CN111594135A - 一种隔水管内钻井液气体检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隔水管内钻井液气体检测装置及方法，所述装置包括多个气体传感装置、前端处理器、信号放大器和信号分析装置，隔水管的侧壁上设有多个通孔，所述气体传感装置安装在所述通孔处；所述气体传感装置采集的气体信息通过前端处理器和信号放大器传递至信号分析装置，所述信号分析装置接受信号放大器传递来的气体信息并进行分析处理。本发明将半透膜连同传感器一起置于隔水管壁中，由于半透膜具有选择透过性，隔水管内的气体会通过半透膜，从而被传感器捕获，从而达到对隔水管内钻井液气体检测的目的，提早发现气侵、井涌，提高钻井过程中安全性，避免井喷等复杂事故的发生。

Description

一种隔水管内钻井液气体检测装置及方法

技术领域

本发明属于石油工程领域，具体地，涉及一种隔水管内钻井液气体检测装置及方法。

背景技术

海洋钻井是一个高风险、高投入的行业，任何一个小事故都会带来巨大的财产损失，在海洋钻井中，井喷事故时长发生，除了管理方面的原因，主要原因还有对气侵的监测手段差，一旦发生井喷后果难以控制。钻井中，正常的钻进过程是钻井液通过泥浆泵通过钻杆泵入井底，之后通过环空上返到地面，静夜柱压力和循环摩阻产生的压力可以平衡地层压力，阻止地层中的气体井筒。发生气侵后，会使井底压力下降，压力差会持续增大，气侵速度会逐渐加快，当得不到有效的控制时，井底溢流会迅速恶化，导致井喷事故的发生。加之油基钻井液的使用，气体会融入钻井液中，作业者很难通过一些常规仪表发现隔水管中存在气体。在海上钻井中，做到气侵的早发现，是避免井喷事故的重要手段。

如果可以找到一种监测方法，能对气侵早期即时准确的发现，使现场人员能够有充分的时间处理进入的地层流体，将会大大降低钻井工程的风险和损失。

在石油化工行业的蓬勃发展中，在油气分离半透膜以及气体检测方面有着多种方法以及技术。例如：聚二甲基硅氧烷作为油气分离半透膜，对有机物具有很高的亲和力和低转递阻力，并且具有良好的加工性能；通过多普勒测量技术对隔水管气侵进行研究，分析超声波多普勒信号的变化规律判断是否发生气侵；通过注入泥浆和上返泥浆量的对比判断是否发生气侵；或者是在井眼底部钻具安装压力传感器，通过传输的数据信息判断气体侵入井筒的情况。以上这些技术在各自领域的应用十分成功，但在对气侵定量化监测方面还存在不足，例如聚二甲基硅氧烷作为油气分离半透膜在高温条件下的使用效果较差；多普勒测量技术在低气侵量监测方面无法达到要求；井底压力传感器的数据实时性收到井下传输技术的限制，无法做到实时数据传输。

虽然有各种方法对气侵溢流进行检测，但还是需要继续改进隔水管气体检测的方法，本方法通过半透膜的选择透过性能够较早的发现隔水管中的气体，进一步提高海洋平台的作业安全，避免不必要的人员和财产损失。

发明内容

为了有效的测定隔水管中的气体含量，本发明提出一种基于半透膜的气体检测装置，该装置安装在隔水管壁，半透膜具有防止泥浆通过并能使气体顺利通过、防压的特点，半透膜将传感器与外界的钻井液环境隔开，钻井液中的气体分子能够通过隔膜扩散进入检测室，被传感器捕获。通过该装置可以对隔水管中的钻井液中的气体含量进行监控，及时发现地层是否出现气侵，为井控赢得时间，提高海洋钻井复杂工况监测的准确性和可靠性。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种隔水管内钻井液气体检测装置，包括多个气体传感装置、前端处理器、信号放大器和信号分析装置，隔水管的侧壁上设有多个通孔，所述气体传感装置安装在所述通孔处；所述气体传感装置采集的气体信息通过前端处理器和信号放大器传递至信号分析装置，所述信号分析装置接受信号放大器传递来的气体信息并进行分析处理。

进一步，所述气体传感装置包括壳体、固定螺栓、气体分离膜、支撑膜，固定金属板，传感器插口，气体检测器，金属固定块和数据收集器；固定金属板通过固定螺栓与隔水管的侧壁紧密连接，所述气体分离膜和支撑膜夹设在固定金属板和隔水管之间；所述固定金属板上设有安装口和传感器插口，所述壳体通过固定块连接在安装口内；所述数据收集器设置在壳体内部，所述气体检测器穿过壳体一端与数据收集器相连接，另一端插接在传感器插口内。

进一步，所述气体分离膜位于支撑膜靠近隔水管侧壁的一侧。

进一步，所述气体传感装置包括膜密封垫圈，所述膜密封垫圈夹设于气体分离膜与隔水管侧壁之间；

进一步，所述气体传感装置包括传感器密封圈，所述传感器密封圈夹设在金属板与壳体之间。

进一步，多个所述气体传感装置在隔水管的侧壁上沿竖直方向分布。

进一步，所述通孔与所述气体传感装置一一对应。

进一步，所述通口为锥形孔，所述锥形孔直接较大的一侧朝向隔水管内部，所述锥形孔直接较小的一侧朝向隔水管外侧。

进一步，所述所述信号分析装置对气体信息进行分析处理包括形成同一位置不同时刻的隔水管内的气体量的变化曲线和不同位置同一时刻的隔水管内的气体量的变化曲线。

本发明还提供一种隔水管内钻井液气体检测方法，通过隔水管内钻井液气体检测装置检测的隔水管内的气体量的变化情况。

其中，所述隔水管内的气体量的变化情况包括：同一位置不同时刻的隔水管内的气体量的变化曲线和不同位置同一时刻的隔水管内的气体量的变化曲线。

本发明将半透膜连同传感器一起置于隔水管壁中，由于半透膜具有选择透过性，隔水管内的气体会通过半透膜，从而被传感器捕获，从而达到对隔水管内钻井液气体检测的目的，提早发现气侵、井涌，提高钻井过程中安全性，避免井喷等复杂事故的发生。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1.利用气体分离膜的选择透过性，有效的阻碍泥浆通过，只让气体通过，相比于其它检测方法，气体分离膜与钻井液直接接触，保证了检测结果的准确性和可靠性。

2.通过在隔水管中每隔一段距离布置，在较长距离内连续监测气体体积的变化，通过平台计算机接收，可以得出每个位置每个时间的气体含量变化，通过对比分析可以判断出气侵、井涌的程度，实用安全可靠，灵敏性更高，能够满足各种工况下的隔水管内气体监测。

附图说明

图1a为正常钻进时监测装置的总布局图；

图1b为发生气侵时监测装置的总布局图；

图2为本方法监测装置的结构示意图；

图中：1、钻井平台，2、海平面，3、隔水管，4钻杆，5、气体传感装置，6、环形防喷器，7、套管，8、钻头水眼，9、地层，10、闸板防喷器11、数据传输电缆，12、钻井液，51、固定螺栓，52、膜密封垫圈，53、气体分离膜，54、支撑膜，55、固定金属板，56、传感器密封圈，57、传感器插口，58、气体检测器，59、金属固定块，510、数据收集器，13、前端处理器，14、信号放大器，15、平台信号分析装置。

具体实施方式

实施例1

如图1a、1b、2所示，整个基于半透膜的气体检测方法装置的总布局图，气体检测装置5在隔水管3壁面按一定距离布置，气体检测装置5与数据传输电缆11连接，当地层9发生溢流气侵时，隔水管3内钻井液12溶有大量气体，当钻井液12流经气体检测装置5时气体会被捕获，经过数据传输电缆11传至前端信号处理器13和信号放大器14，信号都到一定的放大，同时也增加了传输信号的稳定性，通过平台信号分析装置15的分析和处理，可进一步判断气侵的程度，为控制气侵做出相应的指导，减少气侵的危险。

气体检测装置5包括固定螺栓51，膜密封法52兰，气体分离膜53，支撑膜54，固定金属板55，传感器密封圈56，传感器插口57，气体检测器58，金属固定块59，510、数据收集器，传输电缆11同时也为气体检测装置5提供电能，使得其能够满足日常作业需求，稳定工作。

隔水管3内外壁均开有小孔，外侧开口比内侧开口略大，形成大开口向外的锥形孔。

气体检测装置5连接在隔水管3的小孔处，膜密封垫圈52夹设在气体分离膜53和隔水管3侧壁之间，这样，膜密封垫圈52在满足密封性要求的基础上，还具有筛出钻井液12中大直径固相颗粒的功能，增加气体分离膜53的使用寿命以及使用过程中的灵敏性和稳定性。

支撑膜54为具有多空结构的烧结板，能够气体分离膜53提供必要的支撑，增加气体分离膜53的强度，两类膜相互作用，保证半透膜工作的可靠性，气体分离膜53的主要成分为聚二甲基硅氧烷，具有能够使气体通过并保持液体部分不通过的特性。支撑膜54和气体分离膜53均夹设在隔水管3管壁和固定金属板55之间，然后通过固定螺栓51实现固定连接；有着外螺纹的螺栓51可以牢固镶在隔水管3管壁配套的螺纹槽内。气体分离膜53具有分离钻井液和气体，只让气体通过的功能，目前有许多相同类型的半透膜出现，此装置所用的半透膜必须要有足够耐温、耐高压、耐腐蚀的性能，保证检测安全，使检测数据可靠，保证平台作业稳定进行。

固定金属板55设有与管壁上的孔对应的通孔，形成气体流道，从而实现气体检测。固定金属板55一端与支撑膜54接触，另一端与传感器密封圈56连接，固定金属版55增加支撑膜的强度的同时，也为传感器密封圈56的安装提供了方便；固定金属板55上设有传感器插口57和安装口，传感器插口57与传感器密封圈56直接接触。气体检测器58和数据收集器510封装在壳体内，壳体通过固定块59和安装口与固定金属板55连接，气体检测器58穿过壳体与传感器插口57可拆卸插接，所述气体检测器58通过传感器插口57和固定金属板55上的通孔能够接触穿过气体分离膜的气体。上述连接方式，气体检测器58能够稳定的安装在传感器插口57上，通过固定块59的固定作用，保证其工作稳定性和可靠性。隔水管3内置的气体检测装置5安装时，利用螺栓51、固定金属板55以及固定块59增加隔水管3开口处的稳定性，保证隔水管有着足够的强度能够承受高压，当气体分离膜53和支撑膜54破损时，固定块59也有足够的耐压和抗腐蚀性能和密封作用，保证作业安全。

当隔水管3内的钻井液12流经气体分离膜53时，钻井液12内的气体和液体在气体分离膜53的选择透过性的作用下，气体和液体分离，气体被支撑膜54后的气体检测器58捕获，气体检测器58将捕获的信息传输给另一端的数据收集器510，数据收集器510将信息通过数据传输电缆11传输给前端处理器13，前端处理器13将信号进行适当处理传输给信号放大器14，信号放大器14信号进行放大，在平台数据分析装置15，进行分析处理，在传输电缆上布置了多个信号处理器，可保证信号在传输过程中的稳定性和可靠性。

如图1b,当发气侵溢流时，气体从井底逐渐上升，由于压力的关系，气体越往上形成的气泡越大、气体的含量越高，沿隔水管1每隔一段距离进行气体检测装置的布置，可以较长距离内连续监测气体量的变化，提前发现气侵溢流的情况，通过平台数据分析装置15，通过观察平台数据分析装置显示的气体数据曲线波动情况，结合现场实际，当出现曲线出现较大的波动时，可以结合其它数据判断是否发生气侵，同时可以分析同一位置不同时刻内隔水管3内的气体变化，也可以分析同一时刻不同位置时隔水管3内的气体含量变化，对隔水管内的气体进行动态监测，为井下溢流气侵判断提供了及时的数据，可让平台操作者提前判断是否发生溢流、气侵，为后续的处理、制定相关方案赢得宝贵的时间，可避免人员和财产损失。

实施例2

以一口4360米深井为例，水深1260m，采用隔水管内钻井液气体检测方法比采用压力法监测到气体进入隔水管在41分钟，比地面气测法早26分钟。如下表所示：

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种隔水管内钻井液气体检测装置，其特征在于，包括多个气体传感装置、前端处理器、信号放大器和信号分析装置，隔水管的侧壁上设有多个通孔，所述气体传感装置安装在所述通孔处；所述气体传感装置采集的气体信息通过前端处理器和信号放大器传递至信号分析装置，所述信号分析装置接受信号放大器传递来的气体信息并进行分析处理。

2.根据权利要求1所述的隔水管内钻井液气体检测装置，其特征在于，所述气体传感装置包括壳体、固定螺栓、气体分离膜、支撑膜、固定金属板、气体检测器、金属固定块和数据收集器；固定金属板通过固定螺栓与隔水管的侧壁紧密连接，所述气体分离膜和支撑膜夹设在固定金属板和隔水管之间；所述固定金属板上设有安装口和传感器插口，所述壳体通过固定块连接在安装口内；所述数据收集器设置在壳体内部，所述气体检测器穿过壳体一端与数据收集器相连接，另一端插接在传感器插口内。

3.根据权利要求2所述的隔水管内钻井液气体检测装置，其特征在于，所述气体分离膜位于支撑膜靠近隔水管侧壁的一侧。

4.根据权利要求2所述的隔水管内钻井液气体检测装置，其特征在于，所述气体传感装置包括膜密封垫圈，所述膜密封垫圈夹设于气体分离膜与隔水管侧壁之间。

5.根据权利要求2所述的隔水管内钻井液气体检测装置，其特征在于，所述气体传感装置包括传感器密封圈，所述传感器密封圈夹设在金属板与壳体之间。

6.根据权利要求1-5任一所述的隔水管内钻井液气体检测装置，其特征在于，多个所述气体传感装置在隔水管的侧壁上沿竖直方向分布。

7.根据权利要6所述的隔水管内钻井液气体检测装置，其特征在于，所述通孔与所述气体传感装置一一对应。

8.根据权利要求1-7任一所述的隔水管内钻井液气体检测装置，其特征在于，所述通口为锥形孔，所述锥形孔直接较大的一侧朝向隔水管内部，所述锥形孔直接较小的一侧朝向隔水管外侧。

9.一种隔水管内钻井液气体检测方法，其特征在于，使用权利要求书1-8任一所述的隔水管内钻井液气体检测装置检测的隔水管内的气体量的变化情况。

10.根据权利要求9所述的隔水管内钻井液气体检测方法，其特征在于，所述隔水管内的气体量的变化情况包括：同一位置不同时刻的隔水管内的气体量的变化曲线和不同位置同一时刻的隔水管内的气体量的变化曲线。

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