基于声波时差的钻杆刺漏点位置检测装置及检测方法与流程

本发明涉及一种基于声波时差的钻杆刺漏点位置检测装置及检测方法，属于石油工程领域。

背景技术：

在钻井过程中，作为传递动力、辅助构成钻井液流动通道的重要工具，钻杆是油田钻井装备体系中不可或缺的一部分。在钻头破碎岩石的过程中，钻杆常常处在交变应力的作用下，且易于井壁发生摩擦碰撞，再加上钻井液流动的磨蚀作用，往往使其成为整个钻井设备与工具中最为薄弱的部分。在钻井作业过程中因刺穿、粘扣、断裂等事故而发生部分或全部失去其效能的现象被称为钻杆失效，钻杆失效严重影响正常的钻井施工作业，严重时会导致长时间的停钻维修，进而造成巨大的经济损失。而钻杆刺漏则是一种典型的钻杆失效形式，在钻井现场时常发生。钻杆在钻井过程中受磨损、腐蚀及应力集中等的影响，在钻杆上形成坑洞，进而发展成裂纹。随着裂纹的不断扩展，对应深度出的钻杆厚度越来越薄，到一定程度时钻杆内部的高压钻井液会刺穿薄弱位置。在刺穿后的发展过程中，管体受应力集中、钻井液冲刷磨蚀等的影响，刺孔不断扩大直至钻杆发生失效断裂，最终导致停钻甚至井喷等事故的发生，严重影响钻井作业的安全和效率。

由于钻杆刺漏在钻杆失效事故中所占比重很大，近年来人们对钻杆刺漏问题的重视程度越来越高，但是随着石油开采过程的不断推进，钻井深度不断增大，高温、高压以及复杂井下工况更易导致钻杆刺漏事故的发生。为了能够减少、预防钻杆刺漏事故的发生，钻杆内部添加防腐涂层、钻杆下井前无伤检测、钻柱加厚过渡带结构优化等方法被应用在现场作业中，但是受限于钻杆屈曲、酸性气体侵入等诸多复杂工况，在钻井过程中钻杆刺漏仍然是不可避免的。在不能避免刺漏事故发生的条件下，如果能够找到一种现场发现钻杆刺漏事故发生后迅速检测钻杆刺漏点位置的方法，就能够在合理的时间内更换刺漏管段，缩短钻杆刺漏事故导致的停钻时间，从而有效避免钻杆发生失效断裂，降低安全风险，提高经济效益。

现有技术采用的钻杆刺漏位置检测方法有：气测法、钻具内泵入高黏钻井液法、投大米法、下钻顶钻井液法以及“棕绳结法”等。这些方法普遍具有精度不高、耗时太长、劳动强度太大等缺点。以“棕绳结法”为例，该方法是在停钻之后以适当排量向钻具中泵入一根中间打死结的棕绳，利用棕绳结堵住刺孔，通过泵压变化的时间间隔和泵排量等参数计算刺漏点深度。该方法需要选择合适的棕绳结尺寸，也会增加钻具扭断的可能性。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供提出一种用于提高井下钻杆刺漏点位置确定的效率以及准确性的基于声波时差的钻杆刺漏点位置检测装置及检测方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种基于声波时差的钻杆刺漏点位置检测装置，该装置包括：

声波信号发射装置，所述声波信号发射装置用于向钻井液中发射声波信号；

声波信号发射装置，所述声波信号发射装置用于接收钻井液中的声波信号；以及，

数据采集与处理系统，所述数据采集与处理系统用于控制所述声波信号发射装置工作，并采集来自所述声波信号发射装置接收的声波信号，通过分析同一声波信号沿不同声波传播路径到达所述声波信号接收装置的时间差，确定钻杆刺漏点位置。

进一步地，所述声波信号发射装置包括声波信号发射器接头、出液端接头和声波信号发射器；所述声波信号发射器接头后端部密封连接所述出液端接头的前端部形成管体，所述管体内径与安装钻井的立管外径相匹配；所述声波信号发射器接头的前端部围设有所述声波信号发射器，所述声波信号发射器接头与所述出液端接头连接的间隙形成空心圆柱形空间，所述空心圆柱形空间内设置黄铜套管及压电堆，所述压电堆通过所述声波信号发射器接头设置的线孔连接所述声波信号发射器用于为其进行供电，所述声波信号发射器连接所述数据采集与处理系统。

进一步地，所述压电堆由被施加预紧力而相互叠加组成的多片压电陶瓷圆环片及薄电极圆环片组成，所述压电堆两端装有绝缘垫片实现电磁的隔离，所述压电堆正极引线的一端接在所述压电堆的正极及与其紧靠的绝缘垫片之间，所述压电堆负极引线的一端接在所述压电堆的负极及与其紧靠的绝缘垫片之间，所述压电堆正极引线和负极引线另一端均穿过所述压电堆的绝缘垫片及线孔连接所述声波信号发射器，实现对所述声波信号发射器的电池供电。

进一步地，所述声波信号发射器接头的后端部外侧周向采用阶梯状结构，所述声波信号发射器接头的阶梯状结构设置有后端外密封螺纹和外壁下台阶外密封螺纹；相应地，所述出液端接头的前端部内侧周向采用阶梯状结构，所述出液端接头的阶梯状结构设置有前端内密封螺纹和内壁下台阶内密封螺纹；所述声波信号发射器接头的外壁下台阶面与所述出液端接头的前端处设置有外密封橡胶垫圈，所述出液端接头的内壁台阶面与所述声波信号发射器接头的后端处装设置内密封橡胶垫圈。

进一步地，所述声波信号接收装置包括进液管、出液管、声波信号接收器和顶盖；所述进液管中部密封连接所述出液管，所述进液管后端部可拆卸连接所述顶盖，所述进液管内径与井口出口管线内径匹配，所述出液管后端与压井节流管汇内径匹配，所述声波信号发射装置安装在所述井口出口管线与所述压井节流管汇之间，构成整个钻井液循环通路；所述顶盖中心向所述进液管内延伸设置有用于放置所述声波信号接收器的基座，所述声波信号接收器与基座的对称轴与所述进液管的轴线重合。

进一步地，所述声波信号接收器包括声波信号接收设备圆筒和声波信号接收探头；所述声波信号接收设备圆筒采用中空筒体，所述中空筒体的一端为筒体封闭端，另一端为筒体开口端，所述筒体封闭端外部设置用于接收钻井液中传递过来的声波信号的所述声波信号接收探头，所述筒体开口端固定连接所述基座，所述声波信号接收设备圆筒内部用以放置用于所述声波信号接收探头进行供电的电池，所述声波信号接收探头连接所述数据采集与处理系统。

进一步地，所述进液管的后端设有外密封螺纹，所述顶盖的前端设置有内密封螺纹，所述顶盖前端与所述进液管后端接触处设置有密封橡胶垫圈。

第二方面，本发明还提供一种基于声波时差的钻杆刺漏点位置检测方法，包括以下内容：

在钻井循环系统中，钻杆刺漏点位置检测装置中的声波信号发射装置通过声波信号发射器接头与出液端接头与立管连接，参与构成整个钻井液循环通路；声波信号接收装置通过进液管与井筒钻井液出口管线连接，通过出液管与节流管线连接；数据采集与处理系统用于控制声波信号发射装置向钻井液中发射声波信号，并通过声波信号接收装置接收钻井液中的声波信号；

当钻杆发生刺漏后，形成钻杆-刺漏点位置-环空，以及钻杆-刺漏点位置-钻头-环空-刺漏点位置-井口两条钻井液循环通道，两条钻井液循环通道的路径长度不同，数据采集与处理系统对比分析同一声波信号沿不同声波传播路径到达声波信号接收装置的时间差，结合钻井液相关参数计算得出井下钻杆刺漏点处的深度。

进一步地，井下钻杆刺漏点处的深度的计算过程为：不同路径的声波传播距离不同声波在钻井液中传播的速度计算公式满足：

式中，v代表声波在钻井液中的传播速度，单位m/s；ρ代表钻井液流体的密度，单位kg/m³；k代表钻井液流体的体积弹性模量，单位mpa。

钻井液的流动速度计算公式满足：

式中，vd,i、va,i分别代表钻井液在对应钻杆、环空段中的流动速度，单位m/s；q代表钻井液泵排量，单位l/s；din,i代表对应位置段处的钻杆内径，单位mm；dout,i代表对应位置段处的钻杆外径，单位mm；dc,i代表对应位置段处的套管内径，单位mm；

已知井深h，假设钻杆刺漏点深度为h，则声波传播长路径比声波传播短路径多出的传播距离δl＝2(h-h)；

传播距离差值与时间差值的公式表示如下：

式中，δl为声波传播长路径比声波传播短路径多出的传播距离，单位m；δld为钻杆中声波传播长路径比声波传播短路径多出的传播距离，单位m；δla为环空中声波传播长路径比声波传播短路径多出的传播距离，单位m；δt为声波信号两个峰值的时间间隔，单位s；n1、n2分别为刺漏点到井底路径中钻杆、环空的变径段数；δld,i、δla,i分别为刺漏点到井底路径中钻杆、环空的不同变径段长度，单位m；通过以上公式求解即可根据所接收声波信号波峰的时间差计算得出井下钻杆刺漏点处的深度。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明设置有声波信号发射装置和声波信号接收装置，声波信号发射装置安装在立管上，声波信号接收装置安装在钻井液出口节流压井管汇上，数据采集与处理系统通过对比分析同一声波信号沿不同声波传播路径到达声波信号接收装置的时间差，结合钻井液相关参数计算得出井下钻杆刺漏点处的深度，因此本发明能够在停钻后较短时间内找出井下刺漏点的深度，从而减少刺漏事故停钻时间，提高钻井安全和效率。

2、本发明的声波信号发射器采用电池为声波信号发射装置供电，利于钻井现场的设备安放，声波信号接收装置可拆卸设置在顶盖，安装简单，便于维护，可适应性强且精准度高。

3、本发明通过数据采集与处理系统采集声波信号，再通过分析计算得到声波信号峰值的时间差，结合钻井液泵排量、井身结构及钻井液密度、容变弹性模量等参数以及声波纵波在液体中传播的速度公式，计算得出井下钻杆刺漏点的深度，从而大大提高现场刺漏点定位的效率和精确度。

综上，本发明可以广泛应用于井下钻杆刺漏点位置的检测中。

附图说明

图1为本发明声波信号发射装置的结构示意图；

图2为本发明声波信号接收装置的结构示意图；

图3a为正常循环时钻井液流动状态示意图；

图3b为钻杆发生刺漏后钻井液流动状态示意图；

图4a为钻杆刺漏工况下声波沿近路径传播的路径示意图；

图4b为钻杆刺漏工况下声波沿远路径传播的路径示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1～4所示，本发明提供的基于声波时差的钻杆刺漏点位置检测装置，包括声波信号发射装置1、声波信号接收装置2和数据采集与处理系统3。

声波信号发射装置1和声波信号接收装置2分别通过线缆连接数据采集与处理系统3，数据采集与处理系统3用于控制声波信号发射装置1向钻井液中发射声波信号，并通过声波信号接收装置2接收钻井液中的声波信号，实现对传递到节流管线中的声波信号的监控，数据采集与处理系统3通过对比分析同一声波信号沿不同声波传播路径到达声波信号接收装置的时间差，确定井下钻杆刺漏点处的位置。

在一个优选的实施例中，如图1所示，声波信号发射装置1包括声波信号发射器接头11、出液端接头12、声波信号发射器13、黄铜套管14和压电堆15。

声波信号发射器接头11的后端部密封连接出液端接头12的前端部，钻井液从声波信号发射器接头11的前端流入并从出液端接头12后端流出。声波信号发射器接头11的前端部围设有声波信号发射器13，声波信号发射器13为具有围绕声波信号发射器接头11轴线均匀对称分布的小型电能声波转换器，能够向钻井液中发射声波信号。声波信号发射器接头11的后端部外侧周向采用阶梯状结构，声波信号发射器接头11的阶梯状结构设置有后端外密封螺纹111和外壁下台阶外密封螺纹112。相应地，出液端接头12的前端部内侧周向采用阶梯状结构，出液端接头12的阶梯状结构设置有前端内密封螺纹121和内壁下台阶内密封螺纹122，声波信号发射器接头11和出液端接头5通过密封螺纹连接形成完整的管体，管体的内径与安装钻井的立管外径相匹配。声波信号发射器接头11与出液端接头12的外端口均设有连接用法兰盘，使用时，通过法兰盘将将声波信号发射器接头11和出液端接头12安装在立管外侧构成整个钻井液循环通路。其中，声波信号发射器接头11与出液端接头12的阶梯状结构形成空心圆柱形空间，空心圆柱形空间内设置有压电堆15及黄铜套管14，黄铜套管14配合声波发射装置的两端接头实现压电堆15的固定及预压紧，黄铜套管14位于出液端接头12一侧，压电堆15位于声波信号发射器接头11一侧，压电堆15通过声波信号发射器接头11内壁下台阶处设置的线孔连接声波信号发射器13用于为其进行供电，声波信号发射器通过线缆和数据采集与处理系统3连接。

其中，压电堆15由被施加预紧力而相互叠加组成的多片压电陶瓷圆环片及薄电极圆环片组成，陶瓷片沿声波信号发射器接头11的轴向叠加，前端为负极，后端为正极，压电堆15两端装有绝缘垫片151实现电磁的隔离，同时为了方便线路调整，压电堆15的外径小于参与构成中空筒体的出液端接头12所对应位置处的内径，从而预留出一个用于走线和调整的小中空筒体。压电堆正极引线152的一端接在压电堆15的正极及其紧靠的绝缘垫片151之间，压电堆负极引线153的一端接在压电堆15的负极及其紧靠的绝缘垫片151之间，两根引线的另一端穿过压电堆15前端的绝缘垫片151及声波信号发射器接头11台阶面上的线孔将压电堆15与声波信号发射器13相连，实现声波信号发射器13的电池供电。

另外，声波信号发射器接头11的外壁台阶面与出液端接头12的前端处装有外密封橡胶垫圈16，结合密封管螺纹的配合实现该处的密封，防止声波信号发射装置5外部的液体进入中空筒体中；出液端接头12的内壁台阶面与声波信号发射器接头11的后端处装有内密封橡胶垫圈17，结合密封管螺纹的配合实现该处的密封，防止声波信号发射装置5内部管道通路中的液体进入中空筒体，从而实现中空筒体结构的密封，避免压电堆15、压电堆正极引线152、压电堆负极引线153浸水失效。

在一个优选的实施例中，如图2所示，声波信号接收装置2包括进液管21、出液管22、顶盖23和声波信号接收器24。

进液管21和出液管22呈t字型连接即进液管21中部密封连接出液管的顶部，进液管21后端部可拆卸连接顶盖23构成声波信号接收装置2的主体，进液管21的内径与井口出口管线内径相等，出液管22后端与压井节流管汇内径相等，进液管21前端和出液管22的底部均设置有法兰盘，整个声波信号接收装置2通过法兰盘连接安装在井口出口管线与压井节流管汇之间，参与构成整个钻井液循环通路。

其中，顶盖23的中心向进液管21内延伸设置有用于放置声波信号接收器24的基座231，顶盖23的外端设置有密封外螺纹，用于声波信号接收器24的安装固定，声波信号接收器24与基座231的对称轴与进液管21的轴线重合，且声波信号接收器24与基座231外径相等均小于进液管21的内径，基座231在进液管21后端形成一个一端封闭的圆筒结构，当进行钻井液循环时，圆筒结构中的气体在压力下体积迅速减小，大部分空间被钻井液填充，从而使声波信号接收器24浸于钻井液中进行声波信号的检测，同时单出口的结构使得声波信号接收器24与基座231周围所处的钻井液流动环境良好，减小了设备的腐蚀与磨损，有效提高声波信号接收器24的检测稳定性及检测精度。

另外，声波信号接收器24包括声波信号接收设备圆筒241和声波信号接收探头242，声波信号接收设备圆筒241采用中空圆筒，中空筒体的一端为筒体封闭端，另一端为筒体开口端，筒体封闭端外部中心位置装有声波信号接收探头242，用于接收钻井液中传递过来的声波信号，筒体开口端设置有密封内螺纹，与基座231顶端的密封外螺纹配合是使用，实现声波信号接收器24的固定以及声波信号接收设备圆筒241内部的密封。声波信号接收设备圆筒241内部的中空区放置电池等设备，声波信号接收探头242通过引线连接数据采集与处理系统3，实现对传递到节流管线中的声波信号的监控。

进一步地，进液管21的后端设有外密封螺纹，与顶盖23的内密封螺纹配合，顶盖23与进液管21后端接触处设置有密封橡胶垫圈25，与密封管螺纹一起实现顶盖23、出液管151接触位置处的密封，防止管线内流体泄漏。

下面通过具体实施例详细说明本发明的基于声波时差的钻杆刺漏点位置检测装置的检测方法。

如图3、图4所示，在钻井循环系统中，钻杆刺漏点位置检测装置中的声波信号发射装置5通过声波信号发射器接头11与出液端接头12的外端口法兰盘与立管4连接，参与构成整个钻井液循环通路；声波信号接收装置15通过进液管21上的法兰盘与井筒钻井液出口管线连接，通过出液管22上的法兰盘与节流管线5连接。

正常工况下，钻井液存储在泥浆池6中，钻井液经过泥浆泵管线7由钻井泵8泵出，经过声波信号发射装置5在立管4中流过，然后经过防喷器组进入钻杆9，到达井底后通过钻头水眼10进入环空13，随后沿井筒向上循环到井口，经声波信号接收装置15以及节流管汇5流回泥浆池6，实现钻井液的循环。其中，声波信号发射装置5中的声波信号发射器通过线缆与数据采集与处理系统3连接，数据采集与处理系统3用于实现对声波信号发射器的控制，控制声波信号发射装置5向钻井液中发射声波信号，声波接收传感器连接在数据采集与处理系统3，数据采集与处理系统3用于通过声波接收传感器接收到的声波信号，实现对传递到节流管线中的声波信号的监控。

对比图3a、图3b，钻杆发生刺漏后，井下的正常钻井液循环被破坏，钻杆-钻头-环空-井口的钻井液循环通路被破坏，一部分钻井液在钻杆刺漏位置处直接从钻杆流入环空中，进入环空后上反至井口，从而形成钻杆-刺漏点位置-环空，以及钻杆-刺漏点位置-钻头-环空-刺漏点位置-井口两条钻井液循环通道，由于井深与刺漏点位置处深度的不同，两条钻井液循环通道的路径长度也不同，因此可以利用声波在不同距离路径中传播时间的差异，通过在数据采集与处理系统3对比分析同一声波信号沿不同声波传播路径到达声波信号接收装置的时间差，结合钻井液相关参数计算得出井下钻杆刺漏点处的深度。

钻井液通过井下钻杆刺漏点沿近路经传播与钻井液通过井底钻头沿远路经传播的传播距离是有差异的。实际施工作业中，当钻井钻至井下h位置处时通过立压、套压值及泥浆泵入、反出量等参数的变化判断井下钻杆发生刺漏后，停止钻进后，为了确保声波信号接收装置15的检测稳定性，保持钻井液循环，由声波信号发射装置5发射声波信号，通过数据采集与处理系统3监控声波信号接收装置15接收到的声波信号，由于声波从声波信号发射装置5沿钻井液传播到声波信号接收装置15的路径有两个且不同路径的声波传播距离不同，因此接收到的声波信号存在两个峰值，两个峰值的时间间隔为δt通过处理δt即可得到井下钻杆刺漏点处的深度。

声波在钻井液中传播的速度计算公式满足：

式中，v代表声波在钻井液中的传播速度，单位m/s；ρ代表钻井液流体的密度，单位kg/m³；k代表钻井液流体的体积弹性模量，单位mpa。

钻井液的流动速度计算公式满足：

式中，vd,i、va,i分别代表钻井液在对应钻杆、环空段中的流动速度，单位m/s；q代表钻井液泵排量，单位l/s；din,i代表对应位置段处的钻杆内径，单位mm；dout,i代表对应位置段处的钻杆外径，单位mm；dc,i代表对应位置段处的套管内径，单位mm。

已知井深h，假设钻杆刺漏点深度为hm，则声波传播长路径比声波传播短路径多出的传播距离δl＝2(h-h)。

传播距离差值与时间差值的公式表示如下：

式中，δl为声波传播长路径比声波传播短路径多出的传播距离，单位m；δld为钻杆中声波传播长路径比声波传播短路径多出的传播距离，单位m；δla为环空中声波传播长路径比声波传播短路径多出的传播距离，单位m；δt为声波信号两个峰值的时间间隔，单位s；n1、n2分别为刺漏点到井底路径中钻杆、环空的变径段数；δld,i、δla,i分别为刺漏点到井底路径中钻杆、环空的不同变径段长度，单位m。

通过以上公式，求解即可根据所接收声波信号波峰的时间差计算得出井下钻杆刺漏点处的深度。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。