CN113586036A - 一种基于双密度测量井下溢流类型及侵入量井涌早期监测装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于双密度测量井下溢流类型及侵入量井涌早期监测装置与方法，包括：前部射线发生器、后部射线发生器、前部放射性探测器、后部放射性探测器、前部射线发生器保护罩、后部射线发生器保护罩、前部放射性探测器保护罩、后部放射性探测器保护罩、传感器偏置测量短节、系统电源和信号采集处理数字电路；通过安装在底部钻具组合上的放射性密度传感器，测量井筒环空内流体(钻井液+地层流体)的密度变化及该变化的传播速度，从而定量化表征地层侵入流体的运移过程。
Description
技术领域
本发明涉及钻井安全技术领域，具体地涉及一种井下溢流早期监测装置和方法。
背景技术
在石油开发过程中，井筒压力安全一直是制约油气开发进程的关键问题。井喷事故给生产、环境造成了严重的影响，甚至严重的人员伤亡。目前我国钻井技术已相对成熟，但随着新一轮油气改革的全面展开，油气钻井过程中窄安全密度窗口、裂缝发育的碳酸盐岩储层、高温高压地层等复杂因素，带来的井涌、井漏事故将严重威胁钻井的安全和高效。
目前国内外石油公司都在大力发展井涌监测技术，以保护安全高效地实施钻井操作，与传统的泥浆池增量法相比，基于出口流量精确监测的井涌监测系统能够提前发现疑似井涌。目前能够应用在井涌监测的钻井液出口量监测的只有科里奥利质量流量计，科里奥利质量流量计的钻井液出口流量检测技术可以快速有效的实现钻井液出口高精度监测，但是这项技术由于受到出口钻井液中固相颗粒浓度、钻井液粘度等因素的影响，使用条件十分苛刻。另外，由于钻井出口管径较大，相应的钻井液出口科里奥利流量计体积、质量较大，现场安装复杂，部署极不灵活，加之国外产品价格昂贵、国内产品稳定性差，利用科里奥利流量计开展井涌监测的技术难以推广使用。
对于深井、超深井，采用常规溢流监测技术监测地面流量变化来反推井底流量的变化，存在监测误差大、信息滞后等问题。一方面，由于钻井液的流动具有多相流特性及其流量在循环过程中的波动性，使地面流量计无法准确测量井口钻井液流量，造成反推计算结果与井下真实数据误差很大，不利于准确判断井下工况，只有在出口流量由于井内气体膨胀而产生明显变化时或钻井液池中钻井液体积增量明显时才能判断溢流情况；另一方面，地层流体从井底运移到井口的距离较长，需要一定时间，地面监测到的数据严重滞后，不能实时反映井底流量变化，大大增加了井控的时间和成本，甚至导致严重井控事故。缺乏能够在井下对早期溢流监测的装置。
因此，有必要提供一种新的井下井涌监测的装置和方法，能够实现实时监测井下溢流情况，可以提前预警，并通过计算得到的地层流体(油、气、水)的侵入类型、侵入量、侵入速度等参数，为压井材料的准备提供实时数据支持。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种井下溢流早期检测的装置和方法，用于在井下监测地层流体(油、气、地层水)是否已经侵入到井筒环空之中，从而预防严重井喷事故的发生。
本发明一种井下溢流早期检测的装置，该装置通过安装在底部钻具组合上的放射性密度传感器，测量井筒环空内流体(钻井液+地层流体)的密度变化及该变化的传播速度，从而定量化表征地层侵入流体的运移过程。
术语解释：
1、单源单向低强度射线发生器，属于伽马射线发生器的一种，是由一个射线发射源向一个固定方向发射伽马射线。
2、环空气泡滑脱速度曲线，是以含气率为自变量、气相滑脱速度为因变量的曲线图，是由不同流型下的气相滑脱速度公式计算得到的不同含气率下的气相滑脱速度。
3、环空油水滑脱速度曲线，是以含油率为自变量、油的滑脱速度为因变量的曲线图，是由不同流型下的油的滑脱速度公式计算得到的不同含油率下的油水滑脱速度。
4、泡状流，井筒内流体的压力稍低于饱和压力，少量的气体从流体中分离出来，以小气泡的形式分散在流体中。
5、段塞流，井筒内流体的压力进一步低于饱和压力，气体继续分离出来，并且进一步膨胀，出现大气泡并形成气体柱塞，使得井筒内出现一段液体一段气体的柱塞状流动。
6、搅动流，在井筒中液相从连续相过渡到分散相，气相从分散相过渡到连续相，气体连续向上流动并举升液体，有部分液体下落、聚集，而后又被气体举升.
7、环状流，随着气体的继续分离和膨胀，气体的柱塞不断加长而突破液体柱塞，形成中间为连续气流，井壁附近为环形液流的流动形态。
本发明的技术方案为：
一种基于双密度测量井下溢流类型及侵入量井涌早期监测装置，包括：前部射线发生器、后部射线发生器、前部放射性探测器、后部放射性探测器、前部射线发生器保护罩、后部射线发生器保护罩、前部放射性探测器保护罩、后部放射性探测器保护罩、传感器偏置测量短节、系统电源和信号采集处理数字电路；
所述前部射线发生器保护罩、后部射线发生器保护罩、前部放射性探测器保护罩、后部放射性探测器保护罩沿所述传感器偏置测量短节轴向分布；
所述前部射线发生器保护罩与前部放射性探测器保护罩的间隔，和后部射线发生器保护罩与后部放射性探测器保护罩的间隔距离相同，并在传感器偏置测量短节上分别形成两个凹陷：前凹陷和后凹陷；
所述前部射线发生器设置在所述前部射线发生器保护罩与所述传感器偏置测量短节形成的空间内；所述后部射线发生器设置在所述后部射线发生器保护罩与所述传感器偏置测量短节形成的空间内；所述前部放射性探测器设置在所述前部放射性探测器保护罩与所述传感器偏置测量短节形成的空间内；所述后部放射性探测器设置在所述后部放射性探测器保护罩与所述传感器偏置测量短节形成的空间内；
前凹陷、系统电源、信号采集处理数字电路及后凹陷依次连接，所述系统电源和所述信号采集处理数字电路均安装于所述传感器偏置测量短节内部，环空流体密度及变化信号等数据，由系统电源为监测装置提供能量，经传感器变换成电信号，经过信号采集处理数字电路进行记录、存储并分析上传数据。监测装置通过随钻测井接头与随钻测井泥浆脉冲装置连接将实测数据实时上传至地面。
根据本发明优选的，所述前凹陷和后凹陷之间的间隔为1-3米。
进一步优选的，所述前凹陷和后凹陷之间的间隔为2米。
根据本发明优选的，所述前部射线发生器及所述后部射线发生器均为单源单向低强度射线发生器，单源单向低强度射线发生器中的射线是γ射线；所述前部放射性探测器及所述后部放射性探测器均为γ射线检测计。
根据本发明优选的，所述前部射线发生器与所述前部放射性探测器为一组，所述后部射线发生器与所述放射性探测器为一组，所述前部射线发生器的放射源向一个相对方向发射射线，由同组的所述前部放射性探测器接收，所述后部射线发生器的放射源向一个相对方向发射射线，由同组的所述后部放射性探测器接收。
根据本发明优选的，所述前部放射性探测器包括前部放射性探测器反射脉冲外罩、前部放射性探测器反射脉冲闪烁组件、前部放射性探测器反射脉冲高压变流器、前部放射性探测器反射脉冲信号分析组件；所述前部放射性探测器反射脉冲外罩、前部放射性探测器反射脉冲闪烁组件、前部放射性探测器反射脉冲高压变流器、前部放射性探测器反射脉冲信号分析组件均安装在所述前凹陷处；与前部射线发生器同在一个凹陷处，二者中间留有流体流经空间。
前部放射性探测器反射脉冲闪烁组件、前部放射性探测器反射脉冲高压变流器、前部放射性探测器反射脉冲信号分析组件沿传感器测量短节轴向排列，并均设置在所述前部放射性探测器反射脉冲外罩的内部，所述前部放射性探测器反射脉冲闪烁组件靠近前部射线发生器一侧；
所述后部放射性探测器包括后部放射性探测器发射脉冲外罩、后部放射性探测器发射脉冲闪烁组件、后部放射性探测器发射脉冲高压变流器、后部放射性探测器发射脉冲信号分析组件；所述后部放射性探测器反射脉冲外罩、后部放射性探测器反射脉冲闪烁组件、后部放射性探测器反射脉冲高压变流器、后部放射性探测器反射脉冲信号分析组件均安装在所述后凹陷处；与后部射线发生器同在一个凹陷处，二者中间留有流体流经空间。
后部放射性探测器反射脉冲闪烁组件、后部放射性探测器反射脉冲高压变流器、后部放射性探测器反射脉冲信号分析组件沿传感器测量短节轴向排列，并均设置在所述后部放射性探测器反射脉冲外罩的内部，所述后部放射性探测器反射脉冲闪烁组件靠近后部射线发生器一侧。
一种基于双密度测量井下溢流类型及侵入量井涌早期监测方法，通过监测装置实现，包括具体步骤如下：
(1)求取前凹陷处密度监测曲线及后凹陷处密度监测曲线；
(2)判断侵入井筒的流体类型，计算含气率或含油率；计算得到的含气率与环空气泡滑脱速度曲线进行对照，找出对应的滑脱速度vslip-gas；计算得到的含油率与环空油水滑脱速度曲线进行对照，找出对应的滑脱速度vslip-oil；
(3)根据前凹陷处密度监测曲线及后凹陷处密度监测曲线，通过相关性分析得到发生密度变化的环空内的流体前部密度监测传感器和后部密度监测传感器间的运移时间t2-t1，其中，t1是指前部密度监测传感器监测到井筒环空内流体密度发生突变的时刻，t2是指后部密度监测传感器监测到井筒环空内流体密度发生突变的时刻，单位均是s；前部密度监测传感器包括前部射线发生器和前部反射性探测器，后部密度监测传感器包括后部射线发生器和后部反射性探测器；再结合此时的钻井液排量Vmud，和前凹陷与后凹陷之间的间隔L，得到地层流体在井筒内的滑脱速度vslip；
(4)假设侵入井筒的是气体，根据步骤(2)中计算得到的含气率计算得到滑脱速度vslip-1与步骤(2)中的滑脱速度vslip-gas进行比较，若相符，则证明此时侵入井筒环空的是气体，并根据含气率与环空气泡滑脱速度曲线确定流体类型；若不相符，则证明侵入井筒环空的不是气体，假设不成立；
(5)假设侵入井筒环空的是油，根据步骤(2)中的含油率计算得到的滑脱速度vslip-2与步骤(2)中的滑脱速度vslip-oil进行比较，若相符，则证明此时侵入井筒环空的是油，再根据含油率
与环空油水滑脱速度曲线，辨别出此时流体流型；若不相符，则证明侵入井筒环空的不是油，假设不成立；
(6)根据步骤(4)和步骤(5)的假设从而确定侵入井筒环空处的流体类型，确定此时侵入井筒环空的气体或油的排量。
上述通过对侵入井筒环空是气还是油的判断，实现了井下溢流类型的早期监测；通过确定侵入井筒环空的气体或油的排量，实现了井下溢流侵入量的早期监测。
根据本发明优选的，步骤(1)的具体实现过程包括：
在环空流体流动的情况下，在环空流体进入前凹陷时，即流体进入到前部射线发生器和前部放射性探测器所形成的空间中时，前部射线发生器连续发射射线，穿过不断流经该处的流体，再经前部反射性探测器将脉冲信号变换成电信号，经过信号采集处理数字电路进行记录、存储并分析上传数据，对电信号数据处理，得到实时监测的流体密度值，进而形成前凹陷处密度监测曲线；
同时，在环空流体流动的情况下，在环空流体进入后凹陷时，即流体进入到后部射线发生器和后部放射性探测器所形成的空间中时，后部射线发生器连续发射射线，穿过不断流经该处的流体，再由后部放射性探测器接收，并转变为电信号上传处理，形成密度信号，进而形成后凹陷处密度监测曲线。
根据本发明优选的，步骤(2)的具体实现过程包括：
当侵入井筒的流体是气体，根据井底温度压力等数据得到地层侵入气体的密度ρgas，再根据传感器监测装置实时监测得到的混合流体密度ρmix，结合已知的钻井液密度ρmud，计算出该状态下井筒环空流体的含气率
计算公式如式(I)所示：
计算得到的含气率
与环空气泡滑脱速度曲线进行对照，找出对应的滑脱速度vslip-gas；
假设侵入井筒的流体是油，根据井底温度压力等数据得到地层侵入油的密度ρoil，根据传感器监测装置实时监测得到此时的井筒环空内混合流体密度ρmix，结合已知的钻井液密度ρmud，计算出此时的井筒环空流体的含油率
计算公式如式(Ⅱ)所示：
计算得到的含油率
与环空油水滑脱速度曲线进行对照，找出对应的滑脱速度vslip-oil；
根据本发明优选的，步骤(3)中，根据前凹陷处密度监测曲线及后凹陷处密度监测曲线，通过相关性分析得到发生密度变化的环空内的流体前部密度监测传感器和后部密度监测传感器间的运移时间t2-t1，再结合此时的钻井液排量Vmud，和前凹陷与后凹陷之间的间隔L，得到地层流体在井筒内的滑脱速度vslip；其具体计算公式如下：
通过测得的时间差t2-t1，计算得到井筒环空内流体的混相速度vmix，如式(Ⅲ)所示：
结合混相速度的定义和已知的钻井液排量计算侵入井筒环空的气体的排量Vgas或油的排量Voil，式(Ⅳ)所示：
Vgas(Voil)＝vmix·A-Vmud (Ⅳ)
A是指井筒环空的横截面积，m2；
通过滑脱速度的定义和确定的含气率计算该状态下的滑脱速度，如式(Ⅴ)所示：通过滑脱速度的定义和确定的含油率计算该状态下的滑脱速度，如式(Ⅵ)所示：
求取井筒环空流体的气相速度vgas，如式(Ⅶ)所示：
vgas＝cgvmix+vslip (Ⅶ)
式(Ⅶ)中，vslip为气相滑脱速度，cg为速度分布系数；vmiX是指混相速度，m/s；
在相流条件下，各个流型有着不同的气相滑脱速度，具体计算如下：
泡状流条件下，
σ是水液表面张力，N/m；ρL是钻井液的密度，kg/m3；ρgas是气相密度，kg/m3；
段塞流的情况下，
搅动流的情况下，
环状流的情况下，
根据本发明优选的，步骤(6)中，通过式(Ⅳ)确定此时侵入井筒环空的气体或油的排量。
本发明的有益效果如下：
1、本发明实时监测井下环空是否有地层流体侵入，利用安装在井下测量短节上的前部密度监测传感器和后部密度监测传感器进行监测，在溢流阶段发生初期就能准确判别是否有地层流体侵入，提前预警，并通过计算得到的地层流体(油、气)的侵入类型、侵入量、侵入速度等参数，为压井材料的准备提供实时数据支持。
2、本发明所使用的单源单向低强度射线发生器发射的射线是γ射线，放射源产生的γ射线穿过传感器偏置测量短节上两个凹陷处流经的流体，再被放射性探测器所接收，从而测试γ射线密度。其基本原理是根据γ射线穿透物质能力与物质密度成反比来测量物质密度。在测量流体一侧安放γ射线源，另一侧装γ射线检测计，γ射线穿过流体后部分被吸收，剩下部分到达检测计测出其强度从而量出流体密度。
3、本发明监测装置的优点在于它的测量是非接触式的，不受被测介质的化学性质和温度、压力、黏度等物理性质的影响。由于测量探头不与被测介质接触，投入使用以后，基本不需要维护。它特别适用于高温、高压、强腐蚀、高黏度、剧毒、深冷、含大量悬浮颗粒的液体密度测量，而在这些恶劣条件下，常规测量仪表是难以胜任的。
附图说明
图1是本发明传感器偏置测量短节剖视图；
图2是本发明前部放射性探测器剖视图；
图3是本发明后部放射性探测器剖视图；
图4是本发明基于双密度测量井下溢流类型及侵入量井涌早期监测装置的结构示意图；
图5是前凹陷处密度监测曲线及后凹陷处密度监测曲线示意图；
图6是环空气泡滑脱速度曲线示意图；
图7是环空油水滑脱速度曲线示意图。
001、前部射线发生器；002、后部射线发生器；003、前部放射性探测器；0031、前部放射性探测器反射脉冲外罩；0032、前部放射性探测器反射脉冲闪烁组件；0033、前部放射性探测器反射脉冲高压变流器；0034、前部放射性探测器反射脉冲信号分析组件；004、后部放射性探测器；0041、后部放射性探测器发射脉冲外罩；0042、后部放射性探测器发射脉冲闪烁组件；0043、后部放射性探测器发射脉冲高压变流器；0044、后部放射性探测器发射脉冲信号分析组件；005、前部射线发生器保护罩；006、后部射线发生器保护罩；007、前部放射性探测器保护罩；008、后部放射性探测器保护罩；009、传感器偏置测量短节；0091、前凹陷；0092、后凹陷；010、系统电源；011、信号采集处理数字电路。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
实施例1
发生溢流的原因是地层压力的增大或者井底压力的减小。不能有效及时的控制住溢流，就会继续发展成为井涌、井喷，乃至井喷失控，造成严重的危险情况。所以对溢流的监测十分重要，并且越早的发现溢流，就越可以及时有效的处理，消除溢流产生的危险情况。有溢流必定会有溢流的显示，包括钻速突然加快或放空、泵压下降和泵速增加、钻具悬重发生变化、钻井液性能发生变化、气测烃类含量升高或者氯根含量升高、dc指数减小、岩屑尺寸加大和温度变化等多种现象。井下发生溢流，第一时间会引起井筒环空的流体性能发生变化，油或气侵入钻井液，会使钻井液密度下降，黏度升高；地层水侵入钻井液，会使钻井液密度和黏度都下降。由此可以看出在井筒环空处监测环空流体密度的变化，可以及时有效的发现溢流，本发明的装置是提供一种井下溢流早期检测的装置，该装置通过安装在底部钻具组合上的放射性密度传感器，测量井筒环空内流体(钻井液+地层流体)的密度变化及该变化的传播速度，从而定量化表征地层侵入流体的运移过程。
一种基于双密度测量井下溢流类型及侵入量井涌早期监测装置，如图1、图4所示，图1是本发明传感器偏置测量短节剖视图，该装置位于井下偏井底位置，一但发生溢流，可以较早的监测溢流，能够做到提前预警，并通过计算得到的地层流体(油、气、水)的侵入类型、侵入量、侵入速度等参数，为压井材料的准备提供实时数据支持。包括：前部射线发生器001、后部射线发生器002、前部放射性探测器003、后部放射性探测器004、前部射线发生器保护罩005、后部射线发生器保护罩006、前部放射性探测器保护罩007、后部放射性探测器保护罩008、传感器偏置测量短节009、系统电源010和信号采集处理数字电路011；
前部射线发生器保护罩005、后部射线发生器保护罩006、前部放射性探测器保护罩007、后部放射性探测器保护罩008沿传感器偏置测量短节009轴向分布；
前部射线发生器保护罩005与前部放射性探测器保护罩007的间隔，和后部射线发生器保护罩006与后部放射性探测器保护罩008的间隔距离相同，并在传感器偏置测量短节009上分别形成两个凹陷：前凹陷0091和后凹陷0092；
前凹陷0091和后凹陷0092允许环空内的流体流入，为流体密度监测提供流动通道。流体依次进入前凹陷0091和后凹陷0092，在进入前凹陷0091时，即流体流入前部射线发生器001与前部放射性探测器003之间的空间时，流体密度变化被前部放射性探测器003检测；在进入后凹陷0092时，即流体流入后部射线发生器002与后部放射性探测器004之间的空间时，流体密度变化被后部放射性探测器004检测，并形成密度监测曲线。
前部放射性探测器003和后部放射性探测器004的密度监测曲线，通过相关性分析可以得到，发生密度变化的环空内流体在两个传感器间的运移的时间，结合钻井液排量数据和两个传感器之间的分布距离可以得到地层流体在井筒内的滑脱速度。
通过该装置得到的环空流体密度及变化信号等数据经传感器变换成电信号，经过数字电路进行记录、存储并分析上传数据，测量装置通过随钻测井接头与随钻测井泥浆脉冲装置连接将实测数据实时上传至地面。
前部射线发生器001设置在前部射线发生器保护罩005与传感器偏置测量短节009形成的空间内；后部射线发生器002设置在后部射线发生器保护罩006与传感器偏置测量短节009形成的空间内；前部放射性探测器003设置在前部放射性探测器保护罩007与传感器偏置测量短节009形成的空间内；后部放射性探测器004设置在后部放射性探测器保护罩008与传感器偏置测量短节009形成的空间内；
前凹陷0091、系统电源010、信号采集处理数字电路011及后凹陷0092依次连接，系统电源010和信号采集处理数字电路011均安装于传感器偏置测量短节009内部，环空流体密度及变化信号等数据，由系统电源010为监测装置提供能量，经传感器变换成电信号，经过信号采集处理数字电路011进行记录、存储并分析上传数据。监测装置通过随钻测井接头与随钻测井泥浆脉冲装置连接将实测数据实时上传至地面。
前凹陷0091和后凹陷0092之间的间隔为2米。
前部射线发生器001及后部射线发生器002均为单源单向低强度射线发生器，单源单向低强度射线发生器中的射线是γ射线；前部放射性探测器003及后部放射性探测器004均为γ射线检测计。
前部射线发生器001与前部放射性探测器003为一组，后部射线发生器002与放射性探测器为一组，前部射线发生器001的放射源向一个相对方向发射射线，由同组的前部放射性探测器003接收，后部射线发生器002的放射源向一个相对方向发射射线，由同组的后部放射性探测器004接收。
如图2所示，前部放射性探测器003包括前部放射性探测器反射脉冲外罩0031、前部放射性探测器反射脉冲闪烁组件0032、前部放射性探测器反射脉冲高压变流器0033、前部放射性探测器反射脉冲信号分析组件0034；前部放射性探测器反射脉冲外罩0031、前部放射性探测器反射脉冲闪烁组件0032、前部放射性探测器反射脉冲高压变流器0033、前部放射性探测器反射脉冲信号分析组件0034均安装在前凹陷0091处；与前部射线发生器001同在一个凹陷处，二者中间留有流体流经空间。
前部放射性探测器反射脉冲闪烁组件0032、前部放射性探测器反射脉冲高压变流器0033、前部放射性探测器反射脉冲信号分析组件0034沿传感器测量短节轴向排列，并均设置在前部放射性探测器反射脉冲外罩0031的内部，前部放射性探测器反射脉冲闪烁组件0032靠近前部射线发生器001一侧；
如图3所示，后部放射性探测器004包括后部放射性探测器发射脉冲外罩0041、后部放射性探测器发射脉冲闪烁组件0042、后部放射性探测器发射脉冲高压变流器0043、后部放射性探测器发射脉冲信号分析组件0044；后部放射性探测器发射脉冲外罩0041、后部放射性探测器发射脉冲闪烁组件0042、后部放射性探测器发射脉冲高压变流器0043、后部放射性探测器发射脉冲信号分析组件0044均安装在后凹陷0092处；与后部射线发生器002同在一个凹陷处，二者中间留有流体流经空间。
后部放射性探测器发射脉冲闪烁组件0042、后部放射性探测器发射脉冲高压变流器0043、后部放射性探测器发射脉冲信号分析组件0044沿传感器测量短节轴向排列，并均设置在后部放射性探测器反射脉冲外罩0041的内部，后部放射性探测器反射脉冲闪烁组件0042靠近后部射线发生器002一侧。
安装在井下的传感器偏置测量短节009中的两个凹陷处允许环空的流体进入，即环空的流体先后经过前凹陷0091处和后凹陷0092处，为流体密度监测提供通道。
在环空流体进入前凹陷0091时，即流体进入到前部射线发生器001和前部放射性探测器003所形成的空间中时，前部射线发生器001发射射线穿过流经该处的流体，由前部放射性探测器003接收，并转变为电信号上传处理，形成密度信号，并记录此时的时间；在环空流体流动的情况下，在环空流体进入前凹陷0091时，即流体进入到前部射线发生器001和前部放射性探测器003所形成的空间中时，前部射线发生器001连续发射射线，穿过不断流经该处的流体，再由前部放射性探测器003接收，并转变为电信号上传处理，形成密度信号，进而形成前凹陷0091处密度监测曲线；
同时，在环空流体流动的情况下，在环空流体进入后凹陷0092时，即流体进入到后部射线发生器002和后部放射性探测器004所形成的空间中时，后部射线发生器002连续发射射线，穿过不断流经该处的流体，再由后部放射性探测器004接收，并转变为电信号上传处理，形成密度信号，进而形成后凹陷处密度监测曲线；
实施例2
一种基于双密度测量井下溢流类型及侵入量井涌早期监测方法，通过实施例1所述的监测装置实现，包括具体步骤如下：
(1)求取前凹陷处密度监测曲线及后凹陷处密度监测曲线；具体实现过程包括：
在环空流体流动的情况下，在环空流体进入前凹陷0091时，即流体进入到前部射线发生器001和前部放射性探测器003所形成的空间中时，前部射线发生器001连续发射射线，穿过不断流经该处的流体，再经前部反射性探测器将脉冲信号变换成电信号，经过信号采集处理数字电路011进行记录、存储并分析上传数据，测量装置通过随钻测井接头与随钻测井泥浆脉冲装置连接将实测数据实时上传至地面，对电信号数据处理，得到实时监测的流体密度值，进而形成前凹陷处密度监测曲线；
同时，在环空流体流动的情况下，在环空流体进入后凹陷0092时，即流体进入到后部射线发生器002和后部放射性探测器004所形成的空间中时，后部射线发生器002连续发射射线，穿过不断流经该处的流体，再由后部放射性探测器004接收，并转变为电信号上传处理，形成密度信号，进而形成后凹陷处密度监测曲线。图5是前凹陷处密度监测曲线及后凹陷处密度监测曲线示意图。其中，00911为前凹陷处密度监测曲线，00921为后凹陷处密度监测曲线。
(2)判断侵入井筒的流体类型，计算含气率或含油率；计算得到的含气率与环空气泡滑脱速度曲线进行对照，如图6所示，找出对应的滑脱速度vslip-gas；计算得到的含油率与环空油水滑脱速度曲线进行对照，如图7所示，找出对应的滑脱速度vslip-oil；具体实现过程包括：
当侵入井筒的流体是气体，根据井底温度压力等数据得到地层侵入气体的密度ρgas，再根据传感器监测装置实时监测得到的混合流体密度ρmix，其中，ρgas是根据PVT方程，由已知的井底温度压力等数据计算得到，ρmix是由前部密度监测传感器或后部密度监测传感器监测得到，即监测到流体密度突变稳定后的较小密度值。结合已知的钻井液密度ρmud，计算出该状态下井筒环空流体的含气率
计算公式如式(I)所示：
即，
计算得到的含气率
与环空气泡滑脱速度曲线进行对照，找出对应的滑脱速度vslip-gas；
假设侵入井筒的流体是油，根据井底温度压力等数据得到地层侵入油的密度ρoil，根据传感器监测装置实时监测得到此时的井筒环空内混合流体密度ρmix，其中，ρoil是根据PVT方程，由已知的井底温度压力等数据计算得到，ρmix是由前部或后部密度监传感器监测得到，即监测到流体密度突变稳定后的较小密度值。结合已知的钻井液密度ρmud，计算出此时的井筒环空流体的含油率
计算公式如式(Ⅱ)所示：
即，
计算得到的含油率
与环空油水滑脱速度曲线进行对照，找出对应的滑脱速度vslip-oil；
(3)根据前凹陷处密度监测曲线及后凹陷处密度监测曲线，通过相关性分析得到发生密度变化的环空内的流体前部密度监测传感器和后部密度监测传感器间的运移时间t2-t1，其中，t1是指前部密度监测传感器监测到井筒环空内流体密度发生突变的时刻，t2是指后部密度监测传感器监测到井筒环空内流体密度发生突变的时刻，单位均是s；前部密度监测传感器包括前部射线发生器001和前部反射性探测器，后部密度监测传感器包括后部射线发生器002和后部反射性探测器；再结合此时的钻井液排量Vmud，和前凹陷0091与后凹陷0092之间的间隔L，得到地层流体在井筒内的滑脱速度vslip；具体计算公式如下：
通过测得的时间差t2-t1，计算得到井筒环空内流体的混相速度vmix，如式(Ⅲ)所示：
结合混相速度的定义和已知的钻井液排量计算侵入井筒环空的气体的排量Vgas或油的排量Voil，式(Ⅳ)所示：
Vgas(Voil)＝vmix·A-Vmud (Ⅳ)
A是指井筒环空的横截面积，m2；
通过滑脱速度的定义和确定的含气率计算该状态下的滑脱速度，如式(Ⅴ)所示：通过滑脱速度的定义和确定的含油率计算该状态下的滑脱速度，如式(Ⅵ)所示：
vslip＝vgas(voil)-vmud
求取井筒环空流体的气相速度vgas，如式(Ⅶ)所示：
vgas＝cgvmix+vslip (Ⅶ)
式(Ⅶ)中，vslip为气相滑脱速度，cg为速度分布系数；vmix是指混相速度，m/s；
在相流条件下，各个流型有着不同的气相滑脱速度，具体计算如下：
泡状流条件下，
σ是水液表面张力，N/m；ρl是钻井液的密度，kg/m3；ρgas是气相密度，kg/m3；
段塞流的情况下，
搅动流的情况下，
环状流的情况下，
(4)假设侵入井筒的是气体，根据步骤(2)中计算得到的含气率计算得到滑脱速度vslip-1与步骤(2)中的滑脱速度vslip-gas进行比较，若相符，则证明此时侵入井筒环空的是气体，并根据含气率与环空气泡滑脱速度曲线确定流体类型；若不相符，则证明侵入井筒环空的不是气体，假设不成立；
(5)假设侵入井筒环空的是油，根据步骤(2)中的含油率计算得到的滑脱速度vslip-2与步骤(2)中的滑脱速度vslip-oil进行比较，若相符，则证明此时侵入井筒环空的是油，再根据含油率
与环空油水滑脱速度曲线，辨别出此时流体流型；若不相符，则证明侵入井筒环空的不是油，假设不成立；
(6)根据步骤(4)和步骤(5)的假设从而确定侵入井筒环空处的流体类型，通过式(Ⅳ)确定此时侵入井筒环空的气体或油的排量。
上述通过对侵入井筒环空是气还是油的判断，实现了井下溢流类型的早期监测；通过确定侵入井筒环空的气体或油的排量，实现了井下溢流侵入量的早期监测。
Claims (10)
1.一种基于双密度测量井下溢流类型及侵入量井涌早期监测装置，其特征在于，包括：前部射线发生器、后部射线发生器、前部放射性探测器、后部放射性探测器、前部射线发生器保护罩、后部射线发生器保护罩、前部放射性探测器保护罩、后部放射性探测器保护罩、传感器偏置测量短节、系统电源和信号采集处理数字电路；
所述前部射线发生器保护罩、后部射线发生器保护罩、前部放射性探测器保护罩、后部放射性探测器保护罩沿所述传感器偏置测量短节轴向分布；
所述前部射线发生器保护罩与前部放射性探测器保护罩的间隔，和后部射线发生器保护罩与后部放射性探测器保护罩的间隔距离相同，并在传感器偏置测量短节上分别形成两个凹陷：前凹陷和后凹陷；
所述前部射线发生器设置在所述前部射线发生器保护罩与所述传感器偏置测量短节形成的空间内；所述后部射线发生器设置在所述后部射线发生器保护罩与所述传感器偏置测量短节形成的空间内；所述前部放射性探测器设置在所述前部放射性探测器保护罩与所述传感器偏置测量短节形成的空间内；所述后部放射性探测器设置在所述后部放射性探测器保护罩与所述传感器偏置测量短节形成的空间内；
前凹陷、系统电源、信号采集处理数字电路及后凹陷依次连接，所述系统电源和所述信号采集处理数字电路均安装于所述传感器偏置测量短节内部，由系统电源为监测装置提供能量，经传感器变换成电信号，经过信号采集处理数字电路进行记录、存储并分析上传数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于双密度测量井下溢流类型及侵入量井涌早期监测装置，其特征在于，所述前凹陷和后凹陷之间的间隔为1-3米；
进一步优选的，所述前凹陷和后凹陷之间的间隔为2米。
3.根据权利要求1所述的一种基于双密度测量井下溢流类型及侵入量井涌早期监测装置，其特征在于，所述前部射线发生器及所述后部射线发生器均为单源单向低强度射线发生器，单源单向低强度射线发生器中的射线是γ射线；所述前部放射性探测器及所述后部放射性探测器均为γ射线检测计。
4.根据权利要求1所述的一种基于双密度测量井下溢流类型及侵入量井涌早期监测装置，其特征在于，所述前部射线发生器与所述前部放射性探测器为一组，所述后部射线发生器与所述放射性探测器为一组，所述前部射线发生器的放射源向一个相对方向发射射线，由同组的所述前部放射性探测器接收，所述后部射线发生器的放射源向一个相对方向发射射线，由同组的所述后部放射性探测器接收。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种基于双密度测量井下溢流类型及侵入量井涌早期监测装置，其特征在于，所述前部放射性探测器包括前部放射性探测器反射脉冲外罩、前部放射性探测器反射脉冲闪烁组件、前部放射性探测器反射脉冲高压变流器、前部放射性探测器反射脉冲信号分析组件；所述前部放射性探测器反射脉冲外罩、前部放射性探测器反射脉冲闪烁组件、前部放射性探测器反射脉冲高压变流器、前部放射性探测器反射脉冲信号分析组件均安装在所述前凹陷处；
前部放射性探测器反射脉冲闪烁组件、前部放射性探测器反射脉冲高压变流器、前部放射性探测器反射脉冲信号分析组件沿传感器测量短节轴向排列，并均设置在所述前部放射性探测器反射脉冲外罩的内部，所述前部放射性探测器反射脉冲闪烁组件靠近前部射线发生器一侧；
所述后部放射性探测器包括后部放射性探测器发射脉冲外罩、后部放射性探测器发射脉冲闪烁组件、后部放射性探测器发射脉冲高压变流器、后部放射性探测器发射脉冲信号分析组件；所述后部放射性探测器反射脉冲外罩、后部放射性探测器反射脉冲闪烁组件、后部放射性探测器反射脉冲高压变流器、后部放射性探测器反射脉冲信号分析组件均安装在所述后凹陷处；
后部放射性探测器反射脉冲闪烁组件、后部放射性探测器反射脉冲高压变流器、后部放射性探测器反射脉冲信号分析组件沿传感器测量短节轴向排列，并均设置在所述后部放射性探测器反射脉冲外罩的内部，所述后部放射性探测器反射脉冲闪烁组件靠近后部射线发生器一侧。
6.一种基于双密度测量井下溢流类型及侵入量井涌早期监测方法，其特征在于，通过权利要求1-5任一所述的监测装置实现，包括具体步骤如下：
(1)求取前凹陷处密度监测曲线及后凹陷处密度监测曲线；
(2)判断侵入井筒的流体类型，计算含气率或含油率；计算得到的含气率与环空气泡滑脱速度曲线进行对照，找出对应的滑脱速度vslip-gas；计算得到的含油率与环空油水滑脱速度曲线进行对照，找出对应的滑脱速度vslip-oil；
(3)根据前凹陷处密度监测曲线及后凹陷处密度监测曲线，通过相关性分析得到发生密度变化的环空内的流体前部密度监测传感器和后部密度监测传感器间的运移时间t2-t1，其中，t1是指前部密度监测传感器监测到井筒环空内流体密度发生突变的时刻，t2是指后部密度监测传感器监测到井筒环空内流体密度发生突变的时刻，单位均是s；前部密度监测传感器包括前部射线发生器和前部反射性探测器，后部密度监测传感器包括后部射线发生器和后部反射性探测器；
再结合此时的钻井液排量Vmud，和前凹陷与后凹陷之间的间隔L，得到地层流体在井筒内的滑脱速度vslip；
(4)假设侵入井筒的是气体，根据步骤(2)中计算得到的含气率计算得到滑脱速度vslip-1与步骤(2)中的滑脱速度vslip-gas进行比较，若相符，则证明此时侵入井筒环空的是气体，并根据含气率与环空气泡滑脱速度曲线确定流体类型；若不相符，则证明侵入井筒环空的不是气体，假设不成立；
(5)假设侵入井筒环空的是油，根据步骤(2)中的含油率计算得到的滑脱速度vslip-2与步骤(2)中的滑脱速度vslip-oil进行比较，若相符，则证明此时侵入井筒环空的是油，再根据含油率
与环空油水滑脱速度曲线，辨别出此时流体流型；若不相符，则证明侵入井筒环空的不是油，假设不成立；
(6)根据步骤(4)和步骤(5)的假设从而确定侵入井筒环空处的流体类型，确定此时侵入井筒环空的气体或油的排量。
7.根据权利要求6所述的一种基于双密度测量井下溢流类型及侵入量井涌早期监测方法，其特征在于，步骤(1)的具体实现过程包括：
在环空流体流动的情况下，在环空流体进入前凹陷时，即流体进入到前部射线发生器和前部放射性探测器所形成的空间中时，前部射线发生器连续发射射线，穿过不断流经该处的流体，再经前部反射性探测器将脉冲信号变换成电信号，经过信号采集处理数字电路进行记录、存储并分析上传数据，对电信号数据处理，得到实时监测的流体密度值，进而形成前凹陷处密度监测曲线；
同时，在环空流体流动的情况下，在环空流体进入后凹陷时，即流体进入到后部射线发生器和后部放射性探测器所形成的空间中时，后部射线发生器连续发射射线，穿过不断流经该处的流体，再由后部放射性探测器接收，并转变为电信号上传处理，形成密度信号，进而形成后凹陷处密度监测曲线。
8.根据权利要求6所述的一种基于双密度测量井下溢流类型及侵入量井涌早期监测方法，其特征在于，步骤(2)的具体实现过程包括：
当侵入井筒的流体是气体，根据井底温度压力等数据得到地层侵入气体的密度ρgas，再根据传感器监测装置实时监测得到的混合流体密度ρmix，结合已知的钻井液密度ρmud，计算出该状态下井筒环空流体的含气率
计算公式如式(I)所示：
计算得到的含气率
与环空气泡滑脱速度曲线进行对照，找出对应的滑脱速度vslip-gas；
假设侵入井筒的流体是油，根据井底温度压力等数据得到地层侵入油的密度ρoil，根据传感器监测装置实时监测得到此时的井筒环空内混合流体密度ρmix，结合已知的钻井液密度ρmud，计算出此时的井筒环空流体的含油率
计算公式如式(Ⅱ)所示：
计算得到的含油率
与环空油水滑脱速度曲线进行对照，找出对应的滑脱速度vslip-oil。
9.根据权利要求8所述的一种基于双密度测量井下溢流类型及侵入量井涌早期监测方法，其特征在于，步骤(3)中，根据前凹陷处密度监测曲线及后凹陷处密度监测曲线，通过相关性分析得到发生密度变化的环空内的流体前部密度监测传感器和后部密度监测传感器间的运移时间t2-t1，再结合此时的钻井液排量Vmud，和前凹陷与后凹陷之间的间隔L，得到地层流体在井筒内的滑脱速度vslip；其具体计算公式如下：
通过测得的时间差t2-t1，计算得到井筒环空内流体的混相速度vmix，如式(Ⅲ)所示：
结合混相速度的定义和已知的钻井液排量计算侵入井筒环空的气体的排量Vgas或油的排量Voil，式(Ⅳ)所示：
Vgas(Voil)＝vmix·A-Vmud (Ⅳ)
A是指井筒环空的横截面积，m2；
通过滑脱速度的定义和确定的含气率计算该状态下的滑脱速度，如式(Ⅴ)所示：通过滑脱速度的定义和确定的含油率计算该状态下的滑脱速度，如式(Ⅵ)所示：
10.根据权利要求9所述的一种基于双密度测量井下溢流类型及侵入量井涌早期监测方法，其特征在于，步骤(6)中，通过式(Ⅳ)确定此时侵入井筒环空的气体或油的排量。
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Also Published As
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| CN113586036B (zh) | 2023-07-14 |
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