一种气体钻井井筒内携岩状态快速判断方法
【专利摘要】本发明公开了一种气体钻井井筒内携岩状态快速判断方法，包括：(1)在排砂管线上游段下壁安装音频信号采集器；(2)停止钻进的情况下，采集不同直径大小标准岩样颗粒在管内运动的音频信号；(3)对有效音频信号段进行提取；(4)建立大颗粒岩屑直径与音频信号特征的对应关系；(5)钻进的情况下，提取排砂管内大颗粒岩屑运动产生的音频信号，判别颗粒直径；(6)统计单位时间内排砂管内各种直径大小dn颗粒对应的数量Nn，计算排出大颗粒岩屑的体积；(7)确立排砂管内排出大颗粒岩屑体积流量与机械钻速的关系；(8)快速判断气体钻井井筒内的携岩状态。本发明原理可靠，操作简便，监测连续实时、迅速，判断结果直观，符合钻井施工的需求，具有很好的应用前景。
【专利说明】一种气体钻井井筒内携岩状态快速判断方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及油气开采领域中，气体钻井实时监测井下携岩状态的方法，为气体钻 井的正常钻进提供一种在线监测手段。
【背景技术】
[0002] 在气体钻井施工中，井筒内所产生岩石碎屑的连续排出状况是关系气体钻井是否 能够安全和高效钻进的重要因素。开展气体钻井工程施工以来，工程技术人员依靠"一听二 看三探"来判断井筒内携岩状态，即：听一耳朵直接贴在排砂管线上听管内岩屑运动的声 音；看一肉眼直接观察排砂管线出口处的岩屑排出情况；探一停止注气后探测钻头下 沉砂的多少，这是人们判断井筒内携岩状态的经验方法，也是目前工程施工中使用的方法。 随着深井、复杂井中气体钻井的应用发展，这种简单的经验方法已经不能满足施工的要求。
[0003] 正常气体钻井条件下，井筒内的固相物流量就是钻头破碎地层的岩屑体积流量， 是随时间基本恒定的。然而在突发井壁掉块、坍塌，钻遇高压储层时产生的岩爆以及井筒携 岩不畅通发生阻卡时，排砂管线的固相物流量会突然变化，准确、及时地监测排砂管线固相 物尤其是大颗粒岩屑体积流量的变化，对于预防、判断井下突发的复杂状况或事故有非常 重要的意义。由于气体钻井条件下返出流体的强烈冲蚀作用和粘性附着影响，而使得目前 工业界常用的各种固相物流量测量方法不适合本应用。本发明的目的在于提供一种气体钻 井排砂管内大颗粒岩屑体积流量快速监测方法，能进一步对井筒内携岩状态进行判断。原 理简单可靠，现场操作简便，可长期稳定工作，监测连续实时、迅速，判断结果直观，符合钻 井施工的需求，且有一定的适应性，很好地解决了不能使用各种常规的测量方法对气体钻 井排砂管线大颗粒固相物流量实时监测、异常判断的问题。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种气体钻井井筒内携岩状态快速判断方法，原理可靠， 操作简便，监测连续实时、迅速，判断结果直观，符合钻井施工的需求，具有很好的应用前 旦 -5^ 〇
[0005] 为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。
[0006] 所述气体钻井井筒内携岩状态快速判断方法，其原理是通过监测排砂管内大颗粒 岩屑运动所产生的音频信号，从而获取大颗粒岩屑的体积和数量信息，间接估算气体钻井 返出流体中大颗粒岩屑瞬态体积流量，从而了解井筒内携岩状态信息，为进一步判断井筒 内突发掉块、井塌、出砂、砂桥崩溃、出水等异常状况提供依据。其技术关键是对排砂管内大 颗粒岩屑的体积及数量进行判断，内容包括管内音频信号的采集，不同直径大小颗粒运动 音频信号模型样本的建立，颗粒直径大小的估算方法，气体钻井井筒内携岩状态快速判断 方法。
[0007] -种气体钻井井筒内携岩状态快速判断方法，依次包括以下步骤：
[0008] (1)在排砂管线上游段下壁安装一个音频信号采集器，采集器的拾音元件紧贴管 壁，并用隔音材料包裹该段排砂管线，拾音元件也包裹在其中。采集器具有模数转换功能， 将采集的模拟信号转换为数字信号，并实现远程实时传输，避免在传输过程中引入新的模 拟噪声。
[0009] (2)停止钻进的情况下，采集不同直径大小标准岩样颗粒在管内运动的音频信号。
[0010] 具体方法为：在排砂管线上游段的上壁设置岩样颗粒注入口，入口大小保证可注 入最大直径的标准岩样颗粒。停止钻进并保持正常钻进的注气量，在排砂管岩样颗粒注入 口逐个掷入直径大小为dp df dn的标准岩样颗粒（n :岩样直径大小编号），每个岩样颗粒 进行m次实验，用音频信号采集器采集其在管内运动的音频信号。
[0011] (3)对采集音频信号中的非噪声信号进行端点检测，根据该端点对有效音频信号 段进行提取。
[0012] (4)对提取的有效音频信号段进行短时能量计算，计算结果作为信号模型样本，建 立大颗粒岩屑直径与音频信号特征的对应关系。
[0013] 具体方法为：首先对提取的有效音频信号段按时间进行分段处理得到若干子段， 然后对每个子段求取短时能量，得到该信号段随时间的短时能量分布，将该分布作为标准 岩样颗粒的短时能量分布模型样本；每个标准岩样颗粒做m次实验，n个颗粒得到nXm个 模型样本集合并建立样本库S，样本库S中各模型样本用Snm表不，下标n表不岩样直径大 小编号，m表示该颗粒第m次实验获得的模型样本。即建立排砂管内运动的大颗粒岩屑直 径与音频信号特征的对应关系。
[0014] (5)钻进的情况下，提取排砂管内大颗粒岩屑运动产生的音频信号，判别颗粒直 径。
[0015] 具体方法为：在钻进过程中，用步骤（1)的方法实时采集排砂管内音频信号；用步 骤（3)的方法实时提取其中某个有效音频信号段X后进行分段，求取短时能量后得到该信 号段随时间的短时能量分布y，采用动态时间规整算法（DTW)将y逐个与样本库S中的模型 样本Snm求取匹配距离h，找出具有最小匹配距离的模型样本Snm，即样本库中第n个颗粒的 第m次实验得到的模型样本，则判断产生有效音频信号段X的大颗粒岩屑与第n个直径大 小的标准岩样颗粒具有相同的直径大小dn及体积参数。
[0016] (6)统计单位时间内排砂管内各种直径大小dn颗粒对应的数量Nn，即可计算排出 大颗粒岩屑的体积，作为单位时间内的大颗粒岩屑体积量Vz :
【权利要求】
1. 一种气体钻井井筒内携岩状态快速判断方法，依次包括以下步骤： (1) 在排砂管线上游段下壁安装一个具有模数转换功能的音频信号采集器； (2) 停止钻进的情况下，采集不同直径大小标准岩样颗粒在管内运动的音频信号，具体 包括：在排砂管线上游段的上壁设置岩样颗粒注入口，入口大小保证可注入最大直径的标 准岩样颗粒，停止钻进并保持正常钻进的注气量，在排砂管岩样颗粒注入口逐个掷入直径 大小为dp (Vm 4的标准岩样颗粒，每个岩样颗粒进行m次实验，用音频信号采集器采集其 在管内运动的音频信号； (3) 对采集音频信号中的非噪声信号进行端点检测，根据该端点对有效音频信号段进 行提取； (4) 对提取的有效音频信号段进行短时能量计算，计算结果作为信号模型样本，建立大 颗粒岩屑直径与音频信号特征的对应关系； (5) 钻进的情况下，提取排砂管内大颗粒岩屑运动产生的音频信号，判别颗粒直径； (6) 统计单位时间内排砂管内各种直径大小dn颗粒对应的数量Nn，计算排出大颗粒岩 屑的体积，作为单位时间内的大颗粒岩屑体积量Vz :
(7) 正常钻进状态下，确立排砂管内排出大颗粒岩屑体积流量与机械钻速的关系，具体 包括：首先利用机械钻速等相关参数确定正常钻进状态，用（6)方法统计该状态下任意p个 单位时间段内排出大颗粒岩屑的体积，求取平均值后得到正常钻进时，排出大颗粒岩屑体 积流量的标准值Vzb，改变机械钻速重复上述过程，得到一系列标准值Vzb，用曲线拟合的方 式建立钻速rop与标准值Vzb之间的函数关系式Vzb = f(rop)，并设定正常的波动范围AVz=Vzb*20% ； (8) 快速判断气体钻井井筒内的携岩状态，具体包括：钻进过程中，首先将当前机械钻 速rop代入函数关系式Vzb = f (rop)，计算当前正常钻进时应排出的大颗粒岩屑体积流量 标准值^，如果机械钻速稳定，而实时监测到的排出大颗粒岩屑体积流量<突然超出正常 钻进的波动范围：①<>匕+AG，则判断井筒内气携岩状态不正常，根据岩屑迟到时间 参数，可以推断井筒内对应时间点可能出现了掉块、井塌、井底岩爆、砂桥崩溃等异常状况； ②<< U-AFz，则判断井筒内气携岩状态不正常，可能出现携岩不畅、地层出水等异常 状况。
2. 如权利要求1所述的气体钻井井筒内携岩状态快速判断方法，其特征在于，所述步 骤（4)包括：首先对提取的有效音频信号段按时间进行分段处理得到若干子段，然后对每 个子段求取短时能量，得到该信号段随时间的短时能量分布，将该分布作为标准岩样颗粒 的短时能量分布模型样本；每个标准岩样颗粒做m次实验，n个颗粒得到nXm个模型样本 集合并建立样本库S，样本库S中各模型样本用Smi表不，下标n表不岩样直径大小编号，m 表示该颗粒第m次实验获得的模型样本，建立排砂管内运动的大颗粒岩屑直径与音频信号 特征的对应关系。
3. 如权利要求1所述的气体钻井井筒内携岩状态快速判断方法，其特征在于，所述步 骤（5)包括：在钻进过程中，用步骤（1)的方法实时采集排砂管内音频信号；用步骤（3)的 方法实时提取其中某个有效音频信号段X后进行分段，求取短时能量后得到该信号段随时 间的短时能量分布y，采用动态时间规整算法将y逐个与样本库S中的模型样本Snm求取匹 配距离I找出具有最小匹配距离的模型样本Snm，即样本库中第n个颗粒的第m次实验得 到的模型样本，则判断产生有效音频信号段X的大颗粒岩屑与第n个直径大小的标准岩样 颗粒具有相同的直径大小Cln及体积参数。
【文档编号】E21B21/01GK104331598SQ201410522025
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年9月30日 优先权日:2014年9月30日
【发明者】夏文鹤, 李永杰, 陈一健, 魏纳, 孟英峰, 李皋 申请人:西南石油大学