CN115306375A - 一种基于油基钻井液井下气侵早期监测装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于油基钻井液井下气侵早期监测装置与方法，包括：过滤器、小腔体、小活塞、小活塞杆、大腔体、大活塞、大活塞杆、小活塞温压传感器、大活塞温压传感器、步进电机、井筒‑小腔体流体单向阀、小腔体‑大腔体流体单向阀、大腔体‑井筒流体单向阀、连接控制杆、***电源和信号采集处理数字电路；通过分别测量进入大腔体、小腔体内的流体压力的变化，得到压力监测曲线，基于模式识别判断油基钻井液是否含有溶解气，从而判断是否有气体侵入井筒，进而计算出此时发生气侵时油基钻井液中气体溶解度并初步判断出侵入气体类型，实现井涌早期预警和数据支持。
Description
技术领域
本发明涉及钻井安全技术领域，具体地涉及一种采用油基钻井液钻井的井下气侵早期监测装置和方法。
背景技术
在石油开发过程中，井筒压力安全一直是制约油气开发进程的关键问题。井喷事故给生产、环境造成了严重的影响，甚至严重的人员伤亡。目前我国钻井技术已相对成熟，但随着新一轮油气改革的全面展开，油气钻井过程中难免会遇到窄安全密度作业窗口、裂缝发育的碳酸盐岩储层、高温高压地层等复杂因素，带来的井涌、井漏事故将严重威胁钻井的安全和高效。
在钻井过程中，泵失效、套管压力降低或起钻抽吸等都会造成井底压力比地层压力低，使得井筒处于欠平衡状态，可能会引发气侵。越早的发现气侵就会给操作管理人员越充分的时间去处理，就越会减小严重事故的发生。所以一旦井下发生气侵，尽早的发现是目前井下气侵监测的重中之重。与水基钻井液不同，当井筒中的钻井液为油基钻井液时，在适当的压力和温度条件下，侵入的气体就会溶解在油基钻井液中，形成溶解气。若使用目前常用的水基钻井液中的早期气侵监测装置则无法及时有效的监测出来，但溶解气从溢流处沿井筒运移到井口过程中，随着油基钻井液压力和温度的不断减小，又会析出气体，形成游离气，从而产生井涌，甚至发生严重的井喷事故，影响钻井作业安全。
气体在油基钻井液中的溶解度不仅受到温度、压力、气体种类的影响，还与油的组分息息相关，由于油组分变化十分复杂，目前还没有一个模型能够很好地概括不同油组分下气体在油中的溶解度，因此为了简化计算，气体在油中的溶解度统一用下式计算：
式中，Rso—气体在油中的溶解度，m3/m3；A、B、D为常数。
a、b、c、n—相关经验系数，其值见表1。
表1
目前的井下气侵早期监测装置大都是基于水基钻井液条件下监测的，由于油基钻井液可溶解气体的缘故，这些基于水基钻井液的监测装置无法对油基钻井液的早期气侵进行监测。因此，有必要提供一种基于油基钻井液的井下气侵早期监测的装置和方法，能够实现油基钻井液条件下的井下气侵早期监测，进而计算出此时发生气侵时油基钻井液中气体溶解度并初步判断出侵入气体类型，实现井涌早期预警和数据支持，为后续操作人员完成压井等作业提供时间和数据。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于油基钻井液井下气侵早期检测装置和方法，用于在井下监测气体是否已经侵入到井筒环空之中并初步判断侵入气体类型，为后续操作人员提供时间和数据上的支持，从而预防严重井喷事故的发生。
本发明的技术方案为：
一种基于油基钻井液井下气侵早期检测装置，该装置安装在底部钻具组合的测量短节上，包括：过滤器、小腔体、小活塞、小活塞杆、大腔体、大活塞、大活塞杆、小活塞温压传感器、大活塞温压传感器、步进电机、井筒-小腔体流体单向阀、小腔体-大腔体流体单向阀、大腔体-井筒流体单向阀、连接控制杆、***电源和信号采集处理数字电路；
所述小腔体、大腔体均设置在井筒内并固定在井下钻井工具底部，井筒内装有井筒环空油基钻井液，所述小腔体、大腔体之间设置有所述小腔体-大腔体流体单向阀；
所述小腔体内设置有所述小活塞，所述小活塞上连接有所述小活塞杆，所述小活塞上还安装有小活塞温压传感器；
所述大腔体内设置有所述大活塞，所述大活塞上连接有所述大活塞杆，所述大活塞上还安装有大活塞温压传感器；
所述步进电机通过连接控制杆连接所述小活塞杆和所述大活塞杆，分别带动所述小活塞杆和所述大活塞杆沿井筒轴向方向自下而上做直线运动；
所述井筒-小腔体流体单向阀设置在所述小腔体的低端，过滤器对井筒环空内的油基钻井液过滤后，由打开的井筒-小腔体流体单向阀进入小腔体内部空间；
所述大腔体-井筒流体单向阀设置在所述大腔体的顶端，使得所述大腔体内的流体经所述大腔体-井筒流体单向阀排出；
所述大活塞温压传感器、小活塞温压传感器均连接所述信号采集处理电路，所述信号采集处理电路和步进电机均连接所述***电源；所述信号采集处理电路是将监测值经传感器转变成的电信号进行记录、存储并分析上传数据。
根据本发明优选的，所述小腔体、大腔体为均为圆柱体。
根据本发明优选的，所述连接控制杆为刚性材料，且中部位置连接在步进电机上，沿井筒轴向方向做循环往复运动。
根据本发明优选的，所述连接控制杆两端分别连接小活塞杆的尾部和大活塞杆的尾部，将连接控制杆、小活塞和大活塞构成一个刚性机构，一同连接在步进电机上，由步进电机带动小活塞和大活塞一同沿井筒轴向方向做循环往复运动。
根据本发明优选的，所述大腔体和小腔体的直径比为n:1，n≧10。
一种基于油基钻井液井下气侵早期检测方法，通过上述井下气侵早期检测装置实现，上述井下气侵早期检测装置每Ts完成一次循环往复周期,包括步骤如下：
通过分别测量进入大腔体、小腔体内的流体压力的变化，得到压力监测曲线，基于模式识别判断油基钻井液是否含有溶解气，从而判断是否有气体侵入井筒，进而计算出此时发生气侵时油基钻井液中气体溶解度并初步判断出侵入气体类型。
根据本发明优选的，上述井下气侵早期检测装置每Ts完成一次循环往复周期,包括步骤如下：
0-T/2s内，打开井筒-小腔体流体单向阀和大腔体-井筒流体单向阀，关闭小腔体-大腔体流体单向阀，由步进电机带动小活塞和大活塞分别在小腔体内和大腔体内沿井筒轴向方向自下而上直线运动；井筒环空内的油基钻井液经过滤器过滤后，再由打开的井筒-小腔体流体单向阀进入小腔体内部空间，小活塞温压传感器对小腔体内部流体进行压力监测，并上传形成小腔体内流体压力监测值；与此同时，大腔体内部存有的原油基钻井液经大腔体-井筒流体单向阀回到井筒环空中；
T/2-Ts内，关闭井筒-小腔体流体单向阀和大腔体-井筒流体单向阀，打开小腔体-大腔体流体单向阀，由步进电机带动小活塞和大活塞在小腔体内和大腔体内沿井筒轴向方向自上而下直线运动，小腔体内的油基钻井液经小腔体-大腔体流体单向阀进入大腔体内部空间，大活塞温压传感器对大腔体内部流体进行压力监测，并上传形成大腔体内流体压力监测值；完成一次循环。
根据小活塞温压传感器和大活塞温压传感器监测得到的流体压力监测值绘制出小腔体-大腔体流体压力监测曲线，小腔体-大腔体压力监测曲线中，横坐标是指小活塞温压传感器和大活塞温压传感器对腔体内流体压力的监测时间，纵坐标是指腔体内流体压力的监测值。
进一步优选的，T＝10。
根据本发明优选的，基于模式识别判断油基钻井液是否含有溶解气，从而判断是否有气体侵入井筒，进而计算出此时发生气侵时油基钻井液中气体溶解度并初步判断出侵入气体类型，包括步骤如下：
步骤1：根据PVT方程可知，小腔体内流体压力值042与大腔体内流体压力值比为n2：1，从而绘制出腔体内压力值曲线；腔体内压力值曲线中，横坐标是指流体流经小腔体、大腔体内的时间，纵坐标是指腔体内流体压力的值；步骤2：根据小腔体-大腔体流体压力监测曲线与腔体内压力值曲线对比分析。
实时监测小腔体-大腔体流体压力值，若没有气体侵入井筒，即油基钻井液不含溶解气，则小腔体-大腔体流体压力监测曲线与小腔体和大腔体内流体压力比值对应，即油基钻井液没有溶解气的情况下，小腔体流体压力监测值与大腔体流体压力监测值比为n2：1，从而判断出此时在油基钻井液条件下井筒内没有气体侵入，没有发生气侵，返回继续进行气侵早期检测；
实时监测小腔体-大腔体流体压力监测曲线，若有气体侵入井筒，即油基钻井液含有溶解气，则小腔体-大腔体流体压力监测曲线与小腔体和大腔体内流体压力比值不对应，监测出大腔体内流体压力监测值突然升高，突然升高是指小腔体-大腔体流体压力监测曲线中低台位置相比较之前测得压力监测值形成的低台位置高；且大腔体内流体压力监测值大于不含溶解气时的大腔体内流体压力监测值，从而判断出此时在油基钻井液条件下井筒内有气体侵入，判断有气侵发生，进入步骤3；
步骤3：立即气侵预警反馈，并将小腔体-大腔体流体压力实时监测值曲线与腔体内压力曲线对比，通过模式识别初步判断出侵入井筒内的气体类型，给后续的作业人员提供及时准确的信息。
进一步优选的，通过模式识别初步判断出侵入井筒内的气体类型，包括：
将实时监测形成的小腔体-大腔体流体压力监测曲线与经验公式计算出来的腔体内压力曲线进行对照，结合大腔体内的压力监测值进行校正，之后将小腔体内监测压力曲线与经验公式得到的小腔体内压力计算值进行对照，初步判断出侵入气体类型。
本发明的有益效果如下：
实时监测基于油基钻井液条件下钻井井筒环空是否有地层气体侵入并初步判断侵入气体类型。在气侵阶段发生初期就能准确判别是否有地层气体侵入及类型，实现气侵早期监测，为后续压井作业的准备提供充分时间和数据支持。
本发明装置结构简单，主体结构为直径成比例的两腔体，其内部主要是大小两活塞一同做往复运动将井筒环空内的油基钻井液吸入腔体再排出。根据PVT方程(PV＝nRT)可知由小腔体内油基钻井液向大腔体流入后，由于大腔体体积大于小腔体，使得大腔体内油基钻井液压力减小。重点在于利用油基钻井液溶解气的特点(压力减小，低于泡点压力后气体析出)，若是油基钻井液中含有溶解气，由于溶解气析出的气体会产生一部分压力就会导致大腔体内油基钻井液压力下降幅度减小，并利用公式(1)来分析计算得到不同的侵入气体类型在大腔体内所对应的压力值通过模式识别就会判断出来此时井下已经发生了气侵及侵入气体类型，实现气侵早期监测。
附图说明
图1是本发明实施方式所述的油基钻井液井下气侵监测装置示意图；
图2是本发明实施方式所述的气侵监测装置小腔体体积为零时示意图；
图3是本发明实施方式所述的气侵监测装置某一周期内中间时刻示意图；
图4是本发明实施方式所述的气侵监测装置小腔体体积最大时示意图；
图5是本发明实施方式所述的小腔体-大腔体压力监测曲线示意图；
图6是本发明实施方式所述的腔体内压力曲线示意图；
图7是本发明实施方式所述的具体实施方案路线图。
01、井筒环空油基钻井液；02、小活塞杆；03、小活塞；04、小活塞温压传感器；041、小腔体内流体压力监测值；042、小腔体内流体压力值；05、小腔体；06、井筒-小腔体流体单向阀；07、小腔体-大腔体流体单向阀；08、大腔体-井筒流体单向阀；09、大腔体；010、大活塞温压传感器；0101、无溶解气时大腔体内流体压力监测值；0102、有溶解气时大腔体内流体压力监测值；0103、无溶解气时大腔体内流体压力值；0104、有溶解气时大腔体内流体压力值；011、大活塞；012、大活塞杆；013、连接控制杆；014、步进电机；015、过滤器。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
以下所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；在此描述的本发明的具体实施方式，仅作解释目的，而不以任何方式构成对本发明的限制。在本发明的基础上，技术人员可以在没有做出创造性劳动的前提下构想基于本发明的可能变形或获得其他实施例，应一体视作本发明的范畴。
本文所使用的术语“垂直”、“水平”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”及类似的术语，仅是基于给出的实施例所作的说明，不对本发明的其他实施方式作出限制。
在不另作定义的前提下，本文使用的科学和技术术语与本发明技术领域的技术人员通常理解的含义相同。
实施例1
一种基于油基钻井液井下气侵早期检测装置，如图1所示，该装置安装在底部钻具组合的测量短节上，包括：过滤器015、小腔体05、小活塞03、小活塞杆02、大腔体09、大活塞011、大活塞杆012、小活塞温压传感器04、大活塞温压传感器010、步进电机014、井筒-小腔体流体单向阀06、小腔体-大腔体流体单向阀07、大腔体-井筒流体单向阀08、连接控制杆013、***电源和信号采集处理数字电路；
小腔体05、大腔体09均设置在井筒内并固定在井下钻井工具底部，井筒内装有井筒环空油基钻井液01，小腔体05、大腔体09之间设置有小腔体-大腔体流体单向阀07；
小腔体05内设置有小活塞03，小活塞03上连接有小活塞杆02，小活塞03上还安装有小活塞温压传感器04；
大腔体09内设置有大活塞011，大活塞011上连接有大活塞杆012，大活塞011上还安装有大活塞温压传感器010；
步进电机014通过连接控制杆013连接小活塞杆02和大活塞杆012，分别带动小活塞杆02和大活塞杆012沿井筒轴向方向自下而上做直线运动；
井筒-小腔体流体单向阀06设置在小腔体05的低端，过滤器015对井筒环空内的油基钻井液过滤后，由打开的井筒-小腔体流体单向阀06进入小腔体05内部空间；
大腔体-井筒流体单向阀08设置在大腔体09的顶端，使得大腔体09内的流体经大腔体-井筒流体单向阀08排出；
大活塞温压传感器010、小活塞温压传感器04均连接信号采集处理电路，信号采集处理电路和步进电机014均连接***电源；信号采集处理电路是将监测值经传感器转变成的电信号进行记录、存储并分析上传数据。
本发明提供了一种基于油基钻井液钻井的井下气侵早期监测装置，该装置大腔体09、小腔体05内的大活塞011、小活塞03处分别安装大活塞温压传感器010、小活塞温压传感器04。由于油基钻井液中有无溶解气对腔内流体压力值的影响十分显著，所以通过分别测量进入大腔体09、小腔体05内的流体压力的变化，得到压力监测曲线，基于模式识别判断油基钻井液是否含有溶解气，从而判断是否有气体侵入井筒，进而计算出此时发生气侵时油基钻井液中气体溶解度并初步判断出侵入气体类型，实现井涌早期预警和数据支持。通过上述的技术方案，通过该装置得到的井筒环空流体压力变化信号等数据经传感器变换成电信号，经过数字电路进行记录、存储并分析上传数据，测量装置通过随钻测井接头与随钻测井泥浆脉冲装置连接将实测数据实时上传至地面。
过滤器015的作用是将井筒环空中油基钻井液在进入本装置前进行过滤，去除细小岩屑等杂质，以免影响后续的温压传感器的监测和造成装置内部流体通道的堵塞。
井筒-小腔体流体单向阀06允许流体单向通过且只允许流体从井筒环空向小腔体05内单向流动。小腔体-大腔体流体单向阀07允许流体单向通过且只允许流体从小腔体05内向大腔体09内单向流动。大腔体-井筒流体单向阀08允许流体单向通过且只允许流体从大腔体09内向井筒环空中单向流动。
本发明装置的流体流动通道是：井筒环空内的流体经井筒-小腔体流体单向阀06流入小腔体05，在经过小腔体-大腔体流体单向阀07流入大腔体09，最后经过大腔体-井筒流体单向阀08流入井筒环空，从而构成一个完整的井筒环空-小腔体05-大腔体09-井筒环空的流动通道。小活塞温压传感器04的敏感元件与小活塞03和小腔体-大腔体流体单向阀07构成空间里的流体接触。大活塞温压传感器010的敏感元件与大活塞011和小腔体-大腔体流体单向阀07构成空间里的流体接触。
实施例2
根据实施例1所述的一种基于油基钻井液井下气侵早期检测装置，其区别在于：
小腔体05、大腔体09为均为圆柱体。
连接控制杆013为刚性材料，且中部位置连接在步进电机014上，沿井筒轴向方向做循环往复运动。
连接控制杆013两端分别连接小活塞杆02的尾部和大活塞杆012的尾部，将连接控制杆013、小活塞03和大活塞011构成一个刚性机构，一同连接在步进电机014上，由步进电机014带动小活塞03和大活塞011一同沿井筒轴向方向做循环往复运动。
大腔体09和小腔体05的直径比为n:1，n≧10。即小腔体05与大腔体09最大体积之比为1：n2，根据PVT方程可知，小腔体05内流体压力值042与大腔体09内流体压力值比为n2：1。
实施例3
一种基于油基钻井液井下气侵早期检测方法，通过实施例1或2所述的井下气侵早期检测装置实现，井下气侵早期检测装置每Ts完成一次循环往复周期,包括步骤如下：
通过分别测量进入大腔体09、小腔体05内的流体压力的变化，得到压力监测曲线，基于模式识别判断油基钻井液是否含有溶解气，从而判断是否有气体侵入井筒，进而计算出此时发生气侵时油基钻井液中气体溶解度并初步判断出侵入气体类型。
实施例4
根据实施例3所述的一种基于油基钻井液井下气侵早期检测方法，其区别在于：
井下气侵早期检测装置每Ts完成一次循环往复周期,通过分别测量进入大腔体09、小腔体内的流体压力的变化，得到压力监测曲线，
图2是本发明实施方式所述的气侵监测装置小腔体体积为零时示意图；图3是本发明实施方式所述的气侵监测装置某一周期内中间时刻示意图；图4是本发明实施方式所述的气侵监测装置小腔体体积最大时示意图；结合参阅图2、图3及图4，步进电机014通过连接控制杆013带动小活塞杆02和大活塞杆012进而带动小活塞03和大活塞011一同沿井筒轴向方向做循环往复运动。设计由步进电机014带动小活塞03和大活塞011沿井筒轴向方向自下而上做直线运动，直到大活塞011与大腔体09底部接触，使的大腔体09内的流体经大腔体-井筒流体单向阀08完全排出，与此同时，将新的流体经过滤器015过滤后，由井筒-小腔体单向阀06吸入小腔体05内，其时间间隔为5s；之后再由步进电机014带动小活塞03和大活塞011沿井筒轴向方向自上而下做直线运动，直到小活塞03与小腔体05底部接触，使得小腔体05内的流体经小腔体-大腔体流体单向阀07完全排到大腔体09内部空间，其时间间隔为5s。从而形成一个循环周期，其循环周期时间为10s。
结合参阅图5，本发明设计的小活塞温压传感器04和大活塞温压传感器010时间间隔1s分别将小腔体05内和大腔体09内的流体压力监测值上传，经信号采集数字处理电路形成小腔体-大腔体流体压力监测曲线。当油基钻井液内无溶解气时，大腔体内流体压力值应如无溶解气时大腔体内流体压力监测值0101所示，当油基钻井液内含有溶解气时，大腔体内流体压力值应如有溶解气时大腔体内流体压力监测值0102所示。
结合参阅图6，本发明中的腔体压力值曲线是通过小腔体05与大腔体09的几何关系推算出在假定某一气体类型的下的溶解度，再结合公式(1)将温度值与假定的某一气体所对应的经验参数代入，求得该气体类型在大腔体09内部所对应的压力值。进而分别将CH4、CO2、C2H6、C3H8等气体一一计算出所对应的压力值，再结合上述的小腔体-大腔体流体压力监测曲线，绘制出腔体内压力曲线。小腔体05内的压力值如小腔体05内流体压力值042所示；大腔体内没有气体是所对应的压力值如无溶解气时大腔体内流体压力值0103所示；大腔体09内含有不同类型的气体时所对应的压力值如有溶解气时大腔体内流体压力值0104所示。
如图7所示，包括步骤如下：
0-T/2s内，打开井筒-小腔体流体单向阀06和大腔体-井筒流体单向阀08，关闭小腔体-大腔体流体单向阀07，由步进电机014带动小活塞03和大活塞011分别在小腔体05内和大腔体09内沿井筒轴向方向自下而上直线运动；井筒环空内的油基钻井液经过滤器015过滤后，再由打开的井筒-小腔体流体单向阀06进入小腔体05内部空间，小活塞温压传感器04对小腔体05内部流体进行间隔时间为1s的压力监测，并上传形成小腔体05内流体压力监测值041；与此同时，大腔体09内部存有的原油基钻井液经大腔体-井筒流体单向阀08回到井筒环空中；
T/2-Ts内，关闭井筒-小腔体流体单向阀06和大腔体-井筒流体单向阀08，打开小腔体-大腔体流体单向阀07，由步进电机014带动小活塞03和大活塞011在小腔体05内和大腔体09内沿井筒轴向方向自上而下直线运动，小腔体05内的油基钻井液经小腔体-大腔体流体单向阀07进入大腔体09内部空间，大活塞温压传感器010对大腔体09内部流体进行间隔时间为1s的压力监测，并上传形成大腔体内流体压力监测值；完成一次循环。
根据小活塞温压传感器04和大活塞温压传感器010监测得到的流体压力监测值绘制出小腔体-大腔体流体压力监测曲线，小腔体-大腔体压力监测曲线中，横坐标是指小活塞温压传感器04和大活塞温压传感器010对腔体内流体压力的监测时间，纵坐标是指腔体内流体压力的监测值。
T＝10。
基于模式识别判断油基钻井液是否含有溶解气，从而判断是否有气体侵入井筒，进而计算出此时发生气侵时油基钻井液中气体溶解度并初步判断出侵入气体类型，如图7所示，包括步骤如下：
步骤1：小腔体05与大腔体09的直径比为1：n。当大腔体09内流体完全排出时，小腔体05内流体体积为小腔体05最大流体体积，小腔体05内流体完全排出时，大腔体09内流体体积为大腔体09最大流体体积。即小腔体05与大腔体09最大流体体积之比为1：n2，根据PVT方程可知，小腔体内流体压力值042与大腔体内流体压力值比为n2：1，从而绘制出腔体内压力值曲线；腔体内压力值曲线中，横坐标是指流体流经小腔体05、大腔体09内的时间，纵坐标是指腔体内流体压力的值；通过小腔体05与大腔体09的几何关系推算出在假定某一气体类型的下的溶解度，再结合公式(1)将温度值与假定的某一气体所对应的经验参数代入，求得该气体类型在大腔体09内部所对应的压力值，进而分别将CH4、CO2、C2H6、C3H8等气体一一计算出所对应的压力值，绘制出腔体内压力曲线。
步骤2：根据小腔体-大腔体流体压力监测曲线与腔体内压力值曲线对比分析。
实时监测小腔体-大腔体流体压力值，若没有气体侵入井筒，即油基钻井液不含溶解气，则小腔体-大腔体流体压力监测曲线与小腔体和大腔体内流体压力比值对应，即油基钻井液没有溶解气的情况下，小腔体流体压力监测值与大腔体流体压力监测值比为n2：1，从而判断出此时在油基钻井液条件下井筒内没有气体侵入，没有发生气侵，返回继续进行气侵早期检测；
实时监测小腔体-大腔体流体压力监测曲线，若有气体侵入井筒，即油基钻井液含有溶解气，则小腔体-大腔体流体压力监测曲线与小腔体和大腔体内流体压力比值不对应，监测出大腔体内流体压力监测值突然升高，突然升高是指小腔体-大腔体流体压力监测曲线中低台位置相比较之前测得压力监测值形成的低台位置高；根据实时监测形成的小腔体-大腔体流体压力监测曲线在正常状态下(未含有溶解气时)属于较为稳定的高低台状类型，一旦流体中含有溶解气，大腔体09内的压力较不含溶解气时的大腔体09压力高，体现在压力监测曲线上就是低台位置相比较之前测得大腔体流体压力监测值形成的低台位置高。且大腔体内流体压力监测值大于不含溶解气时的大腔体内流体压力监测值，从而判断出此时在油基钻井液条件下井筒内有气体侵入，判断有气侵发生，进入步骤3；
步骤3：立即气侵预警反馈，并将小腔体-大腔体流体压力实时监测值曲线与腔体内压力曲线对比，通过模式识别初步判断出侵入井筒内的气体类型，给后续的作业人员提供及时准确的信息。
通过模式识别初步判断出侵入井筒内的气体类型，包括：将实时监测形成的小腔体-大腔体流体压力监测曲线与经验公式计算出来的腔体内压力曲线进行对照，结合小腔体05内的压力监测值进行校正，之后将大腔体09内监测压力曲线与经验公式得到的大腔体09内压力计算值进行对照，初步判断出侵入气体类型。
Claims (10)
1.一种基于油基钻井液井下气侵早期检测装置，其特征在于，该装置安装在底部钻具组合的测量短节上，包括：过滤器、小腔体、小活塞、小活塞杆、大腔体、大活塞、大活塞杆、小活塞温压传感器、大活塞温压传感器、步进电机、井筒-小腔体流体单向阀、小腔体-大腔体流体单向阀、大腔体-井筒流体单向阀、连接控制杆、***电源和信号采集处理数字电路；
所述小腔体、大腔体均设置在井筒内并固定在井下钻井工具底部，井筒内装有井筒环空油基钻井液，所述小腔体、大腔体之间设置有所述小腔体-大腔体流体单向阀；
所述小腔体内设置有所述小活塞，所述小活塞上连接有所述小活塞杆，所述小活塞上还安装有小活塞温压传感器；
所述大腔体内设置有所述大活塞，所述大活塞上连接有所述大活塞杆，所述大活塞上还安装有大活塞温压传感器；
所述步进电机通过连接控制杆连接所述小活塞杆和所述大活塞杆，分别带动所述小活塞杆和所述大活塞杆沿井筒轴向方向自下而上做直线运动；
所述井筒-小腔体流体单向阀设置在所述小腔体的低端，过滤器对井筒环空内的油基钻井液过滤后，由打开的井筒-小腔体流体单向阀进入小腔体内部空间；
所述大腔体-井筒流体单向阀设置在所述大腔体的顶端，使得所述大腔体内的流体经所述大腔体-井筒流体单向阀排出；
所述大活塞温压传感器、小活塞温压传感器均连接所述信号采集处理电路，所述信号采集处理电路和步进电机均连接所述***电源；所述信号采集处理电路是将监测值经传感器转变成的电信号进行记录、存储并分析上传数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于油基钻井液井下气侵早期检测装置，其特征在于，所述小腔体、大腔体为均为圆柱体。
3.根据权利要求1所述的一种基于油基钻井液井下气侵早期检测装置，其特征在于，所述连接控制杆为刚性材料，且中部位置连接在步进电机上，沿井筒轴向方向做循环往复运动。
4.根据权利要求1所述的一种基于油基钻井液井下气侵早期检测装置，其特征在于，所述连接控制杆两端分别连接小活塞杆的尾部和大活塞杆的尾部，将连接控制杆、小活塞和大活塞构成一个刚性机构，一同连接在步进电机上，由步进电机带动小活塞和大活塞一同沿井筒轴向方向做循环往复运动。
5.根据权利要求1所述的一种基于油基钻井液井下气侵早期检测装置，其特征在于，所述大腔体和小腔体的直径比为n:1，n≧10。
6.一种基于油基钻井液井下气侵早期检测方法，通过权利要求1-5任一所述的井下气侵早期检测装置实现，所述井下气侵早期检测装置每Ts完成一次循环往复周期,其特征在于，包括步骤如下：
通过分别测量进入大腔体、小腔体内的流体压力的变化，得到压力监测曲线，基于模式识别判断油基钻井液是否含有溶解气，从而判断是否有气体侵入井筒，进而计算出此时发生气侵时油基钻井液中气体溶解度并初步判断出侵入气体类型。
7.根据权利要求6所述的一种基于油基钻井液井下气侵早期检测方法，其特征在于，所述井下气侵早期检测装置每Ts完成一次循环往复周期,包括步骤如下：
0-T/2s内，打开井筒-小腔体流体单向阀和大腔体-井筒流体单向阀，关闭小腔体-大腔体流体单向阀，由步进电机带动小活塞和大活塞分别在小腔体内和大腔体内沿井筒轴向方向自下而上直线运动；井筒环空内的油基钻井液经过滤器过滤后，再由打开的井筒-小腔体流体单向阀进入小腔体内部空间，小活塞温压传感器对小腔体内部流体进行压力监测，并上传形成小腔体内流体压力监测值；与此同时，大腔体内部存有的原油基钻井液经大腔体-井筒流体单向阀回到井筒环空中；
T/2-Ts内，关闭井筒-小腔体流体单向阀和大腔体-井筒流体单向阀，打开小腔体-大腔体流体单向阀，由步进电机带动小活塞和大活塞在小腔体内和大腔体内沿井筒轴向方向自上而下直线运动，小腔体内的油基钻井液经小腔体-大腔体流体单向阀进入大腔体内部空间，大活塞温压传感器对大腔体内部流体进行压力监测，并上传形成大腔体内流体压力监测值；完成一次循环；
根据小活塞温压传感器和大活塞温压传感器监测得到的流体压力监测值绘制出小腔体-大腔体流体压力监测曲线，小腔体-大腔体压力监测曲线中，横坐标是指小活塞温压传感器和大活塞温压传感器对腔体内流体压力的监测时间，纵坐标是指腔体内流体压力的监测值。
8.根据权利要求7所述的一种基于油基钻井液井下气侵早期检测方法，其特征在于，T＝10。
9.根据权利要求6所述的一种基于油基钻井液井下气侵早期检测方法，其特征在于，基于模式识别判断油基钻井液是否含有溶解气，从而判断是否有气体侵入井筒，进而计算出此时发生气侵时油基钻井液中气体溶解度并初步判断出侵入气体类型，包括步骤如下：
步骤1：根据PVT方程可知，小腔体内流体压力值042与大腔体内流体压力值比为n2：1，从而绘制出腔体内压力值曲线；腔体内压力值曲线中，横坐标是指流体流经小腔体、大腔体内的时间，纵坐标是指腔体内流体压力的值；
步骤2：根据小腔体-大腔体流体压力监测曲线与腔体内压力值曲线对比分析；
实时监测小腔体-大腔体流体压力值，若没有气体侵入井筒，即油基钻井液不含溶解气，则小腔体-大腔体流体压力监测曲线与小腔体和大腔体内流体压力比值对应，即油基钻井液没有溶解气的情况下，小腔体流体压力监测值与大腔体流体压力监测值比为n2：1，从而判断出此时在油基钻井液条件下井筒内没有气体侵入，没有发生气侵，返回继续进行气侵早期检测；
实时监测小腔体-大腔体流体压力监测曲线，若有气体侵入井筒，即油基钻井液含有溶解气，则小腔体-大腔体流体压力监测曲线与小腔体和大腔体内流体压力比值不对应，监测出大腔体内流体压力监测值突然升高，突然升高是指小腔体-大腔体流体压力监测曲线中低台位置相比较之前测得压力监测值形成的低台位置高；且大腔体内流体压力监测值大于不含溶解气时的大腔体内流体压力监测值，从而判断出此时在油基钻井液条件下井筒内有气体侵入，判断有气侵发生，进入步骤3；
步骤3：立即气侵预警反馈，并将小腔体-大腔体流体压力实时监测值曲线与腔体内压力曲线对比，通过模式识别初步判断出侵入井筒内的气体类型，给后续的作业人员提供及时准确的信息。
10.根据权利要求9所述的一种基于油基钻井液井下气侵早期检测方法，其特征在于，通过模式识别初步判断出侵入井筒内的气体类型，包括：
将实时监测形成的小腔体-大腔体流体压力监测曲线与经验公式计算出来的腔体内压力曲线进行对照，结合大腔体内的压力监测值进行校正，之后将小腔体内监测压力曲线与经验公式得到的小腔体内压力计算值进行对照，初步判断出侵入气体类型。
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