CN107387066A - 一种基于电阻抗测量的油气钻井气侵早期发现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于气侵监测技术领域，涉及一种基于电阻抗测量的油气钻井气侵早期发现方法，在靠近钻头或井下动力钻具的地方将测量短节与钻具连接，使电极与井筒钻井液接触，再将测量短节与位于井下的井下信号发射装置连接，信号发射装置与位于地面的信号接收装置以无线方式连接，最后将信号接收装置与数据处理计算机连接，通过在电极施加电流激励，在钻井液中建立电场，测量其他未激励电极上的电位数据并经过信号发射装置、信号接收装置和数据处理计算机的分析处理实现气侵是否发生与气侵的发生程度的判断；其能够准确、及时和可靠地发现气侵，利用MWD设备就能实现气侵的早期监测和发现，具有监测成本低和适用性强的有益效果，易于推广使用。
Description
技术领域：
本发明属于气侵监测技术领域，涉及一种基于电阻抗测量的油气钻井气侵早期发现方法，在石油与天然气钻探过程中，实时监测井下气侵的发生，实现早期发现的目的。
背景技术：
气侵是在钻井过程中，气体侵入钻井液中使钻井液性能变坏的过程，气侵对钻井液柱压力有一定的影响，并且气侵的钻井液在不同深度的密度是不同的，气侵钻井液接近地面时其密度才变得很小，所以即使地面钻井液气侵厉害，密度降低很多，但井底钻井液柱压力减少并不大；气侵是引发井涌并直接导致井喷的主要因素和重要原因，所以，气侵的早期发现和预警是避免和预防井喷事故，实现安全钻井的重要保证。
现有技术中，气侵的监测方法总体上分为两类：一类是在地面或靠近井口的地方设置测量设备，通过监测地面或近地面参数实现气侵的监测，包括钻井液池液面气侵监测法、钻井液返出流量计气侵监测法和声波气侵监测法等，这类方法属于间接判断方法，发现气侵的时间滞后，井深越大滞后时间越长，不能实现气侵的早期发现；另一类则是直接在井下放置设备，通过检测井下参数实现气侵的判断，包括基于地层电阻率的气侵监测方法，这类方法是在产生气侵的现场检测，能够实现“早期”发现气侵的目的。这些方法各有特点，但是使用时的局限性较大：通过测量地层电阻率来判断是否发生气侵的方法测量的对象不是受气侵影响最明显的钻井液，并且需要使用随钻测井设备，成本较高，效果受到影响；通过测量井筒环空若干点的压力获得钻井液密度变化并测量整个井筒声波衰减特性的方法得到的特性参数是某个井段或整个井筒的；中国专利201310010487.7公开的一种钻井过程气侵位置检测方法是基于压力波在不同含气率的钻井液中的传播速度不同判断气侵并检测气侵位置，液动节流阀(4)动作产生压力波，压力波沿环空(7)向井底传播，到达井底后分别经钻杆(8)内泥浆、环空(7)内泥浆返回地面；根据立管压力传感器(2)和套管压力传感器(1)接收到井底反射回的压力波的时间差判断是否发生气侵，根据检测到的井口气液流量、套压、压力波在环空(7)和钻杆(8)内的传播时差，采用环空水力学模型对各参数进行龙格库塔迭代，得出环空中不同位置空隙率的分布和波速响应时间，确定气侵位置与压力波响应时间之间存在的一一对应关系，从而得到发生气侵的准确位置；中国专利201510689849.9公开的一种基于隔水管气液两相流识别的深水钻井气侵监测方法是在隔水管底部对位安装超声波探头监测气侵信号，根据建立的声波信号衰减与截面含气率的定量对应关系，结合深水钻井井筒气液两相流模型和含可信度地层压力预测方法，建立基于隔水管处气侵监测数据的井筒气侵程度反算方法，提前准确发现气侵的同时，实现对井筒气侵情况的实时定量描述，从而形成基于隔水管气液两相流识别的深水钻井气侵监测方法；中国专利201710241483.8公开的一种利用随钻测量工具的压力波信号实时监测气侵的方法利用MWD在传递井下数据时产生的压力脉冲波动信号作为压力波源，压力波信号沿环空和钻杆两条路径分别传播到地面环空压力传感器和立管压力传感器，然后通过滤波处理器过滤两个传感器接收到的压力波信号，通过弱信号放大器对过滤后的弱信号进行放大处理，通过数据处理及实时监测系统计算并记录压力脉冲信号从两条线路返出地面的时间差，最后报警器根据时间差判断是否进行预警和报警；这些方法只有在气侵比较严重时才能发现，所以也不能实现真正意义的早期发现。因此，研发一种基于电阻抗测量的油气钻井气侵早期发现方法，实现早期发现气侵，及时采取应对措施，减除对随钻测井设备的依赖，降低生产成本，避免财产和人员损失，为安全钻井提供可靠保证，具有良好的社会和经济价值，应用前景广阔。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种基于电阻抗测量的油气钻井气侵早期发现方法，实现早期发现气侵，及时采取应对措施，减除对随钻测井设备的依赖，避免财产和人员损失，为安全钻井提供可靠保证。
为了实现上述目的，本发明涉及的基于电阻抗测量的油气钻井气侵早期发现方法采用测量短节实施，在靠近钻头或井下动力钻具的地方将测量短节与钻具连接，使电极与井筒钻井液接触，再将测量短节与位于井下的井下信号发射装置连接，信号发射装置与位于地面的信号接收装置以无线方式连接，最后将信号接收装置与数据处理计算机连接；测量时，依次对两个棱柱之间的一组电极施加电流激励，在钻井液中建立电场，施加激励的过程为，将一个电极固定为电源激励的一极，然后依次将其他电极作为电源的另一极，直到所有电极使用完毕，施加激励的同时测量其他未激励电极上的电位数据，测量短节将测量到的电位数据发送给信号发射装置，然后由信号发射装置发送至地面信号接收装置，地面信号接收装置接收电位数据后传送给数据处理计算机，数据处理计算机通过其中的电阻抗计算和成像软件对电位数据进行计算和成像，基于气侵气体电阻抗与钻井液电阻抗之间存在差异的原理，气侵发生时，气侵处的钻井液的电阻抗值发生变化，另外在图像中，气体与钻井液以不同的颜色或不同深度的颜色呈现，综合利用计算得到的电阻抗值和图像，能够实现气侵是否发生与气侵程度的判断。
本发明涉及的井下信号发射装置、地面信号接收装置、数据处理计算机均为市售产品；电阻抗的计算和成像软件能够利用现有技术中的成熟算法。
本发明涉及的测量短节的主体结构包括空心管、通孔、棱柱、倒角、凹槽、测量电路板、导线、电极、盖板、电极紧固件、绝缘密封层、走线孔和螺钉；圆柱形结构的空心管的圆心处开设有圆柱形结构的通孔，空心管的圆周表面等间距设置有三个梯形断面结构的棱柱，棱柱在空心管的外表面分割出三个流道，棱柱的顶端和底端分别设置有倒角，相邻棱柱之间的空心管的外表面向内开设有矩形结构的凹槽，凹槽的内部设置有矩形板状结构的测量电路板，测量电路板通过圆柱形结构的导线分别与6-10个电极的一端电连接，电极的另一端伸出覆盖在凹槽外表面的弧形板状结构的盖板并与盖板的外表面平齐，电极位于凹槽中的一端通过电极紧固件与盖板卡扣式连接，电极与盖板之间的缝隙填充有绝缘密封层，凹槽的顶端开设有圆形结构的走线孔，空心管通过盖板上均匀布置的螺钉与盖板连接。
本发明涉及的空心管为空心管状结构，便于井下使用；通孔的设置为钻井液提供通道；棱柱用于分割空心管的外表面使三组电极相互独立，防止三组电极之间的干扰，同时，棱柱在空心管的外表面分割出的三个流道对钻井液形成导流作用，钻井液对电极进行冲刷，避免了泥质或其他固体覆盖电极的表面，保证了电极的测量精度；倒角能够减轻棱柱的自重并使棱柱在井下的通过性更好；凹槽作为测量电路板、导线和电极的存储空间；测量电路板上按照电学原理和电阻抗测量要求设置有电源部件和电路系统用于产生激励电源并测量电极的电位；导线用于连接测量电路板和电极以及测量电路板和井下信号发射装置；电极的外端与钻井液直接接触，用于传递激励电流和测量电位，三组电极的设置提高了测量短节的可靠性；盖板的作用是保护、隔离和密封；电极紧固件用于加固电极与盖板的连接；绝缘密封层使电极与盖板之间达到绝缘和密封的效果；走线孔用于布设电路导线，便于实现测量电路板与井下信号发射装置的连接，以使测量电路板测量到的电位数据传递给井下信号发射装置；螺钉便于空心管与盖板的连接。
本发明与现有技术相比，具有以下突出的实质性特点：一是综合利用电阻抗测量和成像的方法，基于钻井液与气体之间电阻抗的巨大差异这一特点实现气侵的判别，钻井液与气体之间电阻抗的差异在任何井深、压力和温度环境下都存在，所以，其适用性更强，判别结果更准确，而且不易发生误判；二是通过测量短节获得的是井筒某处钻井液的电阻抗及其分布情况，其反映的是该“点”处的气侵状况，而不是整个井筒或者某个井段的综合气侵情况，所以，判断结果更及时，更具有“早期”发现的特征；三是通过周向均布的多组电极能够获得井筒周向上不同位置处的气体含量，适用于气体在周向上分布不均的情况；另外，当其中一组甚至两组电极或其电路部分出现故障时，不影响整个测量短节发挥作用，所以，进一步提高了测量的可靠性；其工艺过程简单，原理科学合理，操作便利，实用性好，使用环境友好，通用性强，安全可靠，能够更加准确、及时和可靠地发现气侵，利用市售的MWD设备就能实现气侵的早期监测和发现，具有监测成本低和适用性强的有益效果，易于推广使用。
附图说明：
图1为本发明涉及的测量短节的主体结构原理示意图。
图2为本发明涉及的测量短节的俯视结构原理示意图。
图3为本发明涉及的测量短节的A轴剖面结构原理示意图。
图4为本发明涉及的测量短节的B轴剖面结构原理示意图。
图5为本发明涉及的测量短节的凹槽剖面结构原理示意图。
图6为本发明涉及的测量短节的使用状态示意图。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。
实施例：
本实施例涉及的基于电阻抗测量的油气钻井气侵早期发现方法采用测量短节实施，在靠近钻头或井下动力钻具的地方将测量短节与钻具连接，使电极与井筒钻井液接触，再将测量短节与位于井下的井下信号发射装置连接，信号发射装置与位于地面的信号接收装置以无线方式连接，最后将信号接收装置与数据处理计算机连接；测量时，依次对两个棱柱3之间的一组电极8施加电流激励，在钻井液中建立电场，施加激励的过程为，将一个电极8固定为电源激励的一极，然后依次将其他电极8作为电源的另一极，直到所有电极8使用完毕，施加激励的同时测量其他未激励电极8上的电位数据，测量短节将测量到的电位数据发送给信号发射装置，然后由信号发射装置发送至地面信号接收装置，地面信号接收装置接收电位数据后传送给数据处理计算机，数据处理计算机通过其中的电阻抗计算和成像软件对电位数据进行计算和成像，基于气侵气体电阻抗与钻井液电阻抗之间存在差异的原理，气侵发生时，气侵处的钻井液的电阻抗值发生变化，另外在图像中，气体与钻井液以不同的颜色或不同深度的颜色呈现，综合利用计算得到的电阻抗值和图像，能够实现气侵是否发生与气侵程度的判断。
本实施例涉及的井下信号发射装置、地面信号接收装置、数据处理计算机均为市售产品；电阻抗的计算和成像软件能够利用现有技术中的成熟算法。
本实施例涉及的测量短节的主体结构包括空心管1、通孔2、棱柱3、倒角4、凹槽5、测量电路板6、导线7、电极8、盖板9、电极紧固件10、绝缘密封层11、走线孔12和螺钉13；圆柱形结构的空心管1的圆心处开设有圆柱形结构的通孔2，空心管1的圆周表面等间距设置有三个梯形断面结构的棱柱3，棱柱3在空心管1的外表面分割出三个流道，棱柱3的顶端和底端分别设置有倒角4，相邻棱柱3之间的空心管1的外表面向内开设有矩形结构的凹槽5，凹槽5的内部设置有矩形板状结构的测量电路板6，测量电路板6通过圆柱形结构的导线7分别与6-10个电极8的一端电连接，电极8的另一端伸出覆盖在凹槽5外表面的弧形板状结构的盖板9并与盖板9的外表面平齐，电极8位于凹槽5中的一端通过电极紧固件10与盖板9卡扣式连接，电极8与盖板9之间的缝隙填充有绝缘密封层11，凹槽5的顶端开设有圆形结构的走线孔12，空心管1通过盖板9上均匀布置的螺钉13与盖板9连接。
本实施例涉及的空心管1为空心管状结构，便于井下使用；通孔2的设置为钻井液提供通道；棱柱3用于分割空心管1的外表面使三组电极8相互独立，防止三组电极8之间的干扰，同时，棱柱3在空心管1的外表面分割出的三个流道对钻井液形成导流作用，钻井液对电极8进行冲刷，避免了泥质或其他固体覆盖电极8的表面，保证了电极8的测量精度；倒角4能够减轻棱柱3的自重并使棱柱3在井下的通过性更好；凹槽5作为测量电路板6、导线7和电极8的存储空间；测量电路板6上按照电学原理和电阻抗测量要求设置有电源部件和电路系统用于产生激励电源并测量电极8的电位；导线7用于连接测量电路板6和电极8以及测量电路板6和井下信号发射装置；电极8的外端与钻井液直接接触，用于传递激励电流和测量电位，三组电极8的设置提高了测量短节的可靠性；盖板9的作用是保护、隔离和密封；电极紧固件10用于加固电极8与盖板9的连接；绝缘密封层11使电极8与盖板9之间达到绝缘和密封的效果；走线孔12用于布设电路导线，便于实现测量电路板6与井下信号发射装置的连接，以使测量电路板6测量到的电位数据传递给井下信号发射装置；螺钉13便于空心管1与盖板9的连接。
Claims (4)
1.一种基于电阻抗测量的油气钻井气侵早期发现方法，其特征在于采用测量短节实施，在靠近钻头或井下动力钻具的地方将测量短节与钻具连接，使电极与井筒钻井液接触，再将测量短节与位于井下的井下信号发射装置连接，信号发射装置与位于地面的信号接收装置以无线方式连接，最后将信号接收装置与数据处理计算机连接；测量时，依次对两个棱柱之间的一组电极施加电流激励，在钻井液中建立电场，施加激励的过程为，将一个电极固定为电源激励的一极，然后依次将其他电极作为电源的另一极，直到所有电极使用完毕，施加激励的同时测量其他未激励电极上的电位数据，测量短节将测量到的电位数据发送给信号发射装置，然后由信号发射装置发送至地面信号接收装置，地面信号接收装置接收电位数据后传送给数据处理计算机，数据处理计算机通过其中的电阻抗计算和成像软件对电位数据进行计算和成像，基于气侵气体电阻抗与钻井液电阻抗之间存在差异的原理，气侵发生时，气侵处的钻井液的电阻抗值发生变化，另外在图像中，气体与钻井液以不同的颜色或不同深度的颜色呈现，综合利用计算得到的电阻抗值和图像，能够实现气侵是否发生与气侵程度的判断。
2.根据权利要求1所述的基于电阻抗测量的油气钻井气侵早期发现方法，其特征在于所述井下信号发射装置、地面信号接收装置、数据处理计算机均为市售产品；电阻抗的计算和成像软件能够利用现有技术中的成熟算法。
3.根据权利要求1所述的基于电阻抗测量的油气钻井气侵早期发现方法，其特征在于所述测量短节的主体结构包括空心管、通孔、棱柱、倒角、凹槽、测量电路板、导线、电极、盖板、电极紧固件、绝缘密封层、走线孔和螺钉；圆柱形结构的空心管的圆心处开设有圆柱形结构的通孔，空心管的圆周表面等间距设置有三个梯形断面结构的棱柱，棱柱在空心管的外表面分割出三个流道，棱柱的顶端和底端分别设置有倒角，相邻棱柱之间的空心管的外表面向内开设有矩形结构的凹槽，凹槽的内部设置有矩形板状结构的测量电路板，测量电路板通过圆柱形结构的导线分别与6-10个电极的一端电连接，电极的另一端伸出覆盖在凹槽外表面的弧形板状结构的盖板并与盖板的外表面平齐，电极位于凹槽中的一端通过电极紧固件与盖板卡扣式连接，电极与盖板之间的缝隙填充有绝缘密封层，凹槽的顶端开设有圆形结构的走线孔，空心管通过盖板上均匀布置的螺钉与盖板连接。
4.根据权利要求3所述的基于电阻抗测量的油气钻井气侵早期发现方法，其特征在于所述空心管为空心管状结构，便于井下使用；通孔的设置为钻井液提供通道；棱柱用于分割空心管的外表面使三组电极相互独立，防止三组电极之间的干扰，同时，棱柱在空心管的外表面分割出的三个流道对钻井液形成导流作用，钻井液对电极进行冲刷，避免了泥质或其他固体覆盖电极的表面，保证了电极的测量精度；倒角能够减轻棱柱的自重并使棱柱在井下的通过性更好；凹槽作为测量电路板、导线和电极的存储空间；测量电路板上按照电学原理和电阻抗测量要求设置有电源部件和电路系统用于产生激励电源并测量电极的电位；导线用于连接测量电路板和电极以及测量电路板和井下信号发射装置；电极的外端与钻井液直接接触，用于传递激励电流和测量电位，三组电极的设置提高了测量短节的可靠性；盖板的作用是保护、隔离和密封；电极紧固件用于加固电极与盖板的连接；绝缘密封层使电极与盖板之间达到绝缘和密封的效果；走线孔用于布设电路导线，便于实现测量电路板与井下信号发射装置的连接，以使测量电路板测量到的电位数据传递给井下信号发射装置；螺钉便于空心管与盖板的连接。
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