CN107060737A - 一种随钻气侵模拟实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施方式公开了一种随钻气侵模拟实验装置及实验方法，其中，所述装置包括气液输送机构、井筒模拟实验机构以及数据处理机构，其中：所述气液输送机构包括气液混合器以及与所述气液混合器相连的气体支路和泥浆支路，所述气体支路包括依次相连的空气压缩机和储气罐，所述储气罐与所述气液混合器相连；所述泥浆支路包括依次相连的泥浆罐、加热器和柱塞泵，所述柱塞泵与所述气液混合器相连；所述井筒模拟实验机构包括多普勒超声原理实验段和井下溢流模拟测试段；所述数据处理机构包括依次相连的前端放大器、模数采集器以及计算机，所述前端放大器与所述井筒模拟实验机构相连。本申请提供的技术方案，能够为精确、及时地检测气侵提供数据支持。

Description

一种随钻气侵模拟实验装置及实验方法

技术领域

本申请涉及石油天然气勘探技术领域，特别涉及一种随钻气侵模拟实验装置及实验方法。

背景技术

在石油天然气勘探开发过程中，钻井、试油、试气以及采油、采气过程中都有可能发生井喷事故，井喷事故往往导致火灾、***、环境污染、人员伤亡、设备损坏、油气层破坏等严重损害的发生，预防和控制井喷的发生是油气田勘探开发安全工作的第一要务。

溢流是井喷的先兆，溢流发生的直接原因是地层流体(油、气、水)侵入井筒，其中尤以气侵危害最大。溢流发生时，若能及时发现并采取合理的处理措施，可以避免或控制井喷事故的发生，最低也可以为发生井喷后抢险和压井创造有利条件，降低井喷造成的危害程度。钻井过程中油气水侵(特别是气侵)的及时发现，能够为排除溢流、重建压力平衡赢得宝贵时间，大大降低二次井控的难度，因此早期溢流监测是实现油气井井喷预防的主要技术手段之一。

目前陆上钻井的主要溢流监测方法有泥浆池液面增量法、钻井液流量监测法、声波气侵监测法和随钻气侵监测法等，从传感器安装位置分类可分为地面和井下。地面监测方法特点是操作简便，但泥浆池液面增量法需要被气体侵入的泥浆达到地面后才能开展检测，存在报警滞后的问题，钻井液流量监测法受到传感器测量精度和现场工况复杂程度限制，存在误报较多的问题，声波气侵监测法由于声波信号易受干扰、处理复杂，存在判断失真的问题。井下随钻气侵监测工具目前多采用随钻地层测试、井下微流量测量、井下温度测量等技术进行气侵识别，这些技术依赖于气侵发生引起的间接参数变化进行识别，当测量到井下压力异常、井下温度异常、钻井液流速异常时触发报警，也存在误报较多、溢流量难以计算的问题。

发明内容

本申请实施方式的目的是提供一种随钻气侵模拟实验装置及实验方法，能够为精确、及时地检测气侵提供数据支持。

为实现上述目的，本申请一方面提供一种随钻气侵模拟实验装置，所述装置包括气液输送机构、井筒模拟实验机构以及数据处理机构，其中：所述气液输送机构包括气液混合器以及与所述气液混合器相连的气体支路和泥浆支路，所述气体支路包括依次相连的空气压缩机和储气罐，所述储气罐与所述气液混合器相连；所述泥浆支路包括依次相连的泥浆罐、加热器和柱塞泵，所述柱塞泵与所述气液混合器相连；所述井筒模拟实验机构包括多普勒超声原理实验段和井下溢流模拟测试段，其中，所述多普勒超声原理实验段包括筒体和设置于所述筒体的筒壁外部的超声波收发传感器探头，所述筒体中填充有泥浆和气体的混合物；所述井下溢流模拟测试段包括上筒体和下筒体，所述下筒体内设置有岩心支撑架，所述岩心支撑架上放置有岩心样品，所述上筒体和下筒体内设置有监测短节，所述监测短节包括电池段和探头段，所述探头段的下端设置有PDC钻头，所述PDC钻头相抵于所述岩心样品，所述探头段上设置有超声波收发传感器探头，所述探头段在设置于所述上筒体上方的电机的带动下转动，所述上筒体和所述下筒体内填充有泥浆和气体的混合物；所述数据处理机构包括依次相连的前端放大器、模数采集器以及计算机，所述前端放大器与所述井筒模拟实验机构相连。

进一步地，所述储气罐上设置有安全阀，所述储气罐与所述气液混合器之间依次设置有流量控制阀和质量流量计，所述质量流量计与所述模数采集器之间通过信号线相连。

进一步地，所述泥浆罐与所述井筒模拟实验机构之间设置有用于将泥浆和气体进行分离的液气分离器，所述液气分离器的输入端与所述井筒模拟实验机构相连，所述液气分离器的输出端与所述泥浆罐相连，所述液气分离器上还设置有排气孔。

进一步地，所述筒体的上下两端分别设置有上法兰盖和下法兰盖；所述上筒体的上端设置有上法兰盖，所述下筒体的下端设置有下法兰盖，所述下筒体中还设置有监测短节支撑架，所述监测短节支撑架填充于所述探头段和下筒体的筒壁之间，以在所述探头段转动时保证所述探头段的稳定；所述电池段中安装有电池。

进一步地，所述上筒体上设置有压力表和温度计，所述上筒体的上法兰盖上开设有安全阀安装孔、监测短节安装孔以及出液管开孔；所述下筒体的下法兰盖上设置有进液管和排液管。

为实现上述目的，本申请还提供一种随钻气侵模拟实验方法，所述方法包括：将空气经过空气压缩机加压后存储至储气罐中，并通过所述储气罐向气液混合器中注入空气；将泥浆罐中的泥浆经加热器加热之后，通过柱塞泵输送至所述气液混合器中，以将泥浆与气体在所述气液混合器中混合；将所述气液混合器中的气液混合物注入井筒模拟实验机构，为超声波发射探头产生的超声波信号提供含气液界面的传播通道；通过超声波接收探头接收气液界面反射的超声波信号，并将接收的超声波信号转化为电信号，前端放大器对所述电信号进行放大，并通过模数采集器对放大后的电信号进行数字采样；对数字采样后的信号进行分析，以确定气液界面对多普勒信号变化的影响规律以及超声波在泥浆中的转播和衰减规律。

进一步地，在分别生成在气液界面中和在泥浆中传输的超声波信号之后，所述方法还包括：将所述井筒模拟实验机构中的气液混合物输入液气分离器，以将所述气液混合物中的气体从泥浆中分离，并将分离出的气体排出所述液气分离器；将脱气后的泥浆输回至所述泥浆罐中。

进一步地，在将所述气液混合器中的气液混合物注入井筒模拟实验机构之后，所述方法还包括：开启所述井筒模拟实验机构中的电机，以带动所述井筒模拟实验机构内的探头段转动；当所述探头段转动时，通过所述探头段下端的PDC钻头磨削放置于岩心支撑架上的岩心样品，以模拟振动噪声信号。

进一步地，所述方法还包括：在所述探头段与所述井筒模拟实验机构的内壁之间设置监测短节支撑架，以在所述探头段转动时保证所述探头段的稳定。

进一步地，所述方法还包括：在所述监测短节支撑架与所述探头段接触的部位设置石墨垫，以减小所述探头段转动时产生的摩擦力。

由上可见，本申请通过设置气体支路和泥浆支路，将空气和泥浆在气液混合器中进行混合之后，可以模拟气侵的发生。将空气和泥浆的气液混合物注入井筒模拟实验机构中，通过向气液混合物中发射超声波信号，并对在气液混合物中传播后的超声波信号进行分析，从而可以确定气侵环境对超声波信号的影响。此外，本申请通过利用监测短节模拟振动噪声信号，可以模拟超声波信号在具备背景噪音情形下的传播情况，从而可以更加贴合真实的钻井环境，进而能够为精确、及时地检测气侵提供数据支持。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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申请中记载的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施方式中随钻气侵模拟实验装置的结构示意图；

图2为本申请实施方式中多普勒超声原理实验段的结构示意图；

图3为本申请实施方式中井下溢流模拟测试段的结构示意图；

图4为本申请实施方式中井下溢流模拟测试段的上筒体示意图；

图5为本申请实施方式中井下溢流模拟测试段的下筒体示意图；

图6为本申请实施方式中随钻气侵模拟实验方法的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，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方式，都应当属于本申请保护的范围。

本申请提供一种随钻气侵模拟实验装置，所述装置包括气液输送机构、井筒模拟实验机构以及数据处理机构。请参阅图1至图3，其中：

所述气液输送机构包括气液混合器6以及与所述气液混合器6相连的气体支路和泥浆支路，所述气体支路包括依次相连的空气压缩机1和储气罐3，所述储气罐3与所述气液混合器6相连；所述泥浆支路包括依次相连的泥浆罐9、加热器8和柱塞泵7，所述柱塞泵7与所述气液混合器6相连。

所述井筒模拟实验机构包括多普勒超声原理实验段和井下溢流模拟测试段，请参阅图2，所述多普勒超声原理实验段包括筒体和设置于所述筒体的筒壁外部的超声波收发传感器探头27，所述筒体中填充有泥浆和气体的混合物29。

请参阅图3，所述井下溢流模拟测试段包括上筒,16和下筒体17，所述下筒体17内设置有岩心支撑架23，所述岩心支撑架23上放置有岩心样品24，所述上筒体16和下筒体17内设置有监测短节，所述监测短节包括电池段22和探头段21，所述探头段21的下端设置有PDC(Polycrystalline Diamond Compact，聚晶金刚石复合片)钻头25，所述PDC钻头25相抵于所述岩心样品24，所述探头段21上设置有超声波收发传感器探头27，所述探头段21在设置于所述上筒体16上方的电机20的带动下转动，所述上筒体16和所述下筒体17内填充有泥浆和气体的混合物。

所述数据处理机构包括依次相连的前端放大器13、模数采集器14以及计算机15，所述前端放大器13与所述井筒模拟实验机构相连。

在本实施方式中，所述储气罐3上设置有安全阀2，所述储气罐3与所述气液混合器6之间依次设置有流量控制阀4和质量流量计5，所述质量流量计5与所述模数采集器14之间通过信号线10相连。

在本实施方式中，所述泥浆罐9与所述井筒模拟实验机构之间设置有用于将泥浆和气体进行分离的液气分离器11，所述液气分离器11的输入端与所述井筒模拟实验机构相连，所述液气分离器11的输出端与所述泥浆罐9相连，所述液气分离器11上还设置有排气孔(未示出)。

请参阅图2，在本实施方式中，所述筒体的上下两端分别设置有上法兰盖18和下法兰盖19。请参阅图3，所述上筒体16的上端设置有上法兰盖18，所述下筒体17的下端设置有下法兰盖19，所述下筒体17中还设置有监测短节支撑架26，所述监测短节支撑架26填充于所述探头段21和下筒体17的筒壁之间，以在所述探头段21转动时保证所述探头段21的稳定；所述电池段22中安装有电池28。

请参阅图4，在本实施方式中，所述上筒体16上设置有压力表30和温度计31，所述上筒体16的上法兰盖19上开设有安全阀安装孔35、监测短节安装孔34以及出液管开孔36；请参阅图5，所述下筒体17的下法兰盖19上设置有进液管32和排液管33。

具体地，如图1所示，本发明的流体输送部分由空气压缩机1、储气罐3、泥浆罐9、柱塞泵7、气液混合器6、加热器8、井筒模拟实验段12、液气分离器11等组成。空气经空气压缩机1加压后储存在储气罐3中，泥浆罐9中泥浆经加热器8加热后通过柱塞泵7输送，在气液混合器6与压缩空气混合后进入井筒模拟实验段12开展实验，再经液气分离器11脱气后，循环回泥浆罐。

本发明的工况数据采集、传输、处理及控制部分，由质量流量计5、温度计31、压力表30、模数采集器14、计算机15等组成；通过质量流量计、温度计、压力表获取实时的气体流量、气液混合物温度压力等参数，经过模数采集器和记录分析显示***，在计算机上显示实时工况，再通过控制器和执行机构，调整流量控制阀4的开度、加热器8的功率、柱塞泵7的流量、电机20的转速等参数，控制井筒模拟实验段的温度、压力、流速、振动等模拟条件。

本发明的超声波多普勒信号测试、采集、处理部分，由超声波收发传感器探头27、前端放大器13、模数采集器14、计算机15组成；超声波发射传感器探头发射的超声波信号由接收探头接收后，经前端放大器和模数采集器，采集到多普勒信号分析软件中，经过去噪、特征值提取等时频域技术研究，确定含气率与多普勒频移量的关系。

在本实施方式中，多普勒超声原理实验段的筒体与上下法兰盖18、19之间还可以设有密封圈，保证高压密封。筒体内部为液气混合物，外部固定超超声波收发传感器探头27，通过调节内部液气混合物的类型、流速、密度、温度、压力、含气率等参数及选用不同基频、功率的探头，比较研究气液界面对多普勒信号变化的影响规律和超声波在泥浆中的转播和衰减规律，为气侵监测短节的设计与开发提供了基础数据。

在本实施方式中，井下溢流模拟测试段由上下筒体16、17，上下法兰盖18、19，监测短节，电机20等部分组成，其具体使用方法如下：下筒体17内部固定安装有岩心支撑架23，在其上固定放置10cm左右厚度的岩心样本24，再在其上安装监测短节，并用内部设有石墨垫(减小摩擦)的监测短节支撑架26加压环抱固定监测短节，避免监测短节旋转时出现摆动；再将上筒体16通过螺栓连接在下筒体17之上，并安装上下法兰盖18、19。监测短节上部连接电机20，通过PDC钻头25磨削岩心样本24，从而可以模拟钻进时的振动噪声信号。通过调节液气混合物的温度、压力、流型、含气率、密度等参数，模拟井下的高温、高压、旋转、振动环境，为抗背景噪声，提取特征信号等多普勒信号处理技术研究提供实验条件，同时也可开展短节的可靠性、耐温、耐压、续航能力等实验。

请参阅图6，本申请还提供一种随钻气侵模拟实验方法，所述方法包括：

S1：将空气经过空气压缩机加压后存储至储气罐中，并通过所述储气罐向气液混合器中注入空气；

S2：将泥浆罐中的泥浆经加热器加热之后，通过柱塞泵输送至所述气液混合器中，以将泥浆与气体在所述气液混合器中混合；

S3：将所述气液混合器中的气液混合物注入井筒模拟实验机构，为超声波发射探头产生的超声波信号提供含气液界面的传播通道；

S4：通过超声波接收探头接收气液界面反射的超声波信号，并将接收的超声波信号转化为电信号，前端放大器对所述电信号进行放大，并通过模数采集器对放大后的电信号进行数字采样；

S5：对数字采样后的信号进行分析，以确定气液界面对多普勒信号变化的影响规律以及超声波在泥浆中的转播和衰减规律。

在本实施方式中，在分别生成在气液界面中和在泥浆中传输的超声波信号之后，所述方法还包括：

将所述井筒模拟实验机构中的气液混合物输入液气分离器，以将所述气液混合物中的气体从泥浆中分离，并将分离出的气体排出所述液气分离器；

将脱气后的泥浆输回至所述泥浆罐中。

在本实施方式中，在将所述气液混合器中的气液混合物注入井筒模拟实验机构之后，所述方法还包括：

开启所述井筒模拟实验机构中的电机，以带动所述井筒模拟实验机构内的探头段转动；

当所述探头段转动时，通过所述探头段下端的PDC钻头磨削放置于岩心支撑架上的岩心样品，以模拟振动噪声信号。

在本实施方式中，所述方法还包括：

在所述探头段与所述井筒模拟实验机构的内壁之间设置监测短节支撑架，以在所述探头段转动时保证所述探头段的稳定。

在本实施方式中，所述方法还包括：

在所述监测短节支撑架与所述探头段接触的部位设置石墨垫，以减小所述探头段转动时产生的摩擦力。

由上可见，本申请通过设置气体支路和泥浆支路，将空气和泥浆在气液混合器中进行混合之后，可以模拟气侵的发生。将空气和泥浆的气液混合物注入井筒模拟实验机构中，通过向气液混合物中发射超声波信号，并对在气液混合物中传播后的超声波信号进行分析，从而可以确定气侵环境对超声波信号的影响。此外，本申请通过利用监测短节模拟振动噪声信号，可以模拟超声波信号在具备背景噪音情形下的传播情况，从而可以更加贴合真实的钻井环境，进而能够为精确、及时地检测气侵提供数据支持。

本说明书中的各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式的不同之处。尤其，针对方法的实施方式来说，均可以参照前述装置的实施方式的介绍对照解释。

上面对本申请的各种实施方式的描述以描述的目的提供给本领域技术人员。其不旨在是穷举的、或者不旨在将本发明限制于单个公开的实施方式。如上所述，本申请的各种替代和变化对于上述技术所属领域技术人员而言将是显而易见的。因此，虽然已经具体讨论了一些另选的实施方式，但是其它实施方式将是显而易见的，或者本领域技术人员相对容易得出。本申请旨在包括在此已经讨论过的本发明的所有替代、修改、和变化，以及落在上述申请的精神和范围内的其它实施方式。

虽然通过实施方式描绘了本申请，本领域普通技术人员知道，本申请有许多变形和变化而不脱离本申请的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本申请的精神。

Claims (10)

1.一种随钻气侵模拟实验装置，其特征在于，所述装置包括气液输送机构、井筒模拟实验机构以及数据处理机构，其中：

所述气液输送机构包括气液混合器以及与所述气液混合器相连的气体支路和泥浆支路，所述气体支路包括依次相连的空气压缩机和储气罐，所述储气罐与所述气液混合器相连；所述泥浆支路包括依次相连的泥浆罐、加热器和柱塞泵，所述柱塞泵与所述气液混合器相连；

所述井筒模拟实验机构包括多普勒超声原理实验段和井下溢流模拟测试段，其中，所述多普勒超声原理实验段包括筒体和设置于所述筒体的筒壁外部的超声波收发传感器探头，所述筒体中填充有泥浆和气体的混合物；所述井下溢流模拟测试段包括上筒体和下筒体，所述下筒体内设置有岩心支撑架，所述岩心支撑架上放置有岩心样品，所述上筒体和下筒体内设置有监测短节，所述监测短节包括电池段和探头段，所述探头段的下端设置有PDC钻头，所述PDC钻头相抵于所述岩心样品，所述探头段上设置有超声波收发传感器探头，所述探头段在设置于所述上筒体上方的电机的带动下转动，所述上筒体和所述下筒体内填充有泥浆和气体的混合物；

所述数据处理机构包括依次相连的前端放大器、模数采集器以及计算机，所述前端放大器与所述井筒模拟实验机构相连。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述储气罐上设置有安全阀，所述储气罐与所述气液混合器之间依次设置有流量控制阀和质量流量计，所述质量流量计与所述模数采集器之间通过信号线相连。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述泥浆罐与所述井筒模拟实验机构之间设置有用于将泥浆和气体进行分离的液气分离器，所述液气分离器的输入端与所述井筒模拟实验机构相连，所述液气分离器的输出端与所述泥浆罐相连，所述液气分离器上还设置有排气孔。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述筒体的上下两端分别设置有上法兰盖和下法兰盖；所述上筒体的上端设置有上法兰盖，所述下筒体的下端设置有下法兰盖，所述下筒体中还设置有监测短节支撑架，所述监测短节支撑架填充于所述探头段和下筒体的筒壁之间，以在所述探头段转动时保证所述探头段的稳定；所述电池段中安装有电池。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述上筒体上设置有压力表和温度计，所述上筒体的上法兰盖上开设有安全阀安装孔、监测短节安装孔以及出液管开孔；所述下筒体的下法兰盖上设置有进液管和排液管。

6.一种应用于如权利要求1至5中任一所述的随钻气侵模拟实验装置中的实验方法，其特征在于，所述方法包括：

将空气经过空气压缩机加压后存储至储气罐中，并通过所述储气罐向气液混合器中注入空气；

将泥浆罐中的泥浆经加热器加热之后，通过柱塞泵输送至所述气液混合器中，以将泥浆与气体在所述气液混合器中混合；

将所述气液混合器中的气液混合物注入井筒模拟实验机构，为超声波发射探头产生的超声波信号提供含气液界面的传播通道；

通过超声波接收探头接收气液界面反射的超声波信号，并将接收的超声波信号转化为电信号，前端放大器对所述电信号进行放大，并通过模数采集器对放大后的电信号进行数字采样；

对数字采样后的信号进行分析，以确定气液界面对多普勒信号变化的影响规律以及超声波在泥浆中的转播和衰减规律。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在分别生成在气液界面中和在泥浆中传输的超声波信号之后，所述方法还包括：

将所述井筒模拟实验机构中的气液混合物输入液气分离器，以将所述气液混合物中的气体从泥浆中分离，并将分离出的气体排出所述液气分离器；

将脱气后的泥浆输回至所述泥浆罐中。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在将所述气液混合器中的气液混合物注入井筒模拟实验机构之后，所述方法还包括：

开启所述井筒模拟实验机构中的电机，以带动所述井筒模拟实验机构内的探头段转动；

当所述探头段转动时，通过所述探头段下端的PDC钻头磨削放置于岩心支撑架上的岩心样品，以模拟振动噪声信号。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在所述探头段与所述井筒模拟实验机构的内壁之间设置监测短节支撑架，以在所述探头段转动时保证所述探头段的稳定。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在所述监测短节支撑架与所述探头段接触的部位设置石墨垫，以减小所述探头段转动时产生的摩擦力。