一种用于控压钻井的井漏实时检测系统的制作方法

本发明涉及石油天然气领域，一种用于控压钻井中实时监测井漏的系统和方法，实现了井漏时自动报警，并预测井漏层位的目的。

背景技术：

井漏是一种在钻井过程中钻井液漏失到地层中的现象。一方面它是钻井过程中常见的井下复杂情况之一，同时也是钻井过程中长期存在但也难以解决的技术问题。在钻井现场，井漏的发生会浪费大量的有效钻进时间，甚至导致井眼报废，造成巨大的经济损失。

井漏一旦发生，不仅需要及时预警、快速反应，还需要进行堵漏作业。虽然目前的堵漏技术不断地发展和改进，但堵漏作业仍然面临着较高的风险，存在较大的失败概率。究其原因，主要是井漏层位判断不准等因素导致。因此，有必要发明一种既能实时监测、及时发现井漏并预警，还能够准确判断出具体井漏层位的井漏监测系统和方法，为钻井现场提供支持。

目前广泛使用的方法是水动力学测和井下仪器测试方法。水动力学法的测量精度受井径、钻具、钻井液流量等多种参数的影响，存在一定误差，结果不准确，只能确定一个较大的范围。仪器测试法目前主要是利用井内流体的各种物理特性进行测量的，如流速、温度等。这类测量方法相对精确，但测量井段长，耗时长，效率低，单一方法应用容易受不同地质条件的局限。目前漏层位置测量技术的缺少地面和井下方法的综合性、系统化研究与应用，缺乏多种技术相互组合、相互补充的一体化方法。

如申请号为CN201520899414.2的中国专利，提供了一种井涌井漏监测装置，涉及钻井参数检测技术领域，包括数据采集装置、转换电路和数据处理器，所述数据采集装置包括安装在入口管线上的钻井液入口流量传感器、安装在钻井液出口管线上的钻井液出口流量传感器和钻井参数仪，钻井液入口流量传感器和钻井液出口流量传感器均与转换电路相连，转换电路和钻井参数仪均与数据处理器相连。该专利将钻井液出入口流量竭泽而渔钻井参数仪提供的井深、大钩负荷、立管压力等信息结合进行综合判断，虽然能够在钻井过程中预报溢流井漏的情况，但是存在无法准确判断出具体井漏层位的缺陷。再如申请号为201410501685.8的中国专利，提供了一种溢流和井漏监测系统及其监测方法，包括监测罐、液位计、调节阀、截止阀、泵冲传感器、灌浆泵、钻井液池和监测控制报警装置。监测罐通过隔板分割为主、副腔室，并在其上设置液位计和不同的管口与井口装置、灌浆泵、钻井液池建立连接，液位计、泵冲传感器和调节阀与监测控制报警装置连接，控制调节阀的开关、灌浆泵的启停并对溢流井漏进行实时监测和预警。该发明在井筒内钻井液循环过程中，通过副腔室内液位变化速度的快慢，通过判断井筒内返出流量的变化情况预测溢流和井漏，受起下钻过程中井筒液位和监测罐很截面积影响较大，操作复杂，精确度较低，且不能准确判断出具体井漏层位。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对现有技术存在的瓶颈，提供一种在现场控压钻井施工过程中能够自动监测、快速反应、及时预警的井漏实时监测系统和方法，尽可能地节约事故处理时间，为现场钻井工程师提供有价值的井下信息，最大限度减少井漏等复杂情况带来的经济损失。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于控压钻井的井漏实时检测系统，包括信号搜集预处理模块、信号智能判别模块和漏层指示与预警模块，所述信号搜集预处理模块包括流量传感器、前置放大器a、整形放大器、AD转换器a、立管压力传感器、前置放大器b、带通滤波器、AD转换器b，所述信号智能判别模块包括单片机，所述漏层指示与预警模块包括功率放大器、声光信号装置和电脑。

优选的是，所述信号搜集预处理模块分为两个支路，支路一，流量传感器安装在钻井液返出管线，并与前置放大器a连接，前置放大器a与整形放大器连接，整形放大器与AD转换器a连接；支路二，立管压力传感器安装在立管处，与前置放大器b连接，前置放大器b与带通滤波器连接，带通滤波器与AD转换器b连接。

上述任一方案优选的是，所述AD转换器a和AD转换器b分别通过输入端口与单片机连接。

上述任一方案优选的是，所述单片机输出端口一个分支与电脑连接，输出漏层计算结果并即时显示，另一分支与功率放大器连接，功率放大器将信号增强之后，传输给声光信号装置发出井漏预警。

上述任一方案优选的是，所述流量传感器包括涡轮流量传感器、节流式流量传感器、转子流量传感器、超声波流量传感器，用于测量钻井液返出流量，产生流量信号。

上述任一方案优选的是，所述前置放大器a用于接收流量监测信号并进行增益放大。

上述任一方案优选的是，所述整形放大器用于对流量信号进行整形预处理，并将信号波形进一步放大。

上述任一方案优选的是，所述AD转换器a可以将流量信号的模拟信号转换为数字信号。

上述任一方案优选的是，所述立管压力传感器可以实时监测立管压力变化情况，产生立管压力信号。

上述任一方案优选的是，所述前置放大器b可以将压力信号进行增益放大，提高信噪比并减少外界干扰，再传送给带通滤波器。

上述任一方案优选的是，所述带通滤波器可以对压力信号进行滤波预处理，降噪之后的信号进一步传送给AD转换器b。

上述任一方案优选的是，AD转换器b可以将压力信号的模拟信号转化为数字信号。

上述任一方案优选的是，所述单片机可以对数字信号进行处理，编写MCU程序对井漏信号进行智能计算与分析。

上述任一方案优选的是，在正常情况下，所述单片机对流量信号和压力信号进行实时监测并记录，将数据储存于电脑中；发生井漏情况下，流量显著降低，所述单片机发出预警信号，通过功率放大器放大之后，传递给声光信号装置，发出警报，同时，单片机对记录的流量信号和压力信号进行分析，提取出两种信号中发生井漏的特征点，根据两个特征点所对应的时刻求取时间差，最终根据井漏层位预测模型给出井漏深度，并通过电脑即时显示。

上述任一方案优选的是，所述的压力信号和流量信号，其储存文件的数据类型包括时间点、压力值、流量值。

一种井漏层位预测模型，包括流体在环空中的上返时间计算、立管压力响应时间计算、漏层位置计算。

1)流体在环空中的上返时间

井漏前入口和出口流量均为Q，井漏后出口流量减小为Q₁，井筒环空截面积为A，环空上返速度满足：

流体在环空中上返时间为：

其中，h为漏层位置的井深；

2)立管压力响应时间

井漏一旦发生，井底的压力降低，最终导致立管压力下降，假设压力降在环空和钻杆内分别以v_p1和v_p2的速度传播，则井漏之后立管压力的响应时间满足：

其中，H为已钻总井深；

3)漏层位置计算

由于井漏发生之后，立管压力响应时间和流体上返时间存在差异，因此根据二者的时间差Δt确定漏层深度；

时间差的计算式为：

漏层位置可表示为：

优选的是，压力降传播速度测量方法步骤如下：

①在某一开次的正常钻进过程中，当井深达到H₁处时，利用控压钻井装置的回压泵人为施加井口回压Δp，并开始计时，当立管压力升高至稳定状态后，停止计时，得到响应时间Δt₁；

②继续钻进，当井深分别达到H₂和H₃处时，分别重复步骤①操作，求得响应时间Δt₂和Δt₃，得到：

联立式(6)和式(7)，得到第一组压力降传播速度和联立式(7)和式(8)，得到第二组压力降传播速度和当两组测量速度之间的误差小于10％时，认为测量值准确，即：

其中e₁、e₂为误差值；若测量值不满足式(9)和(10)，则重复步骤①和步骤②的操作，继续测量。

本发明技术方案的优点在于，作为一种地面和井下结合的综合性、系统化监测系统，利用各类传感器采集井下信息，包括流体上返时间和立管压力响应时间等，通过地面设备计算漏层位置，自动完成数据处理和分析，实时监测井漏情况，即时给出漏层深度，特别是能测出不在井底的漏层位置，具有智能、高效、可靠的特点，较之那些只能监测井底漏失的系统更胜一筹。

附图说明

图1为按照本发明的控压钻井的井漏实时检测系统一优选实施例的结构示意图；

图2为按照本发明的控压钻井的井漏实时检测系统一优选实施例的井漏发生前井筒流量变化示意图；

图3为按照本发明的控压钻井的井漏实时检测系统一优选实施例的井漏发生后井筒流量变化示意图；

图4为按照本发明的控压钻井的井漏实时检测系统压力降传播速度测量方法一优选实施例的流程图。

图示说明：

1-流量传感器、2-前置放大器a、3-整形放大器、4-AD转换器a、5-立管压力传感器、6-前置放大器b、7-带通滤波器、8-AD转换器b、9-单片机、10-功率放大器、11-声光信号装置、12-电脑。

具体实施方式

为了更进一步了解本发明的发明内容，下面将结合具体实施例对本发明作更为详细的描述，实施例只对本发明具有示例性作用，而不具有任何限制性的作用；任何本领域技术人员在本发明的基础上作出的非实质性修改，都应属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，一种用于控压钻井的井漏实时检测系统，包括信号搜集预处理模块、信号智能判别模块和漏层指示与预警模块，所述信号搜集预处理模块包括流量传感器1、前置放大器a2、整形放大器3、AD转换器a4、立管压力传感器5、前置放大器b6、带通滤波器7、AD转换器b8，所述信号智能判别模块包括单片机9，所述漏层指示与预警模块包括功率放大器10、声光信号装置11和电脑12。

在本实施例中，所述信号搜集预处理模块分为两个支路，支路一，流量传感器1安装在钻井液返出管线，并与前置放大器a2连接，前置放大器a2与整形放大器3连接，整形放大器3与AD转换器a4连接；支路二，立管压力传感器5安装在立管处，与前置放大器b6连接，前置放大器b6与带通滤波器7连接，带通滤波器7与AD转换器b8连接。

在本实施例中，所述AD转换器a4和AD转换器b8分别通过输入端口与单片机9连接。

在本实施例中，所述单片机9输出端口一个分支与电脑12连接，输出漏层计算结果并即时显示，另一分支与功率放大器10连接，功率放大器10将信号增强之后，传输给声光信号装置11发出井漏预警。

在本实施例中，所述流量传感器优选了超声波流量传感器，用于测量钻井液返出流量，产生流量信号。

在本实施例中，所述前置放大器a2用于接收流量监测信号并进行增益放大。

在本实施例中，所述整形放大器3用于对流量信号进行整形预处理，并将信号波形进一步放大。

在本实施例中，所述AD转换器a4可以将流量信号的模拟信号转换为数字信号。

在本实施例中，所述立管压力传感器5可以实时监测立管压力变化情况，产生立管压力信号。

在本实施例中，所述前置放大器b6可以将压力信号进行增益放大，提高信噪比并减少外界干扰，再传送给带通滤波器7。

在本实施例中，所述带通滤波器7可以对压力信号进行滤波预处理，降噪之后的信号进一步传送给AD转换器b8。

在本实施例中，AD转换器b8可以将压力信号的模拟信号转化为数字信号。

在本实施例中，所述单片机9可以对数字信号进行处理，编写MCU程序对井漏信号进行智能计算与分析。

在本实施例中，所述的压力信号和流量信号，其储存文件的数据类型包括时间点、压力值、流量值。

如图2所示，在本实施例中，井口的入口流量为Q，在未发生井漏的正常钻进情况下，出口流量也为Q。

如图3所示，在本实施例中，一旦发生井漏，漏层的漏失流量为Q₂，出口流量降低为Q₁，满足Q＝Q₁+Q₂。与此同时井底压力降低，立管压力也随之降低。

在本实施例中，立管压力由立管压力传感器5实时测量，压力信号由前置放大器b6进行增益放大，提高信噪比并减少外界干扰，再传送给带通滤波器7进行滤波处理，降噪之后的信号进一步传送给AD转换器b8，将模拟信号转化为数字信号，最终由输入接口端传递给单片机9进行分析。

在本实施例中，流量传感器1实时监测钻井液返出流量，流量监测信号通过前置放大器a2增益放大之后，传递给整形放大器3对信号进行整形预处理，并将信号波形进一步放大，通过AD转换器a4将模拟信号转化为数字信号，由输入接口端传递给单片机9。

在本实施例中，未发生井漏时，优选的单片机9对流量信号和压力信号进行实时监测并记录，将数据储存于电脑12中。井漏发生时，一旦发现流量显著降低，单片机9发出预警信号，通过功率放大器10放大之后，传递给声光信号装置11，发出警报。同时，单片机9对记录的流量信号和压力信号进行分析，提取出两种信号中发生井漏的特征点，根据两个特征点所对应的时刻求取时间差Δt，最终根据井漏层位预测模型给出井漏深度，并通过电脑12即时显示。

如图4所示，一种压力降传播速度测量方法的实施步骤为：正常钻进到某个井深H_i(i＝1，2，3，……)处时，保持工况不变，调节回压泵的节流阀开度，额外施加井口回压Δp，且须保证施加回压Δp后不压漏裸眼井段薄弱地层。回压施加完毕后的时刻记录为起始时间。监测立管压力传感器5，记录压力值和对应时间。当立管压力升高至稳定状态后，停止计时，压力从升高到稳定的时间拐点记录为结束时间。根据起始时间和结束时间，计算时间差Δt_i(i＝1，2，3，……)。测量三组不同井深处的数据之后，根据公式：

联立式(6)和式(7)，得到第一组压力降传播速度和联立式(7)和式(8)，得到第二组压力降传播速度和当两组测量速度之间的误差小于10％时，认为测量值准确，即：

计算和e_i，若误差不满足要求，重复上述操作继续测量，直到误差值满足。

本实施例利用各类传感器采集井下信息，自动完成数据处理和分析，实时监测井漏情况，即时给出漏层深度，特别是能测出不在井底的漏层位置，具有智能、高效、可靠的特点，较之那些只能监测井底漏失的系统更胜一筹。

尽管具体地参考其优选实施例来示出并描述了本发明，但本领域的技术人员可以理解，可以作出形式和细节上的各种改变而不脱离所附权利要求书中所述的本发明的范围。以上结合本发明的具体实施例做了详细描述，但并非是对本发明的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，均仍属于本发明技术方案的范围。