CN114112990B - 一种随钻光谱气侵监测短节 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种随钻光谱气侵监测短节，具体涉及一种测量分析井下流体成分的随钻光谱气侵监测短节。该短节分为三节并通过法兰连接，下端一节包括光源装置以及对光源的发光点进行准直的抛物面反射镜，中间一节设置有能使钻井液穿过的检测通道并装有透射光源的蓝宝石窗口，上端一节包括光学窗口固定座、光纤束固合体、滤光片阵列和探测器阵列。该装置特点在于：短节分为三部分便于加工安装、装配维修光学仪器，钻井液流道偏于轴心提供更大空间安装仪器，样品流体测通道出入口端结合钻杆旋转方向设计成利于流体进出的螺旋段。
Description
技术领域
本发明涉及石油天然气探勘开发技术领域，具体涉及一种随钻光谱气侵监测短节。
背景技术
目前，井口监测法虽然已经达到成熟阶段，但是现场测量出的参数明显受地层干扰导致具有滞后性，不能及时的监测反馈井下的实际情况，很大程度上限制了其在钻井工程中的应用。同时随着钻井条件日益苛刻，常规的地面溢流监测方法已经适应不了深井超深井以及复杂的油气地质层等情况，随井深的不断增加，压力逐渐升高，溢流到井喷的间隔时间越来越短，甚至有时会溢流和井喷同时发生，监测的速度以及精确度不断降低，容易掩盖真实的气侵情况。为提高气侵监测的精准性、时效性，国内学者提出例如声波气侵监测法、电阻抗成像气侵监测法、PWD控压控压钻井气侵控制技术等随钻气侵监测方案。这些方法各有优点，但面临复杂地质的深井超深井，会出现监测到的信号在长距离传输过程中有较大的衰减波动，仪器在高温、高压环境中失效等问题。
基于光谱技术检测井下油气成分的随钻测量法能很好的避免外部物质对光谱的干扰，通过使用一系列波长选择探测器，可以测量目标物质对不同波长的光的吸光度，从而得出物质的成分含量。BakerHughes公司的S.Csutak在2011年公开了基于曼拉散射的随钻测量方案，使用远红外的量子级联激光器为泵浦源。但由于现场仪器设备多，量子级联激光器的成本高、功耗大，产生的拉曼散射是波长更长的远红外信号，不利于光学仪器测量，因此未得到推广。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种随钻光谱气侵监测短节，包括探测器阵列、固定座、卡簧和短节，其特征在于，所述短节安装在钻杆之间，所述短节分为三个部分，各个部分用法兰连接方式进行连接，利于拆装光学仪器以及内部孔加工，下段所述短节中安装有光源装置，光源装置设有反射镜，所述光源装置发射器位于所述反射镜中心处；
所述短节分别设有上侧蓝宝石窗口和下侧蓝宝石窗口，所述固定座与上侧蓝宝石窗口固定连接，所述卡簧与下侧蓝宝石窗口固定连接，所述上侧蓝宝石窗口和下侧蓝宝石窗口安装于中段所述短节中，所述流体通过上侧蓝宝石窗口和下侧蓝宝石窗口之间的流体通道；
所述固定座设有弹簧，所述固定座固定连接有光纤束集合体，光纤束集合体固定连接有滤光片阵列，每一束光纤对应某一波长的滤光片，所述探测器阵列将透过相应滤光片的光信号转换为电流信号传至上端钻杆。
优选的：上段和下段所述短节内具有用于装设光学仪器的空腔。
优选的：所述上侧蓝宝石窗口通过环形台阶与所述固定座固定连接，所述下侧蓝宝石窗口通过环形台阶与卡簧固定连接。
优选的:中段所述短节检测通道的出入口设计成螺旋段，所述上侧蓝宝石窗口和下侧蓝宝石窗口中间的流体通道为直线段。
优选的:所述短节中流体通道偏于轴心，各段流体通道之间用定位销定位。
优选的:所述反射镜中心设有胶环，并有一部分胶环深入反射镜之中，所述胶环中心开有用于套设所述光源装置的通孔。
优选的:下段所述短节空腔的端口设有用于固定反射镜的旋盖。
优选的:所述旋盖分为上下两部分，下旋盖用内六角螺栓固定于下段所述短节空腔内壁，上旋盖和下旋盖以螺纹连接方式配合。
优选的:中段所述短节外表面配设有能够引导井下流体进入检测通道的引流板。
本发明的技术效果和优点：
1.本发明提供的井下光谱气侵检测短节中的流体通道偏于轴心一侧，另一侧设有空腔，提供更大空间布置安装光学仪器；
2.光谱气侵检测短节分为上、中、下三段部分，利于流体通道以及空腔的制造加工，便于仪器的检查维修；
3.中段短节内设的检测通道的进出口呈螺旋段，蓝宝石窗口中间的流体通道为直线段，并在进口处设有引流板，目的为了通过液位压力、循环钻井液向上的流动以及钻杆的旋转趋势，使流体能进入检测通道。
附图说明
图1是本申请实施例提供的内部结构剖视示意图；
图2是本申请实施例提供的中段短节的结构示意图；
图3是本申请实施例提供的中短节的引流器结构示意图；
图中：1、探测器阵列；2、滤光片阵列；3、弹簧；4、光纤束集合体；
5、固定座；6、上侧蓝宝石窗口；7、下侧蓝宝石窗口；8、卡簧；
9、旋盖；10、反射镜；11、光源装置；12、短节。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
参见附图1，随钻光谱气侵检测短节安装于钻杆之间，分为上、中、下三段部分，以法兰方式连接。
其中，下段短节轴心旁处的圆形空腔内设有反射镜10，反射镜固定于空腔端口处旋盖9的内部，光源11通过胶套安装在反射镜10中心，其发光点位于抛物面反射镜的焦点上，发出的光能平行出射，实现准直。
其中，上段短节轴心旁处也具有与下段短节同样开口直径的空腔，其端口处设有弹簧3用于安装在固定座5下端，固定座5中心开有通孔用于安置光纤束集合体4，调节固定槽位置使之能抵于上侧蓝宝石窗口6，以减少光源损耗。光纤束集合体4内装设有数根光纤，从集合体引出的每一根光纤分别对应某一波长的滤光片，直接通过光纤将光传递到对应的滤光片上，减少光纤远距离传播时对光强度的损耗，这些滤光片总和成滤光片阵列2，滤光片阵列2与后面的探测器阵列1组成检测频道，安装在空腔底部的座体上。
参见附图2和3，中段短节内设置有水平流体检测通道，检测通道进出口呈螺旋状，只需依靠液位压力以及钻杆旋转趋势使井下流体顺利进出检测通道。检测通道透光段由上下两侧的蓝宝石窗口组成，上侧蓝宝石窗口6的固定由环形台阶的支撑与弹簧3和固定座5的抵压实现，固定座5端面设有轴向的密封圈与蓝宝石窗口6接触，侧面设有径向密封圈与空腔内壁接触，防止流体检测通道内的流体泄漏至空腔内。下侧蓝宝石窗口7由环形台阶与卡簧固定，蓝宝石窗口外侧与壁面接触处设有密封圈。
应用本发明提供的一种随钻光谱气侵监测短节时，先从空腔底部开始安装各种光学仪器，光源11和探测器阵列1所需的电流可由井下涡轮发电机或着电池提供。在短节的各段之间加装法兰垫，用螺栓将各段拉紧，最后通过螺纹连接方式将短节固定于两钻杆之间。
本发明提供的井下流体光谱分析装置的工作原理如下：
参见附图1，井下流体从环空返还地面时通过引流板进入到流体检测通道，由光源11射出的近红外光经反射镜10的反射作用变成平行的出射光，光通过下侧耐高温和高压的蓝宝石窗口7透射过检测通道内的流体到达上侧蓝宝石窗口6，由固定座5内的光纤束集合体4接收并传输到末端的光纤分束，每一束光纤对应某一波长的滤光片，探测器阵列1通过光电转换模块将透过相应滤光片的光信号转换为电流信号，电信号经探测放大电路和A/D转换模块后，由数字信号处理器(DSP)进行数据处理，通过建立的校正模型对光谱数据进行分析整理，得到相应井下流体成分与吸收光谱的线性模型，利用微处理器将结果以总线形式通过泥浆脉冲方式传给地面控制系统。由于不同物质具有不同的光谱特性，在不同波长时的吸光度不同，因此可以采用机器学习方法进行校正模型建立，并用高速数字信号处理芯片作为数据处理单元，实现实时分析监测井下流体是否含有气体。
显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域及相关领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。本发明中未具体描述和解释说明的结构、装置以及操作方法，如无特别说明和限定，均按照本领域的常规手段进行实施。
Claims (7)
1.一种随钻光谱气侵监测短节，包括探测器阵列(1)、固定座(5)、卡簧(8)和短节(12)，其特征在于，所述短节(12)安装在钻杆之间，所述短节(12)分为上、中、下三段部分，各个部分用法兰连接方式进行连接，利于拆装光学仪器以及内部孔加工，上段和下段所述短节(12)内具有用于装设光学仪器的空腔，下段所述短节(12)的空腔中设有反射镜(10)，光源(11)发射器位于所述反射镜(10)中心处；
所述短节(12)分别设有上侧蓝宝石窗口(6)和下侧蓝宝石窗口(7)，所述固定座(5)与上侧蓝宝石窗口(6)固定连接，所述卡簧(8)与下侧蓝宝石窗口(7)固定连接，所述上侧蓝宝石窗口(6)和下侧蓝宝石窗口(7)安装于中段所述短节(12)中；所述短节(12)内设置有流体通道，中段所述短节(12)内设置有水平流体检测通道，流体检测通道为直线段，流体检测通道的出入口为螺旋段，环空内流体通过上侧蓝宝石窗口(6)和下侧蓝宝石窗口(7)之间的流体检测通道；
所述固定座(5)设有弹簧(3)，所述固定座(5)固定连接有光纤束集合体(4)，光纤束集合体(4)固定连接有滤光片阵列(2)，每一根光纤对应某一波长的滤光片，所述探测器阵列(1)将透过相应滤光片的光信号转换为电流信号传至上端钻杆。
2.根据权利要求1所述的一种随钻光谱气侵监测短节，其特征在于，所述上侧蓝宝石窗口(6)通过环形台阶与所述固定座(5)固定连接，所述下侧蓝宝石窗口(7)通过环形台阶与卡簧(8)固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种随钻光谱气侵监测短节，其特征在于，所述短节(12)中流体通道偏于轴心，各段流体通道之间用定位销定位。
4.根据权利要求1所述的一种随钻光谱气侵监测短节，其特征在于，所述反射镜(10)中心设有胶环，并有一部分胶环深入反射镜(10)之中，所述胶环中心开有用于套设所述光源(11)的通孔。
5.根据权利要求2所述的一种随钻光谱气侵监测短节，其特征在于，下段所述短节(12)空腔的端口设有用于固定反射镜(10)的旋盖(9)。
6.根据权利要求5所述的一种随钻光谱气侵监测短节，其特征在于，所述旋盖(9)分为上下两部分，下旋盖用内六角螺栓固定于下段所述短节(12)空腔内壁，上旋盖和下旋盖以螺纹连接方式配合。
7.根据权利要求1所述的一种随钻光谱气侵监测短节，其特征在于，中段所述短节(12)外表面配设有能够引导井下流体进入流体检测通道的引流板。
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