CN115596430A - 一种井下多级气侵监测装置及油气钻井气侵识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种井下多级气侵监测装置及油气钻井气侵识别方法，属于钻井井下气侵测量技术领域，包括弧形主体，弧形主体为弧形板，弧形主体外侧对称设有声波发射器和声波接收器，弧形主体置于钻井套管外侧，声波接收器通过电缆连接至地面设备，安装于石油钻井套管外壁，本发明中的声波发射装置可实现声波穿透套管壁、井筒流体形成的综合介质，在另外一端接收到声信号，通过对声信号的变化分析实现实时识别井筒中侵入气体的含量，即是截面含气率。相较于传统的气侵监测方式，本发明具有更加快速的特点，能够大大提升气侵监测的效率，大幅度减低井喷等风险。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于套管监测的油气钻井气侵识别方法，属于钻井井下气侵测量技术领域。
背景技术
目前现场广泛应用的常规溢流监测方法有泥浆池增量法和出入口流量差法，在深水钻井中还采用了技术和方法较为先进的溢流早期监测技术，包括高精度质量流量计溢流监测法、声波气侵监测法、隔水管超声波气侵监测法及井下工具监测法。
泥浆池增量法、出入口流量差法、高精度质量流量计溢流监测法和声波气侵监测法的监测工具安装位置在平台上或井口处，主要借助综合录井仪的各类传感器进行实时监测，也是目前现场广泛使用的监测方法，但该方法监测时间严重滞后。
隔水管超声波气侵监测法是深水钻井特有的溢流早期监测技术，通过在海底泥线处安装监测工具，可以在气体进入隔水管内的初始时刻就实现气侵早期监测。隔水管超声波气侵监测法的原理是根据气侵后多普勒超声波的响应特征和变化规律，判断泥线附近处是否有气体，并得到钻杆与隔水管环空的截面含气率及气体分布状态。但是该方法仍然不能实现实时监测，并且只能在海洋钻井的环境中使用，限制了其推广性。
随着随钻井下测量工具的广泛应用，井下数据与地面传输之间的速度、带宽日益提高，也因此产生了各类基于随钻井下工具的气侵早期监测新方法。如利用LWD工具实时监测随钻电阻率、随钻自然伽马等测井值的变化；利用APWD工具实时测量井底环空压力、当量泥浆循环比重(ECD)、井底环空循环温度的变化，实现溢流早期监测。在钻杆中放置监测装置，大大提高了气侵监测的时效性和准确性，但是高昂的价格、低效的信息传输方式和井筒环空中的复杂环境也影响到最终的监测效果。
发明内容
近年来，随着对于井筒多相溢流运移特征、钻井溢流多相温压场的计算和声波多相流动监测理论的日趋完善，且利用声波在隔水管等位置进行气侵监测的技术不断进步，使得将只能在海上使用的管外气体监测技术推广到更广泛的钻井工况成为可能。
在油气井下采油领域，已经有依靠电缆线进行井下设备驱动和数据接收的相关装置。相比于钻井过程中依靠泥浆泵进行信息传递的方式以及依靠井下电池进行设备驱动的方式，电缆线传输具有稳定、信息传输量大、速度快等优点。受限于钻井工况的复杂性，电缆传输方式不能适用于钻杆，但套管柱与地层之间的环空可以提供很好的电缆存在环境。因此，考虑在套管外壁加装监测设备既可以克服钻井过程中信息传输和能量驱动低效率的困难，又具有实时以及稳定监测井下气体侵入的特性。
针对现有技术的不足，本发明提供一种套管气侵监测装置及油气钻井气侵识别方法。
本发明的技术方案如下：
一种井下多级气侵监测装置，包括弧形主体，弧形主体为弧形板，弧形主体外侧对称设有声波发射器和声波接收器，弧形主体置于钻井套管外侧，声波接收器通过电缆连接至地面设备。
本发明提供了一种可安装于石油钻井套管外壁的，可识别井筒中气体实时含量的监测装置。本发明中的声波发射装置可实现声波穿透套管壁、井筒流体形成的综合介质，在另外一端接收到声信号，通过对声信号的变化分析实现实时识别井筒中侵入气体的含量，即是实时识别截面含气率。
优选的，弧形主体的弯曲弧度大于180°。以便能够紧贴套管内壁，保证装置的监测效果。
优选的，声波发射器、声波接收器与弧形主体中心点的连线形成的夹角为装置角，装置角小于180°，大于等于90°。声波需穿过综合介质，为保障监测效果，故最小装置角度最小不能小于90°。如果装置角呈现180°，那么声波发射和接收器将会在套管上呈现直径相对布置状态，此时声波的传播距离达到最大，且钻杆对声传播的影响达到最大，将会导致接收到的声信号强度大幅衰减，信号质量也会出现下滑，对于气侵监测非常不利。
优选的，在钻井套管外侧不同位置设置至少两个井下多级气侵监测装置。可利用两个监测器接收到的时间差值和信号特征进行气体运移的计算和气侵量的修正，进一步提升气侵监测的准确性。
一种利用井下多级气侵监测装置的油气钻井气侵识别方法，在一个开路钻井完成后，下放入套管，但是还未注入水泥进行固井之前，将井下多级气侵监测装置从套管与地层之间的环空中放入到一定深度，下放完毕进行固井作业，将装置直接固定入水泥环中；
此后，将钻柱声波发射器随下钻工艺下放入井下，当井下多级气侵监测装置接收到特定信号时，记录钻柱声波发射器的下放深度，则该深度即为井下多级气侵监测装置的下入深度；通过电缆线，地面设备可持续向井下多级气侵监测装置持续供电，维持监测器的稳定工作，且不受井筒内部环空的影响。井下多级气侵监测装置上的声波发射器持续向外发射声波，穿透套管-井筒钻井液-套管体系，最终被声波接收器接收；声波接收器收到的信号将会持续通过电缆传递给地面设备；
(a)未发生气侵时，声波接收器所接收到的信号正常，不会出现大幅度突变；
(b)发生气侵时，气体的出现将导致井筒钻井液体系发生改变，使得声强度大幅衰减、声频率偏移增大，声波接收器接收到的信号出现固定性质的突变，该信号传输到地面后，可以进行气侵发生与气侵量的判断；
地面根据接收到的信号，采取响应措施，确保钻井的安全。
优选的，对声波接收器收到的信号进行处理，处理步骤如下：
(1)声波接收器接收到信号，该信号为电压信号；
(2)信号传输到地面；
(3)利用小波阈值法，进行信号的降噪，选择sym5小波基函数和8层的分解层数，进行小波分解；而后，根据有用信号与噪声信号之间的差异性，通过固定阈值原则选择合适的阈值，进而剔除噪声信号；最后，再将处理后的小波函数进行小波重构，得到可以用于气侵判断的信号。
优选的，具体判断步骤包括如下：
(1)根据目标井的井身结构、钻井液性能、施工参数和地层参数，建立井筒气液固三相流动模型，该模型可以实现在给定井底气侵量Qg的条件下，计算井筒中各处位置不同时刻的截面含气率α；
气侵过程中，井筒气液固三相流动模型如下：
液相连续性方程：
气相连续性方程：
固相连续性方程：
气液固三相的综合动量守恒方程：
能量方程：
其中，l、g、s分别表示水、气与固体颗粒；a、b、co分别表示环空、井壁、钻柱外壁；z、r分别表示轴向坐标、径向坐标，m；ρ为密度，kg/m3；α为体积分数；V为速度，m/s；P为井筒环空中的压力，Pa；
为液柱压力降，Pa；ρm为三相混合介质的平均密度，ρm＝ρgαg+ρlαl+ρsαs，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；θ为井筒倾斜角，°；
为三相介质的沿程摩阻压降，Pa/m；C为比热容，J/(kg.℃)；Q为流量，m3/s；T为温度，℃；h为对流换热系数，W/(m.℃)；H为井筒摩擦功率，W/m；
气体的运移速度：
Vg＝C0Vm+Vrg (6)
固相颗粒的运移速度：
Vs＝C0′Vm-Vt (7)
C0、C0′分别为气体和固相颗粒的速度分布系数，无因次；Vm为环空中流体的平均速度，m/s；Vrg为气体相对于钻井液的滑脱速度，m/s；Vt为颗粒的沉降速度，m/s；
(2)实时分析本发明装置传输到地面的电压值信号，绘制电压信号随时间的时域变化规律曲线，并使用上文提出的除噪手段剔除噪音信号；此后，将声波信号的幅度取时间的平均值，可以得到声波强度I；将时域信号图转换为频域信号图后，可以观察各个频率分量的幅度值Si；当井筒中有气体侵入时，主频率分量会发生ΔSi的偏移；
(3)当气体侵入井筒，并且气体运移到井下多级气侵监测装置的位置时，井下多级气侵监测装置所接收到的声波信号会发生变化；
(4)根据研究，井筒流体介质从无气状态到含气状态时，声波会发生明显的衰减；井筒中声波信号的强度I与截面含气率α呈现开口向下的抛物线关系，因此仅仅从某时刻的衰减值来进行判断是不能准确得到截面含气率α的，还需要借助主频率分量偏移量ΔSi来共同判断。根据多相流知识，井筒中气体的运移速度νg与截面含气率αg呈正相关的关系；根据多普勒效应，声波的主频率分量偏移量ΔSi与气体的运动速度νg呈现正相关关系；因此，截面含气率αg的增加会导致主频率分量偏移量ΔSi的增加；
由于井筒中的环境复杂，单个声波传感器参数的变化不能肯定说明气侵现象的存在，因此还需要多传感器结合进行判断。
(5)当声波强度I发生增大、增大又减小、减小三者之一的情况，并且主频率分量偏移量ΔSi不断增加，利用声波强度I可以计算对应的截面含气率αI，主频率分量偏移量ΔSi可以计算对应的截面含气率
声波强度I与截面含气率αI之间的关系为：
I测为实际情况下所监测得到的声波强度；I0为不含气的情况下，得到的原始声波强度；关联系数B1、B2、B3与声波监测的环境相关，可以通过实验等手段进行测定；
主频率分量偏移量ΔSi与截面含气率
之间的关系为：
A、D与声波监测的环境相关，可以通过实验等手段进行测定；
(因为误差和干扰的存在，αI与
的值不一定完全相等)，若
的值小于等于强频误差系数ε0，此时可以认为该传感器处疑似监测到了气侵现象；从小到大设置分别对气侵量Qg赋值，根据气液固三相流动模型，得到该井下多级气侵监测装置处的计算截面含气率αQ；优选的，气侵量Qg从0开始取值，可以以0.01m3/s为细分区间，不断增加(具体区间值根据实际需要进行选取)；每次取得一个值之后，代入步骤(1)中的气液固三相流动模型进行计算模拟，可以得到监测器位置处该取得气侵值相对应的含气率αQ，如果某一个气侵量取得值Q1所计算出来的计算截面含气率αQ满足|αQ-αI|≤εI以及
可以认为此时的疑似气侵量为Q1，εI、
分别为强度误差系数和频移误差系数，可以根据实际精度需要进行设定；当其它位置处的井下多级气侵监测装置也发生了气侵感应，并且采用相同的方法计算出对应得疑似气侵量Qn(n＝2,3…)，若满足|Qi-Qj|≤εQ，(i,j＝0,1,2…,且i≠j)时，可以认为井底气侵量
εQ为气侵量误差系数，根据实际精度需要进行设定；再依据任意两个井下多级气侵监测装置之间的位置距离ΔHi，以及对应的产生反应的时间Δti，可以利用气液固三相流动模型计算对应的气侵发生时刻t′，以及气体到达井口的时间t″；此时可以根据气体到达井口的时间t″采取合理的井控措施，避免危险工况的发生。
t′计算：
利用步骤(1)提出的三相流动模型，采用井底气侵量Q进行模拟计算，确定气泡从井底到达监测器位置处的时间t0，则发生气侵的时刻应为监测时刻tc减去气泡运移到监测器位置处的时间，即是：t′＝tc-t0；
t″计算：
同理，利用三相流动模型，采用井底气侵量Q同时进行模拟计算，确定气泡从井底到达井口处的时间tp，则t″＝tp+t′。
本发明的有益效果在于：
1.鉴于装置不安装在井筒环空环境中，因此基本能适应井筒中所有的复杂环境，本发明将声波监测装置置于套管外部，因此不仅能够适用于海洋华景，也可以适用于陆地钻井环境，使得该发明更具推广性。本装置的下入深度可以到达套管的下入深度，因此具有更深的下入深度，能够保证可以更快的进行气体侵入监测，大大提升了监测的及时性。
2.本发明是设置在套管外，因此所处的位置与环境稳定，外部温度压力场几乎不变，为非直接接触式测量，没有冲击、腐蚀等严苛工况，能够保持监测的稳定，相比而言监测效果也有很高的保障。
3.相较于传统的气侵监测方式，具有更加快速的特点，能够大大提升气侵监测的效率，大幅度减低井喷等风险。
4.本装置由于位置固定，且无复杂外部环境影响，可以使用电缆进行供电与信息传递，增强了装置的续航能力，同时也使得信号传输十分稳定和高效。利用电缆进行信息和电能的传输，相比于随钻气侵监测方法，在更好的维持装置续航工作的条件下，还能进一步增强信号传输的稳定性、准确性和及时性。
附图说明
图1为井下多级气侵监测装置主视示意图；
图2为井下多级气侵监测装置立体结构示意图；
图3为井下多级气侵监测装置侧视结构示意图；
图4为井下多级气侵监测装置与钻井结构示意图；
图5为井下多级气侵监测装置与套管、钻杆的相对位置示意图；
图6为井下多级气侵监测装置在套管上的位置示意图；
其中：100、井下多级气侵监测装置，101、弧形主体，102、声波发射器，103、声波接收器；
104、钻柱声波发射器，105、钻柱，106、套管；
50、地层，51、电缆线，52、地面设备，53、井眼，54、水泥；
200、井下多级气侵监测装置。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
一种井下多级气侵监测装置，如图1、图2、图3所示，包括弧形主体，弧形主体为弧形板，弧形主体外侧对称设有声波发射器和声波接收器，弧形主体置于钻井套管外侧，声波接收器通过电缆连接至地面设备。
本发明提供了一种可安装于石油钻井套管外壁的，可识别井筒中气体实时含量的监测装置。本发明中的声波发射装置可实现声波穿透套管壁、井筒流体形成的综合介质，在另外一端接收到声信号，通过对声信号的变化分析实现实时识别井筒中侵入气体的含量，即是截面含气率。
弧形主体的弯曲弧度大于180°。以便能够紧贴套管内壁，保证装置的监测效果。
声波发射器、声波接收器与弧形主体中心点的连线形成的夹角为装置角，装置角小于180°，大于等于90°。声波需穿过综合介质，为保障监测效果，故最小装置角度最小不能小于90°。如果装置角呈现180°，那么声波发射和接收器将会在套管上呈现直径相对布置状态，此时声波的传播距离达到最大，且钻杆对声传播的影响达到最大，将会导致接收到的声信号强度大幅衰减，信号质量也会出现下滑，对于气侵监测非常不利。
实施例2：
一种井下多级气侵监测装置，其结构如实施例1所述，所不同的是，在钻井套管外侧不同位置设置至少两个井下多级气侵监测装置。可利用两个监测器接收到的时间差值和信号特征进行气体运移的计算和气侵量的修正，进一步提升气侵监测的准确性。
实施例3：
一种利用实施例2所述井下多级气侵监测装置的油气钻井气侵识别方法，在一个开路钻井完成后，下放入套管，但是还未注入水泥进行固井之前，将井下多级气侵监测装置从套管与地层之间的环空中放入到一定深度，下放完毕进行固井作业，将装置直接固定入水泥环中；
此后，将钻柱声波发射器随下钻工艺下放入井下，当井下多级气侵监测装置接收到特定信号时，记录钻柱声波发射器的下放深度，则该深度即为井下多级气侵监测装置的下入深度；通过电缆线，地面设备可持续向井下多级气侵监测装置持续供电，维持监测器的稳定工作，且不受井筒内部环空的影响。井下多级气侵监测装置上的声波发射器持续向外发射声波，穿透套管-井筒钻井液体系-套管，最终被声波接收器接收；声波接收器收到的信号将会持续通过电缆传递给地面设备；
(a)未发生气侵时，声波接收器所接收到的信号正常，不会出现大幅度突变；
(b)发生气侵时，气体的出现将导致井筒钻井液体系发生改变，使得声强度大幅衰减、声频率偏移增大，声波接收器接收到的信号出现固定性质的突变，该信号传输到地面后，可以进行气侵发生与气侵量的判断；
地面根据接收到的信号，采取响应措施，确保钻井的安全。
如图5，在本发明中，声波发射器102会产生声波，通过套管106后，进入井筒环空53中传播，后再次通过套管106被声波接收器103接收，得到信号，通过装置上的电缆51将信号传输到地面。钻井过程中如果发生气侵现象，井筒环空中钻井液的流动会从液固两相流动转变为气液固三相流动。此时声波在井筒环空53中的传播情况发生了改变，根据声学与多相流的相关知识和实验，环空中气泡的出现将会导致声波强度的大幅度衰减，以及声波整体上的频率偏移加大，且声强度衰减与声频率偏移同所测环空的含气率呈现一定的相关性。因此，声波接收器所接收到的信号内包含了截面环空含气率等信息，通过一定的手段可以将信息从接收信号中提取出来，从而能够进行气侵的识别与量化。
对声波接收器收到的信号处理步骤如下：
(1)声波接收器接收到信号，该信号为电压信号；
(2)信号传输到地面；
(3)利用小波阈值法，进行信号的降噪，选择sym5小波基函数和8层的分解层数，进行小波分解；而后，根据有用信号与噪声信号之间的差异性，通过固定阈值原则选择合适的阈值，进而剔除噪声信号；最后，再将处理后的小波函数进行小波重构，得到可以用于气侵判断的信号。
如图3，在本发明中，井下多级气侵监测装置100上的声波发射器102与声波接收器103，被同时固定在弧形主体101上，且还连接有一直从地面上释放下来的电缆，同时通过电缆接收和发送地面信号。井下多级气侵监测装置100的外壳应当具有一定的强度，使其能够经受下放入套管—地层环空中时的与套管外壁、地层的摩擦和碰撞，保护内部电子器件等装置的正常功能。井下多级气侵监测装置在套管上的布置位置如图6所示。
图4展示了本发明的一个示例，所示为一个两开的正在钻入的陆地钻井情况。在套管106外壁布置的气侵监测装置200、100已经在固井时被水泥55密封在井下，但是有电缆线51与地面设备52相通，能实现信息传递与电能供应的功能。设置在钻柱105上的钻柱声波发射器104不断发射声信号并随下钻工艺不断下入井底。当钻柱声波发射器104的位置到达井下多级气侵监测装置的下入位置时，会使得井下多级气侵监测装置(100、200)接收到特定的声信号，通过该种手段可判断井下多级气侵监测装置(100、200)的下入深度，以便进一步确认下入深度的准确性，便于后期的气体识别，以便在后期的监测中能结合多相流知识对气侵和井筒流动情况进行更精确的判断。当地层50中气体因为种种原因侵入到井眼53中后，井筒环空中形成气液固三相流动。当气体到达井下多级气侵监测装置200的深度位置时，接收声信号会出现强度衰减、偏移频率增大的现象，并且衰减与频率的变化都同气体侵入含量呈现一定的相关性。因此，可以进行气体侵入量的判断，地面可根据情况采取相应的措施对气侵进行反应。当气体进一步运移到井下多级气侵监测装置100的位置时，可利用两个监测器接收到的时间差值和信号特征进行气体运移的计算和气侵量的修正，进一步提升气侵监测的准确性。
具体判断步骤包括如下：
(1)根据目标井的井身结构、钻井液性能、施工参数和地层参数，建立井筒气液固三相流动模型，该模型可以实现在给定井底气侵量Qg的条件下，计算井筒中各处位置不同时刻的截面含气率α；
气侵过程中，井筒气液固三相流动模型如下：
液相连续性方程：
气相连续性方程：
固相连续性方程：
气液固三相的综合动量守恒方程：
能量方程：
其中，l、g、s分别表示水、气与固体颗粒；a、b、co分别表示环空、井壁、钻柱外壁；z、r分别表示轴向坐标、径向坐标，m；ρ为密度，kg/m3；α为体积分数；V为速度，m/s；P为井筒环空中的压力，Pa；
为液柱压力降，Pa；ρm为三相混合介质的平均密度，ρm＝ρgαg+ρlαl+ρsαs，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；θ为井筒倾斜角，°；
为三相介质的沿程摩阻压降，Pa/m；C为比热容，J/(kg.℃)；Q为流量，m3/s；T为温度，℃；h为对流换热系数，W/(m.℃)；H为井筒摩擦功率，W/m；
气体的运移速度：
Vg＝C0Vm+Vrg (6)
固相颗粒的运移速度：
Vs＝C0′Vm-Vt (7)
C0、C0′分别为气体和固相颗粒的速度分布系数，无因次；Vm为环空中流体的平均速度，m/s；Vrg为气体相对于钻井液的滑脱速度，m/s；Vt为颗粒的沉降速度，m/s；
(2)实时分析本发明装置传输到地面的电压值信号，绘制电压信号随时间的时域变化规律曲线，并使用上文提出的除噪手段剔除噪音信号；此后，将声波信号的幅度取时间的平均值，可以得到声波强度I；将时域信号图转换为频域信号图后，可以观察各个频率分量的幅度值Si；当井筒中有气体侵入时，主频率分量会发生ΔSi的偏移；
(3)当气体侵入井筒，并且气体运移到井下多级气侵监测装置的位置时，井下多级气侵监测装置所接收到的声波信号会发生变化；
(4)根据研究，井筒流体介质从无气状态到含气状态时，声波会发生明显的衰减；井筒中声波信号的强度I与截面含气率α呈现开口向下的抛物线关系，因此仅仅从某时刻的衰减值来进行判断是不能准确得到截面含气率α的，还需要借助主频率分量偏移量ΔSi来共同判断。根据多相流知识，井筒中气体的运移速度νg与截面含气率αg呈正相关的关系；根据多普勒效应，声波的主频率分量偏移量ΔSi与气体的运动速度νg呈现正相关关系；因此，截面含气率αg的增加会导致主频率分量偏移量ΔSi的增加；
由于井筒中的环境复杂，单个声波传感器参数的变化不能肯定说明气侵现象的存在，因此还需要多传感器结合进行判断。
(5)当声波强度I发生增大、增大又减小、减小三者之一的情况，并且主频率分量偏移量ΔSi不断增加，利用声波强度I可以计算对应的截面含气率αI，主频率分量偏移量ΔSi可以计算对应的截面含气率
声波强度I与截面含气率αI之间的关系为：
I测为实际情况下所监测得到的声波强度；I0为不含气的情况下，得到的原始声波强度；关联系数B1、B2、B3与声波监测的环境相关，可以通过实验等手段进行测定；
主频率分量偏移量ΔSi与截面含气率
之间的关系为：
A、D与声波监测的环境相关，可以通过实验等手段进行测定；
(因为误差和干扰的存在，αI与
的值不一定完全相等)，若
的值小于等于强频误差系数ε0，此时可以认为该传感器处疑似监测到了气侵现象；从小到大设置分别对气侵量Qg赋值，根据气液固三相流动模型，得到该井下多级气侵监测装置处的计算截面含气率αQ；优选的，气侵量Qg从0开始取值，可以以0.01m3/s为细分区间，不断增加(具体区间值根据实际需要进行选取)；每次取得一个值之后，代入步骤(1)中的气液固三相流动模型进行计算模拟，可以得到监测器位置处该取得气侵值相对应的含气率αQ，如果某一个气侵量取得值Q1所计算出来的计算截面含气率αQ满足|αQ-αI|≤εI以及
可以认为此时的疑似气侵量为Q1，εI、
分别为强度误差系数和频移误差系数，可以根据实际精度需要进行设定；当其它位置处的井下多级气侵监测装置也发生了气侵感应，并且采用相同的方法计算出对应得疑似气侵量Qn(n＝2,3…)，若满足|Qi-Qj|≤εQ，(i,j＝0,1,2…,且i≠j)时，可以认为井底气侵量
εQ为气侵量误差系数，根据实际精度需要进行设定；再依据任意两个井下多级气侵监测装置之间的位置距离ΔHi，以及对应的产生反应的时间Δti，可以利用气液固三相流动模型计算对应的气侵发生时刻t′，以及气体到达井口的时间t″；此时可以根据气体到达井口的时间t″采取合理的井控措施，避免危险工况的发生。
t′计算：
利用步骤(1)提出的三相流动模型，采用井底气侵量Q进行模拟计算，确定气泡从井底到达监测器位置处的时间t0，则发生气侵的时刻应为监测时刻tc减去气泡运移到监测器位置处的时间，即是：t′＝tc-t0；
t″计算：
同理，利用三相流动模型，采用井底气侵量Q同时进行模拟计算，确定气泡从井底到达井口处的时间tp，则t″＝tp+t′。
Claims (9)
1.一种井下多级气侵监测装置，其特征在于，包括弧形主体，弧形主体为弧形板，弧形主体外侧对称设有声波发射器和声波接收器，弧形主体置于钻井套管外侧，声波接收器通过电缆连接至地面设备。
2.根据权利要求1所述的井下多级气侵监测装置，其特征在于，弧形主体的弯曲弧度大于180°。
3.根据权利要求1所述的井下多级气侵监测装置，其特征在于，声波发射器、声波接收器与弧形主体中心点的连线形成的夹角为装置角，装置角小于180°，大于等于90°。
4.根据权利要求1所述的井下多级气侵监测装置，其特征在于，在钻井套管外侧不同位置设置至少两个井下多级气侵监测装置。
5.一种利用权利要求1所述井下多级气侵监测装置的油气钻井气侵识别方法，其特征在于，包括步骤如下：在一个开路钻井完成后，下放入套管，但是还未注入水泥进行固井之前，将井下多级气侵监测装置从套管与地层之间的环空中放入到一定深度，下放完毕进行固井作业，将装置直接固定入水泥环中；
此后，将钻柱声波发射器随下钻工艺下放入井下，当井下多级气侵监测装置接收到特定信号时，记录钻柱声波发射器的下放深度，则该深度即为井下多级气侵监测装置的下入深度；通过电缆线，地面设备持续向井下多级气侵监测装置持续供电，井下多级气侵监测装置上的声波发射器持续向外发射声波，穿透套管-井筒钻井液体系-套管，最终被声波接收器接收；声波接收器收到的信号将会持续通过电缆传递给地面设备；
(a)未发生气侵时，声波接收器所接收到的信号正常，不会出现大幅度突变；
(b)发生气侵时，气体的出现将导致井筒钻井液体系发生改变，使得声强度大幅衰减、声频率偏移增大，声波接收器接收到的信号出现固定性质的突变，该信号传输到地面后，进行气侵发生与气侵量的判断；
地面根据接收到的信号，采取响应措施，确保钻井的安全。
6.根据权利要求5所述的井下多级气侵监测装置的油气钻井气侵识别方法，其特征在于，对声波接收器收到的信号进行处理，处理步骤如下：
(1)声波接收器接收到信号，该信号为电压信号；
(2)信号传输到地面；
(3)利用小波阈值法，进行信号的降噪，选择sym5小波基函数和8层的分解层数，进行小波分解；而后，根据有用信号与噪声信号之间的差异性，通过固定阈值原则选择合适的阈值，进而剔除噪声信号；最后，再将处理后的小波函数进行小波重构，得到可以用于气侵判断的信号。
7.根据权利要求5所述的井下多级气侵监测装置的油气钻井气侵识别方法，其特征在于，气侵发生与气侵量的具体判断步骤包括如下：
(1)根据目标井的井身结构、钻井液性能、施工参数和地层参数，建立井筒气液固三相流动模型，该模型可以实现在给定井底气侵量Qg的条件下，计算井筒中各处位置不同时刻的截面含气率α；
气侵过程中，井筒气液固三相流动模型如下：
液相连续性方程：
气相连续性方程：
固相连续性方程：
气液固三相的综合动量守恒方程：
能量方程：
其中，l、g、s分别表示水、气与固体颗粒；a、b、co分别表示环空、井壁、钻柱内壁、钻柱外壁；z、r分别表示轴向坐标、径向坐标，m；ρ为密度，kg/m3；α为体积分数；V为速度，m/s；P为井筒环空中的压力，Pa；
为液柱压力降，Pa；ρm为三相混合介质的平均密度，ρm＝ρgαg+ρlαl+ρsαs，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；θ为井筒倾斜角，°；
为三相介质的沿程摩阻压降，Pa/m；C为比热容，J/(kg.℃)；Q为流量，m3/s；T为温度，℃；h为对流换热系数，W/(m.℃)；H为井筒摩擦功率，W/m；
气体的运移速度：
Vg＝C0Vm+Vrg(6)
固相颗粒的运移速度：
Vs＝C0′Vm-Vt(7)
C0、C0′分别为气体和固相颗粒的速度分布系数，无因次；Vm为环空中流体的平均速度，m/s；Vrg为气体相对于钻井液的滑脱速度，m/s；Vt为颗粒的沉降速度，m/s；
(2)实时分析本发明装置传输到地面的电压值信号，绘制电压信号随时间的时域变化规律曲线，并使用除噪手段剔除噪音信号；此后，将声波信号的幅度取时间的平均值，可以得到声波强度I；将时域信号图转换为频域信号图后，观察各个频率分量的幅度值Si；当井筒中有气体侵入时，主频率分量会发生ΔSi的偏移；
(3)当气体侵入井筒，并且气体运移到井下多级气侵监测装置的位置时，井下多级气侵监测装置所接收到的声波信号会发生变化；
(4)根据研究，井筒流体介质从无气状态到含气状态时，声波会发生明显的衰减；井筒中声波信号的强度I与截面含气率α呈现开口向下的抛物线关系，根据多相流知识，井筒中气体的运移速度νg与截面含气率αg呈正相关的关系；根据多普勒效应，声波的主频率分量偏移量ΔSi与气体的运动速度νg呈现正比关系；因此，截面含气率αg的增加会导致主频率分量偏移量ΔSi的增加；
(5)当声波强度I发生增大、增大又减小、减小三者之一的情况，并且主频率分量偏移量ΔSi不断增加，利用声波强度I计算对应的截面含气率αI，主频率分量偏移量ΔSi计算对应的截面含气率
声波强度I与截面含气率αI之间的关系为：
I测为实际情况下所监测得到的声波强度；I0为不含气的情况下，得到的原始声波强度；关联系数B1、B2、B3与声波监测的环境相关，可以通过实验等手段进行测定；
主频率分量偏移量ΔSi与截面含气率
之间的关系为：
A、D与声波监测的环境相关，可以通过实验等手段进行测定；
若
的值小于等于强频误差系数ε0，此时认为该传感器处监测到了气侵现象；从小到大设置分别对气侵量Qg赋值，根据气液固三相流动模型，得到该井下多级气侵监测装置处的计算截面含气率αQ；每次取得一个气侵量赋值之后，代入步骤(1)中的气液固三相流动模型进行计算模拟，得到监测器位置处该取得气侵值相对应的含气率αQ，如果某一个气侵量取得值Q1所计算出来的计算截面含气率αQ满足|αQ-αI|≤εI以及
认为此时的疑似气侵量为Q1，εI、
分别为强度误差系数和频移误差系数，根据实际精度需要进行设定；当其它位置处的井下多级气侵监测装置也发生了气侵感应，并且采用相同的方法计算出对应得疑似气侵量Qn(n＝2,3…)，若满足|Qi-Qj|≤εQ，(i,j＝0,1,2…,且i≠j)时，认为井底气侵量
εQ为气侵量误差系数，根据实际精度需要进行设定；再依据任意两个井下多级气侵监测装置之间的位置距离ΔHi，以及对应的产生反应的时间Δti，利用气液固三相流动模型计算对应的气侵发生时刻t′，以及气体到达井口的时间t″；此时可以根据气体到达井口的时间t″采取合理的井控措施。
8.根据权利要求7所述的井下多级气侵监测装置的油气钻井气侵识别方法，其特征在于，步骤(5)中，气侵量Qg从0开始取值，以0.01m3/s为细分区间，不断增加。
9.根据权利要求7所述的井下多级气侵监测装置的油气钻井气侵识别方法，其特征在于，步骤(5)中，t′计算：
利用步骤(1)提出的三相流动模型，采用井底气侵量Q进行模拟计算，确定气泡从井底到达监测器位置处的时间t0，则发生气侵的时刻应为监测时刻tc减去气泡运移到监测器位置处的时间，即是：t′＝tc-t0；
t″计算：
同理，利用三相流动模型，采用井底气侵量Q同时进行模拟计算，确定气泡从井底到达井口处的时间tp，则t″＝tp+t′。
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| CN202211265888.2A CN115596430A (zh) | 2022-10-17 | 2022-10-17 | 一种井下多级气侵监测装置及油气钻井气侵识别方法 |
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- 2022-10-17 CN CN202211265888.2A patent/CN115596430A/zh active Pending
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