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

技术特征：

1.一种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。

2.根据权利要求1所述的基于环空压差随钻测量的气侵监测装置，其特征在于：所述随钻气侵监测短节，包括：随钻气侵监测短节本体、传感器组、随钻气侵监测短节公头、随钻气侵监测短节母头；随钻气侵监测短节上部通过随钻气侵监测短节公头与上部钻杆连接，下部通过随钻气侵监测短节母头与钻铤连接。

3.根据权利要求1-2所述的基于环空压差随钻测量的气侵监测装置，其特征在于：传感器组包括上部第一高精度传感器组、上部第二高精度传感器组、上部第三高精度传感器组和下部第一高精度传感器组、下部第二高精度传感器组、下部第三高精度传感器组；随钻气侵监测短节由合金结构钢制成，随钻气侵监测短节本体内部安装有铠装电缆，随钻气侵监测短节本体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；上部第一高精度传感器组、上部第二高精度传感器组及上部第三高精度传感器组镶嵌于随钻气侵监测短节本体外侧的3个凹槽内，呈120°对称分布；下部第一高精度传感器组、下部第二高精度传感器组及下部第三高精度传感器组镶嵌于随钻气侵监测短节本体下测量点外表面呈120°对称分布的三个凹槽内；所述上部第一高精度传感器组、上部第二高精度传感器组及上部第三高精度传感器组分别与下第一高精度传感器组、下部第二高精度传感器组及下部第三高精度传感器组对应设置在同一垂直线上；上部第一高精度传感器组、上部第二高精度传感器组、上部第三高精度传感器组、下部第一高精度传感器组、下部第二高精度传感器组、下部第三高精度传感器组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，测量的钻井液当量循环密度测量精度为0.01g/cm³；上部第一高精度传感器组、上部第二高精度传感器组、上部第三高精度传感器组、下部第一高精度传感器组、下部第二高精度传感器组、下部第三高精度传感器组均与气侵监测短节本体内部的铠装电缆相连，并做防水处理。

4.根据权利要求1-3所述的基于环空压差随钻测量的气侵监测装置，其特征在于：在钻井压力控制系统的气侵自动监测模块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传递给数据连接总线，最终传输到中心处理器，中心处理器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′_em≥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。

5.根据权利要求1-4所述的基于环空压差随钻测量的气侵监测装置，其特征在于：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、上部第二高精度传感器组及上部第三高精度传感器组算数平均得到；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、上部第二高精度传感器组及上部第三高精度传感器组算数平均得到。

6.一种基于环空压差随钻测量的气侵监测方法，采用权利要求1-5之一所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装置，其特征在于，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；计算公式如下：

$P_1=\frac{P_{1-1}+P_{1-2}+P_{1-3}}{3},$

$P_2=\frac{P_{2-1}+P_{2-2}+P_{2-3}}{3},$

$H=\frac{(H_{1-1}+H_{1-2}+H_{1-3})+(H_{2-1}+H_{2-2}+H_{2-3})}{6},$

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：

${\mathrm{\ρ}}_{em}=\frac{\left(P_2-P_1\right)}{g\·L}$

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(P₁'和P₂')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：

${\mathrm{\ρ}}_{ECD}^{\′}=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_a+P_{aH}+{\mathrm{\ΔP}}_L}{g\·H^{\′}},$

${\mathrm{\ΔP}}_a=\frac{0.2{\mathrm{f\ρ}}_{em}{\left(v\right)}^2}{D_o-D_i}(H^{\′}-H),$

P_aH＝ρ_em·g·H，

ΔP_L＝ρ_H'·g·(H'-H)，

${\mathrm{\ρ}}_{H^{\′}}={\mathrm{\ρ}}_{ms}\×e^{a(P-P_0)-b(T-T_0)+c{(T-T_0)}^2},$

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′_em≥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。