CN104533407A - 一种确定井下状态的方法、装置及状态控制方法、装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了确定井下状态的方法、装置及状态控制方法、装置，井下状态包括：溢流状态、漏失状态及不溢不漏状态，确定井下状态的方法包括：采集泵入钻井液流量参数和返出钻井液的实时流量参数，实时流量参数包括：钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度；根据所述泵入钻井液流量参数和返出钻井液的流量参数确定泵入钻井液与返出钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度变化值；根据泵入钻井液与返出钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度变化值确定实时井下状态。本发明三种参数方法相互配合使用，同时考虑了时间的影响，分对各参数瞬时分析，稳态校正，长时间观察，能够确保判断结果的准确性。

Description

一种确定井下状态的方法、装置及状态控制方法、装置

技术领域

本发明涉及石油、天然气勘探领域，特别是关于石油、天然气钻井安全技术，具体的讲是一种确定井下状态的方法、装置及状态控制方法、装置。

背景技术

在钻井过程中，溢流和漏失是经常会遇到的复杂情况，其中漏失是指在钻井过程中，钻井液漏入地层的一种井下复杂情况；溢流则与漏失相反，是指在钻井过程中，地层流体流入井筒的一种井下复杂情况。

溢流和漏失两种复杂情况若不能及时发现并控制会引起严重后果，漏失会导致大量宝贵的钻井液漏失，影响钻井工作的正常进行，导致井筒内液柱压力降低。若不能及时发现漏失，使井筒内液柱压力降低到一定程度，便会引起井壁失稳、井塌甚至卡钻；溢流是井涌和井喷的先兆。若溢流不能被及时发现，地层流体涌入井筒的量就会越来越多，尤其是钻进高压气层时，溢流的发现更是要越早越好。气体随着泥浆从井底往井口上返过程中，由于压力不断降低、气体体积不断膨胀，井口处压力就会越来越大，当超过井口防喷器工作压力后，就会发生井喷，造成大量人员伤亡，设备损毁，不但浪费了宝贵油气资源还污染了环境，给人民、社会造成巨大的损失。所以，为了保证钻井的安全进行，对漏失和溢流的发现必须快速、及时。

目前，传统钻井工艺对溢流和漏失的监控主要是以观察法为主，若观察到发生以下几种情况：①泥浆池液面下降；②钻井液出口流量小于进口流量；③井口立管压力下降则可判断发生井漏；若发生：①泥浆池液面上升；②钻井液出口流量、流速上升；③井口立管压力上升④泥浆密度降低，性能急剧变差则可判断发生溢流。

但是传统观察法具有其局限性，有时无法正确判断井下情况，例如井口立管压力下降，可能是由于钻具刺漏所致；而立管压力上升，可能是钻头水眼堵塞，循环***无法正常进行所致。此外，采用传统的观察方法，当发现溢流或漏失时，溢流量或漏失量往往已经较大，留给处理事故的时间已经较短，易导致重大事故的发生。

发明内容

为了解决传统溢流漏失观察方法的局限性，及时发现井下溢流和漏失，及时发现井下事故，改善传统观察法测量的延迟性，提高检测精确度，本发明实施例提供了一种确定井下状态的方法，所述井下状态包括：溢流状态、漏失状态及不溢不漏状态，所述的方法包括：

采集泵入钻井液流量参数和返出钻井液的实时流量参数，其中，所述实时流量参数包括：钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度；

根据所述泵入钻井液流量参数和返出钻井液的流量参数确定泵入钻井液与返出钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度变化值；

根据所述泵入钻井液与返出钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度变化值确定实时井下状态。

同时，本发明还提供了一种确定井下状态的装置，所述井下状态包括：溢流状态、漏失状态及不溢不漏状态，所述的装置包括：

采集模块，用于采集泵入钻井液流量参数和返出钻井液的实时流量参数，其中，所述实时流量参数包括：钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度；

变化值确定模块，用于根据所述泵入钻井液流量参数和返出钻井液的流量参数确定泵入钻井液与返出钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度变化值；

状态确定模块，用于根据所述泵入钻井液与返出钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度变化值确定实时井下状态。

同时，本发明还提供了一种井下状态控制方法，所述井下状态包括：溢流状态、漏失状态及不溢不漏状态，所述的方法包括：

采集泵入钻井液流量参数和返出钻井液的实时流量参数，其中，所述实时流量参数包括：钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度；

根据所述泵入钻井液流量参数和返出钻井液的流量参数确定泵入钻井液与返出钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度变化值；

根据所述泵入钻井液与返出钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度变化值确定实时井下状态；

根据确定的实时井下状态调整井下节流阀开度实时控制井下保持不溢不漏的状态。

同时，本发明还提供了一种井下状态控制装置，所述井下状态包括：溢流状态、漏失状态及不溢不漏状态，所述的装置包括：

采集模块，用于采集泵入钻井液流量参数和返出钻井液的实时流量参数，其中，所述实时流量参数包括：钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度；

变化值确定模块，用于根据所述泵入钻井液流量参数和返出钻井液的流量参数确定泵入钻井液与返出钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度变化值；

状态确定模块，用于根据所述泵入钻井液与返出钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度变化值确定实时井下状态；

控制模块，用于根据确定的实时井下状态调整井下节流阀开度实时控制井下保持不溢不漏的状态。

本发明的具有很强的灵活性，易于实现自动控制，能够快速传输数据，判断井下情况，及时发现井下事故，改善传统观察法测量的延迟性，为事故处理争取时间，三种参数方法相互配合使用，同时考虑了时间的影响，分对各参数瞬时分析，稳态校正，长时间观察，能够确保判断结果的准确性。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明确定井下状态方法的流程图；

图2为本发明确定井下状态装置的框图；

图3为本发明井下状态控制方法的流程图；

图4为本发明井下状态控制装置的框图；

图5为本发明一实施方式的***结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种确定井下状态的方法，所述井下状态包括：溢流状态、漏失状态及不溢不漏状态，所述的方法包括：

步骤S101，采集泵入钻井液流量参数和返出钻井液的实时流量参数，其中，所述实时流量参数包括：钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度；泵入钻井液流量参数包括：泥浆泵入口流量参数和回压泵入口流量参数。

步骤S102，根据所述泵入钻井液流量参数和返出钻井液的流量参数确定泵入钻井液与返出钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度变化值。

步骤S103，根据所述泵入钻井液与返出钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度变化值确定实时井下状态；本发明实施了中，根据泵入钻井液与返出钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度变化值与预确定的参数波动范围确定实时井下状态。

同时，本发明还提供了一种确定井下状态的装置，如图2所示，该装置包括：

采集模块201，用于采集泵入钻井液流量参数和返出钻井液的实时流量参数，其中，所述实时流量参数包括：钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度；

变化值确定模块202，用于根据所述泵入钻井液流量参数和返出钻井液的流量参数确定泵入钻井液与返出钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度变化值；

状态确定模块203，用于根据所述泵入钻井液与返出钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度变化值确定实时井下状态。

同时，本发明还提供了一种井下状态控制方法，如图3所示，该方法包括：

步骤S101，采集泵入钻井液流量参数和返出钻井液的实时流量参数，其中，所述实时流量参数包括：钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度；

步骤S102，根据所述泵入钻井液流量参数和返出钻井液的流量参数确定泵入钻井液与返出钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度变化值；

步骤S103，根据所述泵入钻井液与返出钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度变化值确定实时井下状态；

步骤S104，根据确定的实时井下状态调整井下节流阀开度实时控制井下保持不溢不漏的状态。

同时，本发明还提供了一种井下状态控制装置，如图4所示，该控制装置包括：

采集模块201，用于采集泵入钻井液流量参数和返出钻井液的实时流量参数，其中，所述实时流量参数包括：钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度；

变化值确定模块202，用于根据所述泵入钻井液流量参数和返出钻井液的流量参数确定泵入钻井液与返出钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度变化值；

状态确定模块203，用于根据所述泵入钻井液与返出钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度变化值确定实时井下状态；

控制模块204，用于根据确定的实时井下状态调整井下节流阀开度实时控制井下保持不溢不漏的状态。

下面结合具体的实施方式对本发明的技术方案做进一步详细说明。

本实施例提供一种利用监控钻井液参数变化来快速发现井下溢流和漏失的***。一种利用监控钻井液参数变化来快速发现井下溢流和漏失的***，

采用该***确定井下溢流和漏失包括如下步骤：

①实时测量泥浆泵入口流量参数、回压泵入口流量参数以及钻井液返出流量参数；

②对检测到的***瞬态、稳态和累积的数据分别利用质量守恒法、密度对比法、体积对比法来对比进出口流量参数变化；

③根据泵入钻井液及返出钻井液的质量、密度、体积变化来判断循环***所处状态。

④将判断结果发送给回压控制机构，由其控制节流阀开度，改变回压来重新达到不溢不漏的平衡状态，保证钻井作业安全。

本实施例的***，主要有两大***组成：测量***与上位机***。其中测量***包括泥浆泵入口流量测量模块、回压泵入口流量测量模块、钻井液返出流量测量模块以及***采集模块，主要负责实施测量采集钻井液流量参数及参数的变化；上位机***主要包括***分析计算模块，主要负责将采集***采集到的钻井液参数变化的数据进行分析计算，进而确定***所处状态。本实施例中测量模块与***采集模块、***分析计算模块之间通过基金会现场总线连接，保证数据的快速安全传输。各功能模块之间用基金会现场总线连接，能够快速传输数据，判断井下情况，及时发现井下事故，改善传统观察法测量的延迟性，为事故处理争取时间。

本实施例中的流量测量模块主要通过三种方式进行测量：

(1)通过连接到钻杆的泵冲计量装置(测量范围一般为0-500冲/分)，通过测量柱塞的冲数来计算实时流量和累积流量；

(2)通过安装在入口出的高精度的质量流量计，质量流量计可直接测量通过流量计的介质的质量流量，还可测量介质的密度及间接测量介质的温度。能够直接获得流体的质量、流量和密度三种参数；

(3)通过上水罐安装的液位传感器，通过液位计的测量值来获得流量参数。具体的，可根据现场情况灵活选择上述方式。

***采集模块采用分布式的数据采集控制，测量模块实时测量的各种参数及设备状态，通过数字信号传输到采集模块，采集模块将这些信号翻译成上位机能接收的信息，并将之传递至***分析计算模块。***分析计算模块分析计算得到的参数，并最终得出结果。将判断结果发送给回压控制机构，由其控制节流阀开度，改变回压来重新达到不溢不漏的平衡状态，保证钻井作业安全。本发明可以用于油气井钻井中快速发现井底溢流和漏失。

本实施例中的利用监控钻井液参数变化来快速发现井下溢流和漏失的***，通过实时测量泥浆泵入口流量、回压泵入口流量以及钻井液返出流量的来快速判断井下情况。测量模块的质量流量计可以直接测量流体的体积、质量、密度等参数，所以可通过判断分析三种参数的瞬时、稳态和累积的变化来判断***循环状态，快速发现井下异常情况。

体积比较，钻井液可视为不可压缩液体，利用传统方法即比较一段时间内泵入与返出泥浆体积之差的大小来判断井下情况。由于本发明的方法是对泵入返出钻井液的实时监测，改善了传统方法需钻井液返出后才能测量而产生的延迟性；另一方面，由于采用了高精度的流量计，可以检测出微小的流量变化。相比于传统方法，精确度大大提高。

质量比较，在进行正常钻井作业时,通过液气分离器及振动筛将泥浆所携岩屑、泥沙作适当处理并考虑井筒内钻井液的正内常损耗后,可以认为:在正常情况(未发生溢流或井漏),泵入井筒内钻井液质量和返出钻井液质量应当符合质量守恒定律，泵入量及返出量应当是相等；当发生溢流时,随着地层流体的侵入,返出量必然会大于泵入量。当发生井漏时,由于泥浆渗入地层中，必然会使返出总量少与泵入量。为了排除一些影响因素，如泥浆泵上水效率不稳等，所以累积一段时间内泵入钻井液与排除钻井液质量的差值,根据的差值的正负，可以判断井下状态，有无溢流或井漏发生；此外，根据差值变化的快慢,可进一步判断溢流、井漏的严重程度,可以为应对措施的选择提供指导。

密度比较，在钻井过程中，钻井液密度也是一个重要的参数。钻进时，由于钻头破碎的岩屑是通过钻井液携带，所以返出钻井液密度会变大，经过振动筛等设备处理后，密度会回归正常值；而另一方面，一般地层流体密度要低于钻井液密度，所以当发生溢流时,地层流体进入井筒会使返出钻井液泥浆密会比泵入钻井液密度小,二者之差愈大,说明溢流越严重。所以，可根据返出钻井液密度的变化情况来判断是否发生溢流，以及溢流的严重程度。

如图5所示，为本实施例的***结构图。本发明提出的一种利用监控钻井液参数变化来快速发现井下溢流和漏失的方法，步骤如下：

①将泥浆泵入口流量测量***、回压泵入口流量测量***、钻井液返出流量测量***、***采集模块、***分析计算模块等部分通过基金会现场总线相连，调试***数据传输直至正常。

②根据实际钻井参数确定钻井液参数(体积、质量、密度)在工作中的正常波动范围(允许偏差范围)，由于钻井过程中，有很多因素会导致流体参数变化，所以需要根据具体钻井参数(井深、井型、压力、排量等)来确定体积、质量、密度的正常波动范围。例如对于井深5000米的直井可设定其1分钟体积流量波动为0～80L，质量流量波动为0～120KG，密度波动为0～0.02g/cm³。

③对比瞬时出入口体积流量，若相同则继续比较，若出现偏差，则开始累积泵入与返出钻井液体积之差，进行积分计算,将结果与设定的体积正常波动范围进行比较：

$\mathrm{\ΔQ}={\∫}_{t_1}^{t_2}{Q}_{\mathrm{in}}-{\∫}_{t_1}^{t_2}{Q}_{\mathrm{out}}---\left(1\right)$

时间间隔可选择：Δt＝t₂-t₁＝1min～10min，根据实际情况(井深、井型等参数)进行调整调节。比较计算的ΔQ与正常波动范围上限为ΔQ_k,下限可设为-ΔQ_l,若-ΔQ_l<ΔQ<ΔQ_k，则认为钻井工作正常进行，井下处于不溢不漏的状态；若-ΔQ_l>ΔQ则认为发生了井漏，二者差值越大，则证明漏失越严重；若ΔQ>ΔQ_k，则认为发生了溢流，二者差值越大，则证明溢流越严重。

④对比瞬时出入口钻井液质量变化，若相同则继续比较，若出现偏差，则开始累积泵入与返出钻井液质量之差，进行积分计算将结果与设定的质量正常波动范围进行比较：

$\mathrm{\&Delta;M}={\&Integral;}_{t_1}^{t_2}{M}_{\mathrm{in}}-{\&Integral;}_{t_1}^{t_2}{M}_{\mathrm{out}}---\left(2\right)$

时间间隔可选择：Δt＝t₂-t₁＝1min～10min，根据实际情况(井深、井型等参数)进行调整调节。比较计算的ΔM与正常波动范围上限为ΔM_k,下限可设为,若-ΔM_l<ΔM<ΔM_k，则认为钻井工作正常进行，井下处于不溢不漏的状态；若-ΔM_l>ΔM，则认为发生了井漏，二者差值越大，则证明漏失越严重；若ΔM>ΔM_k，则认为发生了溢流，二者差值越大，则证明溢流越严重。

⑤对一段时间内泵入与返出钻井液的密度变化平均值进行计算，将计算结果与设定的密度正常波动范围进行比较：

$\mathrm{\&Delta;\&rho;}=\underset{k=t_1}{\overset{t_2}{\mathrm{\&Sigma;}}}({\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{in}}^k-{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{out}}^k)/(t_2-t_1)---\left(3\right)$

时间间隔可选择：Δt＝t₂-t₁＝1min～10min，根据实际情况(井深、井型等参数)进行调整调节。比较计算的ΔM与正常波动范围上限为Δρ_k,下限可设为-Δρ_l,若-Δρ_l<Δρ<Δρ_k则认为钻井工作正常进行，若-Δρ_l>Δρ，则认为发生了溢流，二者差值越大，则证明溢流越严重。

⑥若判断结果正常，则重新进行步骤③至⑤，若井下出现异常情况，则将判断结果发送给回压控制机构，由其控制节流阀开度，改变回压来重新达到不溢不漏的平衡状态，保证钻井作业安全。

⑦在监测***状态的同时，利用泥浆罐上安装液位计和超声波传感器返回的泥浆罐读数的变化来校正质量流量计测得的累积体积差值；利用稳态时钻井液出口流量来校正泥浆泵冲，再利用泥浆泵冲计算钻井液入口流量与测量值进行对比。不断的调节测量数据，排除***误差的影响，使测量结果更加准确。

本发明的***主要功能均实现模块化，具有很强的灵活性，易于实现自动控制。各功能模块之间用基金会现场总线连接，能够快速传输数据，判断井下情况，及时发现井下事故，改善传统观察法测量的延迟性，为事故处理争取时间；采用高精度的质量流量计进行测量，可以检测出微小的泥浆参数变化，大大提高了检测精确度。三种参数方法相互配合使用，同时考虑了时间的影响，分对各参数瞬时分析，稳态校正，长时间观察，能够确保判断结果的准确性。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (12)

1.一种确定井下状态的方法，所述井下状态包括：溢流状态、漏失状态及不溢不漏状态，其特征在于，所述的方法包括：

采集泵入钻井液流量参数和返出钻井液的实时流量参数，其中，所述实时流量参数包括：钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度；

根据所述泵入钻井液流量参数和返出钻井液的流量参数确定泵入钻井液与返出钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度变化值；

根据所述泵入钻井液与返出钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度变化值确定实时井下状态。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的泵入钻井液流量参数包括：泥浆泵入口流量参数和回压泵入口流量参数。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的根据所述泵入钻井液与返出钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度变化值确定实时井下状态包括：

根据所述泵入钻井液与返出钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度变化值与预先确定的参数波动范围确定实时井下状态。

4.一种确定井下状态的装置，所述井下状态包括：溢流状态、漏失状态及不溢不漏状态，其特征在于，所述的装置包括：

采集模块，用于采集泵入钻井液流量参数和返出钻井液的实时流量参数，其中，所述实时流量参数包括：钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度；

变化值确定模块，用于根据所述泵入钻井液流量参数和返出钻井液的流量参数确定泵入钻井液与返出钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度变化值；

状态确定模块，用于根据所述泵入钻井液与返出钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度变化值确定实时井下状态。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的泵入钻井液流量参数包括：泥浆泵入口流量参数和回压泵入口流量参数。

6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的根据所述泵入钻井液与返出钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度变化值确定实时井下状态包括：

根据所述泵入钻井液与返出钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度变化值与预先确定的参数波动范围确定实时井下状态。

7.一种井下状态控制方法，所述井下状态包括：溢流状态、漏失状态及不溢不漏状态，其特征在于，所述的方法包括：

采集泵入钻井液流量参数和返出钻井液的实时流量参数，其中，所述实时流量参数包括：钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度；

根据所述泵入钻井液流量参数和返出钻井液的流量参数确定泵入钻井液与返出钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度变化值；

根据所述泵入钻井液与返出钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度变化值确定实时井下状态；

根据确定的实时井下状态调整井下节流阀开度实时控制井下保持不溢不漏的状态。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的泵入钻井液流量参数包括：泥浆泵入口流量参数和回压泵入口流量参数。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的根据所述泵入钻井液与返出钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度变化值确定实时井下状态包括：

根据所述泵入钻井液与返出钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度变化值与预确定的参数波动范围确定实时井下状态。

10.一种井下状态控制装置，所述井下状态包括：溢流状态、漏失状态及不溢不漏状态，其特征在于，所述的装置包括：

采集模块，用于采集泵入钻井液流量参数和返出钻井液的实时流量参数，其中，所述实时流量参数包括：钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度；

变化值确定模块，用于根据所述泵入钻井液流量参数和返出钻井液的流量参数确定泵入钻井液与返出钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度变化值；

状态确定模块，用于根据所述泵入钻井液与返出钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度变化值确定实时井下状态；

控制模块，用于根据确定的实时井下状态调整井下节流阀开度实时控制井下保持不溢不漏的状态。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述的泵入钻井液流量参数包括：泥浆泵入口流量参数和回压泵入口流量参数。

12.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述的根据所述泵入钻井液与返出钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度变化值确定实时井下状态包括：

根据所述泵入钻井液与返出钻井液的瞬时质量、瞬时体积流量及密度变化值与预确定的参数波动范围确定实时井下状态。