CN113323653A - 一种深水钻井溢流早期预警方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种深水钻井溢流早期预警方法和装置。所述方法包括：S1、气侵发生时获取井下钻井信息、水下钻井信息、水面钻井信息，判断钻进情况；S2、当钻头在井底时，进行地层压力反演，以进行井下气侵量的预测；当钻头不在井底时，对比实钻井底压力和预测井底压力，以对地层压力进行修正，进而给出准确的地层压力，从而判断气侵是否真正发生；S3、预测气侵强度；S4、进行井筒内的多相流动敏感性分析模拟，以得到井底以上流量、气体含量的预测流动特征曲线；S5、根据对多源监测数据进行融合分析给出溢流发生概率。本发明着眼于溢流的早期阶段，关注气侵发生的初期地层对井筒流动的扰动，从而提高了溢流监测的可靠性。

Description

一种深水钻井溢流早期预警方法和装置

技术领域

本发明涉及石油工程技术领域，具体涉及一种深水钻井溢流早期预警方法和装置。

背景技术

深水钻井具有高风险、高技术和高投入的特点。在诸多的技术挑战中，深水井喷是深水钻井面临的重要挑战。在钻井过程中，当地层压力大于井筒环空压力时，地层流体(气体)由于井底负压差的作用流入井筒，这一过程称为溢流(气侵)。通常气体井喷容易引起火灾爆炸，防控难度极大，在井控技术中，溢流的早期监测技术是避免发生恶性事故的有效手段。溢流监测不及时，可能会导致井喷，从而导致人员生命受到威胁，设备损失，环境破坏。

井控技术经过多年发展，形成了多种溢流早期监测技术方法，主要分为水上海面监测、井下和水下监测三大类；从监测手段上来讲，又分为流量监测、液面监测、综合录井参数监测、随钻压力监测以及气体含气率监测等，如泥浆池液面监测法、微流量测量法、声波气侵监测法、基于PWD的压力分析法和隔水管内气体体积含量监测法，且随着技术的不断进步，会有更多的监测手段加入进来。

各种早期溢流监测方法采用的技术原理不尽相同，具备的技术优势也各不一样，现场使用时都存在着一定的局限，比如，地面监测较为可靠、但时间上会存在一定的滞后；井底监测能及时发现溢流，但受到传输瓶颈的限制。目前的溢流监测方法大都以某种单一的手段为主，没有有效融合多种手段提供的信息对溢流发生进行综合判别；同时，简单的阈值判别方法容易受到钻井现场环境的干扰导致监测结果不稳定，智能识别方法又存在由于溢流样本较少而导致的模型训练不准确的问题，溢流发现的实时性及准确性都有待进一步提高。因此，为了适应复杂多变的钻井条件，早期溢流监测技术须采用丰富的技术手段，以达到实时性与可靠性并存的目的。

综上，采用单一的监测手段进行溢流识别的可靠性不高，需要结合多手段对溢流发生进行综合监测，但是直接应用多手段监测溢流可能会由于各监测手段的监测结果不一致甚至出现矛盾冲突导致溢流监测不可靠的问题。因此，如何综合利用多种监测手段提供的信息进行溢流识别，同时，有效解决各种监测手段对溢流判别产生的冲突，成为了一个亟待解决的关键问题。

发明内容

为克服现有的技术缺陷，本发明提出一种深水溢流早期监测方法和装置，该方法着眼于溢流的早期阶段，关注气侵发生的初期地层对井筒流动的扰动，从而提高溢流监测的可靠性。

本发明一种深水钻井溢流早期预警方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、气侵发生时获取井下钻井信息、水下钻井信息、水面钻井信息，判断钻进情况；

S2、当钻头在井底时，进行地层压力反演，以进行井下气侵量的预测；当钻头不在井底时，对比实钻井底压力和预测井底压力，以对地层压力进行修正，进而给出准确的地层压力，从而判断气侵是否真正发生；

S3、预测气侵强度；

S4、进行井筒内的多相流动敏感性分析模拟，以得到井底以上流量、气体含量的预测流动特征曲线；

S5、根据对多源监测数据进行融合分析给出溢流发生概率。

根据本发明的一种实施方式，在步骤S4后，还包括：

S41、对比流量采集参数变化曲线与敏感性分析曲线的匹配度；

S42、将气体含气率预测曲线与气体含气率采集参数变化曲线对比。

根据本发明的一种实施方式，所述方法还包括：

S0、基于流动模拟的地层侵入流体追踪算法：建立地层气体侵入的超临界流体井筒多相流模型，进行模拟运算，以求得侵入流体在井筒中的运移位置走势。

根据本发明的一种实施方式，所述方法还包括：

S01、将水下监测装置布置在地层侵入流体泡点压力之上，以对“水上、水下、井下”三位一体的多传感器沿井筒精准布置位置进行优化。

根据本发明的一种实施方式，步骤S1中，所述井下钻井信息的获取包括：随钻井底压力监测装置、随钻井底温度、随钻声波、随钻伽马测井数据监测的井下监测。

根据本发明的一种实施方式，步骤S1中，所述水下钻井信息的获取包括：隔水管内气体含量监测、隔水管内钻井液流量监测。

根据本发明的一种实施方式，步骤S1中，所述水上钻井信息的获取包括：隔水管出口钻井液流量监测装置、隔水管出口液面高度监测。

根据本发明的一种实施方式，步骤S2中，当钻头在井底时，还包括：根据气侵发生初期实测井底压力和预测井底压力差别，以进行地层压力反演。

根据本发明的一种实施方式，步骤S2中，当钻头不在井底下时，利用深水隔水管泥线位置处及海面钻井液排量采集的数据波动和侵入流体在井筒中的运移位置模拟计算，以实时地对地层压力进行预测；

优选地，步骤S2中，当钻头不在井底下时，还包括：

利用该预测的地层压力，以预测出侵入井筒的气侵量大小；

基于井筒多相流动原理，利用气体在井筒环空中运移速度模拟模型，预测气体到达隔水管的时间及隔水管处的含气率大小；

利用隔水管气体含量传感器监测数据与隔水管气体含量预测数据以对地层压力进行修正；

优选地，步骤S5中，又包括：

梳理和清理数据；

数据转换和建立结构；

数据组合及模型选取；

建立分析数据集，并将其带入模型计算，给出预测概率。

本发明还提出一种深水钻井溢流早期预警装置，所述装置执行上述的方法，所述装置包括：

井下监测装置，用于钻进期间井下的溢流监测；

水下监测装置，用于水下隔水管段溢流监测；

水上监测装置，用于海面循环系统出口溢流监测；

基于多源监测数据融合分析的井喷智能预警软件系统，用于模拟侵入流体在井筒中的运移位置趋势，及根据所述井下监测装置、水下监测装置及水上监测装置监测的数据进行融合分析以给出溢流发生概率。

本发明通过对应用先进的流体力学理论与方法，考虑深水环境和井筒流体等复杂因素影响，构建起基于水上、水下、井下“三位一体”的综合安全监控系统，形成了一套针对深水钻井溢流早期监测的多传感器实时数据融合方法。

附图说明

图1为本发明一实施例深水隔水管钻井系统结构示意图；

图2为本发明一实施例模拟求得某时刻侵入流体在井筒中的运移位置示意图；

图3为本发明一实施例气侵发生初期实测井底压力和预测井底压力差别示意图；

图4为本发明一实施例出口流量实测值与预测值对比图；

图5为本发明一实施例深水钻井溢流早期预警方法流程图；

附图标号：

1-水上监测装置；2-深水钻井平台；3-地层侵入气体泡点；4-隔水管；5-防喷器；6-海底；7-井眼；8-井下监测装置。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

本发明重点介绍气侵引起溢流的监测方法，同理适用于地层水、油的侵入。

本发明通过应用先进的流体力学理论与方法，考虑深水环境和井筒流体等复杂因素影响，构建起基于流动模拟的地层侵入流体追踪算法和多传感器沿全井筒精准分布(水上、水下、井下“三位一体”)实时监测验证的监控系统，形成的一种深水钻井溢流早期预警方法和装置。

深水隔水管钻井方式为采用溢流的分布式实时监测与预测提供了便利，传统陆地钻井方式只有地面和井下两类监测手段，而深水钻井泥线及隔水管处的温压监测装置为实现分布式溢流监测搭建了框架，从而为克服单项监测方法的技术缺陷提供了可能。

本发明提出的一套针对溢流早期监测的多传感器实时数据融合方法，可以充分利用各类分布式传感器的优势，采用先进的深水钻井水力学模型，实现深水溢流早期智能预警。

深水钻井系统如图1所示，水上监测装置1和深水钻井平台2位于地层侵入气体泡点3之上，隔水管4、防喷器5位于海底6之上，井眼7下设置井下监测装置8。

本发明在利用井下、水下、水上传感器的采集数据基础上，并利用深水钻井井筒水力学参数计算模型及井筒多相流动计算模型，通过正演与反演相结合的手段，对深水钻井气侵发生初期对井筒流动的扰动进行监测与预测，从而提高溢流监测的可靠性。

为了实现上述目的，本发明实施方式采用以下技术方案：

一种深水钻井溢流早期预警装置，所述装置主要包括：

井下监测装置，用于钻进期间井下的溢流监测；

水下监测装置，用于水下隔水管段溢流监测；

水上监测装置，用于海面循环系统出口溢流监测；

基于多源监测数据融合分析的井喷智能预警软件系统，用于模拟侵入流体在井筒中的运移位置趋势，及根据所述井下监测装置、水下监测装置及水上监测装置监测的数据进行融合分析以给出溢流发生概率。

本实施方式的监测装置按照安装位置可划分为：水上(水面)、水下(水中和海底)、井下3类溢流监测装置。具体包括：隔水管监测(液面监测、含气量监测、流量监测)、随钻测井监测(井底温度监测、井底压力监测)以及综合录井监测(机械钻速监测、立管压力监测、钻井液出入口流量差监测)等参数。通过对这些监测参数进行综合梳理可以得到基于“水上、水下、井下”的溢流早期监测总体方案。

其中，深水钻井井筒流动参数的监测传感器和监测设备主要包括：布置在井下的环空压力监测装置、水下隔水管外溢流早期监测装置(多套)、海面隔水管液面监测装置。

本发明的深水钻井溢流早期预警方法主要包括以下内容。

本发明实施方式一种深水钻井溢流早期预警方法，如图5所示，所述方法主要包括：

S1、气侵发生时获取井下钻井信息、水下钻井信息、水面钻井信息，判断钻进情况；

S2、当钻头在井底时，进行地层压力反演，以进行井下气侵量的预测；当钻头不在井底时，对比实钻井底压力和预测井底压力，以对地层压力进行修正，进而给出准确的地层压力，从而判断气侵是否真正发生；

S3、预测气侵强度；

S4、进行井筒内的多相流动敏感性分析模拟，以得到井底以上流量、气体含量的预测流动特征曲线；

S5、根据对多源监测数据进行融合分析给出溢流发生概率。

更具体的实现方法如下所述。

1)基于流动模拟的地层侵入流体追踪算法

建立地层气体侵入的超临界流体井筒多相流模型，进行模拟运算。

在钻井过程中气侵时的井筒多相流动规律，由于酸性气体在井底常处于超临界状态，其密度接近于液体，粘度和扩散系数接近于气体，在临界点附近其物理化学性质，如密度、粘度、扩散系数等，会因温度、压力的微小变化而发生显著变化，因此需要单独考虑H₂S、CO₂等酸性气体的质量守恒方程；另外，处于超临界状态的酸性气体溶解度特别大，当发生气侵后，其在井底大量溶解，随着气体的向上运移，由于温度、压力的降低，酸性气体在水中的溶解度降低，气体大量析出，因此井筒环空内是多相多组分且有气体不断析出的混合体系。

各相在不同井段的连续性方程：

(1)烃类气体相：

生产段：

非生产段：

(2)H₂S酸性气体相

生产段：

非生产段：

(3)CO₂酸性气体相：

生产段：

非生产段：

(4)烃类气体溶解相：

(5)H₂S酸性气体溶解相：

(6)CO₂酸性气体溶解相：

(7)钻井液相：

(8)岩屑相：

总的体积分数:

E_rg+E_rs+E_rc+E_g+E_ss+E_sc+E_m+E_c＝1 (12)

速度方程

V_m＝V_rg＝V_rs＝V_rc (13)

式中：A为环空截面积，m²；E_g，E_ss，E_sc，E_rg，E_rs，E_rc，E_c，E_m分别为烃类气体相、酸性气体H₂S和CO₂相、烃类气体溶解相、酸性气体H₂S溶解相、酸性气体CO₂溶解相、岩屑和钻井液相的体积分数，无量纲；V_g，V_ss，V_sc，V_rg，V_rs，V_rc，V_c，V_m分别为烃类气体相、酸性气体H₂S和CO₂相、烃类气体溶解相、酸性气体H₂S溶解相、酸性气体CO₂溶解相、岩屑和钻井液相的速度，m/s；ρ_g，ρ_ss，ρ_sc，ρ_rg，ρ_rs，ρ_rc，ρ_c，ρ_m分别为烃类气体相、酸性气体H₂S和CO₂相、烃类气体溶解相、酸性气体H₂S溶解相、酸性气体CO₂溶解相、岩屑和钻井液相的密度，kg/m3；q_rs，q_rs，q_rc，q_ss，q_sc，q_g分别为单位时间单位厚度产出烃类气体在井底的溶解质量、酸性气体H₂S和CO₂在井底的溶解质量、产出酸性气体H₂S和CO₂的质量、产出烃类气体相的质量，单位，kg/s.m；x_rg，x_rs，x_rc为单位时间单位厚度溶解在钻井液中的烃类气相、酸性气体H₂S和CO₂析出的质量，单位，kg/s.m；q_c为岩屑生成速度，kg/s；fr为沿程摩阻压降，Pa；s为沿流动方向坐标，m；α为井斜角，(°)；p为压力，Pa。

基于上述方程模拟求得某时刻侵入流体在井筒中的运移位置，如图2所示。

2)对“水上、水下、井下”(三位一体)多传感器沿井筒精准布置位置进行优化

其中，将水下监测装置布置在地层侵入流体泡点(溶解在钻井液中的地层侵入气体析出并形成气泡，由液相变为气相的位置)3压力之上，这与作业海域海水温度曲线、采用钻井液类型、地层流体性质以及作业工艺相关。通过软件模拟计算得到泡点相关参数值。

17-1/2”井眼不同井眼尺寸泡点计算结果例如下表1所示：

表1

3)模拟与监测融合分析及预警计算。

1、井下监测装置

井下监测装置主要是用于钻进期间的溢流监测，在钻头提离井底或钻井液停止循环条件下，该方法无法使用。井下溢流监测装置主要包括：随钻井底压力监测装置、随钻井底温度、随钻声波、随钻伽马等测井数据监测装置。

2、水下(水中和海底)监测装置

水下隔水管溢流监测装置主要包括：隔水管内气体含量监测装置、隔水管内钻井液流量传感器两种。隔水管内气体含量监测装置安装在隔水管外，最重要的传感器是泥线附近安装在隔水管底部传感器，该传感器是监测气体是否到达隔水管的重要手段；根据需要可在隔水管的其他位置安装分布式气体含量监测装置；隔水管内钻井液流量传感器分为隔水管内和隔水管外两种流量计传感器。

3、水上/海面监测装置

海面隔水管出口溢流监测，几乎适用于所有的钻井工况，主要的监测手段包括：隔水管出口钻井液流量监测装置、隔水管出口液面高度监测装置两种。隔水管出口钻井液流量依赖于目前深水综合录井的钻井液出口排量信息；隔水管出口钻井液液面可利用激光距离传感器进行监测。

4、判断钻进情况，根据钻头所处位置不同，又可分两组情况进行预警：

A、钻头在井底工况下基于实时监测数据的深水溢流早期预警方法

1)根据气侵发生对井筒内传感器的扰动顺序，从井下到水面依次是：井底压力、井底温度、随钻声波传感器、随钻伽马传感器；水下隔水管钻井液流量、隔水管含气率传感器；水面钻井液出口流量、隔水管出口液面高度；

2)利用本发明的计算方法，可以实时的对井底压力进行预测，该计算方法是自上而下的计算模式；

3)事实上，当气侵发生时最先发生变化的是井底压力传感器，而此时地面上及隔水管内的传感器并没有发生变化，因此根据地面信息得到的井底压力并没有发生变化；

4)因此我们在气侵初期就拥有了两条井底压力曲线，如图3所示，图3为气侵发生初期实测井底压力和预测井底压力差别示意图。

基于实钻和预测结果之间的差别可以实现地层压力的实时反演，进而开展井下气侵量的预测；

5)在此气侵量条件下，对井筒内的多相流动进行敏感性分析模拟，从而得到井底以上流量数值、气体含量数值在未来某时间可能的流动特征曲线；图4为出口流量实测值与预测值对比图；

6)至此实现了气侵发生从定性判别转变为定量判别。

B、钻头不在井底工况下基于实时监测数据的深水溢流早期预警方法

钻头不在井底条件下，井底压力传感器及随钻测井传感器都无法正常使用，因此需要利用其他传感器对气侵进行检测，具体实施方式如下：

1)当气侵发生时，利用深水隔水管泥线位置处及海面钻井液排量传感器的数据波动和本发明的上述模拟计算方法，可以实时地对地层压力进行预测；

2)利用该预测的地层压力，可预测出侵入井筒的气侵量大小；

3)基于井筒多相流动原理，利用本实施方法上述建立的气体运移速度模型，预测气体到达隔水管的时间及隔水管处的含气率大小；

4)利用隔水管气体含量传感器监测数据与隔水管气体含量预测数据可以对地层压力进行修正，进而给出准确的地层压力，从而判断气侵是否真正发生。

根据对多源监测数据进行融合分析给出溢流发生概率，其主要分析步骤包括：

1)梳理和清理数据；

2)数据转换(归一化)和建立结构；

3)数据组合及模型选取(根据实际监测有效数据，采用不同的分析模型，该模型基于大数据算法提前进行训练得到)；

4)建立分析数据集，带入模型计算，给出预测概率。

需要说明的是，在本文中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

此外，在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中实施例的各零部件、装置都是可以有所变化的，各实施方式都可根据需要进行组合或删减，附图中并非所有部件都是必要设置，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所述的这些实施例，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种深水钻井溢流早期预警方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、气侵发生时获取井下钻井信息、水下钻井信息、水面钻井信息，判断钻进情况；

S2、当钻头在井底时，进行地层压力反演，以进行井下气侵量的预测；当钻头不在井底时，对比实钻井底压力和预测井底压力，以对地层压力进行修正，进而给出准确的地层压力，从而判断气侵是否真正发生；

S3、预测气侵强度；

S4、进行井筒内的多相流动敏感性分析模拟，以得到井底以上流量、气体含量的预测流动特征曲线；

S5、根据对多源监测数据进行融合分析给出溢流发生概率。

2.根据权利要求1所述的深水钻井溢流早期预警方法，其特征在于，在步骤S4后，还包括：

S41、对比流量采集参数变化曲线与敏感性分析曲线的匹配度；

S42、将气体含气率预测曲线与气体含气率采集参数变化曲线对比。

3.根据权利要求1或2所述的深水钻井溢流早期预警方法，其特征在于，所述方法还包括：

S0、基于流动模拟的地层侵入流体追踪算法：建立地层气体侵入的超临界流体井筒多相流模型，进行模拟运算，以求得侵入流体在井筒中的运移位置走势。

4.根据权利要求3所述的深水钻井溢流早期预警方法，其特征在于，所述方法还包括：

S01、将水下监测装置布置在地层侵入流体泡点压力之上，以对“水上、水下、井下”三位一体的多传感器沿井筒精准布置位置进行优化。

5.根据权利要求1或2或4所述的深水钻井溢流早期预警方法，其特征在于，步骤S1中，所述井下钻井信息的获取包括：随钻井底压力监测装置、随钻井底温度、随钻声波、随钻伽马测井数据监测的井下监测。

6.根据权利要求1或2或4所述的深水钻井溢流早期预警方法，其特征在于，步骤S1中，所述水下钻井信息的获取包括：隔水管内气体含量监测、隔水管内钻井液流量监测。

7.根据权利要求1或2或4所述的深水钻井溢流早期预警方法，其特征在于，步骤S1中，所述水上钻井信息的获取包括：隔水管出口钻井液流量监测装置、隔水管出口液面高度监测。

8.根据权利要求1或2或4所述的深水钻井溢流早期预警方法，其特征在于，步骤S2中，当钻头在井底时，还包括：根据气侵发生初期实测井底压力和预测井底压力差别，以进行地层压力反演。

9.根据权利要求1或2或4所述的深水钻井溢流早期预警方法，其特征在于，步骤S2中，当钻头不在井底下时，利用深水隔水管泥线位置处及海面钻井液排量采集的数据波动和侵入流体在井筒中的运移位置模拟计算，以实时地对地层压力进行预测；

优选地，步骤S2中，当钻头不在井底下时，还包括：

利用该预测的地层压力，以预测出侵入井筒的气侵量大小；

基于井筒多相流动原理，利用气体在井筒环空中运移速度模拟模型，预测气体到达隔水管的时间及隔水管处的含气率大小；

利用隔水管气体含量传感器监测数据与隔水管气体含量预测数据以对地层压力进行修正；

优选地，步骤S5中，又包括：

梳理和清理数据；

数据转换和建立结构；

数据组合及模型选取；

建立分析数据集，并将其带入模型计算，给出预测概率。

10.一种深水钻井溢流早期预警装置，其特征在于，所述装置执行权利要求1至9任一项所述的方法，所述装置包括：

井下监测装置，用于钻进期间井下的溢流监测；

水下监测装置，用于水下隔水管段溢流监测；

水上监测装置，用于海面循环系统出口溢流监测；

基于多源监测数据融合分析的井喷智能预警软件系统，用于模拟侵入流体在井筒中的运移位置趋势，及根据所述井下监测装置、水下监测装置及水上监测装置监测的数据进行融合分析以给出溢流发生概率。

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