收换能器。
本发明实施例的接收换能器的个数至少为2个，声波测量系统具体安装时，接收换能器与发射换能器可以间隔套设在隔水管外侧的底部。一实施例中，发射换能器与接收换能器之间的间隔大于或等于1米，相邻的接收换能器之间的间隔大于或等于10cm。采用一发多收的工作方式，结合接收波形中特定模式波的幅度和衰减系数随时间变化的关系，可以实现气侵的早期监测。
在一较佳实施例中，发射换能器及接收换能器均为环状结构，使得发射换能器及接收换能器可以与隔水管的外壁契合。
一实施例中，发射换能器激发的声场的激发频率低于20kHz。可选地，声波的测量频率范围为500Hz～20kHz。
一实施例中，发射换能器激励起隔水管中的S0模式Lamb波(对称模式波S0)，该模式波的幅度和衰减对管内混合流体中的含气量敏感。通过分析该S0模式Lamb波的幅度和衰减系数随时间变化的关系判断隔水管内的混合流体的含气量的变化，具体原理如下：
当隔水管和钻柱形成的环空中的钻井液(混合流体)的含气量发生变化时，隔水管中不同模式的Lamb波的幅度和声衰减会发生变化。
例如，当钻井液含气量为0时，在Lamb波沿隔水管的本体材料传播的过程中，泄露到隔水管内的混合流体中的声波能量多。当钻井液含气量逐渐增多时，在Lamb波沿隔水管本体材料传播的过程中，越来越少的能量泄露到隔水管内的混合流体中，表现为S0模式套管波的幅度较大、声衰减较小。当混合流体为纯气时，首波为S0模式Lamb波，紧随其后到达的波包为A0模式Lamb波，首波(S0模式Lamb波)在传播过程中向隔水管内流体泄露的能量非常少，因此几乎观察不到由钻柱反射后产生的次生S0模式Lamb波，这与当隔水管内流体为纯水时不同。在管内流体为纯水时，在首波(S0模式Lamb波)之后还存在一个波包，其传播速度与首波一致，这个波包是由钻柱处的反射波在隔水管内的混合流体中产生的次生S0模式Lamb波，因此其波形特征以及传播速度都与首波一致。此时，由于S0模式Lamb波幅度较强，导致A0模式Lamb波不易被观察到。
基于上述原理可知，隔水管中的Lamb波传播的过程中泄漏到隔水管内部的钻井液中能量多少与隔水管内钻井液的含气量之间存在一定的联系，这种能量的泄露会体现在接收波形的幅度上。因此，用Lamb波的幅度反映钻井液气体含量具有可行性。通过提取不同接收换能器接收到的Lamb波的幅度和衰减系数，就可利用Lamb评价钻井液中的含气量。当含气量变化时，短源距和长源距的接收波形均可以看出随着含气量的线性增大，Lamb波的幅度变化在含气量很小(低于5％)时变化剧烈。
由于Lamb波的幅度和衰减对低含气量非常敏感，且这种基于Lamb波的隔水管内气侵早期监测方法在应用时，只需要在原有的隔水管外侧安装声波测量系统，不会破坏隔水管系统原有的机械结构和机械强度。并且这种基于Lamb波的隔水管气侵内早期声波监测方法，对及时发现渗流，减少钻井中的井喷事故的发生具有重要的意义。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (13)
1.一种隔水管内气侵早期声波监测系统，其特征在于，包括：隔水管系统以及声波测量系统；
所述隔水管系统设置于海水中，所述隔水管系统由内向外的介质依次为水眼、钻柱、隔水管内混合流体及隔水管；
所述声波测量系统由套设在所述隔水管外侧的至少一个发射换能器及多个接收换能器组成，所述发射换能器用于在所述隔水管内外空间激发声场，在所述隔水管本体材料内产生声波，所述接收换能器接收所述声波，并根据所述接收声波判断隔水管内的混合流体的含气量的变化。
2.根据权利要求1所述的隔水管内气侵早期声波监测系统，其特征在于，所述接收声波为多个所述接收换能器接收到的隔水管中的S0模式Lamb波，通过分析所述S0模式Lamb波的幅度和衰减系数随时间变化的关系判断隔水管内的混合流体的含气量的变化。
3.根据权利要求1所述的隔水管内气侵早期声波监测系统，其特征在于，所述声场的激发频率低于20kHz。
4.根据权利要求1所述的隔水管内气侵早期声波监测系统，其特征在于，所述接收换能器的个数至少为2个，与所述发射换能器间隔套设在所述隔水管外侧的底部。
5.根据权利要求4所述的隔水管内气侵早期声波监测系统，其特征在于，所述发射换能器与所述接收换能器之间的间隔大于或等于1米，相邻的接收换能器之间的间隔大于或等于10cm。
6.根据权利要求1所述的隔水管内气侵早期声波监测系统，其特征在于，所述发射换能器及接收换能器为环状结构，与所述隔水管的外壁契合。
7.一种隔水管内气侵早期声波监测方法，其特征在于，包括：
套设在隔水管外侧的至少一环状发射换能器在所述隔水管内外空间激发声场，在所述隔水管材料本体内产生声波；
套设在隔水管外侧的多个环状接收换能器接收所述声波；
多个所述环状接收换能器通过分析接收到的所述声波来判断隔水管内的混合流体的含气量的变化。
8.根据权利要求7所述的隔水管内气侵早期声波监测方法，其特征在于，还包括：在所述隔水管的外侧套设所述发射换能器及接收换能器。
9.根据权利要求7所述的隔水管内气侵早期声波监测方法，其特征在于，所述声波为多个接收换能器接收到的隔水管中的S0模式Lamb波，通过分析所述S0模式Lamb波的幅度和衰减系数随时间变化的关系判断隔水管内的混合流体的含气量的变化。
10.根据权利要求7所述的隔水管内气侵早期声波监测方法，其特征在于，所述声场的激发频率低于20kHz。
11.根据权利要求7所述的隔水管内气侵早期声波监测方法，其特征在于，所述接收换能器的个数至少为2个，与所述发射换能器间隔套设在所述隔水管外侧的底部。
12.根据权利要求11所述的隔水管内气侵早期声波监测方法，其特征在于，所述发射换能器与所述接收换能器之间的间隔大于或等于1米，相邻的接收换能器之间的间隔大于或等于10cm。
13.根据权利要求7所述的隔水管内气侵早期声波监测方法，其特征在于，所述发射换能器及接收换能器为环状结构，与所述隔水管的外壁契合。
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