CN107178362A - 一种基于电阻抗测量的油气钻井气侵早期发现装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于气侵监测技术领域，涉及一种基于电阻抗测量的油气钻井气侵早期发现装置，主体结构包括空心管、通孔、棱柱、倒角、凹槽、测量电路板、导线、电极、盖板、电极紧固件、绝缘密封层、走线孔和螺钉，利用电阻抗测量和成像的方法，基于钻井液与气体之间电阻抗的巨大差异实现气侵的判别，通过周向均布的多组电极获得井筒周向上不同位置处的气体含量，适用于气体在周向上分布不均的情况，提高了测量的可靠性；其结构简单，测量原理科学合理，操作便利，实用性好，使用环境友好，通用性强，能够更加准确、及时和可靠地发现气侵，利用MWD设备就能实现气侵的早期监测和发现，具有监测成本低和适用性强的有益效果，易于推广使用。
Description
技术领域：
本发明属于气侵监测技术领域，涉及一种基于电阻抗测量的油气钻井气侵早期发现装置，在石油与天然气钻探过程中，实时监测井下气侵的发生，实现早期发现的目的。
背景技术：
气侵是在钻井过程中，气体侵入钻井液中使钻井液性能变坏的过程，气侵对钻井液柱压力有一定的影响，并且气侵的钻井液在不同深度的密度是不同的，气侵钻井液接近地面时其密度才变得很小，所以即使地面钻井液气侵厉害，密度降低很多，但井底钻井液柱压力减少并不大；气侵是引发井涌并直接导致井喷的主要因素和重要原因，所以，气侵的早期发现和预警是避免和预防井喷事故，实现安全钻井的重要保证。
现有技术中，气侵的监测方法总体上分为两类：一类是在地面或靠近井口的地方设置测量设备，通过监测地面或近地面参数实现气侵的监测，包括钻井液池液面气侵监测法、钻井液返出流量计气侵监测法和声波气侵监测法等，这类方法属于间接判断方法，发现气侵的时间滞后，井深越大滞后时间越长，不能实现气侵的早期发现；另一类则是直接在井下放置设备，通过检测井下参数实现气侵的判断，包括基于地层电阻率的气侵监测方法，这类方法是在产生气侵的现场检测，能够实现“早期”发现气侵的目的。这些方法各有特点，但是使用时的局限性较大：通过测量地层电阻率来判断是否发生气侵的方法测量的对象不是受气侵影响最明显的钻井液，并且需要使用随钻测井设备，成本较高，效果受到影响；通过测量井筒环空若干点的压力获得钻井液密度变化并测量整个井筒声波衰减特性的方法得到的特性参数是某个井段或整个井筒的；中国专利201610762964.9公开的一种基于环空压差随钻测量的气侵监测装置包括气侵随钻监测短节、中心处理器和计算机终端，气侵随钻监测短节两端与钻铤和钻杆相连，中心处理器两端与气侵监测装置和计算机终端相连，计算机终端经数据连接总线向中心处理器发出测量信号，该测量信号经铠装电缆传输到气侵随钻监测短节，传感器组立即进行测量工作，得到对应位置的压力P、温度T和深度H，计算得出实际钻井液密度，若钻井液实际密度与理论密度之差大于气侵判别值，启动井控预防措施；中国专利201510046076.2公开的一种钻井过程中气侵早期监测装置包括井下监测装置、井上监测装置，井下监测装置对井筒环空流体的声波衰减数据、温度数据和压力数据进行实时测量并模数转化，然后发送至井上监测装置，由井上监测装置对监测数据进行分析处理，进行预警和报警，井下监测装置包括井下测量短节、矩形管、超声波测量模块、温度测量模块、压力测量模块、供电锂电池、数据采集处理模块、数据上传模块和泥浆脉冲发生器，井上监测装置包括泥浆脉冲解码器、井上数据分析及报警***，泥浆脉冲解码器通过数据传输线与井上数据分析及报警***相连；中国专利201410370774.3公开的一种确定钻井过程中气侵类型的设备包括出口流量检测装置，用于检测井筒出口处的钻井液流量，入口流量检测装置，用于检测井筒入口处的钻井液流量，以及控制器，在井筒出口处的钻井液流量变大，即出现气侵的情况下，控制向井筒增加回压，根据增加回压一段时间之后所述井筒出口处的钻井液流量和所述井筒入口处的钻井液流量来确定所述气侵的类型；中国专利201310216987.6公开的一种模拟气井环空带压及气侵过程的实验装置包括空压机(1)、气体流量计(2)、橡胶软管(3)、固定板(4)、阀门一(5)、下密封盖(6)、下端进气筒(7)、岩心夹持筒(8)、橡胶套(9)、上端测压筒(10)、标尺(11)、压力表(12)、阀门二(13)、上密封盖(14)及中心柱(15)；其核心结构在于中心筒，包括：岩心夹持筒(8)、橡胶套(9)、上密封盖(14)、下密封盖(6)、中心柱(15)、上端测压筒(10)及下端进气筒(7)，空压机(1)通过橡胶软管(3)连接至下端进气筒(7)的支管，且沿途安装有气体流量计(2)和阀门一(5)，橡胶软管(3)固定在具有一定高度的固定板(4)的凹槽内，且固定板(4)的高度等于上端测压筒(10)支管处的高度，下端进气筒(7)与岩心夹持筒(8)相连接，通过下密封盖(6)对下端进气筒(7)密封，下密封盖(6)和中心柱(15)为一整体结构，岩心夹持筒(8)内放置有橡胶套(9)，岩心夹持筒(8)的另一端与上端测压筒(10)相连接，且上端测压筒(10)有一对称支管，一支管上安装有阀门二(13)，另一支管上安装有压力表(12)，上端测压筒(10)通过上密封盖(14)进行密封，在中心筒外的垂直方向上贴有标尺(11)，用于测量液面的高度；这些设备或者装置只有在气侵比较严重时才能发现，所以也不能实现真正意义的早期发现。因此，研发一种基于电阻抗测量的油气钻井气侵早期发现装置，实现早期发现气侵，及时采取应对措施，减除对随钻测井设备的依赖，降低生产成本，避免财产和人员损失，为安全钻井提供可靠保证，具有良好的社会和经济价值，应用前景广阔。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种基于电阻抗测量的油气钻井气侵早期发现装置，实现早期发现气侵，及时采取应对措施，减除对随钻测井设备的依赖，避免财产和人员损失，为安全钻井提供可靠保证。
为了实现上述目的，本发明涉及的基于电阻抗测量的油气钻井气侵早期发现装置的主体结构包括空心管、通孔、棱柱、倒角、凹槽、测量电路板、导线、电极、盖板、电极紧固件、绝缘密封层、走线孔和螺钉；圆柱形结构的空心管的圆心处开设有圆柱形结构的通孔，空心管的圆周表面等间距设置有三个梯形断面结构的棱柱，棱柱在空心管的外表面分割出三个流道，棱柱的顶端和底端分别设置有倒角，相邻棱柱之间的空心管的外表面向内开设有矩形结构的凹槽，凹槽的内部设置有矩形板状结构的测量电路板，测量电路板通过圆柱形结构的导线分别与6-10个电极的一端电连接，电极的另一端伸出覆盖在凹槽外表面的弧形板状结构的盖板并与盖板的外表面平齐，电极位于凹槽中的一端通过电极紧固件与盖板卡扣式连接，电极与盖板之间的缝隙填充有绝缘密封层，凹槽的顶端开设有圆形结构的走线孔，空心管通过盖板上均匀布置的螺钉与盖板连接。
本发明涉及的空心管为空心管状结构，便于井下使用；通孔的设置为钻井液提供通道；棱柱用于分割空心管的外表面使三组电极相互独立，防止三组电极之间的干扰，同时，棱柱在空心管的外表面分割出的三个流道对钻井液形成导流作用，钻井液对电极进行冲刷，避免泥质或其他固体覆盖电极的表面，保证电极的测量精度；倒角能够减轻棱柱的自重并使棱柱在井下的通过性增强；凹槽作为测量电路板、导线和电极的存储空间；测量电路板上按照电学原理和电阻抗测量要求设置有电源部件和电路***用于产生激励电源并测量电极的电位；导线用于连接测量电路板和电极以及测量电路板和井下信号发射装置；电极的外端与钻井液直接接触，用于传递激励电流和测量电位，三组电极的设置提高了基于电阻抗测量的油气钻井气侵早期发现装置的可靠性；盖板的作用是保护、隔离和密封；电极紧固件用于加固电极与盖板的连接；绝缘密封层使电极与盖板之间达到绝缘和密封的效果；走线孔用于布设电路导线，便于实现测量电路板与井下信号发射装置的连接，以使测量电路板测量到的电位数据传递给井下信号发射装置；螺钉便于空心管与盖板的连接。
本发明涉及的基于电阻抗测量的油气钻井气侵早期发现装置实现油气钻井气侵早期发现的具体工艺过程为：在靠近钻头或井下动力钻具的地方将基于电阻抗测量的油气钻井气侵早期发现装置与钻具连接，使电极与井筒钻井液接触，再将基于电阻抗测量的油气钻井气侵早期发现装置与位于井下的井下信号发射装置连接，信号发射装置与位于地面的信号接收装置以无线方式连接，最后将信号接收装置与数据处理计算机连接；测量时，依次对两个棱柱之间的一组电极施加电流激励，在钻井液中建立电场，施加激励的过程为，将一个电极固定为电源激励的一极，然后依次将其他电极作为电源的另一极，直到所有电极使用完毕，施加激励的同时测量其他未激励电极上的电位数据，基于电阻抗测量的油气钻井气侵早期发现装置将测量到的电位数据发送给信号发射装置，然后由信号发射装置发送至地面信号接收装置，地面信号接收装置接收电位数据后传送给数据处理计算机，数据处理计算机通过其中的电阻抗计算和成像软件对电位数据进行计算和成像，基于气侵气体电阻抗与钻井液电阻抗之间存在差异的原理，气侵发生时，气侵处的钻井液的电阻抗值发生变化，另外在图像中，气体与钻井液以不同的颜色或不同深度的颜色呈现，综合利用计算得到的电阻抗值和图像，能够实现气侵是否发生与气侵程度的判断。
本发明涉及的井下信号发射装置、地面信号接收装置、数据处理计算机均为市售产品；电阻抗的计算和成像软件能够利用现有技术中的成熟算法。
本发明与现有技术相比，具有以下突出的实质性特点：一是综合利用电阻抗测量和成像的方法，基于钻井液与气体之间电阻抗的巨大差异这一特点实现气侵的判别，钻井液与气体之间电阻抗的差异在任何井深、压力和温度环境下都存在，所以，其适用性更强，判别结果更准确，而且不易发生误判；二是基于电阻抗测量的油气钻井气侵早期发现装置获得的是井筒某处钻井液的电阻抗及其分布情况，其反映的是该“点”处的气侵状况，而不是整个井筒或者某个井段的综合气侵情况，所以，判断结果更及时，更具有“早期”发现的特征；三是通过周向均布的多组电极能够获得井筒周向上不同位置处的气体含量，适用于气体在周向上分布不均的情况；另外，当其中一组甚至两组电极或其电路部分出现故障时，不影响整个基于电阻抗测量的油气钻井气侵早期发现装置发挥作用，所以，进一步提高了测量的可靠性；其结构简单，测量原理科学合理，操作便利，实用性好，使用环境友好，通用性强，安全可靠，能够更加准确、及时和可靠地发现气侵，利用市售的MWD设备就能实现气侵的早期监测和发现，具有监测成本低和适用性强的有益效果，易于推广使用。
附图说明：
图1为本发明的主体结构原理示意图。
图2为本发明的俯视结构原理示意图。
图3为本发明的A轴剖面结构原理示意图。
图4为本发明的B轴剖面结构原理示意图。
图5为本发明的凹槽剖面结构原理示意图。
图6为本发明的使用状态示意图。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。
实施例：
本实施例涉及的基于电阻抗测量的油气钻井气侵早期发现装置的主体结构包括空心管1、通孔2、棱柱3、倒角4、凹槽5、测量电路板6、导线7、电极8、盖板9、电极紧固件10、绝缘密封层11、走线孔12和螺钉13；圆柱形结构的空心管1的圆心处开设有圆柱形结构的通孔2，空心管1的圆周表面等间距设置有三个梯形断面结构的棱柱3，棱柱3在空心管1的外表面分割出三个流道，棱柱3的顶端和底端分别设置有倒角4，相邻棱柱3之间的空心管1的外表面向内开设有矩形结构的凹槽5，凹槽5的内部设置有矩形板状结构的测量电路板6，测量电路板6通过圆柱形结构的导线7分别与6-10个电极8的一端电连接，电极8的另一端伸出覆盖在凹槽5外表面的弧形板状结构的盖板9并与盖板9的外表面平齐，电极8位于凹槽5中的一端通过电极紧固件10与盖板9卡扣式连接，电极8与盖板9之间的缝隙填充有绝缘密封层11，凹槽5的顶端开设有圆形结构的走线孔12，空心管1通过盖板9上均匀布置的螺钉13与盖板9连接。
本实施例涉及的空心管1为空心管状结构，便于井下使用；通孔2的设置为钻井液提供通道；棱柱3用于分割空心管1的外表面使三组电极8相互独立，防止三组电极8之间的干扰，同时，棱柱3在空心管1的外表面分割出的三个流道对钻井液形成导流作用，钻井液对电极8进行冲刷，避免了泥质或其他固体覆盖电极8的表面，保证了电极8的测量精度；倒角4能够减轻棱柱3的自重并使棱柱3在井下的通过性更好；凹槽5作为测量电路板6、导线7和电极8的存储空间；测量电路板6上按照电学原理和电阻抗测量要求设置有电源部件和电路***用于产生激励电源并测量电极8的电位；导线7用于连接测量电路板6和电极8以及测量电路板6和井下信号发射装置；电极8的外端与钻井液直接接触，用于传递激励电流和测量电位，三组电极8的设置提高了基于电阻抗测量的油气钻井气侵早期发现装置的可靠性；盖板9的作用是保护、隔离和密封；电极紧固件10用于加固电极8与盖板9的连接；绝缘密封层11使电极8与盖板9之间达到绝缘和密封的效果；走线孔12用于布设电路导线，便于实现测量电路板6与井下信号发射装置的连接，以使测量电路板6测量到的电位数据传递给井下信号发射装置；螺钉13便于空心管1与盖板9的连接。
本实施例涉及的基于电阻抗测量的油气钻井气侵早期发现装置实施油气钻井气侵早期发现的具体工艺过程为：在靠近钻头或井下动力钻具的地方将基于电阻抗测量的油气钻井气侵早期发现装置与钻具连接，使电极与井筒钻井液接触，再将基于电阻抗测量的油气钻井气侵早期发现装置与位于井下的井下信号发射装置连接，信号发射装置与位于地面的信号接收装置以无线方式连接，最后将信号接收装置与数据处理计算机连接；测量时，依次对两个棱柱3之间的一组电极8施加电流激励，在钻井液中建立电场，施加激励的过程为，将一个电极8固定为电源激励的一极，然后依次将其他电极8作为电源的另一极，直到所有电极8使用完毕，施加激励的同时测量其他未激励电极8上的电位数据，基于电阻抗测量的油气钻井气侵早期发现装置将测量到的电位数据发送给信号发射装置，然后由信号发射装置发送至地面信号接收装置，地面信号接收装置接收电位数据后传送给数据处理计算机，数据处理计算机通过其中的电阻抗计算和成像软件对电位数据进行计算和成像，基于气侵气体电阻抗与钻井液电阻抗之间存在差异的原理，气侵发生时，气侵处的钻井液的电阻抗值发生变化，另外在图像中，气体与钻井液以不同的颜色或不同深度的颜色呈现，综合利用计算得到的电阻抗值和图像，能够实现气侵是否发生与气侵程度的判断。
本实施例涉及的井下信号发射装置、地面信号接收装置、数据处理计算机均为市售产品；电阻抗的计算和成像软件能够利用现有技术中的成熟算法。
Claims (3)
1.一种气侵早期监测方法，其特征在于采用气侵早期监测装置实施，在井下钻杆上按照设定的间距分别装设下部压力测量器和短距离无线信号发射器与上部压力测量器和井下信号发射器，下部压力测量器与上部压力测量器分别测量所处位置的环空流体压力，短距离无线信号发射器将下部压力测量器所处位置的环空流体压力发射给上部压力测量器，上部压力测量器计算下部压力测量器与上部压力测量器所处位置之间的环空流体压力的压力差和密度，上部压力测量器能够根据密度判断井下是否发生气侵并通过井下信号发射器将判断结果发送给地面控制中心供操作人员及时作出应对措施；上部压力测量器也能够直接通过井下信号发射器将压力差和密度发送给地面控制中心，地面控制中心根据密度判断井下是否发生气侵供操作人员及时作出应对措施；在监测过程中，气侵发生时，井下环空流体受到直接影响后密度发生变化；在井下钻杆上相隔距离h处装设的下部压力测量器与上部压力测量器分别测量的所处位置的环空流体压力为P下与P上，根据公式：(P上-P下)/(h×g)计算得出下部压力测量器与上部压力测量器所处位置之间的环空流体密度，式中g为重力加速度；当计算的环空流体密度在根据操作工况确定的波动范围内时，表明井下没有发生气侵，当计算的环空流体密度不在根据操作工况确定的波动范围内时，表明井下发生气侵。
2.根据权利要求1所述的气侵早期监测方法，其特征在于所述气侵早期监测装置的主体结构包括下部压力测量器、上部压力测量器、地面控制中心、短距离无线信号发射器和井下信号发射器；下部压力测量器与短距离无线信号发射器固定连接，上部压力测量器与井下信号发射器固定连接，地面控制中心放置在地面上易于操作人员使用的位置；下部压力测量器和短距离无线信号发射器与上部压力测量器和井下信号发射器无线通信式连接，上部压力测量器和井下信号发射器与地面控制中心无线通信式连接；各部件电信息连通构成气侵早期监测装置。
3.根据权利要求1所述的气侵早期监测方法，其特征在于所述井下信号发射器为利用压力脉冲传递信号的随钻测量仪、利用电磁波传递信息的电磁随钻测量仪和利用声波传递信息的随钻声波遥测仪中的一种。
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