CN111364979B - 一种基于超声波的井下气侵监测系统 - Google Patents

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本发明属于油气钻井的技术领域，具体的涉及一种基于超声波的井下气侵监测系统。该监测系统包括固定于钻杆上的超声波气侵监测装置，还包括位于超声波气侵监测装置下方的环空气固分离装置，该环空气固分离装置包括自上而下依次固定于钻杆上的涡轮和气固预分离装置。该系统不但可以有效分离井下气侵气体和岩屑，排除岩屑对气侵监测的影响，还能使整个环空内的气侵气体尽可能集中在钻杆附近的有效监测窗口内，解决了目前井下监测气侵方法受监测窗口空间限制和岩屑影响的难题，大幅提升了气侵监测的时效性、精度和可靠度。

Description

一种基于超声波的井下气侵监测系统
技术领域
本发明属于油气钻井的技术领域，具体的涉及一种基于超声波的井下气侵监测系统。
背景技术
在深水和深层油气资源的勘探开发中，由于缺乏对深水环境、深部地层及工况的准确预测和监测信息，钻井过程中井下复杂事故的发生风险大幅增加，其中井喷便是一种情况复杂、危害巨大、一旦发生则难以避免和处理的重大事故。气侵的早期监测成为避免井喷和实施有效井控的关键技术手段之一。
目前常用的气侵溢流早期监测方法主要是钻井液池增量法和出口流量差法，但对于深水和深层钻井，其监测的时效性不高。随后提出有隔水管超声波监测方法、随钻气侵监测方法等，将气侵探测设备由地面下放至海底甚至井下，试图提高气侵监测的时效性。但通过分析发现，隔水管超声波监测方法仅适用于海洋钻井，对于陆上钻井并不适用。而随钻气侵监测方法是利用井下监测的环空压力、地层电阻率等参数对气侵进行早期识别和预测，该方法需在近钻头处安装PWD、LWD等设备，费用高昂，且导致环空压力、地层电阻率等井下监测参数变化的因素众多，监测气侵的准确率有待提高。为此，近年来有学者提出利用超声波或低频弹性波在多相流中的传播特性在井下对气侵进行监测的方法，但由于声波在多相流中传播时，气泡和岩屑对声波具有相似的反射和散射效应，导致该方法的关键瓶颈之一便是井下环空多相流中的岩屑对声波信号的干扰；同时由于受井下空间的限制，超声波监测气侵的信息窗口较小，以目前的超声波监测气侵技术，在该狭小的信息窗口内监测钻杆附近的含气率情况评估整个环空的含气率信息将会产生较大的误差。因此如何在避免岩屑对声波信号干扰的同时又可以在空间狭小的超声波监测信息窗口内尽可能掌握整个环空的含气率，成为提高气侵监测准确性的关键。
发明内容
本发明的目的在于针对现有井下超声波监测气侵方法因超声波监测信息窗口小难以掌握整个环空含气率以及监测结果受岩屑影响，导致气侵监测精度低、结果不可靠的缺陷而提供一种基于超声波的井下气侵监测系统，该系统不但可以有效分离井下气侵气体和岩屑，排除岩屑对气侵监测的影响，还能使整个环空内的气侵气体尽可能集中在钻杆附近的有效监测窗口内，解决了目前井下监测气侵方法受监测窗口空间限制和岩屑影响的难题，大幅提升了气侵监测的时效性、精度和可靠度。
本发明的技术方案为：一种基于超声波的井下气侵监测系统，包括固定于钻杆上的超声波气侵监测装置，还包括位于超声波气侵监测装置下方的环空气固分离装置，该环空气固分离装置包括自上而下依次固定于钻杆上的涡轮和气固预分离装置。
所述涡轮的参数包括直径、叶片数量、叶片弦长、厚度、翼型和扭转角，涡轮的数量及其分布均采用以下方法进行测试优选确定：按照钻杆实际转速和目标井的实际井下条件，包括用于计算井下多相流场和气侵量的井深、钻井密度、钻井液排量、气侵气体、钻井液初始粘度、储层压力、地温梯度、地层渗透率和地层孔隙度，根据选定的涡轮参数、数量及其分布测试涡轮对钻井液气液固三相流场的分离情况，当观察到形成稳定贴壁泡状流即气相含量>0.3时，则该选定的涡轮参数、数量及其分布为最优；若未观察到贴壁泡状流，则以选定的为基准，每次测试选取一个基准值作为变量，其他不变，将选取的基准值增加或减少10％并四舍五入取整后测试该值下的涡轮对钻井液气液固三相流场的分离情况，以此类推，直至测试观察到稳定贴壁泡状流。涡轮数量至少一个，根据具体情况确定为一个涡轮还是涡轮组。
在井深为4280m、钻杆转速为120r/min、钻井液密度为1.6g/m3、钻井液排量为20L/s、气侵气体为CH4、钻井液初始粘度为55Pa·s、储层压力为68MPa、地温梯度为0.0463℃/m、地层渗透率为50md以及地层孔隙度为30％的条件下，涡轮的直径为200mm、叶片数量为12、叶片弦长为80mm、厚度为6mm、扭转角为15°。
所述气固预分离装置的外表面为自下而上横截面外径逐渐变大的平滑曲面，其中横截面的最大外径等于涡轮直径。该预分离装置针对钻井液特性设计的独特流线对钻井液具有导流能力，适用于井下钻井液，平滑曲面的顺滑使得流体流过时阻力较小。
所述涡轮中分布于最下方的涡轮与气固预分离装置顶端之间的距离为200～300mm。
所述超声波气侵监测装置为钻杆短节结构，通过上部接头和下部接头与钻杆螺纹连接；在钻杆短节的内壁上固定有超声波探头，在超声波探头的外部设置有保护腔。
所述超声波探头为超声波单晶探头组合或双晶探头。超声波双晶探头发射超声波的同时接收返回的信号。单晶探头组合，一个负责发射超声波，另一个负责接收返回的信号。
所述超声波探头的主频为0.1MHz；探头为斜探头，角度为45°。
所述超声波气侵监测装置与下方环空气固分离装置中的涡轮或涡轮组之间的距离L采用以下方法确定：在实验测试优选确定涡轮的参数、数量及其分布后，继续观察气液固三相流场的分离情况，以气相含量等于0.3的位置截面为基准，测量该截面与分布于最上方的涡轮之间的距离即为L。
根据不同气侵气体在不同井深条件下的溶解度确定系统的安装位置：对于溶解度低的非酸性气体，该气侵监测系统安装于近钻头处；对于溶解度高的酸性气体，则安装在上部的气体溶解度较小的井段。由于不同气侵气体(例如H2S、CO2、CH4等)在井下温度和压力环境下的油基和水基钻井液中的溶解特性差距较大，需要根据不同气侵气体在不同井深条件下的溶解度确定系统的安装位置。
本发明的有益效果为：本发明所述监测系统将环空气固分离装置和超声波气侵监测装置组合安装于井下，不消耗井下水力能量，通过气固预分离装置对气液固三相流(气侵气体、钻井液、岩屑)中的岩屑和气体进行前期分离，使岩屑和气体处于井壁附近，贴近井筒向上流动，在涡轮附近区域形成没有岩屑和气体的“洁净区域”，即单纯钻井液，可以有效保护涡轮或涡轮组免受岩屑和气体的冲蚀，有效延长使用寿命；同时由于横截面积减小，多相流的流速加快，通过优选涡轮结构及其安装位置，涡轮在钻杆旋转的带动下驱动经过预分离的多相流形成一定强度的旋流，依靠产生的旋流，基于惯性离心分离的原理，对岩屑和气侵气体进行分离，分散相岩屑会因密度大于钻井液而继续维持在远离钻杆的区域，分散相气体会因密度小于钻井液而迅速集中于钻杆附近形成贴壁泡状流。在气固分离状态下利用超声波对气侵进行有效监测。
该监测系统不但有效分离井下环空中的气侵气体和岩屑，排除岩屑对气侵监测的影响，使监测到的气侵数据更为可靠和准确；而且通过涡轮驱动多相流产生强旋流，调动起整个环空内的气侵气体，使气侵气体迅速集中在钻杆附近的有效监测窗口内，解决了目前井下监测气侵方法受有效监测窗口空间限制难以掌握整个环空含气率的难题，可以大幅提升气侵监测的时效性、精度和可靠度。
附图说明
图1为实施例1中所述井下气侵监测系统各部件的相对安装位置示意图。
图2为超声波气侵监测装置采用双晶探头的结构图。
图3为图2的A-A视图。
图4为超声波气侵监测装置采用单晶斜探头组合的结构图。
图5为图4的B-B视图。
图6为所述基于超声波的井下气侵监测系统在井下的工作状态图。
图7为钻杆转速120r/min条件下井筒环空多相流分布情况。
图8为不同类型气侵气体溶解度随井深的变化图。
其中1为钻杆，2为超声波气侵监测装置，3为环空气固分离装置，4为涡轮，5为气固预分离装置，6为上部接头，7为下部接头，8为超声波探头，9为保护腔。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
以某口井的钻进过程中气侵监测为例进行介绍。该井的相关具体参数如下：井深4280m、钻杆转速120r/min、钻井液密度1.6g/m3、排量20L/s、气侵气体为CH4、钻井液初始粘度55Pa·s、储层压力68MPa、地温梯度0.0463℃/m、地层渗透率50md、地层孔隙度30％。
所述基于超声波的井下气侵监测系统，包括固定于钻杆1上的超声波气侵监测装置2，还包括位于超声波气侵监测装置2下方的环空气固分离装置3，该环空气固分离装置3包括自上而下依次固定于钻杆1上的涡轮4和气固预分离装置5。所述涡轮4与气固预分离装置5的顶端之间的距离为200mm。
在上述具体参数条件下，选定涡轮数量为一个，涡轮的直径为200mm、叶片数量为12、叶片弦长为80mm、厚度为6mm、扭转角为15°。测试涡轮对钻井液气液固三相流场的分离情况，观察到形成了稳定的贴壁泡状流即气相含量>0.3，则该选定的涡轮参数、数量及其分布为最优。
在确定上述涡轮的参数、数量及其分布后，结合图7所示的钻杆转速120r/min条件下井筒环空多相流分布情况，继续观察气液固三相流场的分离情况，以气相含量等于0.3的位置截面为基准，测量该截面与涡轮之间的距离L＝0.6m，则涡轮4应安装于距超声波气侵监测装置2下方0.6m处。
所述气固预分离装置5的外表面为自下而上横截面外径逐渐变大的平滑曲面，其中横截面的最大外径即该气固预分离装置5的顶端截面外径等于涡轮4直径。该预分离装置针对钻井液特性设计的独特流线对钻井液具有导流能力，适用于井下钻井液，平滑曲面的顺滑使得流体流过时阻力较小。所述气固预分离装置5可以焊接在钻杆壁上。
所述超声波气侵监测装置2为钻杆短节结构，通过上部接头6和下部接头7与钻杆1螺纹连接；在钻杆短节的内壁上固定有超声波探头8，在超声波探头8的外部设置有保护腔9。
所述超声波探头8为超声波双晶探头，超声波探头8的主频为0.1MHz。
由于气侵气体为CH4，属于非酸性气体，如图8所示，其溶解度很低，该气侵监测系统安装在近钻头附近。
采用本发明所述气侵监测系统可在气侵发生后，气体运移至钻头上方0.6m左右即可准确监测到气侵的发生，按照钻井液排量20L/s计算，监测到气侵的时间在10s以内。

Claims (6)

1.一种基于超声波的井下气侵监测系统，包括固定于钻杆上的超声波气侵监测装置，其特征在于，还包括位于超声波气侵监测装置下方的环空气固分离装置，该环空气固分离装置包括自上而下依次固定于钻杆上的涡轮和气固预分离装置；
所述涡轮的参数包括直径、叶片数量、叶片弦长、厚度、翼型和扭转角，涡轮的数量及其分布均采用以下方法进行测试优选确定：按照钻杆实际转速和目标井的实际井下条件，包括用于计算井下多相流场和气侵量的井深、钻井密度、钻井液排量、气侵气体、钻井液初始粘度、储层压力、地温梯度、地层渗透率和地层孔隙度，根据选定的涡轮参数、数量及其分布测试涡轮对钻井液气液固三相流场的分离情况，当观察到形成稳定贴壁泡状流即气相含量>0.3时，则该选定的涡轮参数、数量及其分布为最优；若未观察到贴壁泡状流，则以选定的为基准，每次测试选取一个基准值作为变量，其他不变，将选取的基准值增加或减少10%并四舍五入取整后测试该值下的涡轮对钻井液气液固三相流场的分离情况，以此类推，直至测试观察到稳定贴壁泡状流；
所述气固预分离装置的外表面为自下而上横截面外径逐渐变大的平滑曲面，其中横截面的最大外径等于涡轮直径；
所述涡轮中分布于最下方的涡轮与气固预分离装置顶端之间的距离为200～300mm；
所述超声波气侵监测装置与下方环空气固分离装置中的涡轮或涡轮组之间的距离L采用以下方法确定：在实验测试优选确定涡轮的参数、数量及其分布后，继续观察气液固三相流场的分离情况，以气相含量等于0.3的位置截面为基准，测量该截面与分布于最上方的涡轮之间的距离即为L。
2. 根据权利要求1所述基于超声波的井下气侵监测系统，其特征在于，在井深为4280m、钻杆转速为120r/min、钻井液密度为1.6g/m3、钻井液排量为20 L/s、气侵气体为CH4、钻井液初始粘度为55Pa•s、储层压力为68MPa、地温梯度为0.0463℃/m、地层渗透率为50md以及地层孔隙度为30%的条件下，涡轮的直径为200mm、叶片数量为12、叶片弦长为80mm、厚度为6mm、扭转角为15°。
3.根据权利要求1所述基于超声波的井下气侵监测系统，其特征在于，所述超声波气侵监测装置为钻杆短节结构，通过上部接头和下部接头与钻杆螺纹连接；在钻杆短节的内壁上固定有超声波探头，在超声波探头的外部设置有保护腔。
4.根据权利要求3所述基于超声波的井下气侵监测系统，其特征在于，所述超声波探头为超声波单晶探头组合或双晶探头。
5.根据权利要求3所述基于超声波的井下气侵监测系统，其特征在于，所述超声波探头的主频为0.1MHz；探头为斜探头，角度为45°。
6.根据权利要求1所述基于超声波的井下气侵监测系统，其特征在于，根据不同气侵气体在不同井深条件下的溶解度确定监测系统的安装位置：对于溶解度低的非酸性气体，该气侵监测系统安装于近钻头处；对于溶解度高的酸性气体，则安装在上部的气体溶解度较小的井段。
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