CN202090910U - 井下防喷系统的压力监测与声波发生装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种井下防喷系统的压力监测与声波发生装置，属于油气田钻井过程中的压力监测与声波信号传输技术领域。本实用新型的井下防喷系统的压力监测与声波发生装置，包括上接头、壳体和下接头，上接头固定连接于壳体的上端，下接头固定连接于壳体的下端，壳体内设置有支架，所述支架的两端与壳体的内壁密封连接，在支架与壳体之间形成密封腔，在该密封腔内设置有压力监测装置和电池组，支架上设置有声波发生装置，所述压力监测装置连接到声波发生装置上，压力监测装置与声波发生装置均与电池组连通。本实用新型的压力监测与声波发生装置，压力检测速度快，信号传播速度快，信号干扰几率小，结构简单，操作方便，可靠性高，成本低廉。

Description

井下防喷系统的压力监测与声波发生装置

技术领域

本实用新型涉及一种在油气田钻井过程中发生井涌、井喷时的压力监测与声波信号发生技术。

背景技术

在石油勘探和油田开发的各项任务中，钻井起着十分重要的作用，诸如寻找和证实含油气构造，获得工业油流，探明已证实的含油气构造的含油气面积和储量，取得有关油田的地质资料和开发数据，最后将原油从地下取到地面上来等等，无一不是通过钻井来完成的，钻井是勘探与开采石油及天然气资源的一个重要环节，是勘探和开发石油的重要手段。

在钻井过程中，当钻遇油气层时，如果井底压力低于地层压力，地层流体就会进入井眼，大量地层流体进入井眼后，就有可能产生井涌，井喷，甚至着火等，酿成重大事故。因此，在钻井过程中，采取有效措施进行油气井压力控制是钻井安全的一个极其重要的环节。但是，由于高压油气层的压力很难准确预测，尤其是在新的区块打探井时更是如此，因此钻井过程中地层高压油气进入井眼的事情时有发生。以下三种情况下皆有可能发生井涌井喷事故：钻进过程中、起下钻杆过程、空井状态。空井状态发生井喷几率很低，起下钻过程若能控制好起下钻速度，防止过大的抽吸力，是可以有效减少井涌井喷事故发生几率的，而钻进过程中因无法准确预测高压油气层压力，发生井涌井喷的概率最大。

当发现井涌、井喷征兆时，快速高效的进行关井和压井作业是有效减少井喷事故的重要保证。然而传统的通过井口观测溢流来对井涌进行判断存在准确度不好把握、且判断严重滞后等缺点，即当地面发现溢流时候，已经有大量的地层液体侵入井内，而导致后续的压井作业困难。而采用PWD系统（Pressure While Drilling压力随钻监测系统）可以实时监测环空压力，并能将压力信号上传给地面，但是该系统价格昂贵，要实现普及推广比较困难，而且是采用的泥浆脉冲方式进行数据传输，信号传输速度慢，容易产生错码，也存在一定程度的信号传输延迟，尤其当地层高压流体（尤其是气体）已经开始侵入井内之后会影响这个信号的传输通道，导致误码率升高甚至无法进行信号传输。因此很有必要研发一种随钻柱下入井内，对井内环空压力进行实时监测，当发现环空压力变化时能对其进行判断，若判断为地层高压流体侵入，即可能发生井涌井喷征兆时，在最短的时间内将井涌井喷信号以声波的形式通过钻杆传递到地面，这样地面人员就能在第一时间内对井涌、井喷做出反应。

实用新型内容

本实用新型的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种压力检测速度快，信号传播速度快，信号干扰几率小，结构简单，操作方便，可靠性高，成本低廉的井下防喷系统的压力监测与声波发生装置，通过该装置，能够随钻柱下入井内，且能对井内环空压力进行实时监测，当发现环空压力变化时能对其进行判断，当判断可能发生井涌井喷征兆时，能够迅速地将井涌井喷信号以声波的形式通过钻杆传递到地面，保证地面工作人员能及时对井涌、井喷做出反应。

本实用新型采用的技术方案如下：

本实用新型的井下防喷系统的压力监测与声波发生装置，包括上接头、壳体和下接头，所述上接头固定连接于壳体的上端，下接头固定连接于壳体的下端，所述壳体内设置有支架，所述支架的两端与壳体的内壁密封连接，且在支架与壳体之间形成密封腔，在该密封腔内设置有压力监测装置和电池组，所述支架上设置有声波发生装置，所述压力监测装置连接到声波发生装置上，所述压力监测装置与声波发生装置均与电池组连通。

由于采用了上述结构，在井下的装置必须要承受高压，但是压力监测装置与电池组不能够承受住如此大的压力，因此需要将压力监测装置与电池组置于密闭的空间内，本实用新型将支架的上下两端分别与壳体的内壁密封连接，使得支架与壳体之间形成一个密闭的空腔，且将压力监测装置与电池组置于该空腔内，避免外界高压流体的侵入，使其能够承受住井下的高压，而正常的工作，所述压力监测装置与声波发生装置均与电池组连通，电池组为压力监测装置与声波发生装置提供电源，供其正常运行，在支架上设置有声波发生装置，该声波发生装置与压力监测装置连接，使得压力检测装置检测到异常压力值时，通过控制声波发生装置发出声波信号，从而便于地面上的工作人员接受该声波信号，进行防喷处理。本实用新型的井下防喷系统的压力监测与声波发生装置，压力检测速度快，由于采用声波传输，其信号传播速度快，且信号在井内所受干扰几率小，且该装置的结构简单，操作方便，可靠性高，成本低廉。

本实用新型的井下防喷系统的压力监测与声波发生装置，所述压力监测装置包括压力传感器和控制芯片，所述压力传感器安装于壳体的下部，且连接到控制芯片上，所述控制芯片与声波发生装置连接，所述压力传感器和控制芯片均与电池组连通。

由于采用了上述结构，压力传感器用于检测和监控井下的压力值，可以安装多个压力传感器，便于多点检测井下压力值，使得所检测到压力值数据更加的充分，更利于控制芯片的分析，传感器连接到控制芯片上，该控制芯片能够对传感器所接收的压力值数据进行分析比对，从而便于精确地判断是否为异常的压力值，且反应速度快。当控制芯片判断出会发生险情时，能够迅速地控制与之相连接的声波发生装置，发出声波信号，便于地面上的工作人员根据险情作出相应的防喷处理，所述电池组能够向压力传感器和控制芯片供电，保证其正常的运转。

本实用新型的井下防喷系统的压力监测与声波发生装置，所述控制芯片，将压力传感器所感应的压力值进行判断，若该压力值为异常值，则控制声波发生装置发出声波信号；否则，不作处理。

由于采用了上述结构，该控制芯片能够对井下的压力值进行判断，当发生井喷或者井涌的倾向时，能够即时通过声波发生装置发出声波信号，通过声波能够将井下的险情迅速地传输到地面上，声波在钻柱内传播，其速度很快，且所受干扰较小，使得能够在较短的时间内将信号传输的到地面上，且该装置通过单向的信号传输进行报警，所述的监测时间极短，当发现险情时能够即时的发出信号报警，使得地面的工作人员有足够的时间采取措施，预防井喷或者井涌，避免险情的发生，保证了钻井的安全。

本实用新型的井下防喷系统的压力监测与声波发生装置，所述声波发生装置为设置于支架内的雷管，所述支架的上部设置有多个孔，所述雷管设置于孔内，每个孔的下方设置有两个针脚孔，每个针脚孔内均设置有针脚，且针脚孔采用陶瓷烧结密封，雷管的引线通过针脚连接到控制芯片上。

由于采用了上述结构，本实用新型采用雷管爆炸来发出声波信号，由于雷管的爆炸存在非常大的危险，需要严格地控制雷管的安装位置，雷管的火药份量，以及雷管周围的密封性能，雷管的引燃等，因此本实用新型中，将雷管设置于支架上的孔内，由于该孔为多个，因此可以在支架上设置多个雷管，且在每个孔的下方设置有针脚孔，雷管的引线通过针脚连接到控制芯片上，便于控制芯片控制雷管的爆炸，控制芯片与电池组等不能承受高压，需要在密闭的空间内，因此将针脚孔采用陶瓷烧结密封，使得既能够对密闭空腔进行有效的密封又能将雷管的引线连接到控制芯片上。本实用新型突破了本技术领域人员的思想局限，将雷管爆炸产生声波信号，巧妙地运用到了井下防喷系统的信号传输上，具有开创性的意义，对于井下信号传输领域具有指导作用。本实用新型的井下防喷系统的压力监测与声波发生装置，通过雷管爆炸产生声波信号，信号的产生时间短，单向传输信号，能够即时地将井下的险情传输到地面上，便于工作人员采取措施进行处理。

本实用新型的井下防喷系统的压力监测与声波发生装置，所述雷管的上端设置有密封树脂，并通过密封树脂密封。

由于采用了上述结构，雷管被安放在一个相对密闭的空间，不会受到外界高压的影响，同时树脂密封又是一种软密封，在雷管爆炸时，树脂会破碎掉，从而将雷管爆炸时产生的高压气流释放出去，避免了因为爆炸而使整个装置产生结构性损伤。

本实用新型的井下防喷系统的压力监测与声波发生装置，所述支架的上端设置有筛盘，所述筛盘与支架固定连接，且所述筛盘的上端被弹性挡圈限制。

由于采用了上述结构，筛盘可以阻止雷管爆炸后产生的大直径碎片进入到钻杆内部而避免堵塞钻头水眼，同时它也为雷管爆炸后提供一个释放能量的通道。为了防止雷管爆炸后导致筛盘螺纹松动，采用弹性挡圈卡于上接头的内壁上，将筛盘限制住，避免筛盘松动。

本实用新型的井下防喷系统的压力监测与声波发生装置，所述支架的下端卡在壳体下部的环形槽内，所述支架的上端被弹簧挡圈卡住。

由于采用了上述结构，使得支架与壳体之间的连接牢固，且形成的密封空腔能够有效地避免外界的高压流体侵入，而弹性挡圈是防止支架松动的二次保险，能保证其寿命长久。

本实用新型的井下防喷系统的压力监测与声波发生装置，所述支架在密封腔内设置有上环形安装槽和下环形安装槽，所述电池组安装于上环形安装槽内，所述控制芯片安装于下环形安装槽内，所述电池组和控制芯片同支架之间通过减震弹簧连接。

由于采用了上述结构，在钻进的过程中，钻杆会受到震动，而在雷管爆炸时，也会产生强烈的震动，因此在电池组和控制芯片与支架之间通过减震弹簧连接，使其具有缓冲减震的功能，能够有效的减缓因钻柱震动以及雷管爆炸时产生的强烈震动，从而保证电池组和控制芯片的使用寿命。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1.    本实用新型的井下防喷系统的压力监测与声波发生装置，较传统的通过监测井口返出液面判断井底井涌溢流更快更准确；较PWD系统监测环空压力更廉价，且信号的传播更稳定、更快捷；

2.    本实用新型的井下防喷系统的压力监测与声波发生装置，整套系统结构简单，操作方便，采用的是单向通信，信号的发送与接收均为单一部件，而且信号简单，被其他信号干扰的几率降低，可靠性高；

3.    本实用新型的井下防喷系统的压力监测与声波发生装置，突破了本技术领域人员的思想局限，将雷管爆炸产生声波信号，巧妙地运用到了井下防喷系统的信号传输上，具有开创性的意义，对于井下信号传输领域具有指导作用。

附图说明

本实用新型将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本实用新型的井下防喷系统的压力监测与声波发生装置的结构示意图；

图2是图1中的A-A剖视图；

图3是图1中的B-B剖视图；

图4是图1中的筛盘的结构示意图。

图中标记：1-上接头、2a-第一弹性挡圈、2b-第二弹性挡圈、3-筛盘、4-密封树脂、5-雷管、6-支架、7-壳体、8-电池组、9-减震弹簧、10-控制芯片、11-压力传感器、12-密封圈、13-下接头。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1至图4所示，本实用新型的井下防喷系统的压力监测与声波发生装置，包括上接头1、壳体7和下接头13，所述上接头1固定连接于壳体7的上端，下接头13固定连接于壳体7的下端，所述上接头1与壳体7之间，所述下接头13与壳体之间均通过API钻杆接头螺纹方式固定连接，当然也可以才用其它方式，例如螺纹与固定销的方式连接，所述壳体7内设置有支架6，所述支架6的下端卡在壳体7下部的环形槽内，所述支架6的上端被弹簧挡圈卡住，并用密封件密封，使得支架6的两端与壳体7的内壁密封连接，在支架6上方的壳体7内壁上卡接有第一弹性挡圈2a，所述支架6的上端被第一弹性挡圈2a限制住，且在支架6与壳体7之间形成密封腔，在该密封腔内设置有压力监测装置和电池组8，该密封腔是为了保护压力监测装置和电池组8，避免其受到井下的高压环境的影响，且能保证其正常的运行，能够有效地避免外界高压流体的侵入。在所述支架6上设置有声波发生装置，所述声波发生装置为设置于支架6内的雷管5，所述支架6的上部设置有多个孔，可以根据实际需要而设定，多个孔均布于支架6上部，本例采用12个孔，且该孔为圆形孔，可以根据实际的需要任意选择孔的形状，所述雷管5为12个，且设置于该圆形孔内，在每个圆形孔的下部均设置有两个针脚孔，因此共计24个针脚孔，该针脚孔主要用于连接雷管的引线，每个针脚孔内均设置有针脚，且针脚孔采用陶瓷烧结密封，雷管5的引线通过针脚连接到控制芯片10上，所述压力监测装置包括控制芯片10和至少一个压力传感器11，所述压力传感器11安装于壳体7的下部，且连接到控制芯片10上，所述控制芯片10与雷管5连接，所述支架6在密封腔内设置有上环形安装槽和下环形安装槽，所述电池组8安装于上环形安装槽内，所述控制芯片10安装于下环形安装槽内，所述电池组8和控制芯片10同支架6之间通过减震弹簧9连接，所述雷管5、压力传感器11和控制芯片10均与电池组8连通，为该压力检测与信号发送提供电源。在所述雷管5的上端设置有密封树脂4，并通过密封树脂4与支架6进行密封，当雷管5爆炸时，密封树脂4能够被冲开，所述支架6的上端，即密封树脂4的上方设置有筛盘3，所述筛盘3与支架6固定连接，且所述筛盘3的上端被第二弹性挡圈2b限制，避免筛盘3松动，所述控制芯片10，将压力传感器11所感应的压力值进行判断，若该压力值为异常值，则控制声波发生装置发出声波信号；否则，不作处理。本实用新型的井下防喷系统的压力监测与声波发生装置，较传统的通过观看井口返出液面判断井底井涌溢流更快更准确；较PWD系统监测环空压力更廉价，且信号的传播更稳定、更快捷；整套系统结构简单，操作方便，采用的是单向通信，信号的发送与接收均为单一部件，而且信号简单，被其他信号干扰的几率降低，可靠性高；雷管爆炸时，会产生强烈的震动，且为了保证雷管爆炸时，仅仅产生所需的声波，而不导致装置结构性的损伤，且同时为了避免雷管的爆炸影响到控制芯片、电池组等，又为了避免雷管与钻井液接触而失效，因此在雷管的上端设置有密封树脂，并通过密封树脂密封，保证了雷管的密闭性能，不受钻井液的影响，当雷管爆炸时，能够将密封树脂冲开，而不会影响到密闭空间内的控制芯片和电池组，从而保证了使用的安全，因此本实用新型的压力监测与声波发生装置，突破了本技术领域人员的思想局限，将雷管爆炸产生声波信号，巧妙地运用到了井下防喷系统的信号传输上，具有开创性的意义，对于井下信号传输领域具有指导作用。

本实用新型的压力监测与声波发生装置的操作方法，压力监测与声波发生装置在常压时候不做任何的反应，只有当连接到钻柱上时候才接通检测系统，进行压力的实时检测，并与内在的压力检测程序进行匹配；

压力监测与声波发生装置装到钻柱上，且随钻下井，当压力传感器11检测到井下压力值变化时，将该压力值发送至控制芯片10，控制芯片10将该压力值与设定程序进行对比分析：    

1）压力监测与声波发生装置，在随钻柱一起下钻的过程中检测到的压力值变化，若该压力值的增长速率与下钻的速度及泥浆的比重存在几何关系，则控制芯片10不作处理；反之，则进行步骤5)的操作；

2）在钻进过程中，若压力传感器11所检测的压力值是逐渐增大的，且其增大的速率与机械钻速成线性关系，则控制芯片10不作处理；反之，则进行步骤5)的操作；

3)在钻进过程中，当需要进行划眼操作时候，压力传感器11所检测的压力值为时而逐渐增大，时而逐渐减小，则控制芯片10不作处理；反之，则进行步骤5)的操作；

4)当遇到井漏时候，压力传感器11所检测的压力值是逐渐减小的，则控制芯片10不作处理；反之，则进行步骤5)的操作；

5) 若检测到的压力值变化均不属于上述的情况，或者遇到井喷时，压力传感器11所检测的压力值是逐渐增大的，且其压力值增大的幅度和速率同上述情况的压力值变化不一致，则控制芯片10控制任一雷管5爆炸发出声波信号，间隔一定时间再次控制一雷管5爆炸发出声波信号。通过对两次或者三次的雷管爆炸之间的间隙进行有效地控制，可以控制该时间在很小的范围内，如0.01秒或者更短的时间范围内，能够有效地防止被周围环境的干扰信号的影响，保证该信号的正确无误的接受，为后续的防喷操作提供宝贵的时间。

本实用新型的压力监测与声波发生装置的操作方法，无需人工操作即能够实现对井下压力值的判断，并自动发出声波信号，智能化程度高，可靠性高。

本实用新型并不局限于前述的具体实施方式。本实用新型扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1.井下防喷系统的压力监测与声波发生装置，其特征在于：它包括上接头（1）、壳体（7）和下接头（13），所述上接头（1）固定连接于壳体（7）的上端，下接头（13）固定连接于壳体（7）的下端，所述壳体（7）内设置有支架（6），所述支架（6）的两端与壳体（7）的内壁密封连接，且在支架（6）与壳体（7）之间形成密封腔，在该密封腔内设置有压力监测装置和电池组（8），所述支架（6）上设置有声波发生装置，所述压力监测装置连接到声波发生装置上，所述压力监测装置与声波发生装置均与电池组（8）连通。

2.如权利要求1所述的井下防喷系统的压力监测与声波发生装置，其特征在于：所述压力监测装置包括控制芯片（10）和至少一个压力传感器（11），所述压力传感器（11）安装于壳体（7）的下部，且连接到控制芯片（10）上，所述控制芯片（10）与声波发生装置连接，所述压力传感器（11）和控制芯片（10）均与电池组（8）连通。

3.如权利要求2所述的井下防喷系统的压力监测与声波发生装置，其特征在于：所述控制芯片（10），将压力传感器（11）所感应的压力值进行判断，若该压力值为异常值，则控制声波发生装置发出声波信号；否则，不作处理。

4.如权利要求1或2或3所述的井下防喷系统的压力监测与声波发生装置，其特征在于：所述声波发生装置为设置于支架（6）内的雷管（5），所述支架（6）的上部设置有多个孔，所述雷管（5）设置于孔内 ，每个孔的下方设置有两个针脚孔，每个针脚孔内均设置有针脚，且针脚孔采用陶瓷烧结密封，雷管（5）的引线通过针脚连接到控制芯片（10）上。

5.如权利要求4所述的井下防喷系统的压力监测与声波发生装置，其特征在于：所述雷管（5）的上端设置有密封树脂（4），并通过密封树脂（4）密封。

6.如权利要求5所述的井下防喷系统的压力监测与声波发生装置，其特征在于：所述支架（6）的上端设置有筛盘（3），所述筛盘（3）与支架（6）固定连接，且所述筛盘（3）的上端被弹性挡圈限制。

7.如权利要求1或2或3或5或6所述的井下防喷系统的压力监测与声波发生装置，其特征在于：所述支架（6）的下端卡在壳体（7）下部的环形槽内，所述支架（6）的上端被弹簧挡圈卡住。

8.如权利要求2或3或5或6所述的井下防喷系统的压力监测与声波发生装置，其特征在于：所述支架（6）在密封腔内设置有上环形安装槽和下环形安装槽，所述电池组（8）安装于上环形安装槽内，所述控制芯片（10）安装于下环形安装槽内，所述电池组（8）和控制芯片（10）同支架（6）之间通过减震弹簧（9）连接。

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