一种井筒气侵检测方法及系统与流程

本发明涉及石油工程技术领域，具体地说，涉及一种井筒气侵检测方法及系统。

背景技术：

钻井过程中，当井筒环空钻井液的压力小于地层孔隙压力时，地层孔隙中存在的天然气等气体将会侵入井筒环空内，从而发生气侵。气体侵入钻井液后，在井底时因受上部液柱的压力，气体体积很小。但是随着钻井液循环上返，气体所受的液柱压力减小，体积会逐渐膨胀，特别是接近地面时气体膨胀更快。

气侵后气体膨胀占据环空空间，这会造成环空内钻井液过多并返出井口，环空内的液柱压力会迅速降低，进一步导致气侵加剧，最终发生井喷，甚至出现井喷失控的情况。特别地，如果气侵的天然气中含有h2s或co2，井喷后极易造成现场人员伤亡。

因此，陆地和海洋平台钻井作业现场都需要对气侵进行实时监测，气侵发现越早，可控性越高，风险也就越低。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种井筒气侵检测方法，所述方法包括：

步骤一、获取钻井过程中的当前钻井液排量和当前钻井液排量下的从钻井液回流管线处检测到的超声波检测波形；

步骤二、根据所述当前钻井液排量确定超声波参考波形；

步骤三、将所述超声波检测波形与超声波参考波形进行比较，根据比较结果判断井筒内是否发生气侵。

根据本发明的一个实施例，在所述步骤三中，将所述超声波检测波形的频率和/或声压与所述超声波参考波形的频率和/或声压进行比较，判断所述频率差值和/或声压差值是否大于相应的预设差值阈值，其中，如果大于，则判定井筒内发生气侵。

根据本发明的一个实施例，所述方法还包括：

步骤a、在钻井液泵达到排量稳定后，获取当前钻井液排量下钻井液回流管线处检测到的超声波波形，确定无气侵发生时当前钻井液排量下的超声波波形，得到当前钻井液排量下的超声波参考波形；

步骤b、分次地调整钻井液排量并重复步骤a，得到不同钻井液排量下的超声波参考波形。

本发明还提供了一种井筒气侵检测系统，所述系统采用如上任一项所述的方法进行井筒气侵检测。

根据本发明的一个实施例，所述系统包括：

超声波生成装置，其设置在钻杆与钻头之间，用于产生与钻井液排量相对应的超声波；

超声波检测装置，其设置在地面井口的钻井液回流管线处，用于检测超声波信号，得到超声波检测波形；

数据处理装置，其与所述超声波检测装置连接，用于根据获取到的当前钻井液排量确定超声波参考波形，并将所述超声波检测波形与超声波参考波形进行比较，根据比较结果判断井筒内是否发生气侵。

根据本发明的一个实施例，所述超声波生成装置包括脉冲提速装置，所述脉冲提速装置的第一端与所述钻杆连接，第二端与所述钻头连接。

根据本发明的一个实施例，所述数据处理装置配置为将所述超声波检测波形的频率和/或声压与所述超声波参考波形的频率和/或声压进行比较，判断所述频率差值和/或声压差值是否大于相应的预设差值阈值，其中，如果大于，则判定井筒内发生气侵。

根据本发明的一个实施例，所述数据处理装置包括数据存储单元，所述数据存储单元中存储有不同钻井液排量下的超声波参考波形。

本发明所提供的井筒气侵检测方法以及系统利用脉冲提速工具在钻井工作过程中所产生的超声波来检测井筒内是否发生气侵。该方法以及系统将钻井提速与气侵检测相结合，在使用脉冲工具实现钻井过程中井底压力波动增压来提高钻井速度的同时，还利用脉冲工具在钻井增压过程中产生的超声波从井底沿环空内的钻井液上返至井口这一特点，通过检测、分析超声波的频率变化来对气侵进行检测，从而达到钻进过程提高机械钻速的同时对井筒气侵进行早期检测并及时发现气侵的目的。

相较于现有的井筒气侵检测系统，本系统直接利用钻井现场使用的脉冲提速工具，不需要在井内钻井管柱上安装特殊工具与设备，从而避免了因影响钻井液流动而降低井底水力效率。该系统的布置实施方法简单、安全可靠，其施工成本较常规方法和技术更低。

此外，本系统是通过在井口监测超声波生成装置所产生的特定频率的超声波来检测气侵，其不受钻进过程中钻柱振动产生的低频声波的影响，这也就使得本系统的检测结果不受钻井状态影响，从而使得得到的检测结果更加准确。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其它优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是根据本发明一个实施例的井筒气侵检测系统的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的脉冲射流增压提速短节的结构示意图；

图3是根据本发明一个实施例的一定排量下超声波生成装置所产生的超声波的波形图；

图4是根据本发明一个实施例的声波速度受空隙率大小的影响曲线示意图；

图5是根据本发明一个实施例的井筒内发生气侵和未发生气侵时检测到的超声波的波形对比图；

图6是根据本发明一个实施例的井筒气侵检测方法的实现流程示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

目前应用于钻井作业现场的井涌监测方法绝大部分依赖综合录井仪所提供数据，由于这些参数的测量是在井口进行，若发生气侵，此时气体已上返至接近井口，这种方法对于气侵的发现不及时，有可能使风险加剧甚至造成井喷。而现场应用的基于科里奥式质量流量计的出口流量的精确测量法和基于pwd的井涌早期监测法等，或仍具有一定的延后性，或由于钻井过程中复杂因素的干扰而存在识别的难度较大、误判程度较高的缺陷。

例如，现有技术方案中存在一种基于压力波时差确定钻井过程中气侵位置的装置。该装置以液动节流阀动作产生的压力波为波源，通过检测立管压力传感器和套管压力传感器接收到压力波的时间差判断是否发生气侵。但是，在实际钻井过程中，钻柱的振动不可避免地会对套管压力产生波动影响，因此该方法的可靠性较差，影响其对气侵的检测以及气侵位置的计算。

此外，现有技术方案中还存在一种钻井过程中气侵早期监测装置，该装置包括井下监测装置和井上监测装置。其中，井下监测装置用于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。该监测装置需要在井下管柱上额外安装监测装置短节且装置较为复杂，还会影响钻井液流动降低井底水力效率。井下监测装置与井上监测装置通过转换的1hz泥浆脉冲传递数据，这种数据传递方式所能够传输的数据量小，同时钻井过程中钻柱的振动也会影响其稳定性。

针对现有技术中所存在的上述问题，本发明提供了一种新的井筒气侵检测方法以及运用该方法进行井筒气侵检测的井筒气侵检测系统，该方法及系统通过分析超声波的变化来对气侵进行检测，从而达到对井筒气侵进行早期检测以及时发现气侵的目的。

图1示出了本实施例所提供的气侵检测系统的结构示意图。如图1所示，本实施例中，气侵检测系统包括：超声波生成装置1、超声波检测装置2以及数据处理装置3。其中，超声波生成装置1设置在钻杆与钻头之间，其用于产生与钻井液排量相对应的超声波。而超声波检测装置2设置在地面井口的钻井液回流管线处，其用于对钻井液传输来的超声波线信号进行检测，得到超声波检测波形。

本实施例中，超声波生成装置1优选地包括脉冲提速装置，其中，脉冲提速装置的第一端与钻杆连接，第二端与钻头连接。具体地，如图2所示，本实施例中，脉冲提速装置优选地采用脉冲射流增压提速短节来实现，脉冲射流增压提速短节安装在钻头上部，钻井液从上母接头201流入该短节后，在叶轮202以及自激振荡腔室203的联合作用下，其流动方式会由常规连续流动调制为振动脉冲流动。在流出下母接头204后，钻井液会在钻头喷嘴出口处形成脉冲空化射流，从而实现利用脉冲射流的钻井提速。

在脉冲射流增压提速短节的增压提速过程中，如图3所示，钻井液同时会振荡产生一定频率的超声波。不同钻井液排量下，脉冲射流增压提速短节所产生的超声波的频率将不同。

本实施例中，通过直接利用钻井现场使用的钻井脉冲提速工具，该系统不需要在井内钻井管柱上安装特殊工具与设备，从而能够有效避免因影响钻井液流动而降低井底水力效率。

当然，在本发明的其它实施例中，超声波生成装置1还可以采用其它合理的器件或设备来实现，本发明不限于此。

超声波生成装置1所产生的超声波在钻井液中将从井底向井口进行传播。由于液体的惯性以及钻井液中气体所具有的可压缩性，声波在含气或者不含气的钻井液中的传播速度相差很大。

地层气体侵入井筒后，在井底会以气泡的形式存在，井底形成的气液两相流的流型为泡状流。声波从液体中传播到气体中的时候，因为压缩气体会消耗部分声能，因此此时声波速度会降低。而声波从气体中传播到液体中的时候，因为液体具有较大的惯性作用，此时声波速度会再次降低。

侵入气体在井筒内向上运移过程中，由于钻井液压力逐渐减小，气体体积逐渐变大。气液两相流的流型依次变为塞状流、分层流、波状流、弹状流和环状流，气体空隙率随之增大。如图4所示，声波速度随空隙率的增加而降低，在空隙率很低的时候声波速度下降很快，随着空隙率的增加声波下降速度逐渐减小。当空隙率大于50％左右后，声波速度随空隙率的增加而增大。

如图5所示，当井筒内出现气侵后，由于钻井液内气体对于超声波传输速度以及声能的影响，超声波检测装置2在井口检测得到的超声波与无气侵时所能够的检测到的超声波相比，其频率和声压都会存在明显降低。

本实施例中，超声波检测装置2在检测到钻井液所传输来的超声波信号后，会将得到的超声波检测信号传输至与之连接的数据处理装置3。而数据处理装置3也就可以根据接收到的超声波的波形特征来判断井筒是否发生气侵。

图6示出了本实施例中数据处理装置利用本发明所提供的井筒气侵检测方法进行井筒气侵检测的实现流程示意图。

如图6所示，由于超声波的波形与钻井液排量相关，因此数据处理装置3会在步骤s601中获取钻井过程中的当前钻井液排量以及当前钻井液排量下超声波检测装置2从钻井液回流管线处所检测到的超声波波形(即超声波检测波形)。

随后，数据处理装置3会根据获取到的当前钻井液排量来确定出此时的超声波参考波形。具体地，本实施例中，数据处理装置3包含有数据存储单元，该数据处理单元中存储有不同钻井液排量下所检测到的超声波参考波形，即不同钻井液排量及其所对应的无气侵发生时的超声波波形。

本实施例中，为了获取到不同钻井液排量下无气侵发生时的超声波波形，该系统会在钻井液泵达到一定排量并稳定钻进后，利用超声波检测装置2来检测超声波生成装置1此时所产生的并通过钻井液传输至井口的超声波并将检测到的超声波信号传输至数据处理装置3。数据处理装置3会根据接收到的超声波信号来确定出无气侵发生时该钻井液排量下的超声波波形，并将该超声波波形设定为该钻井液排量下的对比图版(即超声波参考波形)。随后，该系统会分次地调整钻井液排量并重复上述步骤，从而得到不同钻井液排量下的超声波参考波形。数据处理装置3会将得到的不同钻井液排量及其所对应的超声波参考波形存储在自身的数据存储单元中，以在后续井筒气侵检测中进行读取调用。

如图6所示，数据处理装置3在得到超声波检测波形以及超声波参考波形后，会在步骤s603中将超声波检测波形与超声波参考波形进行比较，并根据比较结构来判断当前井筒内是否发生气侵。

正如以上分析的那样，当井筒内出现气侵后，由于钻井液内气体对于超声波传输速度以及声能的影响，在井口检测得到的超声波与无气侵时所能够的检测到的超声波相比，其频率和声压都会存在明显降低。因此本实施例中，数据处理装置3在步骤s603中也就可以将超声波检测波形的频率和/或声压与超声波参考波形的频率和/或声压进行比较，判断频率差值和/或声压差值是否大于相应的预设差值阈值。其中，如果频率差值或声压差值大于相应的预设差值阈值，那么数据处理装置3也就可以判定此时井筒内发生气侵；反之，如果频率差值和声压差值均不大于相应的差值阈值，那么数据处理装置3也就可以判定此时井筒内没有发生气侵。

需要指出的是，在本发明的不同实施例中，上述预设频率差值阈值和/或预设声压差值阈值可以根据实际情况配置为不同的合理值，本发明并不对预设频率差值阈值和/或预设声压差值阈值的具体取值进行限定。

从上述描述中可以看出，本实施例所提供的井筒气侵检测方法以及系统利用脉冲提速工具在钻井工作过程中所产生的超声波来检测井筒内是否发生气侵。该方法以及系统将钻井提速与气侵检测相结合，在使用脉冲工具实现钻井过程中井底压力波动增压来提高钻井速度的同时，还利用脉冲工具在钻井增压过程中产生的超声波从井底沿环空内的钻井液上返至井口这一特点，通过检测、分析超声波的频率变化来对气侵进行检测，从而达到钻井过程提高机械钻速的同时对井筒气侵进行早期检测并及时发现气侵的目的。

相较于现有的井筒气侵检测系统，本系统直接利用钻井现场使用的钻井脉冲提速工具，不需要在井内钻井管柱上安装特殊工具与设备，从而避免了因影响钻井液流动而降低井底水力效率。该系统的布置实施方法简单、安全可靠，其施工成本较常规方法和技术更低。

此外，本系统是通过在井口监测超声波生成装置所产生的特定频率的超声波来检测气侵，其不受钻进过程中钻柱振动产生的低频声波的影响，这也就使得本系统的检测结果不受钻井状态影响，从而使得得到的检测结果更加准确。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构或处理步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。