CN112554872A - 一种基于介电常数测量油基钻井液钻井溢流的早期监测模块及其监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于介电常数测量油基钻井液钻井溢流的早期监测模块及其监测装置，包括用于检测所处位置处钻井液介电常数的传感器和用于将测量数据以数字信号形式传输至地面的井下信号发射装置，传感器安装在钻铤上，传感器包括发射电极和接收电极，发射电极和接收电极等间距均匀交错设置在钻铤的外壁上，接收电极的信号输出端均与井下信号发射装置的信号输入端相连。通过利用传感器测量钻井液介电常数，对井内溢流信息进行识别，实现油基钻井液钻井溢流的早期检测。
Description
技术领域
本发明涉及油气井工程技术领域，更具体地说涉及一种基于介电常数测量油基钻井液钻井溢流的早期监测模块及其监测装置。
背景技术
对渗透性或裂缝性地层，当井内有效压力小于地层压力(负压差)时，在负压差作用下，地层流体会侵入井眼，即发生溢流。如果溢流流体为气体，则会导致钻井液密度的降低，当井内钻井液静液柱的压力低于地层的压力时，在控制不好的情况下，将引发井涌和井喷，尤其是含CO2和H2S等酸性气体的侵入，对储层、钻井装置和人的生命安全都将构成极大的威胁。
溢流是油气井压力控制的主要对象，目前常用的水基钻井液溢流监测方法包括钻井液池面检测法、返出钻井液流量检测方法，存在较大的滞后性，两种方法都不属于溢流的早期监测。另一类比较成熟的溢流早期监测方法是在井下安放特殊设备，通过检测相关参数的变化来检测溢流，其一定程度上克服了溢流检测的滞后性。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压力波信号在气相和液相之间存在差异，通过MWD井下信号发射装置传递压力波信号经油套环空和钻杆两路径至地面信号接收装置，并计算压力波信号在两路径传递经历的时间差，根据时间差的大小来判断是否发生溢流；中国专利201710619145.3公开的一种基于电阻抗测量的油气钻井气侵早期监测方法利用溢流气体电阻抗与钻井液电阻抗之间存在差异的原理，溢流发生时，其所处的钻井液的电阻抗值发生变化，通过监测钻井液实测电阻抗值的变化来判断是否发生溢流。但对于油基钻井液，因其不导电故不适用于该方法。
综合分析上述方法，其原理都是基于各项参数在单相流与气液两相流两种条件下的差异来监测溢流，对于油基钻井液出现溢流流体为天然气的状况，在井底高温高压的条件下天然气极易溶于钻井液中，只有在近地面环空内温度、压力降低到一定数值，溶于钻井液中的天然气才会释放，使气液两相流的形成滞后，从而无法早期监测溢流；另外，井段各个位置处均会存在地层流体侵入的危险，基于监测装置处的测量数据无法实际判断装置上部的溢流信息。最后，由于压力变化不明显，溢流类型等信息难以及时确定，而溢流流体类型、速率、和溢流位置的识别对于了解地层特性、判断溢流成因以及后续井筒压力控制具有重要意义。
发明内容
本发明克服了现有技术中的不足，对于油基钻井液出现溢流时，气液两相流体滞后，无法早期监测溢流，且井段各个位置处均会存在地层流体侵入的危险，基于监测装置处的测量数据无法实际判断装置上部的溢流信息，提供了一种基于介电常数测量油基钻井液钻井溢流的早期监测模块及其监测装置，通过利用传感器测量钻井液介电常数，对井内溢流信息进行识别，实现油基钻井液钻井溢流的早期检测。
本发明的目的通过下述技术方案予以实现。
一种基于介电常数测量油基钻井液钻井溢流的早期监测模块，包括用于检测所处位置处钻井液介电常数的传感器和用于将测量数据以数字信号形式传输至地面的井下信号发射装置，
所述传感器安装在钻铤上，所述传感器包括发射电极和接收电极，所述发射电极和所述接收电极等间距均匀交错设置在所述钻铤的外壁上，所述接收电极的信号输出端均与所述井下信号发射装置的信号输入端相连。
所述发射电极和所述接收电极均采用具有良好导电性能的金属丝，所述发射电极和所述接收电极之间可采用网状排列、纵向垂直排列或者是横向水平排列。
所述发射电极的电势高于外界环境的电势。
所述井下信号发射装置采用利用压力脉冲传递信号的随钻测量仪(MWD)、利用电磁波传递信息的电磁随钻测量仪(EMWD)和利用声波传递信息的随钻声波遥测仪(ATWD)中的一种。
一种基于介电常数测量油基钻井液钻井溢流的早期监测装置，包括早期监测模块、用于接收信号并将其传递给计算机终端的地面信号接收装置、用于将接收的数字信号转换为介电常数数据的计算机终端和用于根据所述监测单元处的介电常数确定溢流信息的处理器，
所述早期监测模块包括用于检测所处位置处钻井液介电常数的传感器和用于将测量数据以数字信号形式传输至地面的井下信号发射装置，所述传感器安装在钻铤上，所述传感器包括发射电极和接收电极，所述发射电极和所述接收电极等间距均匀交错设置在所述钻铤的外壁上，所述接收电极的信号输出端均与所述井下信号发射装置的信号输入端相连；
所述井下信号发射装置的信号输出端与所述地面信号接收装置的信号输入端相连，所述地面信号接收装置的信号输出端与所述计算机终端的信号输入端相连，所述计算机终端的数据信号输出端与所述处理器的数据信号输入端相连。
所述溢流信息包括溢流时刻、溢流速率、溢流发生位置和溢流类型中的一种或几种，处理器在当前时刻测得的介电常数超出预设介电常数波动范围的情况下，将当前时刻确定为溢流时刻。
所述处理器根据以下公式计算介电常数，并根据介电常数确定溢流类型：
其中，εr为相对介电常数，Cx为实测钻井液电容，C0为未发生溢流时钻井液电容。
所述处理器在介电常数波动范围大于安全范围的情况下，判断发生气侵，当介电常数大于1时，判断发生烃类气体气侵，当介电常数小于1时，判断发生酸性气体气侵。
所述发射电极和所述接收电极均采用具有良好导电性能的金属丝，所述发射电极和所述接收电极之间可采用网状排列、纵向垂直排列或者是横向水平排列，所述发射电极的电势高于外界环境的电势，所述井下信号发射装置采用利用压力脉冲传递信号的随钻测量仪(MWD)、利用电磁波传递信息的电磁随钻测量仪(EMWD)和利用声波传递信息的随钻声波遥测仪(ATWD)中的一种。
本发明的有益效果为：本发明采用传感器测量该检测单元所处位置的介电常数，能够根据钻井过程中钻井液介电常数的变化很好的识别出溢流信息，特别是在油基钻井液钻井侵入气体溶于钻井液中，钻井液流量和井筒内压力变化不明显的场合，本发明依旧可以具有很好的溢流信息识别效果。
附图说明
图1为本发明的整体结构原理示意图；
图2为本发明中传感器的主体结构原理示意图；
图3为本发明中传感器介电常数测量电路图；
图4为本发明中传感器发射极使能顺序图；
图5为本发明中传感器信号采集示意图；
图6为油基钻井液气体溶解度随井深变化图；
图中：1为传感器，2为地面信号接收装置，3为处理器，4为发射电极，5为接收电极，6为驱动电压，7为发射极时序控制开关，8为接收极时序控制开关，9为采样/保持电路，10为电压跟随器，11为A/D转换器。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例一
一种基于介电常数测量油基钻井液钻井溢流的早期监测模块，包括用于检测所处位置处钻井液介电常数的传感器1和用于将测量数据以数字信号形式传输至地面的井下信号发射装置，
传感器1安装在钻铤上，传感器1包括发射电极4和接收电极5，发射电极4和接收电极5等间距均匀交错设置在钻铤的外壁上，接收电极5的信号输出端均与井下信号发射装置的信号输入端相连。
发射电极4和接收电极5均采用具有良好导电性能的金属丝，发射电极4和接收电极5之间可采用网状排列、纵向垂直排列或者是横向水平排列，传感器1上发射电极4与接收电极5的排列方式可根据所需精度以及钻井液性质而改变。
发射电极4和接收电极5之间有几毫米的空隙，以这些空隙作为测量点，电压驱动发射电极4，接收电极5测量电流，待测介质介电常数不同，电流值不同，控制发射电极4的电势高于环境电势，可在每个平行的接收电极5测量到不同的电流，根据接收电极5测量电流信号的差异区分介电常数的差异。
井下信号发射装置采用利用压力脉冲传递信号的随钻测量仪(MWD)、利用电磁波传递信息的电磁随钻测量仪(EMWD)和利用声波传递信息的随钻声波遥测仪(ATWD)中的一种。
如图2所示，驱动电压6控制产生矩形脉冲，发射极时序控制开关7控制发射极时序，接收极时序控制开关8控制接收极时序。测量时驱动电压6通过开关时序，产生矩形脉冲，驱动发射极，并通过7控制发射极使能顺序，接收极在电流稳定期(电压后期)，触发信号采样，时序如图4所示。因此，数据采集设备的发射极按时序逐次使能，接收极顺序测量，电压驱动6发射极产生二进制开关信号，接收极所测量电流信号通过运算放大器转换为电压信号，通过采样/保持电路9进行信号采样，并通过AD转换器11将模拟信号转换为数字信号，最后由计算机通过数据总线进行数据采集，按测点形成二维矩阵，经计算机终端处理后转换为对应介电常数数据，最后通过软件设计对试验数据进行二维成像或三维图像重建显示。综合利用计算得到的介电常数数值和对应图像，能够判断溢流是否发生与计算溢流类型。
实施例二
一种基于介电常数测量油基钻井液钻井溢流的早期监测装置，包括早期监测模块、用于接收信号并将其传递给计算机终端的地面信号接收装置2、用于将接收的数字信号转换为介电常数数据的计算机终端和用于根据所述监测单元处的介电常数确定溢流信息的处理器3，
早期监测模块包括用于检测所处位置处钻井液介电常数的传感器1和用于将测量数据以数字信号形式传输至地面的井下信号发射装置，传感器1安装在钻铤上，传感器1包括发射电极4和接收电极5，发射电极4和接收电极5等间距均匀交错设置在钻铤的外壁上，接收电极5的信号输出端均与井下信号发射装置的信号输入端相连；
井下信号发射装置的信号输出端与地面信号接收装置2的信号输入端相连，地面信号接收装置2的信号输出端与计算机终端的信号输入端相连，计算机终端的数据信号输出端与处理器3的数据信号输入端相连。
溢流信息包括溢流时刻、溢流速率、溢流发生位置和溢流类型中的一种或几种，处理器在当前时刻测得的介电常数超出预设介电常数波动范围的情况下，将当前时刻确定为溢流时刻。
处理器3根据以下公式计算介电常数，并根据介电常数确定溢流类型：
其中，εr为相对介电常数，Cx为实测钻井液电容，C0为未发生溢流时钻井液电容。
处理器3在介电常数波动范围大于安全范围的情况下，判断发生气侵，当介电常数大于1时，判断发生烃类气体气侵，当介电常数小于1时，判断发生酸性气体气侵。
发射电极4和接收电极5均采用具有良好导电性能的金属丝，发射电极4和接收电极5之间可采用网状排列、纵向垂直排列或者是横向水平排列，发射电极4的电势高于外界环境的电势，井下信号发射装置采用利用压力脉冲传递信号的随钻测量仪(MWD)、利用电磁波传递信息的电磁随钻测量仪(EMWD)和利用声波传递信息的随钻声波遥测仪(ATWD)中的一种。
如图1所示，在井下安装传感器1与钻井液直接接触，测量所处位置钻井液的介电常数，并将测量结果经内部井下信号发射装置传递到地面信号接收装置2，经处理器3处理后将接收的数字信号转换为对应介电常数数据，最后通过软件设计对试验数据进行二维成像或三维图像重建显示，供地面工作人员判断并采取应对措施。在监测过程中，若出现气侵，环空油基钻井液溶解天然气后其介电常数发生变化，当实测介电常数的波动范围在对应溢流类型范围，则判断相应溢流类型，图中地面信号接收装置与处理器电缆连接，早期监测模块与地面信号接收装置无线通信式连接。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于介电常数测量油基钻井液钻井溢流的早期监测模块，其特征在于：包括用于检测所处位置处钻井液介电常数的传感器和用于将测量数据以数字信号形式传输至地面的井下信号发射装置，
所述传感器安装在钻铤上，所述传感器包括发射电极和接收电极，所述发射电极和所述接收电极等间距均匀交错设置在所述钻铤的外壁上，所述接收电极的信号输出端均与所述井下信号发射装置的信号输入端相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于介电常数测量油基钻井液钻井溢流的早期监测模块，其特征在于：所述发射电极和所述接收电极均采用具有良好导电性能的金属丝，所述发射电极和所述接收电极之间可采用网状排列、纵向垂直排列或者是横向水平排列。
3.根据权利要求2所述的一种基于介电常数测量油基钻井液钻井溢流的早期监测模块，其特征在于：所述发射电极的电势高于外界环境的电势。
4.根据权利要求1所述的一种基于介电常数测量油基钻井液钻井溢流的早期监测模块，其特征在于：所述井下信号发射装置采用利用压力脉冲传递信号的随钻测量仪(MWD)、利用电磁波传递信息的电磁随钻测量仪(EMWD)和利用声波传递信息的随钻声波遥测仪(ATWD)中的一种。
5.一种基于介电常数测量油基钻井液钻井溢流的早期监测装置，其特征在于：包括早期监测模块、用于接收信号并将其传递给计算机终端的地面信号接收装置、用于将接收的数字信号转换为介电常数数据的计算机终端和用于根据所述监测单元处的介电常数确定溢流信息的处理器，
所述早期监测模块包括用于检测所处位置处钻井液介电常数的传感器和用于将测量数据以数字信号形式传输至地面的井下信号发射装置，所述传感器安装在钻铤上，所述传感器包括发射电极和接收电极，所述发射电极和所述接收电极等间距均匀交错设置在所述钻铤的外壁上，所述接收电极的信号输出端均与所述井下信号发射装置的信号输入端相连；
所述井下信号发射装置的信号输出端与所述地面信号接收装置的信号输入端相连，所述地面信号接收装置的信号输出端与所述计算机终端的信号输入端相连，所述计算机终端的数据信号输出端与所述处理器的数据信号输入端相连。
6.根据权利要求5所述的一种基于介电常数测量油基钻井液钻井溢流的早期监测装置，其特征在于：所述溢流信息包括溢流时刻、溢流速率、溢流发生位置和溢流类型中的一种或几种，处理器在当前时刻测得的介电常数超出预设介电常数波动范围的情况下，将当前时刻确定为溢流时刻。
7.根据权利要求5所述的一种基于介电常数测量油基钻井液钻井溢流的早期监测装置，其特征在于：所述处理器根据以下公式计算介电常数，并根据介电常数确定溢流类型：
其中，εr为相对介电常数，Cx为实测钻井液电容，C0为未发生溢流时钻井液电容。
8.根据权利要求5所述的一种基于介电常数测量油基钻井液钻井溢流的早期监测装置，其特征在于：所述处理器在介电常数波动范围大于安全范围的情况下，判断发生气侵，当介电常数大于1时，判断发生烃类气体气侵，当介电常数小于1时，判断发生酸性气体气侵。
9.根据权利要求5所述的一种基于介电常数测量油基钻井液钻井溢流的早期监测装置，其特征在于：所述发射电极和所述接收电极均采用具有良好导电性能的金属丝，所述发射电极和所述接收电极之间可采用网状排列、纵向垂直排列或者是横向水平排列，所述发射电极的电势高于外界环境的电势，所述井下信号发射装置采用利用压力脉冲传递信号的随钻测量仪(MWD)、利用电磁波传递信息的电磁随钻测量仪(EMWD)和利用声波传递信息的随钻声波遥测仪(ATWD)中的一种。
10.根据权利要求1-4所述的一种基于介电常数测量油基钻井液钻井溢流的早期监测模块和权利要求5-9所述的一种基于介电常数测量油基钻井液钻井溢流的早期监测装置在油基钻井液钻井溢流信息监测上的应用。
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