CN112727454A - 气体钻井井筒携岩状态及地层岩性快速识别系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气体钻井井筒携岩状态及地层岩性快速识别系统及方法。该系统包括排砂管线、岩屑投料器和岩屑音频取样器，岩屑音频取样器包括外腔体6、内腔体9、数据采集箱13和计算机14，外腔体6为圆柱形，位于排砂管线外，其隔音底座上端位于外腔体内，下端通过排砂管线开孔延伸至内腔体，内腔体位于排砂管线内，包括压力传感器10、拾音器11和隔音棉12。该方法包括：分别采集不同粒径、不同岩性的岩屑样本的有效音频，提取有效音频的MFCC参数，建立模型样本库；钻进过程中，对有效音频进行提取，判断岩屑颗粒的粒径及岩性；计算单位时间内通过排砂管线的岩屑体积，判断井筒携岩状态及地层岩性。本发明原理可靠，操作简便，具有广阔的市场应用前景。

Description

气体钻井井筒携岩状态及地层岩性快速识别系统及方法

技术领域

本发明涉及油气开采领域气体钻井井筒携岩状态及地层岩性快速识别系统及方法，能明显减弱环境噪音，增加有效音频采集几率，提高岩屑量估算精度，判断岩屑岩性，实时监测井筒携岩状态。

背景技术

气体钻井在提高机械钻速，保护储层方面有着独特的优势，但是在气体钻井的过程中容易发生井壁坍塌、掉块；在钻遇高压储层时容易发生岩爆，造成井下复杂事故。通过识别排砂管线返出的岩屑的性质，能及时准确地判断井下岩性的变化，进而预防、判断井下复杂情况的发生。由于返出岩屑颗粒小、速度快，监测人员很难通过现有手段获取返出岩屑状态信息。在常规的气体钻井施工中，通常需要经验丰富的工程技术人员通过观察排砂管线出口的岩屑排出情况，并通过耳朵听岩屑与排砂管线的撞击声来判断携岩状态。发明专利“一种气体钻井井筒内携岩状态快速判断方法”(CN104331598A)通过在排砂管线上游段下壁安装一个具有模数转换功能的音频信号采集器，分析采集到的音频信号来判断井筒内携岩状态，从而通过统计单位时间内采集到的大颗粒岩屑的个数来监测大颗粒固相物的流量。但现场实践表明，钻井现场环境复杂，噪声多，且岩屑在排砂管线内存在重复撞击的情况，有效音频采集困难，识别率低。因此亟需研制一种能有效减弱环境噪音并能提高岩屑音频识别率的岩屑音频采集系统。

发明内容

本发明的目的在于提供气体钻井井筒携岩状态及地层岩性快速识别系统，结构设计合理而紧凑，安装更换方便，能够有效减少通过空气和排砂管线传播的噪音，增加排砂管线与内腔体的碰撞几率，提高有效音频的采集率，通过音频信号分析判断井筒携岩状态及地层岩性。

本发明的另一目的还在于提供利用上述系统快速识别气体钻井井筒携岩状态及地层岩性的方法，该方法原理可靠，操作简便，克服了现有技术的缺陷和不足，具有广阔的市场应用前景。

为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。

本发明的基本原理在于通过采集岩屑与金属内腔体的撞击音频，并利用压力传感器判别撞击音频，通过采集、解析拾音器拾取到的撞击音频来获取岩屑的粒径、岩性和数量的信息，从而间接估算单位时间内排砂管线内的岩屑体积流量。

气体钻井井筒携岩状态及地层岩性快速识别系统，包括排砂管线、排砂管线上游设置的岩屑投料器、位于排砂管线上的岩屑音频取样器。

所述岩屑投料器位于排砂管线上端，在排砂管线上端开孔并通过焊接固定岩屑投料器，投料器设有投料口以及两个开关阀，通过控制开关阀来达到投送岩屑的目的。

所述岩屑音频取样器包括外腔体、内腔体、数据采集箱和计算机，所述排砂管线上部有开孔，开孔处焊接外腔体，所述外腔体为圆柱形，位于排砂管线外，包括金属螺塞、隔音底座，金属螺塞通过螺纹将隔音底座固定在外腔体底部，所述隔音底座的剖面为T型结构，上端位于外腔体内，下端通过排砂管线开孔延伸至内腔体，内腔体通过卡槽结构固定于隔音底座，所述内腔体位于排砂管线内，包括拾音器、压力传感器和隔音棉，拾音器和压力传感器通过隔音棉的挤压作用固定并紧贴内壁，拾音器和压力传感器均连接数据采集箱，数据采集箱连接计算机，所述数据采集箱和计算机位于地面，用于采集、接收和处理拾音器和压力传感器传送的信号。

所述内腔体通过卡槽结构固定于隔音底座下端，是指隔音底座下端有左右对称的两个凸块，内腔体内部有左右对称的两个凹槽，通过凸块卡紧在凹槽，将内腔体固定在隔音底座上。

所述隔音底座由聚四氟乙烯制成，有效减弱通过排砂管线传播的噪声信号。

所述隔音棉由橡胶海绵制成，有效减弱通过空气传播的噪声信号。

所述内腔体为金属材质，位于排砂管线内，增大岩屑的碰撞几率。

本发明通过压力传感器采集岩屑撞击内腔体产生的冲击力，拾音器采集岩屑的撞击音频，并将采集到的信号传输到数据采集箱内，数据采集箱有模数转换功能和数字处理电路，将处理后的信号传输到计算机完成音频识别。

需要更换内腔体时，只需拧下金属螺塞与隔音坐垫，将需更换的内腔体取下，把内部的隔音棉与拾音器取出，再将更换的零部件依次放回即可。

利用上述系统快速识别气体钻井井筒携岩状态及地层岩性的方法，依次包括以下步骤：

(1)采集有效的音频信号：

停钻并保持正常的注气量，通过岩屑投料器向排砂管线内投入岩屑，当岩屑撞击内腔体时，压力传感器产生压力信号，拾音器产生音频信号，数据采集箱自动采集检测到压力信号时的音频信号，并将此时采集到的音频信号定义为撞击音频，数据采集箱把采集到的撞击音频经过模数转换后输出数字音频信号到计算机。

(2)确定纠正系数：

将数量为t1、t2、…、tx的岩屑投入排砂管线中，记录压力传感器记录到的压力信号次数i1、i2、…、ix，每次测试的纠正系数

最后得到纠正系数为

(3)计算机对撞击音频中的非噪声信号进行起止点检测，经过预加重、分帧、加窗等数字信号处理方法，对起止点的有效信号段进行提取，将提取后的音频信号标定为有效音频(韩纪庆.语音信号处理.第三章.清华大学出版社第三版)。

(4)采集不同粒径的岩屑样本的有效音频，提取有效音频的MFCC参数，建立不同粒径的岩屑样本的模型样本库S，过程如下：根据步骤(1)、(3)所述方法，投入直径为d₁、d₂、…、d_n的相同岩性的岩屑样本，分别采集有效音频信号，将采集到的有效音频信号经FFT变换得到时域信号的线性谱，通过Mel三角带通滤波器组得到Mel频率，计算对数能量谱，并将对数能量谱作离散余弦变换，得到的倒谱系数即为MFCC特征参数(赵力.语音信号处理.第三章.机械工业出版社.第二版)，将岩屑样本的MFCC特征参数作为模型样本s，不同粒径的模型样本建立模型样本库S。

(5)采集不同岩性的岩屑样本的有效音频，提取有效音频的MFCC参数，建立不同岩性的岩屑样本的模型样本库R，过程如下：根据步骤(1)、(3)所述方法，将相同粒径、不同岩性r_m的岩屑样本投入排砂管线，所述岩性包括脆性r₁和塑性r₂，分别采集有效音频信号，将采集到的有效音频信号经FFT变换得到时域信号的线性谱，通过Mel三角带通滤波器组得到Mel频率，计算对数能量谱，并将对数能量谱作离散余弦变换，得到的倒谱系数即为MFCC特征参数，将岩屑样本的MFCC特征参数作为模型样本r，不同岩性的模型样本建立模型样本库R。

(6)钻进过程中，对有效音频进行提取，判断岩屑颗粒的粒径及岩性，过程如下：在钻进的过程中，根据(1)、(3)的方法提取并标定岩屑颗粒的有效音频，再提取有效音频的MFCC参数s_x、r_y，分析该组矢量与模型样本库S、R中哪种岩屑样本最为接近，则产生该音频信号的岩屑颗粒与最接近的模型样本库所对应的岩屑样本具有相同的直径和岩性。

(7)计算单位时间内通过排砂管线的岩屑体积，判断井筒携岩状态及地层岩性：

在单位时间内通过有效音频识别到的直径为d_n的岩屑对应的数量为N_n，将岩屑视为理想的球形结构，通过下式计算单位时间内撞击内腔体的岩屑体积V：

经过纠正后的单位时间内通过排砂管线的岩屑体积V_z：

设u个单位时间内采集到的岩屑体积V_zu，则单位时间内通过排砂管线的平均岩屑体积为V_zu/u，波动范围为上下浮动20％；钻进过程中，单位时间内采集到的岩屑体积如果超出波动范围，则判断出井筒内携岩状态不正常，井下有异常状况发生：如出砂、掉块、井塌等；

根据步骤(6)得到的钻进过程中的岩屑岩性，判断地层的岩性。

本发明结构紧凑，安装更换方便，与现有技术相比，能有效减弱通过排砂管线管壁和空气传来的噪音，并能有效采集返出岩屑与内腔体的撞击音频，进而提高音频识别率，增大岩屑体积流量的估算精度，实现井筒携岩状态及地层岩性的快速判别。

附图说明

图1是气体钻井井筒携岩状态及地层岩性快速识别系统的结构示意图。

图2是内腔体凹槽示意图。

图3是隔音底座的剖面图。

图4是隔音底座的下端凸块示意图。

图中：1—排砂管线，2—投料口，3—投料仓，4—投料开关k₁，5—投料开关k₂，6—外腔体，7—金属螺塞，8—隔音底座，9—内腔体，10—压力传感器，11—拾音器，12—隔音棉，13—数据采集箱，14—计算机。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述。

参看图1、图2、图3、图4。

气体钻井井筒携岩状态及地层岩性快速识别系统(图1)，包括排砂管线1、排砂管线上游设置的岩屑投料器和岩屑音频取样器。所述岩屑投料器位于排砂管线上，投料器设有投料口2、投料仓3和开关阀；所述岩屑音频取样器包括外腔体6、内腔体9、数据采集箱13和计算机14，所述排砂管线上部有开孔，开孔处焊接外腔体，所述外腔体6为圆柱形，位于排砂管线外，包括金属螺塞7、隔音底座8，金属螺塞通过螺纹将隔音底座固定在外腔体底部，所述隔音底座的剖面为T型结构(图3)，上端位于外腔体内，下端通过排砂管线开孔延伸至内腔体9，内腔体通过卡槽结构固定于隔音底座下端，所述内腔体位于排砂管线内，包括压力传感器10、拾音器11和隔音棉12，拾音器和压力传感器通过隔音棉的挤压作用固定并紧贴内腔体的内壁，拾音器和压力传感器均连接数据采集箱13，数据采集箱连接计算机14，所述数据采集箱和计算机位于地面，用于采集、接收和处理压力传感器和拾音器传送的信号。

所述内腔体通过卡槽结构固定于隔音底座下端，是指隔音底座下端有左右对称的两个凸块(图4)，内腔体内部有左右对称的两个凹槽(图2)，通过凸块卡紧在凹槽，将内腔体固定在隔音底座上。

需要投入岩屑时，投料开关k₁4、投料开关k₂5处于关闭状态，将岩屑投入投料口2内，打开投料开关k₁4，岩屑进入投料仓3内，打开投料开关k₂5，岩屑进入排砂管线1内。需要更换内腔体9时，只需拧下金属螺塞7，将隔音坐垫8与更换的内腔体9取下，再把内部的压力传感器10、拾音器11和隔音棉12取出，再将更换的零部件依次放回即可。

以下为音频识别过程：

步骤一：停止钻进，保持正常进气量，将数量t_x的岩屑通过岩屑投料口2投入排砂管线1中，记录压力传感器10记录到的压力信号次数i_x，每次测试的纠正系数

最后取纠正系数为

当岩屑撞击内腔体9时，压力传感器10产生压力信号，拾音器11产生音频信号，数据采集箱13会自动采集检测到压力信号时的音频信号，并将此时采集到的音频信号定义为撞击音频，数据采集箱13会把采集到的撞击音频经过模数转换后输出数字音频信号到计算机14。计算机14会对采集到的撞击音频信号进行预加重、分帧、加窗后提取有效声段。以d_1h，d_2h…d_nh为岩屑粒径的参考范围，分别从投料口2投入直径大小为d_n的相同岩性岩屑样本，提取其有效声段，计算MFCC参数，生成样本模型s，编写数据库软件，建立样本库S。将相同粒径、不同岩性r_m(脆性r₁、塑性r₂)的岩屑样本通过投料口2投入排砂管线1，计算MFCC参数，生成样本模型r，编写数据库软件，建立样本库R。样本库中样本模型对应的岩屑直径大小和岩屑岩性为已知量。

步骤二：在钻进的过程中，提取有效音频信号，计算有效音频的MFCC参数s_x、r_y，利用计算机14训练产生VQ码本，然后分析该组矢量与模型样本库S、R中的哪个码本的分布最为接近，则产生该音频信号的颗粒与最小匹配距离模型样本所对应的标准岩样颗粒具有相同的直径大小d_n和岩性r_m，并记录压力传感器10采集到的压力信号。

步骤三：每20s统计通过音频识别到的直径为d_n岩屑对应的数量N_n，则在此时间内的岩屑体积

步骤四：利用钻时来判断钻进是否正常，在正常钻进状态下，利用步骤三估算u个单位时间内采集到的岩屑体积V_zu，取其平均值

为参考(可上下浮动20％)；正常钻进的过程中，若单位时间内采集到的岩屑体积V超出波动范围，则可判断出井筒内携岩状态不正常，井下可能有异常状况发生：如出砂、掉块、井塌等。记录钻进过程中采集到的岩屑岩性r_m，若岩屑岩性发生变化，则地层岩性发生变化。

Claims (11)

1.气体钻井井筒携岩状态及地层岩性快速识别系统，包括排砂管线(1)、排砂管线上游设置的岩屑投料器和岩屑音频取样器，其特征在于，所述岩屑投料器位于排砂管线上，投料器设有投料口(2)、投料仓(3)和开关阀；所述岩屑音频取样器包括外腔体(6)、内腔体(9)、数据采集箱(13)和计算机(14)，所述排砂管线上部有开孔，开孔处焊接外腔体，所述外腔体(6)为圆柱形，位于排砂管线外，包括金属螺塞(7)、隔音底座(8)，金属螺塞通过螺纹将隔音底座固定在外腔体底部，所述隔音底座的剖面为T型结构，上端位于外腔体内，下端通过排砂管线开孔延伸至内腔体(9)，内腔体通过卡槽结构固定于隔音底座下端，所述内腔体位于排砂管线内，包括压力传感器(10)、拾音器(11)和隔音棉(12)，拾音器和压力传感器通过隔音棉的挤压作用固定并紧贴内腔体的内壁，拾音器和压力传感器均连接数据采集箱(13)，数据采集箱连接计算机(14)。

2.如权利要求1所述的气体钻井井筒携岩状态及地层岩性快速识别系统，其特征在于，所述内腔体通过卡槽结构固定于隔音底座下端，是指隔音底座下端有左右对称的两个凸块，内腔体内部有左右对称的两个凹槽，通过凸块卡紧在凹槽，将内腔体固定在隔音底座上。

3.如权利要求1所述的气体钻井井筒携岩状态及地层岩性快速识别系统，其特征在于，所述数据采集箱和计算机位于地面，用于采集、接收和处理压力传感器和拾音器传送的信号。

4.如权利要求1所述的气体钻井井筒携岩状态及地层岩性快速识别系统，其特征在于，所述隔音底座由聚四氟乙烯制成，有效减弱通过排砂管线传播的噪声信号。

5.如权利要求1所述的气体钻井井筒携岩状态及地层岩性快速识别系统，其特征在于，所述隔音棉由橡胶海绵制成，有效减弱通过空气传播的噪声信号。

6.如权利要求1所述的气体钻井井筒携岩状态及地层岩性快速识别系统，其特征在于，所述内腔体为金属材质，增大岩屑的碰撞几率。

7.利用权利要求1、2、3、4、5或6所述的系统快速识别气体钻井井筒携岩状态及地层岩性的方法，依次包括以下步骤：

(1)停钻并保持正常的注气量，通过岩屑投料器向排砂管线内投入岩屑，当岩屑撞击内腔体时，压力传感器产生压力信号，拾音器产生音频信号，数据采集箱采集检测到压力信号时的音频信号，并将此时采集到的音频信号定义为撞击音频，数据采集箱把采集到的撞击音频经过模数转换后输出到计算机；

(2)将数量为t1、t2、…、tx的岩屑投入排砂管线中，记录压力传感器记录到的压力信号次数i1、i2、…、ix，每次测试的纠正系数

得到纠正系数为

(3)计算机对撞击音频中的非噪声信号进行起止点检测，对起止点的有效信号段进行提取，将提取后的音频信号标定为有效音频；

(4)采集不同粒径的岩屑样本的有效音频，提取有效音频的MFCC参数，建立不同粒径的岩屑样本的模型样本库S；

(5)采集不同岩性的岩屑样本的有效音频，提取有效音频的MFCC参数，建立不同岩性的岩屑样本的模型样本库R；

(6)钻进过程中，对有效音频进行提取，判断岩屑颗粒的粒径及岩性；

(7)计算单位时间内通过排砂管线的岩屑体积，判断井筒携岩状态及地层岩性。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)过程如下：投入直径为d₁、d₂、…、d_n的相同岩性的岩屑样本，分别采集有效音频信号，将采集到的有效音频信号经FFT变换得到时域信号的线性谱，通过Mel三角带通滤波器组得到Mel频率，计算对数能量谱，并将对数能量谱作离散余弦变换，得到的倒谱系数即为MFCC特征参数，将岩屑样本的MFCC特征参数作为模型样本s，不同粒径的模型样本建立模型样本库S。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤(5)过程如下：将相同粒径、不同岩性r_m的岩屑样本投入排砂管线，所述岩性包括脆性r₁和塑性r₂，分别采集有效音频信号，将采集到的有效音频信号经FFT变换得到时域信号的线性谱，通过Mel三角带通滤波器组得到Mel频率，计算对数能量谱，并将对数能量谱作离散余弦变换，得到的倒谱系数即为MFCC特征参数，将岩屑样本的MFCC特征参数作为模型样本r，不同岩性的模型样本建立模型样本库R。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤(6)过程如下：在钻进的过程中，根据(1)、(3)的方法提取并标定岩屑颗粒的有效音频，再提取有效音频的MFCC参数s_x、r_y，分析该组矢量与模型样本库S、R中哪种岩屑样本最为接近，则产生该音频信号的岩屑颗粒与最接近的模型样本库所对应的岩屑样本具有相同的直径和岩性。

11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤(7)过程如下：

在单位时间内通过有效音频识别到的直径为d_n的岩屑对应的数量为N_n，将岩屑视为理想的球形结构，通过下式计算经过纠正后的单位时间内通过排砂管线的岩屑体积V_z：

设u个单位时间内采集到的岩屑体积V_zu，则单位时间内通过排砂管线的平均岩屑体积为V_zu/u，波动范围为上下浮动20％；钻进过程中，单位时间内采集到的岩屑体积如果超出波动范围，则判断井筒内携岩状态不正常，井下有异常状况发生；

根据步骤(6)得到的钻进过程中的岩屑岩性，判断地层的岩性。

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