CN113550742A - 早期气侵识别方法、控制装置及其钻井系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于钻井测控技术领域，具体涉及一种早期气侵识别方法、控制装置及其钻井系统。其中，该早期气侵识别方法包括：获取设置于钻柱上的上压力测量点和下压力测量点的井筒压力；确定井筒压力的正常压力波动域；将下压力测量点的井筒压力和上压力测量点的井筒压力分别与正常压力波动域进行比较；判断井内是否发生气侵。如此，通过检测两个压力测量点的井筒压力波动与正常压力波动域进行对比，其识别气侵的准确度和可靠性更高。

Description

早期气侵识别方法、控制装置及其钻井系统

技术领域

本发明属于钻井测控技术领域，具体地，涉及一种早期气侵识别方法、控制装置及其钻井系统。

背景技术

早期气侵识别是改善井控安全的重要措施，尤其是在安全密度窗口较窄的深水钻井中，其气侵容量甚至低至1.6m³。气侵识别的延迟提高了后期井控处理的难度，甚至会导致井喷事故发生。因此早期气侵识别对于井控安全非常重要。

目前气侵识别的主要方法包括：(1)监测井口进出口流量差或泥浆池增量。环空流量变化是识别溢流的敏感指标，随着控压钻井的发展，这一敏感指标成为控压钻井识别溢流的关键手段，比如威德福的微流量控压钻井系统、中国石油集团工程技术研究院有限公司自主研发的PCDS系列精细控压钻井系统；(2)监测受自由气体影响较大的环空声波速度变化。当气体侵入井筒后，环空流体由单相流变为气液两相流，导致声波传播速度急剧降低，同时环空流速也发生改变；(3)实时监测近井底压力变化。井下测量工具通过实时监测近井底压力变化可以尽早地提供气侵预警信号，相比于地面气侵监测方法更加先进。

但是目前都是采用单个井下测量工具来实时监测近井底压力变化，由于气侵时在某些条件下的近井底压力变化与其他井下事故(漏失、刺漏等)的近井底压力变化相似，所以单个井下测量工具经常发出错误的气侵警报。因此，针对使用单个井下测量工具识别气侵时经常发出错误警报的不足，如何提高井下复杂工况识别的准确性和可靠性对于井控安全和高效钻井具有重要的意义。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷或不足，本发明提供了一种基于双点压力测量的早期气侵识别方法、控制装置及其钻井系统，通过检测两个压力测量点的井筒压力波动与正常压力波动域进行对比，其识别气侵的准确度和可靠性更高。

为实现上述目的，本发明第一方面提供了一种基于双点压力测量的早期气侵识别方法，该早期气侵识别方法包括：

获取设置于钻柱上的上压力测量点和下压力测量点的井筒压力；

确定井筒压力的正常压力波动域；

将下压力测量点的井筒压力和上压力测量点的井筒压力分别与正常压力波动域进行比较；

判断井内是否发生气侵。

可选地，在判断井内是否发生气侵的步骤中包括：

在下压力测量点和上压力测量点的井筒压力均随时间呈近似线性降低的情况下，判断下压力测量点的井筒压力是否先于上压力测量点的井筒压力低于正常压力波动域的下限值；

在下压力测量点的井筒压力先于上压力测量点的井筒压力低于正常压力波动域的下限值的情况下，判断下压力测量点和上压力测量点的井筒压力是否均随时间继续呈近线性降低；

在下压力测量点和上压力测量点的井筒压力均随时间继续呈近似线性降低的情况下，确定井内发生气侵。

可选地，在判断下压力测量点的井筒压力是否先于上压力测量点的井筒压力低于正常压力波动域的下限值的步骤之前还包括：

判断下压力测量点和上压力测量点的井筒压力是否超过正常压力波动域的上限值；

在下压力测量点和上压力测量点的井筒压力均超过正常压力波动域的上限值的情况下，判断下压力测量点的井筒压力是否先于上压力测量点的井筒压力位于正常压力波动域内；

在下压力测量点的井筒压力先于上压力测量点的井筒压力位于正常压力波动域内的情况下，判断下压力测量点和上压力测量点的井筒压力是否均随时间呈近似线性降低。

可选地，在判断下压力测量点的井筒压力是否先于上压力测量点的井筒压力低于正常压力波动域的下限值的步骤之前还包括：

判断下压力测量点和上压力测量点的井筒压力是否超过正常压力波动域的上限值；

在下压力测量点和上压力测量点的井筒压力均未超过正常压力波动域的上限值的情况下，判断下压力测量点和上压力测量点的井筒压力是否均随时间呈近似线性降低。

可选地，在判断下压力测量点和上压力测量点的井筒压力是否随时间继续呈近线性降低的步骤中，检测下压力测量点和上压力测量点的井筒压力的时间长度不小于10min。

可选地，在将下压力测量点的井筒压力和上压力测量点的井筒压力分别与正常压力波动域进行比较的步骤中包括：

在正常钻井状态下，获取井筒压力波动的多个压力峰值；

求取多个压力峰值的平均压力峰值；

基于平均压力峰值以对井筒压力进行归一化处理。

本发明第二方面提供了一种基于双点压力测量识别早期气侵的控制装置，该控制装置被配置上述的早期气侵识别方法。

本发明第三方面提供了一种基于双点压力测量识别早期气侵的钻井系统，该钻井系统包括上述的控制装置。

可选地，钻井系统还包括：

钻柱，靠近底端设有下压力测量点以及位于下压力测量点上方的上压力测量点；以及

信号接收发送装置，设置于钻柱上且位于上压力测量点的上方；

其中，信号接收发送装置能够接收上压力测量点以及下压力测量点的测量信号并发送至控制装置。

可选地，下压力测量点以及下压力测量点安装有随钻测量工具。

通过上述的早期气侵识别方法，在钻柱上设有能够检测井筒压力的下压力测量点以及上压力测量点，通过上压力测量点和下压力测量点检测到的大量井筒压力数据确定正常压力波动域，再通过上压力测量点和下压力测量点的检测到的实时井筒压力与正常压力波动域进行比较以确定井内是否发生气侵。通过检测两个压力测量点的井筒压力波动与正常压力波动域进行对比，其识别气侵的准确度和可靠性更高。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为根据本发明的具体实施方式的早期气侵识别方法的流程图；

图2为根据本发明的具体实施方式的钻井系统示意图；

图3为气侵过程中井筒压力波动示意图之一；

图4为气侵过程中井筒压力波动示意图之二。

附图标记说明：10、钻柱；20、下压力测量点；30、上压力测量点；40、信号接收发送装置；50、控制装置

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

需要说明，若本发明实施方式中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，各个实施方式之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

图1是本发明一种具体实施方式提供的基于双点压力测量的早期气侵识别方法的流程图。如图1所示，本发明的示例性实施例中提供了一种基于双点压力测量的早期气侵识别方法，该早期气侵识别方法包括：

步骤S11：获取设置于钻柱10上的上压力测量点30和下压力测量点20的井筒压力；

步骤S12：确定井筒压力的正常压力波动域；

步骤S13：将下压力测量点20的井筒压力和上压力测量点30的井筒压力分别与正常压力波动域进行比较；

步骤S14：判断井内是否发生气侵。

如图1和图2所示，具体地，在距离底部钻头不同距离的钻柱10上选择两个位置布置的压力测量点，靠近底部钻头的压力测量点为下压力测量点20，远离底部钻头的压力测量点为上压力测量点30。压力测量点上可以设置有压力传感器以检测井筒压力，如此即可获取距离底部钻头两个不同距离处的井筒压力。

在正常钻井过程中受钻井泵泵压、钻井液性能、钻柱与井壁或套管摩擦等因素的影响，井筒压力也存在一定范围的波动，将此称之为正常压力波动域。在正常钻井过程中，下压力测量点20和上压力测量点30会采集大量的井筒压力数据，如此对大量井筒压力数据进行分析后确定井筒压力的正常压力波动域。

确定了井筒压力的正常压力波动域后，将下压力测量点20和上压力测量点30测量到的实时井筒压力分别与正常压力波动域进行对比，通过对比二者数据以判断是否发生气侵。在本发明的实施例中，通过检测两个压力测量点的井筒压力波动与正常压力波动域进行对比，其识别气侵的准确度和可靠性更高。

在本发明的实施例中，在判断井内是否发生气侵的步骤中包括：

在下压力测量点20和上压力测量点30的井筒压力均随时间呈近似线性降低的情况下，判断下压力测量点20的井筒压力是否先于上压力测量点30的井筒压力低于正常压力波动域的下限值；

在下压力测量点20的井筒压力先于上压力测量点30的井筒压力低于正常压力波动域的下限值的情况下，判断下压力测量点20和上压力测量点30的井筒压力是否均随时间继续呈近线性降低；

在下压力测量点20和上压力测量点30的井筒压力均随时间继续呈近似线性降低的情况下，确定井内发生气侵。

具体地，在气侵过程中，地层气体突然突破泥饼侵入井筒，导致井筒内流体流速突然增大，从而引发水锤效应，气侵的水锤效应会使得井筒压力先增大随后波动。随着气侵的发展，水锤效应会逐渐消失，侵入井筒内的气体将井筒中的部分钻井液替换出筒，从而导致井筒压力随着气侵发展逐渐减小。当气体向上移动超出下压力测量点20时，下压力测量点的水锤效应消失，压力开始下降，而上压力测量点30的水锤效应仍在继续。当气体向上继续移动直至超出上压力测量点30时，上压力测量点30的水锤效应消失，压力开始下降。因此，如图3中的part4～part5区间和图4中的part2～part3区间所示，井筒压力在呈近似线性下降的过程中，下压力测量点20的井筒压力先于上压力测量点30的井筒压力低于正常压力波动域的下限值，如果下压力测量点20和上压力测量点30的井筒压力随时间继续呈近似线性下降，则可确定井内发生气侵。

需要说明的是，气侵引起的水锤效应与气侵速率、井眼直径、井深等均有关系，在不同参数条件下，气侵引发的水锤效应产生的井筒压力波动范围不同。例如，气侵引发的水锤效应显著，导致井筒压力波动范围超过正常压力波动域的上限值；或者，气侵引发的水锤效应不明显，导致井筒压力波动范围位于正常压力波动域内。

在本发明一种可选的具体实施例中，在判断下压力测量点20的井筒压力是否先于上压力测量点30的井筒压力低于正常压力波动域的下限值的步骤之前还包括：

判断下压力测量点20和上压力测量点30的井筒压力是否超过正常压力波动域的上限值；

在下压力测量点20和上压力测量点30的井筒压力均超过正常压力波动域的上限值的情况下，判断下压力测量点20的井筒压力是否先于上压力测量点30的井筒压力位于正常压力波动域内；

在下压力测量点20的井筒压力先于上压力测量点30的井筒压力位于正常压力波动域内的情况下，判断下压力测量点20和上压力测量点30的井筒压力是否均随时间呈近似线性降低。

具体地，如图3中的part1区间所示，在一些情况下，地层气体侵入井筒引起的水锤效应较显著，导致井筒压力的波动范围较宽，使得下压力测量点和上压力测量点的井筒压力均超过正常压力波动域的上限值。随着气体向上移动，下压力测量点的井筒压力先于上压力测量点的井筒压力进入正常压力波动域范围内(图3中的part2区间)。接着，上压力测量点和下压力测量点的井筒压力均进入正常压力波动域内，随着气侵的发展，下压力测量点和上压力测量点均随时间呈近似线性降低，直至均低于正常压力波动域的下限值(图3中的part3～part4区间)。

在本发明另一种可选的实施例中，在判断下压力测量点20的井筒压力是否先于上压力测量点30的井筒压力低于正常压力波动域的下限值的步骤之前还包括：

判断下压力测量点20和上压力测量点30的井筒压力是否超过正常压力波动域的上限值；

在下压力测量点20和上压力测量点30的井筒压力均未超过正常压力波动域的上限值的情况下，判断下压力测量点20和上压力测量点30的井筒压力是否均随时间呈近似线性降低。

具体地，如图3所示，在一些情况下，地层气体侵入井筒引起的水锤效应不明显，导致井筒压力的波动范围较窄，使得下压力测量点20和上压力测量点30的井筒压力在初期位于正常压力波动域内(图4中的part1区间)。随着气侵的发展，下压力测量点20和上压力测量点30均随时间呈近似线性降低，直至均低于正常压力波动域的下限值(图4中的Part1～part2区间)。

进一步地，如果地层气体侵入井筒引起的水锤效应不明显，为了保证气侵识别的准确度，在上压力测量点30和下压力测量点20的井筒压力低于正常压力波动域的下限值后，还要持续观察一段时间，以明确是否发生气侵。因此，在判断下压力测量点20和上压力测量点30的井筒压力是否随时间继续呈近线性降低的步骤中，检测下压力测量点和上压力测量点的井筒压力的时间长度不小于10min。

如果地层气体侵入井筒引起的水锤效应明显，压力测量点处的井筒压力会超过正常压力波动域的上限值，如果出现上压力测量点30和下压力测量点20的井筒压力均随时间呈近似线性降低的情况下，在上压力测量点30和下压力测量点20的井筒压力低于正常压力波动域的下限值后，继续呈线性下降趋势即可确定发生气侵。换言之，相较于水锤效应不明显的情况，在判断下压力测量点20和上压力测量点30的井筒压力是否随时间继续呈近线性降低的步骤中，检测下压力测量点20和上压力测量点30的井筒压力的时间更短。

需要说明的是，如果水锤效应比较明显且下压力测量点20的井筒压力高于正常压力波动域的上限值的情况，那么随着气体的上移，上压力测量点30的井筒压力也高于正常压力波动域的上限值。如果水锤效应不明显且下压力测量点20的井筒压力位于正常压力波动域内，那么随着气体的上移，上压力测量点30的井筒压力也位于正常压力波动域内。因此，上压力测量点30的井筒压力与下压力测量点20的井筒压力的变化趋势一致。

在本发明的实施例中，在将下压力测量点20的井筒压力和上压力测量点30的井筒压力分别与正常压力波动域进行比较的步骤中包括：

在正常钻井状态下，获取井筒压力波动的多个压力峰值；

求取多个压力峰值的平均压力峰值；

基于平均压力峰值以对井筒压力进行归一化处理。

具体地，在正常钻井的过程中，获取压力测量点采集的井筒压力，由于钻井过程中井筒压力一直震荡波动，因此采集的井筒压力呈波动曲线，取出波动曲线中的多个压力峰值后求取平均压力峰值，并基于平均压力峰值以对井筒压力进行归一化处理。换言之，将井筒压力与平均压力峰值相比以得到1上下波动的数据，因此，在确定正常压力波动域后对正常压力波动域也进行了归一化处理，如此，便于对比分析。

本发明的示例性实施例中还提供了一种基于双点压力测量识别早期气侵的控制装置50，该控制装置50被配置上述的早期气侵识别方法。很显然地，该控制装置50显然具备由上述早期气侵识别方法所带来的所有有益效果，在此不做一一赘述。

本发明的示例性实施例中还提供了一种基于双点压力测量识别早期气侵的钻井系统，该钻井系统包括上述的控制装置50。显然地，该钻井系统显然具备由上述控制装置所带来的所有有益效果，在此不做详细赘述。本示例性实施例提供的钻井系统可包括与控制装置50相互作用或独立于控制装置50设置的其他部件，其他部件的种类可根据钻井系统所应用的场景不同而适应性调整。

在本发明的实施例中，该钻井系统还包括钻柱10和信号接收发送装置40。钻柱10靠近底端设有下压力测量点20以及位于下压力测量点20上方的上压力测量点30，信号接收发送装置40设置于钻柱10上且位于上压力测量点30的上方。其中，信号接收发送装置40能够接收上压力测量点30以及下压力测量点20的测量信号并发送至控制装置50。

如图1所示，具体地，在距离底部钻头不同距离的钻柱10上选择两个位置布置的压力测量点，靠近底部钻头的压力测量点为下压力测量点20，远离底部钻头的压力测量点为上压力测量点30。两个压力测量点的测量信号可以通过无线通信或者有线通信传输给信号接收发送装置40，信号接收发送装置40将接收到的测量信号传送给地面的控制装置50。

在本实施例中，上压力测量点30以及下压力测量点20安装有随钻测量工具。具体地，随钻测量工具可以是随钻测压仪器(PWD)或者无线随钻测量仪器(MWD)。需要说明的是，随钻测压仪器(PWD)以及无线随钻测量仪器(MWD)均已被钻井系统中大量使用，二者均具备压力监测的功能。

以上结合附图详细描述了本发明的可选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施方式的技术构思范围内，可以对本发明实施方式的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施方式的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施方式对各种可能的组合方式不再另行说明。

本领域技术人员可以理解实现上述实施方式方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本发明各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施方式的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种基于双点压力测量的早期气侵识别方法，其特征在于，所述早期气侵识别方法包括：

获取设置于钻柱上的上压力测量点和下压力测量点的井筒压力；

确定井筒压力的正常压力波动域；

将所述下压力测量点的井筒压力和所述上压力测量点的井筒压力分别与所述正常压力波动域进行比较；

判断井内是否发生气侵。

2.根据权利要求1所述的基于双点压力测量的早期气侵识别方法，其特征在于，在判断井内是否发生气侵的步骤中包括：

在所述下压力测量点和所述上压力测量点的井筒压力均随时间呈近似线性降低的情况下，判断所述下压力测量点的井筒压力是否先于所述上压力测量点的井筒压力低于所述正常压力波动域的下限值；

在所述下压力测量点的井筒压力先于所述上压力测量点的井筒压力低于正常压力波动域的下限值的情况下，判断所述下压力测量点和所述上压力测量点的井筒压力是否均随时间继续呈近线性降低；

在所述下压力测量点和所述上压力测量点的井筒压力均随时间继续呈近似线性降低的情况下，确定井内发生气侵。

3.根据权利要求2所述的基于双点压力测量的早期气侵识别方法，其特征在于，在判断所述下压力测量点的井筒压力是否先于所述上压力测量点的井筒压力低于所述正常压力波动域的下限值的步骤之前还包括：

判断所述下压力测量点和所述上压力测量点的井筒压力是否超过所述正常压力波动域的上限值；

在所述下压力测量点和所述上压力测量点的井筒压力均超过所述正常压力波动域的上限值的情况下，判断所述下压力测量点的井筒压力是否先于所述上压力测量点的井筒压力位于所述正常压力波动域内；

在所述下压力测量点的井筒压力先于所述上压力测量点的井筒压力位于所述正常压力波动域内的情况下，判断所述下压力测量点和所述上压力测量点的井筒压力是否均随时间呈近似线性降低。

4.根据权利要求2所述的基于双点压力测量的早期气侵识别方法，其特征在于，在判断所述下压力测量点的井筒压力是否先于所述上压力测量点的井筒压力低于所述正常压力波动域的下限值的步骤之前还包括：

判断所述下压力测量点和所述上压力测量点的井筒压力是否超过所述正常压力波动域的上限值；

在所述下压力测量点和所述上压力测量点的井筒压力均未超过所述正常压力波动域的上限值的情况下，判断所述下压力测量点和所述上压力测量点的井筒压力是否均随时间呈近似线性降低。

5.根据权利要求4所述的基于双点压力测量的早期气侵识别方法，其特征在于，在判断所述下压力测量点和所述上压力测量点的井筒压力是否随时间继续呈近线性降低的步骤中，检测所述下压力测量点和所述上压力测量点的井筒压力的时间长度不小于10min。

6.根据权利要求1所述的基于双点压力测量的早期气侵识别方法，其特征在于，在将所述下压力测量点的井筒压力和所述上压力测量点的井筒压力分别与所述正常压力波动域进行比较的步骤中包括：

在正常钻井状态下，获取井筒压力波动的多个压力峰值；

求取多个所述压力峰值的平均压力峰值；

基于所述平均压力峰值以对井筒压力进行归一化处理。

7.一种基于双点压力测量识别早期气侵的控制装置，其特征在于，所述控制装置被配置权利要求1至6中任意一项所述的早期气侵识别方法。

8.一种基于双点压力测量识别早期气侵的钻井系统，其特征在于，所述钻井系统包括权利要求7所述的控制装置。

9.根据权利要求8所述的基于双点压力测量识别早期气侵的钻井系统，其特征在于，所述钻井系统还包括：

钻柱，靠近底端设有下压力测量点以及位于所述下压力测量点上方的上压力测量点；以及

信号接收发送装置，设置于所述钻柱上且位于所述上压力测量点的上方；

其中，所述信号接收发送装置能够接收所述上压力测量点以及所述下压力测量点的测量信号并发送至所述控制装置。

10.根据权利要求9所述的基于双点压力测量识别早期气侵的钻井系统，其特征在于，所述下压力测量点以及所述下压力测量点安装有随钻测量工具。

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