基于近钻头流体介电特性测量的井下溢流检测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于近钻头流体介电特性测量的井下溢流检测系统，涉及石油井控技术领域，包括阵列式井筒流体介电特性测量工具、电源管理电路、井下计算机、传感器调理电路和介电特性测量传感器；其中：阵列式井筒流体介电特性测量工具，用于安装电源管理电路、井下计算机和传感器调理电路；电源管理电路，系统组成部分提供需要的额定工作电压；井下计算机，对其他模块得到的结果进行分析，并通过设定的阈值得到最后判断的结果；传感器调理电路，与介电特性测量传感器连接，输出电压结果；介电特性测量传感器，分为环空流体介电特性测量传感器阵列与管内钻井液介电特性测量传感器。本系统能实时判断井筒溢流情况，可以有效减少经济上的损失。

【技术实现步骤摘要】
基于近钻头流体介电特性测量的井下溢流检测系统
本专利技术涉及石油井控
，确切地说涉及一种通过测量近钻头处介电特性来判断井下溢流的检测系统。
技术介绍
勘探找油和开发采油必须通过钻井来提供必要的信息与物质通道，在世界范围内，钻井费用占油气勘探和开发总成本50%以上，如果保证石油钻探开发安全，将大大节约钻井成本。目前，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。钻井过程中溢流的及时发现，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。井控技术经过多年发展，形成了多种早期溢流监测技术方法，如泥浆池液面监测法、微流量测量法、声波气侵监测法、基于PWD的压力分析法等。各种早期溢流监测方法采用的技术原理不尽相同，具备的技术优势也各不一样，现场使用时都存在着一定的局限。因此，为了适应复杂多变的钻井条件，早期溢流监测技术必须采用丰富的技术手段，以达到实时性与可靠性并存的目的。现有技术中，泥浆池液面监测法是早期溢流监测技术方法之一：在石油勘探钻井时，要连续不断地把泥浆注入井下，再由井下返回到泥浆池。钻进过程中泥浆在不断地循环。正常情况下，泥浆池流出的泥浆和流入的泥浆保持平衡。如果出现不平衡，将意味着要发生井喷或漏井。泥浆液位高低变化反映了泥浆流出、流入量的变化。因此，监视泥浆池液面高低变化，即可作井喷、漏井的预报。泥浆池液面监测法具有一定的延时性，不能在第一时间监测到事故的发生。随着技术发展，又有人研究出了微流量测量法，微流量测量法是基于磁耦合原理设计的适用于测量液体和气体微小体积流量的方法。被测量介质的某一个流量，对应测量管中磁性浮子的一个位置，这个位置通过磁耦合由现场指示器中的指针指示出来，通过刻度盘上的读数即可得到流过当前测量管中的液体或气体的体积流量。微流量测量法仍然存在以下技术缺点：（1）虽然流量计前均有设网目数适宜的过滤器，但是还是会因为口径较小出现被流体中的杂质堵住或卡滞的情况。（2）绝大部分微小流量浮子流量计必须垂直安装在无振动的管道上，不应有明显的倾斜，流体自下而上流过仪表。如果有振动、倾斜会出现附加误差。此外，作者为卿玉、宋来阳、杨宁等于2019年在第31届全国天然气学术年会（2019）论文集（05钻完井工程）上发表了题名为“井下溢流监测方法及预警装置研究”的会议论文，该论文公开了在窄泥浆密度窗口地层钻进时容易造成溢流、井涌等井下复杂事故。为了及时发现复杂事故，防止事故恶化，利用监测井筒内流体介电常数的变化情况，及时发现钻井过程中的事故情况。为实现实时测量井筒内流体介电常数，设计了适合高温高粘度流体介电特性测量探头，通过室内试验分析了频率对探头的影响以及区分不同介质的方法，分析了介质溶液浓度对测量结果的影响，并进行模拟实验，验证了借助介电特性监测对钻井过程安全预警的可行性。上述“井下溢流监测方法及预警装置研究”的会议论文技术方案，在实际使用过程中，仍然存在以下缺陷和不足：高温高粘度流体介电特性测量探头采用的是单点式测量方案，而井下情况较为复杂，单点式测量方案的测量探头极易出现故障，导致误判情况时有发生，井下溢流情况判断准确率不高。
技术实现思路
本专利技术旨在针对上述现有技术所存在的缺陷和不足，提供一种基于近钻头流体介电特性测量的井下溢流检测系统，本系统通过钻井井筒内外介电特性的变化而引起的电路输出电压的变化，实时判断井筒溢流情况，从而判断是否出现钻井事故。这样可以有效减少经济上的损失，并且同时可以减少钻井事故造成的伤亡。同时，本专利技术还能解决“井下溢流监测方法及预警装置研究”该篇会议论文中所出现的单点式测量方案的测量探头极易出现故障导致误判的技术问题，井下溢流情况判断准确率得以大幅提高。本专利技术是通过采用下述技术方案实现的：一种基于近钻头流体介电特性测量的井下溢流检测系统，其特征在于：包括阵列式井筒流体介电特性测量工具、电源管理电路、井下计算机、传感器调理电路和介电特性测量传感器；其中：阵列式井筒流体介电特性测量工具，是检测系统的主体，用于安装电源管理电路、井下计算机和传感器调理电路，并与钻头、钻铤连接下钻；为其他装置提供足够坚硬稳定的工作环境；电源管理电路，对通信活塞环提供的供电电压进行变换，为系统组成部分提供需要的额定工作电压；从而使各组成部分正常工作；井下计算机，对传感器调理电路得到的输出电压结果进行分析，并通过设定的阈值得到最后判断的结果；传感器调理电路，与介电特性测量传感器连接，即阵列式测量电路，通过传感器数据的变化，得到输出电压的结果；介电特性测量传感器，分为环空流体介电特性测量传感器阵列与管内钻井液介电特性测量传感器，分别测量环空流体与管内流体的介电特性。进一步的，传感器调理电路，包括环空流体介电特性测量传感器阵列、管内钻井液介电特性测量传感器和多个电阻，所述环空流体介电特性测量传感器阵列包括电容C11、电容C21、电容C31、电容C12、电容C22和电容C32；所述管内钻井液介电特性测量传感器包括电容C41和电容C42；所述电阻包括电阻R11、电阻R12、电阻R21、电阻R22、电阻R31、电阻R32、电阻R41和电阻R42；其电路连接方式为：电阻R11、电阻R12、电阻R21、电阻R22为顺序串联的电阻电路与顺序为电阻R42、电阻R41、电阻R32、电阻R31串联的电阻电路并联，并连接到同一激励下；电容C11、电容C21、电容C31与电阻R11并联；电容C41与电阻R21并联；电容C12、电容C22、电容C32与电阻R31并联；电容C42与电阻R41并联；输出电压是电阻R41、电阻R32之间与电阻R12、电阻R21之间的电压差。进一步的，所述环空流体介电特性测量传感器阵列设置于环空流体中。进一步的，所述管内钻井液介电特性测量传感器设置于管内流体中。进一步的，环空流体介电特性测量传感器阵列为了方便维护，采用盖板式安装结构。进一步的，管内钻井液介电特性测量传感器考虑了流体流型，采用了平面设计。防止传感器冲蚀。进一步的，在阵列式井筒流体介电特性测量工具设置有线槽，电源管理电路、井下计算机和传感器调理电路通过线槽连线。进一步的，阵列式井筒流体介电特性测量工具上还设置有通信活塞环，通信活塞环用于给测量工具供电，并将测量信号传输至MWD。进一步的，阵列式井筒流体介电特性测量工具上开有井下计算机模块仪器仓，井下计算机安装于井下计算机模块仪器仓内。进一步的，阵列式井筒流体介电特性测量工具上开有传感器调理电路仪器仓，传感器调理电路安装于传感器调理电路仪器仓内。进一步的，阵列式井筒流体介电特性测量工具上开有电源管理电路仪器仓，电源管理电路安装于电源管理电路仪器仓内。本井下溢流检测系统的使用方法为：步骤1：首先对设计制作好的电源管理电路、井下计算机、传感器调理电路进行高温高压试验。步骤2：对阵列式井筒流体介电特性测量工具进行高温高压试验。步骤3：在阵列式井筒流体介电特性测量工具上安装电源管理电路、井下计算机、传感器调理电路。步骤4：将设备通过阵列式井筒本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于近钻头流体介电特性测量的井下溢流检测系统，其特征在于：包括阵列式井筒流体介电特性测量工具（1）、电源管理电路、井下计算机、传感器调理电路和介电特性测量传感器；其中：/n阵列式井筒流体介电特性测量工具（1），是检测系统的主体，用于安装电源管理电路、井下计算机和传感器调理电路，并与钻头、钻铤连接下钻；/n电源管理电路，对通信活塞环（4）提供的供电电压进行变换，系统组成部分提供需要的额定工作电压；/n井下计算机，对传感器调理电路得到的输出电压结果进行分析，并通过设定的阈值得到最后判断的结果；/n传感器调理电路，与介电特性测量传感器连接，通过传感器数据的变化，得到输出电压的结果；/n介电特性测量传感器，分为环空流体介电特性测量传感器阵列（5）与管内钻井液介电特性测量传感器（3），分别测量环空流体与管内流体的介电特性。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于近钻头流体介电特性测量的井下溢流检测系统，其特征在于：包括阵列式井筒流体介电特性测量工具（1）、电源管理电路、井下计算机、传感器调理电路和介电特性测量传感器；其中：
阵列式井筒流体介电特性测量工具（1），是检测系统的主体，用于安装电源管理电路、井下计算机和传感器调理电路，并与钻头、钻铤连接下钻；
电源管理电路，对通信活塞环（4）提供的供电电压进行变换，系统组成部分提供需要的额定工作电压；
井下计算机，对传感器调理电路得到的输出电压结果进行分析，并通过设定的阈值得到最后判断的结果；
传感器调理电路，与介电特性测量传感器连接，通过传感器数据的变化，得到输出电压的结果；
介电特性测量传感器，分为环空流体介电特性测量传感器阵列（5）与管内钻井液介电特性测量传感器（3），分别测量环空流体与管内流体的介电特性。


2.根据权利要求1所述的基于近钻头流体介电特性测量的井下溢流检测系统，其特征在于：传感器调理电路，包括环空流体介电特性测量传感器阵列（5）、管内钻井液介电特性测量传感器（3）和多个电阻，所述环空流体介电特性测量传感器阵列（5）包括电容C11、电容C21、电容C31、电容C12、电容C22和电容C32；所述管内钻井液介电特性测量传感器（3）包括电容C41和电容C42；所述电阻包括电阻R11、电阻R12、电阻R21、电阻R22、电阻R31、电阻R32、电阻R41和电阻R42；其电路连接方式为：电阻R11、电阻R12、电阻R21、电阻R22为顺序串联的电阻电路与顺序为电阻R42、电阻R41、电阻R32、电阻R31串联的电阻电路并联，并连接到同一激励下；电容C11、电容C21、电容C31与电阻R11并联；电容C41与电阻R21并联；电容C12、电容C22、电容C32与电阻R31并联；电容C42与电阻R41并联；输出电压是电阻R41、电阻R32之间与电阻R12、电阻R21之间的电压差。

【专利技术属性】
技术研发人员：李玉飞，罗园，罗卫华，卿玉，熊祖根，王留洋，谢意湘，胡旭光，胡光辉，刘贵义，
申请(专利权)人：中国石油天然气集团有限公司，中国石油集团川庆钻探工程有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11