基于环空压差随钻测量的气侵监测装置及监测方法与流程

本发明涉及石油工程技术领域，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随钻监测装置及其监测方法。

背景技术：

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。因此发明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。

技术实现要素：

为克服现有技术存在的缺陷，本发明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，本发明采用如下技术方案：

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，本发明具有以下有益效果：

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器组162及上部第三高精度传感器组163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151、上部第二高精度传感器组152及上部第三高精度传感器组153算数平均得到。

随钻气侵监测短节9上部通过随钻气侵监测短节公头19与上部钻杆1连接，下部通过随钻气侵监测短节母头20与钻铤22连接。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均与气侵监测短节本体21内部的铠装电缆14相连，并做防水处理。

在钻井压力控制系统的气侵自动监测模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14传递给数据连接总线17，最终传输到中心处理器13，中心处理器13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ρ_em；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ρ_em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_e′_m≥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。

基于环空压差随钻测量的气侵监测方法，采用上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，包括如下步骤：

S1、井底环空数据的随钻测量与回传

计算机终端会在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(P_1-1、P_1-2和P_1-3)和三个深度值(H_1-1、H_1-2和H_1-3)，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(P_2-1、P_2-2和P_2-3)和三个深度值(H_2-1、H_2-2和H_2-3)。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ρ_em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。总而言之，计算公式如下：

基于测量数据P₁和P₂，随钻气侵监测短节处的钻井液当量循环密度测定值ρ_em由下式计算得到：

式中，g为重力加速度，9.8m/s²；L为随钻气侵监测短节长度，m。

S3、t+Δt时刻的循环当量密度测量值ρ'_em和理论值ρ'_ECD确定：

(i)、t+Δt时刻的平均当量钻井液循环密度ρ′_em的测定

假设t时刻未发生气侵，继续钻进Δt时间后的t+Δt时刻，计算机终端再次发出测量指令，重复步骤S1～S3过程，测量得到t+Δt时刻上、下两测点的压力(P′₁和P′₂)及深度H'数值，进而通过S3相同的计算方法得到t+Δt时刻的钻井液当量循环密度测量值ρ'_em。

(ii)、t+Δt时刻的钻井液当量循环密度理论值ρ'_ECD的确定：

井筒环空中的钻井液密度受温度和压力影响较大，但在钻井过程中，井筒环空中的钻井液是流动的，还要将由于钻井液的循环流动而产生的环空压耗对钻井液当量循环密度的影响考虑在内。根据现有的钻井液当量循环密度计算经验关系式，基于t时刻和t+Δt时刻的测量数据可以计算得到t+Δt时刻的钻井液当量循环密度ρ'_ECD可以通过下列计算公式实现：

P_aH＝ρ_em·g·H，

ΔP_L＝ρ_H'·g·(H'-H)，

T＝T₀+G_T·H，

式中，ΔP_a为环空中钻井液从H流到H'而产生的压降，MPa；P_aH为t时刻井深H处环空压力值，MPa；ΔP_L为H到H'环空深度范围内的纯钻井液相由于重力作用而产生的静液柱压力，MPa；f为水力摩阻系数，无量纲；v为钻井液环空流速，m/s；H'和H分别为t+Δt时刻和t时刻的井深测量值，m；D_o为环空外径，m；D_i为环空内径，m；G_T为地温梯度，℃/100m；ρ_em为井深H处的钻井液当量循环密度，Kg/m³；ρ_ms为井口温度T₀、井口压力P₀下的钻井液密度，Kg/m³；ρ_H'为井深H'处的钻井液静态当量密度，Kg/m³；P和T分别为井深H处的钻井液压力和温度。

S4、气侵发生可能性判断与井控预警

为判断t+Δt时刻的气侵发生的可能性，将Δρ'_H'定义为ρ'_em和ρ'_ECD的差值：Δρ'_H'＝|ρ'_em-ρ'_ECD|，

将Δρ'_H'与该井的气侵判别阀值C比较：当且仅当ρ'_em＜ρ'_ECD且|Δρ'_H'|>C时，说明气侵已经发生，需要立即启动相关的井控预防措施来应对溢流以及井涌情况的发生；当ρ'_em＜ρ'_ECD且|Δρ′_H′|≤C或者ρ_e′_m≥ρ′_ECD时，说明环空中气侵尚未发生，暂不采取相关措施，但需要继续进行气侵的实时监测。

其中，气侵判别阀值C的确定要基于井身结构与气侵允量阀值Q_k；两次测量工作之间的时间间隔Δt设定要基于气侵监测工作的实际情况来实时调整和变化，一般而言，越接近异常高压地层，Δt的设置要越小。

基于环空压差随钻测量的气侵检测装置利用连接在钻头上方的气侵随钻监测短节外表面的上、下两个测量点处的传感器组测量得到上、下测量点处的压力和深度数据，并基于这些测量数据得到各个测量时刻的井底钻井液当量循环密度测量值和理论值，通过比较两者差值与气侵判别阀值之间的关系实现气侵可能性判别，进而为钻井过程中的气侵的实时高效监测提供相应的设备和技术支持，从而为各种工况下的钻井作业的顺利进行提供保障。基于环空压差随钻测量的气侵监测装置和监测方法，该基于环空压差随钻测量的气侵早期监测装置与钻头相互连接，分别利用嵌装在气侵监测短节上下两侧点的六个高精度传感器组分别测量钻进过程中两相邻时间点的两测量点间压差和短节深度，并通过相邻两时刻的这些测量数据得到各时刻的钻井液循环当量密度测量值和未发生气侵时的钻井液循环当量密度理论计算值，将这两个数据与气侵阈值进行比较，判断各个时刻的气侵状况，并估测气侵程度，为实现各种工况下钻井过程中的气侵随钻监测提供相应的设备和技术支持，从而为安全、高效地进行钻完井提供保障。

实施例一

如图1所示，当钻头7钻遇的高压易喷地层5时，地层中的高压流体会在地层孔隙压力和井底压力的负压差作用下流进套管环空3，并流经套管环空3中的随钻气侵监测短节9，此时，如果溢流没有被及时地检测并采取有效预防措施的话，地层侵入流体在上升至接近井口时体积会急剧膨胀，导致井涌、井喷的危险钻井事故的发生。

针对这种情况，如图4所示，基于环空压差随钻测量的气侵监测装置对钻进过程中的气侵进行监测，步骤如下：

S1、井底环空压力P₁、P₂和井深H的随钻测量与回传

所述随钻气侵监测装置9安装好后，计算机终端12会在t时刻发出环空数据随钻测量指令，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数据随钻测量电信号，通过嵌装在钻杆1壁内的铠装电缆14向随钻气侵监测短节9发送该测量信号，嵌装在随钻气侵监测短节9外侧面上、下测量点的六个传感器组在接收到铠装电缆14传输过来的数据测量电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其位置的压力和深度测量值。以t时刻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(P_1-1＝17.6439MPa、P_1-2＝17.6442MPa和P_1-3＝17.6439MPa)和三个深度值(H_1-1＝1500.3m、H_1-2＝1500.5m和H_1-3＝1500.4m)，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(P_2-1＝17.6558MPa、P_2-2＝17.6561MPa和P_2-3＝17.6561MPa)和三个深度值(H_2-1＝1501.3m、H_2-2＝1501.5m和H_2-3＝1501.4m)。测量工作完成后，得到的这12个数据立即通过铠装电缆14上传到位于地面的中心处理器13，并通过第一传输总线17传送到计算机终端12实现井底环空压力P₁、P₂及井深H的测量；

假设气侵随钻监测短节对应长度的环空内钻井液温度恒定，并将上、下两测量点得到的六个传感器组的深度测量值取算数平均作为随钻气侵监测短节的测量深度H，上、下两测量点的环空压力P₁和P₂同样以各自的三个对应测量值取平均得到。总而言之，计算公式如下：

S2、当量钻井液密度测量值ρ_em的确定

测量并得到对应于随钻气侵监测短节9上、下测量点环空压力测量值P₁和P₂后，气侵随钻监测短节处的平均当量钻井液密度测定值ρ_em由下式计算得到：

式中，g为重力加速度，9.8m/s²；L为气侵随钻监测短节长度(取值1m)，m。

S3、t+Δt时刻ρ'_em和ρ'_ECD确定：

(i)、t+Δt时刻的平均当量钻井液密度ρ′_em的测定

在经过时间间隔Δt后的t+Δt时刻，计算机终端再次发出测量指令，重复步骤S1～S3过程，测量得到t+Δt时刻上、下两测点的压力(P′₁和P′₂)及深度H'数值，进而通过S3相同的计算方法得到此时刻的平均当量钻井液密度测定值ρ'_em。

t+Δt时刻随钻气侵监测短节的上测量点处的三个压力测量值(P′_1-1＝16.6934MPa、P′_1-2＝16.6935MPa和P′_1-3＝16.6933MPa)和三个深度测量值(H′_1-1＝1520.4m、H′_1-2＝1520.3m和)，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(P′_2-1＝16.7044MPa、P′_2-2＝16.7045MPa和P′_2-3＝16.7043MPa)和三个深度值(H′_2-1＝1521.4m、H′_2-2＝1521.3m和H′_2-3＝1521.5m)：

测量并得到对应于气侵随钻监测短节上、下测量点液压值P₁和P₂后，气侵随钻监测短节处的平均当量钻井液密度测定值ρ_em由下式计算得到：

式中，g为重力加速度，9.8m/s²；L为气侵随钻监测短节长度(取值1m)，m。

(2)、t+Δt时刻的钻井液当量循环密度ρ'_ECD的确定：

井筒环空中的钻井液密度受温度和压力影响较大，但在钻井过程中，井筒环空中的钻井液是流动的，还要将由于钻井液的循环流动而产生的环空压耗对钻井液当量循环密度的影响考虑在内。根据现有的钻井液当量循环密度计算经验关系式，基于测量数据及钻井数据可以计算得到t+Δt时刻的钻井液当量循环密度ρ'_ECD。

其中，该井筒环空尺寸为φ340×149mm；钻井液排量Q＝20L/s；井筒环空的范式摩阻系数f＝0.0094；地面压力为一个大气压；地面温度T₀＝15℃；地温梯度G_T＝3℃/100m；常温常压下钻井液密度为1.2g/cm³；a＝3.3815(1/Pa×10^-6)，b＝2.3489(1/℃×10^-4)，c＝-4.2366(1/℃×℃×10^-7)。

ρ'_ECD的计算过程如下：

P_aH＝ρ_em·g·H＝1.224×10³×9.8×1500.9＝18.0036MPa

T＝T₀+G_T·H＝25+0.03×1500.9＝70.03℃

ΔP_L＝ρ_H·g·(H′-H)＝1.191×10³×9.8×(1520.9-1500.9)＝0.233MPa

S4、气侵发生可能性判断与预警提示

为判断t+Δt时刻的气侵发生的可能性，引入定义Δρ'_H'为ρ'_em和ρ'_ECD之间的差值：

Δρ'_H'＝|ρ'_em-ρ'_ECD|＝|1.122-1.224|＝0.102g/cm³，

气侵判别阀值C的设定：根据《钻井工程安全手册》推荐，气井钻井液密度安全附加值为0.07～0.15g/cm³，在钻井实际基础上，尽量确保钻进安全，气侵判别阀值C设定为最小的0.07g/cm³。

由上述计算可知，ρ′_em＝1.122g/cm³，ρ′_ECd＝1.224g/cm³。由于ρ'_em＜ρ'_ECD且|Δρ'_H'|>C时，说明气侵已经发生，需要立即启动相应的井控预防措施来应对气侵造成的钻井事故。