基于环空压差随钻测量的气侵监测装置及监测方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于石油工程技术领域，具体地，涉及一种钻井过程中基于环空压差随钻测量的气侵监测装置。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。本发明专利技术监测精度高，实时性极强，与钻杆的配合简便，操作专业性要求低，稳定性较好，自动化程度高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及石油工程
，具体地，涉及一种钻井过程中基于环空压差随钻测量的气侵随钻监测装置及其监测方法。
技术介绍
随着油气勘探与开发逐渐向深海延伸，南海等深水环境的浅层气、浅层流等特殊海底地理环境及恶劣的环境条件更增加了深水钻进的困难，气侵是指在钻井过程中，当钻头钻遇高压气层时，天然气等地层流体在欠平衡的负压差作用下，进入环空中的钻井液中并沿着环空不断上升、扩散和膨胀的现象，是深水或深井钻进过程中经常遇到的事故。当气侵发生后，如果没有被及时地监测并采取有效措施的话，可能会导致井喷等严重的钻井事故的发生。在深水钻井过程中，若钻遇高压浅层气层，天然气等进入环空，与由钻头喷出并上返的钻井液混合，导致钻井液的组成发生变化，进而使其密度、电阻率等基本性质发生改变，可以导致环空液柱压力发生变化，如果我们可以通过一定的测量手段对钻头附近的环空压力等参数进行实时监测的话，就可以做到对气侵的发生进行实时监测。经过半个多世纪以来的不断深入研究，人们对气侵等钻井事故的发生机理及井控安全都有了较为深入的了解和认识，越来越多的国内外学者和专家对气侵早期监测技术进行了深入的研究，开发了一系列气侵监测方法。虽然各种气侵监测技术已较为成熟，但当前的气侵和溢流的监测技术在实时性及精确度方面存在明显缺陷，影响气侵的及时发现和有效预防。因此专利技术一种可以用于钻井过程中的气侵随钻监测的装置和方法来提高气侵监测的时效性和精度，对于深水钻井井控安全和海洋石油的高效开发都十分必要。
技术实现思路
为克服现有技术存在的缺陷，本专利技术提供一种通过实时监测环空中靠近钻头位置的上下两个位置的压差，从而得到对应位置的钻井液当量循环密度测定值，并与通过计算得到的未发生气侵情况下对应的钻井液当量循环密度理论值进行比较，判断气侵发生概率，为钻井过程中气侵事故提供实时监测和预警，从而降低气侵事故发生几率的气侵随钻监测装置；进一步地，提供一种利用上述气侵随钻监测装置为气侵事故提供及时监测及预警的方法。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：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；其特征在于：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。与现有气侵监测技术及装置相比，本专利技术具有以下有益效果：1、监测精度高，实时性极强，与钻杆的配合简便，操作专业性要求低，稳定性较好，测量过程利用计算机控制，因此自动化程度高；2、利用该气侵监测装置及监测方法在气侵随钻监测短节上、下测量点间的压差基础上得到钻井液当量循环密度实现气侵随钻监测，比APWD或PWD单独运用压力变化进行气侵检测更加准确和灵敏；3、该气侵监测装置及监测方法可以满足各种钻井工况及钻井液体系下气侵随钻监测的要求。附图说明图1为基于环空压差随钻测量的气侵监测装置示意图；图2为基于环空压差随钻测量的气侵监测装置的随钻气侵监测短节的结构示意图；图3为基于环空压差随钻测量的气侵监测装置的下测量点处横截面的结构示意图；图4为基于环空压差随钻测量的气侵监测装置进行随钻气侵监测的方法示意图。具体实施方式如图1所示，钻井过程中，钻头7通过钻杆1提供的钻压和扭矩破碎地表2岩石，在地表2和目的层之间钻成具有一定深度的圆柱形孔眼；钻井期间需要不断循环钻井液，从而携带井底岩屑、冷却钻头以及控制地层压力；钻井系统的位置关系为：钻杆1位于套管10的中央，两者之间形成井筒环空3，钻井液流出管线11位于套管10的顶部，井液流出管线11的末端与泥浆罐18相连，钻头7上部与钻杆1相连，下部与地层岩石相接触。钻井液的循环路径为：钻井液4在地面泥浆泵作用下在钻杆1内向下循环，通过钻头7水眼喷出，若钻遇高压气层5，由于井底压力小于地层压力，溢流气体就会进入井筒形成气侵6，钻井液和气体的气液混合流体8经套管10和钻杆1间的套管环空3向上流动，经钻井液出流管线11流入泥浆罐18。如图1～3所示，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9、中心处理器13和计算机终端12；气侵随钻监测短节9下部与钻铤22相连，上部与钻杆1相连，钻铤下部连接钻头；中心处理器13位于井口位置，中心处理器13通过钻杆1内的铠装电缆14与中心处理器13相连，中心处理器13通过数据连接总线17与计算机终端12连接；计算机终端12发出环空随钻数据测量指令，经数据连接总线17传输到中心处理器13后经过处理生成环空随钻数据测量信号，通过固定安装在钻杆壁内的铠装电缆14向气侵随钻监测短节9发送该测量信号，嵌装在气侵随钻监测短节外本体21上的传感器组在接收到铠装电缆14传输过来的数据测量信号后立即进行测量工作，传感器组得到对应位置的压力P、温度T和深度H；根据上下两个测量点的压力差，计算得出该位置的实际钻井液密度，同理计算出下一位置的实际钻井液密度，并将该位置的钻井液实际密度与理论密度作对比，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。如图2所示，所述随钻气侵监测短节9，包括：随钻气侵监测短节本体21、传感器组、随钻气侵监测短节公头19、随钻气侵监测短节母头20；传感器组包括上部第一高精度传感器组161、上部第二高精度传感器组162、上部第三高精度传感器组163和下部第一高精度传感器组151、下部第二高精度传感器组152、下部第三高精度传感器组153；随钻气侵监测短节9由合金结构钢制成，随钻气侵监测短节本体21内部安装有铠装电缆14，随钻气侵监测短节本体21外壁上设置六个凹槽，六个凹槽分为上下两排设置，每排三个，上下两排凹槽的间隔为L，上排三个凹槽呈120°对称分布于同一水平面上，下排三个凹槽也呈120°对称分布于同一水平面上，且上排三个凹槽与下排三个凹槽分别对应于同一垂直线上；如图3所示，上部第一高精度传感器组161、上部第二高精度传感器组162及上部第三高精度传感器组163镶嵌于随钻气侵监测短节本体21外侧的3个凹槽内，呈120°对称分布；下部第一高精度传感器组151、下部第二高精度传感器组152及下部第三高精度传感器组153镶嵌于随钻气侵监测短节本体21下测量点外表面呈120°对称分布的三个凹槽内；所述上部第一高精度传感器组161、上部第二高精度传感器组162及上部第三高精度传感器组163分别与下第一高精度传感器组151、下部第二高精度传感器组152及下部第三高精度传感器组153对应设置在同一垂直线上。上部第一高精度传感器组161、上部第二高精度传感器组162、上部第三高精度传感器组163、下部第一高精度传感器组151、下部第二高精度传感器组152、下部第三高精度传感器组153均包含有一个压力传感器，一个温度传感器和一个深度传感器，可以得到相应的压力，温度和深度测量数据，为保证气侵监测的精确度，测量的钻井液当量循环密度测量精度为0.01g/cm3。上测量点处的环空压力测量值由所述的第一高精度传感器组161、上部第二高精度传感本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；其特征在于：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。

【技术特征摘要】
1.一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；其特征在于：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。2.根据权利要求1所述的基于环空压差随钻测量的气侵监测装置，其特征在于：所述随钻气侵监测短节，包括：随钻气侵监测短节本体、传感器组、随钻气侵监测短节公头、随钻气侵监测短节母头；随钻气侵监测短节上部通过随钻气侵监测短节公头与上部钻杆连接，下部通过随钻气侵监测短节母头与钻铤连接。3.根据权利要求1-2所述的基于环空压差随钻测量的气侵监测装置，其特征在于：传感器组包括上部第一高精度传感器组、上部第二高精度传感器组、上部第三高精度传感器组和下部第一高精度传感器组、下部第二高精度传感器组、下部第三高精度传感器组；随钻气侵监测短节由合金结构钢制成，随钻气侵监测短节本体内部安装有铠装电缆，随钻气侵监测短节本体外壁上设置六个凹槽，六个凹槽分为上下两排设置，每排三个，上下两排凹槽的间隔为L，上排三个凹槽呈120°对称分布于同一水平面上，下排三个凹槽也呈120°对称分布于同一水平面上，且上排三个凹槽与下排三个凹槽分别对应于同一垂直线上；上部第一高精度传感器组、上部第二高精度传感器组及上部第三高精度传感器组镶嵌于随钻气侵监测短节本体外侧的3个凹槽内，呈120°对称分布；下部第一高精度传感器组、下部第二高精度传感器组及下部第三高精度传感器组镶嵌于随钻气侵监测短节本体下测量点外表面呈120°对称分布的三个凹槽内；所述上部第一高精度传感器组、上部第二高精度传感器组及上部第三高精度传感器组分别与下第一高精度传感器组、下部第二高精度传感器组及下部第三高精度传感器组对应设置在同一垂直线上；上部第一高精度传感器组、上部第二高精度传感器组、上部第三高精度传感器组、下部第一高精度传感器组、下部第二高精度传感器组、下部第三高精度传感器组均包含有一个压力传感器，一个温度传感器和一个深度传感器，可以得到相应的压力，温度和深度测量数据，测量的钻井液当量循环密度测量精度为0.01g/cm3；上部第一高精度传感器组、上部第二高精度传感器组、上部第三高精度传感器组、下部第一高精度传感器组、下部第二高精度传感器组、下部第三高精度传感器组均与气侵监测短节本体内部的铠装电缆相连，并做防水处理。4.根据权利要求1-3所述的基于环空压差随钻测量的气侵监测装置，其特征在于：在钻井压力控制系统的气侵自动监测模块上设定合适的数据测量时间间隔△t并向位于井口地面的中心处理器发出数据测量指令，通过铠装电缆将信号传输给连接在钻头上方的随钻气侵监测短节，六个传感器组分别得到一组压力、温度和深度数据，该数据经过与传感器组相连的铠装电缆传递给数据连接总线，最终传输到中心处理器，中心处理器经过对上下两组数据进行算术平均处理后，得到两组压力、温度和深度数据，通过测量t时刻随钻气侵监测短节上、下测量点处的环空压力和深度数据得到该深度H处的的钻井液当量循环密度ρem；经过一定的时间间隔△t后，重复此测量过程，得到t+△t时刻随钻气侵监测短节所在深度的钻井液当量循环密度密度测定值ρ'em，并基于ρem和t+△t时刻的深度测量数据计算得到t+△t时刻的未发生气侵时的气侵随钻监测短节所在深度H'处的钻井液当量循环密度理论值ρ'ECD，定义下一时刻的平均钻井液当量密度ρ'em与钻井液当量循环密度ρ'ECD之差为Δρ'H'；将该差值Δρ'H'与该井的气侵判别阀值C进行比较：当ρ'em＜ρ'ECD且|Δρ'H'|>C时，说明气侵已经发生，需要立即启动井控预防措施；当ρ'em＜ρ'ECD且|Δρ′H′|≤C或者ρ′em≥ρ′ECD时，则说明该时刻还没有发生气侵，暂不用启动井控防范措施，继续进行下一时刻的气侵监测。5.根据权利要求1-4所述的基于环空压差随钻测量的气侵监测装置，其特征在于：上测量点处的环空压力测量值由所述的第一高精度传感器组、上部第二高精度传感器组及上部第三高精度传感器组算数平均得到；下测量点处的环空压力测量值由所述的第一高精度传感器组、上部第二高精度传感器组及上部第三高精度传感器组算数平均得到。6.一种基于环空压差随钻测量的气侵监测方法，采用权利要求1-5之一所述的基于环空压差随钻测量的气侵监测装置进行气侵监测装置，其特征在于，包括如下步骤：S1、井底环空数据的随钻测量与回传计算机终端在t时刻发出环空随钻数据测量指令，经数据连接总线传输到中心处理器后经过处理生成环空随钻数据测量信号，通过固定安装在钻杆壁内的铠装电缆向气侵随钻监测短节发送该测量信号，嵌装在气侵随钻监测短节外表面上下两个位置的六个传感器组在接收到铠装电缆传输过来的数据测量信号后立即进行测量工作，每一个传感器组都可以得到一组对应于其位置的压力和深度测量值。以气侵随钻监测短节的上测量点处为例，可以得到三个压力测量值P1-1、P1-2和P1-3和三个深度值H1-1、H1-2和H1-3，同时也能够得到下测量点处的相同数据，即三个压力测量值P2-1、P2-2和P2-3和三个深度值H2-1、H2-2和H2-3；测量工作完成后，得到的这12个数据立即通过铠装电缆上传到位于地面的中心处理器，中心处理器对这些数据进行滤波处理并将数据显示并保存到在计算机终端的数据库；S2、t时刻钻井液当量循环密度测量值ρem的确定假设随钻气侵监测短节对应长度环空中钻井液温度恒定，将上、下两测量点得到的六个传感器组的深度测量值取平均作为随钻气侵监测短节所在深度H，上、下两测量点的压力P1和P2同样以各自的三个对应压力测量值取平均得到；计算公式如下： P 1 = P 1 - 1 + P 1 - 2 + P 1 - 3 3 , ]]> P 2 = P 2 - 1 + P 2 - 2 + P 2 - 3 3 , ]]> H = ( H 1 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：李庆超，丁前，孙宝江，赵天华，李昊，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东;37