CN212985189U - 一种气体钻地层出水预监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及气体钻井监测设备领域，具体为一种气体钻地层出水预监测装置。包括腔体，腔体一端为排砂管接口，另一端为出风口，腔体壁部开设若干采集孔，所述采集孔连接一段设有外螺纹的螺纹管，各采集孔用于连接各种传感器、采集阀等监测、采集设备，可广泛应用于石油天然气勘探过程中的气体钻井施工期间，是在气体钻井中安装在近井口排砂管线上实现气体降尘、温湿度监测的重要装置。同时，该装置的拓展设计也适用于气体燃爆监测、气体采集、排砂管线接砂等多种复合性功能。

Description

一种气体钻地层出水预监测装置

技术领域

本实用新型涉及气体钻井监测设备领域，具体为一种气体钻地层出水预监测装置。

背景技术

在油气勘探施工中，气体钻井是以气体（空气或氮气）为循环介质，用气体压缩机等设备作为增压装置，用旋转防喷器作为井口控制设备的一种欠平衡钻井工艺。要使用气体钻井，就要将大型气体压缩机运到井场，同常规泥浆钻一样顺钻具向下循环气体出钻头沿环空上返。由于没有必要重复循环旧气体，所以气体和携带的岩屑就通过排砂管线吹出（排砂管线就是连接到排砂池处的几根管子）。仅用气体钻完成整个井眼的钻进通常是不可行的，一般情况下仅有井眼的一部分使用气体钻，而在必要的时候，井队会配泥浆转成泥浆钻（钻井液）。然而，在可能的时候，用气体钻的确会生成快钻速。

在气体钻钻井中，发现下列情况之一（或一种以上情况），必须立即将气体钻井改为常规钻井（钻井液钻井）：

（1）钻至既定的深度。综合录井通过深度传感器实时监控；

（2）地层出水量每小时大于5立方米（地面表现为见液滴）。综合录井方面表现为一级过滤器（如采用固相滤网过滤）、二级过滤器内有水滴，接砂口粉末岩屑潮湿有水分或潮湿感（捞砂人员要及时发现）；

（3）返出气体中全烃含量连续超过3－4％。综合录井气体检测 仪全烃含量达到3－4％后不再下降；

（4）返出流体中含硫化氢。综合录井在同一气路上安装两个硫化氢传感器，充分保障硫化氢气体的检测。在气体检测中硫化氢安全极限浓度为每立方米30毫克、爆炸浓度为4.3－46％（每立方米65.27到698.21克）气体中天然气爆炸极限浓度为5-15(纯甲烷时：每立方米35.71-107.14克), 二氧化硫安全极限浓度为每立方米5.4毫克。

（5）扭拒、摩阻突然增大或起下钻困难影响钻井安全。综合录井通过扭拒传感器、悬重传感器实时监控，扭拒高低门限报警控制在50千牛.米内，悬重变换高低门限报警控制在50千牛以内，气体钻中排除了泥浆浮力的影响

（6）井斜大于设计要求且纠斜效果差；

（7）井下连续发生两次燃爆。发生第一次燃爆后立即停止注气、停止钻进，将钻具提离井底，井下自动灭火。停气半小时后（等待井下温度下降），可继续使用气体钻井，若再发生燃爆，则再停气提离钻具灭火，立即转化为钻井液钻井。发生燃爆时在综合录井气测监控方面表现为甲烷浓度下降、二氧化碳浓度上升。

在上述所列七项原则中，除地层出水外其它都可以借助传感器进行准确检测。地层出水之所以难以实现监测，主要的就是依靠人为观察已为时已晚，而联机监测因为受岩屑粉尘的影响无法实现监测的连续性。所以，必须发明设计一种能够实现地层出水实时联机预监测装置。

有时，钻井承包商可能用循环气体代替泥浆钻；还有，地层条件决定了确实不需要泥浆钻。这种地层必须没有钻遇高压层的风险并且不含水。如地层含水量大，则就会和气体钻中生成的非常细的粉尘状的岩屑混合呈泥环而不能返出井眼，从而不能继续钻进甚至钻具会卡在井内，所以，地层出水早期监测是保障气体钻井施工的重要条件。长期以来，气体钻中的地层出水监测完全是靠人为在地面观察的，即通过排砂管线排砂口排出的岩屑粉尘潮湿感而判断的。一般情况下，在排砂口处观察岩屑潮湿感而判断地层出水是不科学的。首先，不同人对于潮湿感有不同程度的感知，没有定量化判断依据；其次，排砂口是用于接岩屑粉尘的，为了捞取岩屑，接砂装置需要根据采集岩屑粉尘的阶段性要求而封闭，而在封闭的条件下就无法观察判断岩屑粉尘的潮湿感，而当打开接砂口时可能早已经发生了地层出水；再者，判断岩屑粉尘的潮湿感需要肉眼观察和手感触觉，在这种条件下无法满足微弱光线下的观察和判断。其缺点可归纳为以下几个方面：

⑴ 气体钻地层出水监测受人为因素的影响，存在地层出水观察间断性；

⑵ 气体钻地层出水监测人为观察和判断，无法对地层出水量做出定量判断；

⑶ 气体钻地层出水监测的感观观察和判断，存在不可避免的人为误差；

⑷ 人为观察和判断无法在地层出水早期进行监测，耽搁了地层出水时效性观察和判断；

⑸ 受作业空间环境的影响大，受季节天气的影响大；

⑹ 已经进入岩屑粉尘封装袋的水汽受岩屑粉尘包容性影响，使操作者无法准确判断和观察是否有潮湿感；

⑺ 岩屑粉尘出现潮湿感后，除相关作业人员外，无法将出水信息及时发布，存在早期预防的滞后性。

所以，上述问题必须依靠气体钻地层出水预监测装置解决，以实现早期实时联机预监测。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术中存在的问题，提供一种气体钻地层出水预监测装置。

其技术方案如下：

一种气体钻地层出水预监测装置，包括腔体，腔体一端为排砂管接口，另一端为出风口，腔体壁部开设若干采集孔，所述采集孔连接一段设有外螺纹的螺纹管。

进一步的，还包括温湿度传感器、温湿箱、弯头，所述采集孔包括采集孔A；所述温湿度传感器装设于温湿箱内；所述弯头下端伸入采集孔A内，弯曲方向朝向出风口，上端与温湿箱连通，上端螺纹套设有螺丝，螺丝与采集孔A限位配合。

更进一步的，所述采集孔包括采集孔B，所述采集孔B靠近出风口的一侧立设有岩屑挡板，采集孔B螺纹连接采砂阀。所述腔体下方设有支撑部。所述腔体与排砂管接口连通有一段喇叭口，所述喇叭口大头与腔体连通，小头与排砂管接口连通。所述喇叭口上设有调温口、调湿口。还包括采集孔C、D、E，所述采集孔C、D、E分别螺纹连接气体采集阀、燃爆采集阀、备用阀口。还包括采集孔F、转轮、螺帽，所述采集孔F靠近喇叭口，位于其他采集孔上游，螺帽与采集孔螺纹连接，转轴连接于螺帽下方，转轮套设于转轴，转轮两端设有轴向限位，转轮穿过采集孔F伸入腔体内部。

本实用新型的有益效果是：

⑴ 气体钻地层出水预监测装置不受人为因素的影响，不存在地层出水观察判断的间断性；

⑵ 气体钻地层出水预监测装置消除了人为观察和判断，可对地层出水量做出定量判断；

⑶ 气体钻地层出水预监测装置不需要人为感观观察和判断，不存在人为误差；

⑷ 气体钻地层出水预监测装置可在地层出水早期进行实时联机监测，确保了地层出水预知时效性；

⑸ 气体钻地层出水预监测装置不受作业空间环境影响，也不受季节天气的影响，可全天候运行；

⑹ 气体钻地层出水预监测装置不受人为观察和判断中受岩屑粉尘包容性的影响，使操作者可通过实时联机系统准确获得信息；

⑺ 气体钻地层出水预监测装置可将早期地层出水信息及时发布，不存在人为滞后性，有助于气体钻施工的安全和高效。

附图说明

图1是本实用新型结构示意图；

图2是温湿度箱组件结构示意图；

图3是转轮组件结构示意图；

图4是转轴组件结构示意图；

图5是弯头下端端口出楔块和楔口结构示意图；

图6是支撑结构示意图；

图中1支撑，2腔体，3喇叭口，4排砂管接口，5采集孔F，6采集孔A，7采集孔C，8采集孔D，9出风口，10调温口，11封堵，12调湿口，13外螺纹管，14转轮，15螺帽，16螺栓，17温湿箱组，18温湿箱，19温湿度传感器，20引线，21弯头，22锲块，23球阀，24气体采集阀，25燃爆采集阀，26备用阀口，27岩屑挡板，28采砂阀，29采砂口，30系环，31备用采砂阀，32球阀开关，33排砂管线，34半圆腔，35侧缘，36安装座，37温湿箱紧固螺丝，38背帽螺丝，39滤尘网，40居中锲口，41底锲口，42内丝腔，43台阶头，44切面，45上封帽，46下封帽，47叶片，48撑杆，49转杆，50外丝，51内丝。

具体实施方式

请参阅图1-6，一种气体钻地层出水预监测装置，包括监测腔、支撑、温湿度箱组件、转轮组件及多种采集阀。

支撑为在一块长方形钢板上切出的半圆形结构，钢板长500mm×宽328mm×壁厚5mm，半圆腔直径228mm×半径114mm，两侧缘宽各50mm。支撑用于支托整个监测腔腔体，在腔体下方均匀布设三个支撑，支撑和监测腔腔体无缝垂向焊接。

监测腔为一段不锈钢管腔，长1200mm×外径228mm×壁厚5mm，监测腔上方开设有若干采集孔，采集孔F为转轮口、采集孔A为温湿箱口、采集孔C为气体采集口、采集孔D为燃爆采集口、采集孔E为备用口，各口上焊接车有同径外丝的丝管，丝管中心孔距200mm；丝管外径监测腔下方开设有备用采砂口和采砂口，口上焊接车有外丝的丝管，丝管中心孔距200mm。各丝管外径50mm×壁厚5mm。

转轮口用于安装转轮，转轮组件由叶片、上封帽、下封帽、转杆、撑杆、封盖和拧帽组成。① 叶片。叶片为一长方形钢片，长80mm×宽30mm×厚3mm，围绕转杆呈120°均匀焊接三个叶片；② 转杆。转杆长80mm×外径32mm×壁厚3mm，转杆套接在撑杆外；③ 撑杆。撑杆为一实心钢棒，长150mm×直径26mm，转杆套接在撑杆上后用上下封帽定位；④ 封帽。封帽为一钢环，外径40mm×内径26mm×厚5mm，下封帽套入撑杆底部水平焊接，上封帽套入撑杆上方水平焊接。上下封帽将转杆和叶片进行定位，围绕撑杆畅通转动；⑤ 内丝帽。撑杆顶部旋拧在内丝帽的拧帽内。内丝帽内车有内丝，和丝管外丝拧接。内丝帽顶部有方形拧帽，方形拧帽中空，车有内丝和外丝，撑杆顶部丝扣旋拧在内丝内，外丝旋拧在内丝帽内，用作堵帽。转轮在风力的作用下旋转，为温湿箱的温湿度监测提供气体滞留容积空间。安装转轮时从喇叭口内伸入，旋拧在封盖的内丝帽内，然后将封盖旋拧在转轮口丝管上。

温湿箱组件是温湿度监测的主体，主要由温湿箱、弯头、温湿度传感器等组成。①温湿箱。温湿箱为一筒型腔体，外径100mm×壁厚5mm×高80mm，温湿箱为温湿度传感器提供采集空间。温湿箱的上部开有直径30mm的孔，传感器的安装座焊接在孔内；②安装座。安装座由内丝腔和台阶头组成。内丝腔外径38mm×壁厚5mm×高40mm,内车内丝，旋拧传感器的丝堵。安装座的下部为台阶头，外径30mm×壁厚3mm×高20mm。台阶头焊接在温湿箱上部的开孔内；③传感器。采用电子式温湿度传感器，传感器上有外丝堵和安装座内丝腔旋拧，传感器工作电压24V，信号输出4-20mA，可测量温度和湿度两参数。传感器的支杆和探头位于温湿箱内。传感器引线接入到相应的采集分析设备的端子上；④温湿箱紧固螺丝。温湿箱底部居中开直径30mm的孔，焊接一个下方带外丝的管，管外焊接一个六角螺丝，用于紧固温湿箱连接到弯头；⑤弯头。90º焊接式弯头，伸入到监测腔，弯头的上部带外丝，外丝套接背帽螺丝。外丝对接温湿箱口内丝，背帽螺丝将弯头在监测腔内进行角度调整和固定。弯头方向和流经监测腔的气流方向一致，⑥居中锲口。在弯头的水平口中央开边长10mm等边三角形锲口，锲口内切入等边三角形锲块；⑦底锲口。弯头的水平口底部开腰长20mm的扇形等腰三角形锲口，扇形切面呈30º；⑧滤尘网。在弯头内放置滤尘网，滤尘网目数根据需要而定。

底锲口有扇形切面，将流经监测腔的气流进行小面积分流，分流好碰撞到居中锲口的锲块上，形成对气流的延滞作用，位于温湿箱内的传感器即可测得相应的湿度和温度。

气体采集阀用作色谱烃类气体输出阀，球阀开关控制。气体采集阀和内丝帽相通。采集阀为一中空管状，顶部焊接有一段接气管线的细管，下部外壁上车有外丝，内丝帽内车有内丝，和气体采集口丝管外丝拧接。

燃爆采集阀用作燃爆气体装置分析输出阀，球阀开关控制。燃爆采集阀和内丝帽相通。采集阀为一中空管状，顶部焊接有一段接气管线的细管，下部外壁上车有外丝，内丝帽内车有内丝，和燃爆采集口丝管外丝拧接。

备用阀口用内丝帽封堵，拧帽拧紧，内丝帽内车有内丝，和备用阀口丝管外丝拧接。

采砂阀球形开关控制，底部为采砂口，采砂口管外焊接一系环，用于绑扎采砂器具。采砂阀顶部管内车有内丝，和监测腔底部丝管拧接。采砂阀不用时也可用内丝帽封堵。监测腔内部，紧贴采砂阀丝管一侧垂向焊接半圆形岩屑挡板，挡板直径50mm×壁厚5mm，用于隔档部分岩屑进入采砂口。

备用采砂阀球形开关控制，底部为采砂口，采砂口管外焊接一系环，用于绑扎采砂器具。备用采砂阀顶部管内车有内丝，和监测腔底部丝管拧接。备用采砂阀不用时也可用内丝帽封堵。紧贴备用采砂阀丝管一侧垂向焊接半圆形岩屑挡板，挡板直径50mm×壁厚5mm，用于隔档部分岩屑进入备用采砂口。

喇叭口和监测腔腔体焊接，敞口外径228mm×缩口外径80mm×壁厚5mm×长200mm，喇叭口顶部开设有调湿口和调温口。①调湿口。调湿口为锥形管，上口直径20mm×底口直径30mm×壁厚3mm×高80mm，调湿口的上部焊接一段有外丝的外径10mm×壁厚3mm的丝管，不用时用带有内丝的封堵封住。通过调湿口可以注入定量湿气，以测试温湿度传感器；②调温口。调温口为锥形管，上口直径20mm×底口直径30mm×壁厚3mm×高80mm，调温口的上部焊接一段有外丝的外径10mm×壁厚3mm的丝管，不用时用带有内丝的封堵封住。通过调温口可以注入定量热气，从出风口排出，以测试温湿度传感器。

接箍和喇叭口缩口焊接，外径80mm×壁厚5mm，接箍的外沿端车有外丝，用于和排砂管线内丝拧接。

本实用新型的工作原理是：

排砂管接口连接排砂管，当排砂管中的气体钻出时进入监测腔，钻出气体首先流经转轮缓冲、减速，给后续各采集阀和传感器提供采集和检测的时间，然后部分钻出气体通过弯头进入温湿箱，位于温湿箱内的温湿度传感器检测钻出气体温湿度参数，通过引线传输到监测电脑，部分钻出气体流经岩屑挡板时，由于岩屑挡板的阻挡，使钻出气体中携带的砂粒进入采砂阀，从而实现采砂，最后钻出气体通过出风口排出，完成整个预监测工作。

本实用新型可广泛应用于石油天然气勘探过程中的气体钻井施工期间，是在气体钻井中安装在近井口排砂管线上实现气体降尘、温湿度监测的重要装置。同时，该装置的拓展设计也适用于气体燃爆监测、气体采集、排砂管线接砂等多种复合性功能。

Claims (10)

1.一种气体钻地层出水预监测装置，其特征在于，包括腔体，腔体一端为排砂管接口，另一端为出风口，腔体壁部开设若干采集孔，所述采集孔连接一段设有外螺纹的螺纹管。

2.根据权利要求1所述的一种气体钻地层出水预监测装置，其特征在于，所述采集孔包括采集孔B，所述采集孔B靠近出风口的一侧立设有岩屑挡板，采集孔B螺纹连接采砂阀。

3.根据权利要求1所述的一种气体钻地层出水预监测装置，其特征在于，还包括温湿度传感器、温湿箱、弯头，所述采集孔包括采集孔A；所述温湿度传感器装设于温湿箱内；所述弯头下端伸入采集孔A内，弯曲方向朝向出风口，上端与温湿箱连通，上端螺纹套设有螺丝，螺丝与采集孔A限位配合。

4.根据权利要求3所述的一种气体钻地层出水预监测装置，其特征在于，所述弯头的下端端口处设有滤网。

5.根据权利要求4所述的一种气体钻地层出水预监测装置，其特征在于，所述弯头下端端口出开设有三角形楔口，楔口内插接有楔块，滤网与楔块限位配合。

6.根据权利要求1-4任一所述的一种气体钻地层出水预监测装置，其特征在于，所述腔体下方设有支撑部。

7.根据权利要求6所述的一种气体钻地层出水预监测装置，其特征在于，所述腔体与排砂管接口连通有一段喇叭口，所述喇叭口大头与腔体连通，小头与排砂管接口连通。

8.根据权利要求7所述的一种气体钻地层出水预监测装置，其特征在于，所述喇叭口上设有调温口、调湿口。

9.根据权利要求8所述的一种气体钻地层出水预监测装置，其特征在于，还包括采集孔C、D、E，所述采集孔C、D、E分别螺纹连接气体采集阀、燃爆采集阀、备用阀口。

10.根据权利要求9所述的一种气体钻地层出水预监测装置，其特征在于，还包括采集孔F、转轮、螺帽，所述采集孔F靠近喇叭口，位于其他采集孔上游，螺帽与采集孔螺纹连接，转轴连接于螺帽下方，转轮套设于转轴，转轮两端设有轴向限位，转轮穿过采集孔F伸入腔体内部。

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