CN115628048A - 一种井下随钻气侵监测装置及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种井下随钻气侵监测装置及工作方法，属于钻井井下气侵测量技术领域。装置包括随钻短节、气体传感装置、处理器、脉冲传输系统和地面接收处理装置，其中，随钻短节内均布设置有若干个气体传感装置，气体传感装置均连接有处理器，处理器通过脉冲传输系统连接有地面接收处理装置。本发明将气敏材料良好的气体识别功能与硅橡胶渗透膜的稳定性功能结合起来，不仅能更好的适应井下复杂的工况环境，还能大幅度提升气侵监测的精度和准确性。
Description
技术领域
本发明涉及一种井下随钻气侵监测装置及工作方法，属于钻井井下气侵测量技术领域。
背景技术
气侵是指在油田钻井过程中，地层中的气体侵入到钻井井筒中，使得钻井液性质发生变化的现象。气侵的产生原因主要有三点：一是钻遇裂缝型或大溶洞型地层时，会出现气体突然大量涌入井筒以及钻井液流失的情况。二是钻进气层时，随着岩石的破碎，地层中的气体会侵入井筒。三是井下压力小于同深度的地层压力时，处于欠平衡钻井状态，地层中的气体由于压差，会通过泥饼以气体或溶解气的状态侵入井筒中。一旦发生气侵，就会导致钻井液的密度降低，容易发生溢流、井喷等事故。因此，对井下气侵进行及时的精确检测，从而采取措施，能有效避免事故的发生。
在气侵检测方面，国内通常采用的方法有钻井液池液面检测法(钻井液增量法)、流量差溢流检测法与声波气侵监测法。钻井液池液面检测法和流量差溢流检测法精度低、反应速度也较慢。声波法较前两种有较快的反应速度，但是也存在精度和技术上的缺陷。
使用传统方法检测气侵，指示结果太过粗糙且不可靠，同时也存在检测结果反应慢的问题，随着钻井深度提高、钻井工程难度的增加，传统方法很难满足井控的要求，对于花费巨大的深海钻井来说，溢流检测需要更可靠的检测结果才能满足更先进的井控技术。
近年来利用气敏传感器检测气体的技术愈发成熟，根据传感器检测原理分类有：半导体电阻式传感器、热导式传感器、热催化传感器、红外式传感器、电化学式传感器、光纤传感器以及气相色谱传感器等。不同的气体传感器有不同的优缺点和对应的特性，其中半导体电阻式传感器和催化燃烧式传感器能够承受很高的温度，适合于在井下高温的环境中进行气体检测。另一方面，作为气敏传感器核心的气敏材料也有多种类型，大体可分为四大类：半导体金属氧化物及复合材料、有机聚合物复合材料、超分子穴番-A和碳纳米管及其掺杂材料。半导体金属氧化物及复合材料发挥功能需要一定的启动温度，同时又具有很强的气体种类与浓度识别特性，是很好的井下气体检测材料。但是，液态水分子里含有的氢离子与羟基会破坏气敏材料表面的氧化还原物质，导致检测能力的下降，所需必须将传感器核心装置与井筒中的钻井液体系隔离开来。
现有的气-液膜分离技术可以很好的解决了这一问题。过去油田实践中常使用电动脱气器装置分离出钻井液中的气体成分，但电动脱气器装置庞大，耗能较高，难以适用于井下情况。近年来半透膜分离技术的诞生，让低成本的井下气液分离成为可能。半透膜分离技术同时还具有稳定性、隔水性、耐温耐压和抗冲击特性，有很大的应用优势。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种井下随钻气侵监测装置，将气敏材料良好的气体识别功能与硅橡胶渗透膜的稳定性功能结合起来，不仅能更好的适应井下复杂的工况环境，还能大幅度提升气侵监测的精度和准确性。
本发明还提供上述井下随钻气侵监测装置的工作方法。
本发明的技术方案如下：
一种井下随钻气侵监测装置，包括随钻短节、气体传感装置、处理器、脉冲传输系统和地面接收处理装置，其中，随钻短节内均布设置有若干个气体传感装置，气体传感装置均连接有处理器，处理器通过脉冲传输系统连接有地面接收处理装置。
优选的，气体传感装置包括气体检测腔室、气敏传感器、隔离盒和活性吸附固体，气体检测腔室内设置有气敏传感器、气体检测腔室底部设置有隔离盒，隔离盒内设置有活性吸附固体，隔离盒上设置有透气孔。
活性吸附固体由活性炭或其它的气体吸附剂组成，以吸收气体，防止待测气体在气体检测腔室中的浓度过高。但为了加强气体检测的效率，使用隔离盒降低活性吸附固体与气体的接触效率，以降低气体吸收能力，待分析气体仅能通过透气孔与气体剂吸附剂接触。
优选的，气体检测腔室包括侧壁，侧壁横截面为矩形或圆形，不做限定，侧壁包括由外到内依次设置的钢丝网、硅橡胶渗透膜、金属过滤器和穿孔垫板，侧壁顶部和底部设置有密封用气密性垫片，监测装置会遇到固体岩屑的冲击、泥浆的流动、高压间歇的压力峰值以及高粘度的液体等复杂井筒情况，将硅橡胶渗透膜的外部用钢丝网保护起来，不仅可以过滤泥浆中岩屑，还能防止破坏硅橡胶渗透膜，井筒环空介质中的气体被硅橡胶渗透膜捕获并进行过滤，隔离掉液相介质，同时允许气体通过金属过滤器扩散到气体检测腔室，金属过滤器和穿孔垫板既可以起到支撑作用，又能透过扩散气体，提高耐压性能。
优选的，隔离盒为30mm*10mm*5mm立方体结构，透气孔直径为3nm，隔离盒和透气孔尺寸根据结合随钻短节大小设计，硅橡胶渗透膜是基于渗透压进行分析气体的过滤，因此，被分析气体的分压不能高于它们在膜外流体中的分压。在本发明中，活性吸附固体能持续吸收渗透的待测气体，合理限制隔离盒和透气孔尺寸可以控制气体与活性吸附固体的接触面积和接触量，将待测气体分压始终维持在低于膜外的水平，保持持续吸收膜外分析气体。
优选的，硅橡胶渗透膜活性面积为20％，活性面积为硅橡胶渗透膜透过钢丝网与外界接触的面积，硅橡胶渗透膜厚度为300微米，在钻井监测中，硅橡胶渗透膜要承受非常恶劣的条件，如：固体岩屑的冲击、泥浆的流动、高压间歇的压力峰值以及高粘度的液体。同时，膜的厚度越厚，则其渗透性能越差，但是其抗压性能越好，综合考虑，设置硅橡胶渗透膜厚度为300微米。
优选的，气体传感装置的数量与待测气体种类数量相同，各气体传感装置内的气敏传感器种类和活性吸附固体种类对应待测气体种类。
优选的，随钻短节底部设置有温度压力传感器，温度压力传感器连接有处理器，装置所处的温压环境会影响到气体检测的规律，因此设置温度压力传感器能实时监测整个装置系统所处的温压场。
上述井下随钻气侵监测装置的工作方法，步骤如下：
(1)未发生气侵时，各个气体传感装置无响应信号产生，处理器只接收到温度压力场信号；
(2)发生气侵后，井筒环空中的气体伴随泥浆在压差作用下渗透进入气体传感装置，气体被硅橡胶渗透膜捕获并进行过滤，隔离掉液相介质，气体通过金属过滤器扩散到气体检测腔室；
(3)气敏传感器表面的气敏材料与气体发生反应，产生信号响应，处理器接收到温度压力场信号和气敏传感器信号，根据装置所在温压场的监测规律，识别、分析得到多种气体的种类与浓度，处理后的信息通过脉冲传输系统发送到地面接收处理装置，进行气侵识别。
气体的种类和该种类气体的浓度都会影响到传感器响应信号的变化，特定的气敏材料也会对该变化产生影响，如：有序介孔SnO2修饰的气敏材料对C1—C4的烷烃气体有较好的响应信号，但是对H2S气体反应微弱；WO3/SrAl2O4复合气敏材料对H2S的浓度测定具有高精度，但很难用于检测C1—C4的烷烃气体。因此多个气体传感装置分别响应不同信号，包含了不同气体种类与对应的浓度信息。
优选的，使用前，先在气体检测腔室内充填惰性气体，促进气敏材料发挥功能，这是因为，氧分子会物理吸附在气敏材料表面，物理吸附的氧分子从半导体气敏材料表面吸收活化能获得电子而形成了O2 -化学吸附态氧离子，O2 -是识别特定待测气体种类与浓度的关键因子，但是在井下高温和冲击碰撞频繁的环境中，氧气有燃烧消耗的风险，因此提前充填入难以发生氧化还原反应的惰性气体(如氮气)能很大程度上降低氧气含量，保证气敏材料反应的同时降低燃烧风险。
本发明的有益效果在于：
1、本发明本发明提供一种井下随钻气侵监测装置，能够适应井下高温高压、冲击、腐蚀等环境，将气敏材料良好的气体识别功能与硅橡胶渗透膜的稳定性功能结合起来，不仅能更好的适应井下复杂的工况环境，还能大幅度提升气侵监测的精度和准确性。
2、本发明的随钻短节底部设置有温度压力传感器，装置所处的温压环境会影响到气体检测的规律，因此设置温度压力传感器能实时监测整个装置系统所处的温压场。
3、本发明在使用前，先在气体检测腔室内充填惰性气体，促进气敏材料发挥功能，这是因为，氧分子会物理吸附在气敏材料表面，物理吸附的氧分子从半导体气敏材料表面吸收活化能获得电子而形成了O2 -化学吸附态氧离子，O2 -是识别特定待测气体种类与浓度的关键因子，但是在井下高温和冲击碰撞频繁的环境中，氧气有燃烧消耗的风险，因此提前充填入难以发生氧化还原反应的惰性气体(如氮气)能很大程度上降低氧气含量，保证气敏材料反应的同时降低燃烧风险。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的气体传感装置结构示意图；
图3为本发明的气体检测腔室侧壁组成结构示意图；
其中：101、传输电缆；102、处理器；103、脉冲传输系统；104、地面接收处理装置；105、温度压力传感器；
200、气体传感装置；201、钢丝网；202、硅橡胶渗透膜；203、金属过滤器；204、穿孔垫板；205、气体检测腔室；206、气敏传感器；207、隔离盒；208、透气孔；209、活性吸附固体；
50、随钻短节、；51、地面；52、井筒。
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：
如图1-3所示，本实施例提供一种井下随钻气侵监测装置，包括随钻短节50、气体传感装置200、处理器102、脉冲传输系统103和地面接收处理装置104，其中，随钻短节50内均布设置有若干个气体传感装置200，气体传感装置200均通过传输电缆101连接有处理器102，处理器102通过脉冲传输系统103连接有地面接收处理装置104。随钻短节为现有结构，侧壁带有通孔。处理器通过脉冲传输系统将信号传输至地面接收处理装置进行处理。
气体传感装置200包括气体检测腔室205、气敏传感器206、隔离盒207和活性吸附固体209，气体检测腔室205内设置有气敏传感器206、气体检测腔室205底部设置有隔离盒207，隔离盒207内设置有活性吸附固体209，隔离盒207上设置有透气孔208。
活性吸附固体由活性炭或其它的气体吸附剂组成，以吸收气体，防止待测气体在气体检测腔室中的浓度过高。但为了加强气体检测的效率，使用隔离盒降低活性吸附固体与气体的接触效率，以降低气体吸收能力，待分析气体仅能通过透气孔与气体剂吸附剂接触。
气体检测腔室205包括侧壁，侧壁横截面为矩形或圆形，不做限定，侧壁包括由外到内依次设置的钢丝网201、硅橡胶渗透膜202、金属过滤器203和穿孔垫板204，侧壁顶部和底部设置有密封用气密性垫片，监测装置会遇到固体岩屑的冲击、泥浆的流动、高压间歇的压力峰值以及高粘度的液体等复杂井筒情况，将硅橡胶渗透膜的外部用钢丝网保护起来，不仅可以过滤泥浆中岩屑，还能防止破坏硅橡胶渗透膜，井筒环空介质中的气体被硅橡胶渗透膜捕获并进行过滤，隔离掉液相介质，同时允许气体通过金属过滤器扩散到气体检测腔室，金属过滤器和穿孔垫板既可以起到支撑作用，又能透过扩散气体，提高耐压性能。
图3从左到右依次为钢丝网201、硅橡胶渗透膜202、金属过滤器203和穿孔垫板204部分截图，钢丝网201、硅橡胶渗透膜202、金属过滤器203和穿孔垫板204均为市购产品。
气体传感装置200的数量与待测气体种类数量相同，各气体传感装置内的气敏传感器种类和活性吸附固体种类对应待测气体种类。
随钻短节50底部设置有温度压力传感器105，温度压力传感器105连接有处理器102，装置所处的温压环境会影响到气体检测的规律，因此设置温度压力传感器能实时监测整个装置系统所处的温压场。
上述井下随钻气侵监测装置的工作方法，步骤如下：
(1)未发生气侵时，各个气体传感装置200无响应信号产生，处理器只接收到温度压力场信号；
(2)发生气侵后，井筒环空中的气体伴随泥浆在压差作用下渗透进入气体传感装置，气体被硅橡胶渗透膜捕获并进行过滤，隔离掉液相介质，气体通过金属过滤器扩散到气体检测腔室；
(3)气敏传感器表面的气敏材料与气体发生反应，产生信号响应，处理器接收到温度压力场信号和气敏传感器信号，根据装置所在温压场的监测规律，识别、分析得到多种气体的种类与浓度，处理后的信息通过脉冲传输系统发送到地面接收处理装置，进行气侵识别。
气体的种类和该种类气体的浓度都会影响到传感器响应信号的变化，特定的气敏材料也会对该变化产生影响，如：有序介孔SnO2修饰的气敏材料对C1—C4的烷烃气体有较好的响应信号，但是对H2S气体反应微弱；WO3/SrAl2O4复合气敏材料对H2S的浓度测定具有高精度，但很难用于检测C1—C4的烷烃气体。因此多个气体传感装置分别响应不同信号，包含了不同气体种类与对应的浓度信息。
装置使用前，先在气体检测腔室200内充填惰性气体，促进气敏材料发挥功能，这是因为，氧分子会物理吸附在气敏材料表面，物理吸附的氧分子从半导体气敏材料表面吸收活化能获得电子而形成了O2 -化学吸附态氧离子，O2 -是识别特定待测气体种类与浓度的关键因子，但是在井下高温和冲击碰撞频繁的环境中，氧气有燃烧消耗的风险，因此提前充填入难以发生氧化还原反应的惰性气体(如氮气)能很大程度上降低氧气含量，保证气敏材料反应的同时降低燃烧风险。
实施例2：
一种井下随钻气侵监测装置，结构如实施例1所述，不同之处在于，隔离盒207为30mm*10mm*5mm立方体结构，透气孔直径为3nm，隔离盒和透气孔尺寸根据结合随钻短节大小设计，硅橡胶渗透膜是基于渗透压进行分析气体的过滤，因此，被分析气体的分压不能高于它们在膜外流体中的分压。在本发明中，活性吸附固体能持续吸收渗透的待测气体，合理限制隔离盒和透气孔尺寸可以控制气体与活性吸附固体的接触面积和接触量，将待测气体分压始终维持在低于膜外的水平，保持持续吸收膜外分析气体。
实施例3：
一种井下随钻气侵监测装置，结构如实施例1所述，不同之处在于，硅橡胶渗透膜202活性面积为20％，活性面积为硅橡胶渗透膜透过钢丝网与外界接触的面积，硅橡胶渗透膜厚度为300微米，在钻井监测中，硅橡胶渗透膜要承受非常恶劣的条件，如：固体岩屑的冲击、泥浆的流动、高压间歇的压力峰值以及高粘度的液体。同时，膜的厚度越厚，则其渗透性能越差，但是其抗压性能越好，综合考虑，设置硅橡胶渗透膜厚度为300微米。
Claims (9)
1.一种井下随钻气侵监测装置，其特征在于，包括随钻短节、气体传感装置、处理器、脉冲传输系统和地面接收处理装置，其中，随钻短节内均布设置有若干个气体传感装置，气体传感装置均连接有处理器，处理器通过脉冲传输系统连接有地面接收处理装置。
2.如权利要求1所述的井下随钻气侵监测装置，其特征在于，气体传感装置包括气体检测腔室、气敏传感器、隔离盒和活性吸附固体，气体检测腔室内设置有气敏传感器、气体检测腔室底部设置有隔离盒，隔离盒内设置有活性吸附固体，隔离盒上设置有透气孔。
3.如权利要求2所述的井下随钻气侵监测装置，其特征在于，气体检测腔室包括侧壁，侧壁包括由外到内依次设置的钢丝网、硅橡胶渗透膜、金属过滤器和穿孔垫板，侧壁顶部和底部设置有密封用气密性垫片。
4.如权利要求2所述的井下随钻气侵监测装置，其特征在于，隔离盒为30mm*10mm*5mm立方体结构，透气孔直径为3nm。
5.如权利要求3所述的井下随钻气侵监测装置，其特征在于，硅橡胶渗透膜活性面积为20％，活性面积为硅橡胶渗透膜透过钢丝网与外界接触的面积，硅橡胶渗透膜厚度为300微米。
6.如权利要求1所述的井下随钻气侵监测装置，其特征在于，气体传感装置的数量与待测气体种类数量相同，各气体传感装置内的气敏传感器种类和活性吸附固体种类对应待测气体种类。
7.如权利要求3所述的井下随钻气侵监测装置，其特征在于，随钻短节底部设置有温度压力传感器，温度压力传感器连接有处理器。
8.一种如权利要求7所述的井下随钻气侵监测装置的工作方法，其特征在于，步骤如下：
(1)未发生气侵时，各个气体传感装置无响应信号产生，处理器只接收到温度压力场信号；
(2)发生气侵后，井筒环空中的气体伴随泥浆在压差作用下渗透进入气体传感装置，气体被硅橡胶渗透膜捕获并进行过滤，隔离掉液相介质，气体通过金属过滤器扩散到气体检测腔室；
(3)气敏传感器表面的气敏材料与气体发生反应，产生信号响应，处理器接收到温度压力场信号和气敏传感器信号，根据装置所在温压场的监测规律，识别、分析得到多种气体的种类与浓度，处理后的信息通过脉冲传输系统发送到地面接收处理装置，进行气侵识别。
9.如权利要求8所述的井下随钻气侵监测装置的工作方法，其特征在于，使用前，先在气体检测腔室内充填惰性气体。
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-
2022
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