基于隔水管气液两相流识别的深水钻井气侵监测方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于深水油气钻井领域，具体地，涉及一种基于隔水管气液两相流识别的 深水钻井气侵监测方法。
【背景技术】
[0002] 钻井过程中若钻遇高压气层会发生气侵，在气侵的初始阶段很难通过泥浆池液面 检测、流量差溢流检测等方法或设备监测到，且随着井深的增加，提早发现气侵的难度增 大，留给井控的反应时间明显减少，使得气侵的早期检测成为深井井控的重点和难点。而对 于深水钻井，首先，随着水深的增加井涌余量减小，更容易发生气侵;其次，在深水高静压环 境下，气泡的总体尺度较小，导致气体进入隔水管时泥浆池增量依然不会达到预警值，难以 通过常规方法及时检测到气侵。因此，深水钻井中如何及时准确发现气侵是井控工作的重 中之重。
[0003] 近年来，有不少学者针对深水钻井气侵的早期检测进行了研究，包括深水钻井井 筒气液两相溢流特征、深水钻井气液两相流温压场计算和深水钻井井筒气液两相流运移特 点等基础研究以及泥浆池液面检测法、流量差溢流检测法、随钻声波气侵监测法等深水气 侵监测方法的研究。其中声波气侵检测法是利用声波在气液两相中波速的明显差异对气侵 进行早期监测的，该方法虽然可以实现气侵的早期监测，但其声波传播历经钻杆和环空内 流体，沿程过长导致外界噪声等因素对监测结果产生较大影响，存在较大的误差和不稳定 性，且很难分析井底的气侵程度。为了实现更准确的气侵早期监测，有学者提出采用超声 波多普勒流量计在隔水管处对气侵进行监测，然而超声波多普勒流量计是基于超声波被流 体中的固相颗粒或气泡反射产生频差来近似测量流体速度(认为固相颗粒或气泡与流体速 度一致)的，测量结果反映的是固相颗粒和气泡的速度，且只能测量信息窗口区域内的流体 速度，测量结果虽可定性检测气侵，但其精度不高，不能全面反映环空内的含气率情况，因 此该方法有待进一步改进。同时，深水或超深水钻井对井控有了更高的要求，有必要在及时 准确发现气侵的同时尽可能精确的确定井底气侵程度，以便采取合理的措施进行压井，达 到安全高效井控的目的。
【发明内容】
[0004] 为克服现有技术所存在的缺陷，本发明提供一种基于隔水管气液两相流识别的深 水钻井气侵监测方法，可在气泡运移至隔水管底部时及时准确地检测到气侵，同时结合深 水钻井井筒多相流模型和含可信度地层压力预测方法可以精确计算气侵时间并实时模拟 井底气侵程度和井筒环空内的气体分布，为合理精确的控制气侵提供技术支持。
[0005] 为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
[0006] 基于隔水管气液两相流识别的深水钻井气侵监测方法，在隔水管底部对位安装超 声波探头监测气侵信号，根据建立的声波信号衰减与截面含气率的定量对应关系，结合深 水钻井井筒气液两相流模型和含可信度地层压力预测方法，建立基于隔水管处气侵监测数 据的井筒气侵程度反算方法，提前准确发现气侵的同时，实现对井筒气侵情况的实时定量 描述，从而形成基于隔水管气液两相流识别的深水钻井气侵监测方法。
[0007] 相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：
[0008] 1、利用超声波在气液两相流中的衰减特性来反映截面含气率，较超声波多普勒测 量法有如下优势:超声波穿透截面范围较大，所测数据更能真实、全面反映该截面的含气率 情况;可以不考虑气泡对超声波的反射效应，只需通过分析探头接收到的信号即可建立声 波信号与截面含气率的定量关系；可以通过多组实验，定量确定一定条件下(流体的类型、 物性和流变性，流场和气泡大小等)的探头接收信号与截面含气率的对应关系，从而建立经 验公式。
[0009] 2、通过引入含可信度地层压力预测方法，可以基于隔水管处的声波监测数据对井 底预测原始压力进行修正，使得井筒气侵程度反算结果更接近真实情况，利于采取合理措 施控制气侵。
[0010] 3、建立了基于隔水管处气侵监测数据的井筒气侵程度反算方法，在准确检测气侵 的同时，还可计算气侵时间、气体到达井口所需的时间、总溢流量以及井筒环空中的气体分 布等，实现了井筒气侵情况的实时定量描述，为合理高效井控提供技术支持。
【附图说明】
[0011] 图1为隔水管超声波气侵监测示意图；
[0012] 图2为超声波探头安装位置示意图；
[0013] 图3为隔水管处截面含气率随时间的变化关系；
[0014] 图4为气侵后总溢流量随时间的变化关系。
[0015] 图中：1、隔水管，2、海底井口，3、海底电缆，4、平台监视器，5、超声波发射探头，6、 超声波接收探头7、第一延迟块，8、第二延迟块;9、钻杆。
【具体实施方式】
[0016] 如图1所示，基于隔水管气液两相流识别的深水钻井气侵监测方法，在隔水管底部 对位安装超声波探头监测气侵信号，根据建立的声波信号衰减与截面含气率的定量对应关 系，结合深水钻井井筒气液两相流模型和含可信度地层压力预测方法，建立基于隔水管处 气侵监测数据的井筒气侵程度反算方法，提前准确发现气侵的同时，实现对井筒气侵情况 的实时定量描述，从而形成基于隔水管气液两相流识别的深水钻井气侵监测方法;具体方 法如下：
[0017] 步骤一、获取深水井的参数
[0018] 深水井的参数，包括:水深h、井深H、已固井段&、海水表面温度T。、隔水管外径尺寸 D、循环排量L、钻井液物性密度P、钻井液导热系数11、钻井液稠度系数K、钻井液流性指数η、 地层孔隙度Φ、渗透率k、地层导热系数、原始地层压力Ρ〇。
[0019] 步骤二、确定实际工况下声波信号与截面含气率的定量表征关系
[0020] 根据步骤一中深水井的实际参数，采用室内实验模拟该工况下超声波对气侵的响 应情况，探头频率从〇. 2MHz开始以0.2MHz的步长逐步增加到2.0MHz分别进行实验，选取接 收声信号幅值最大的探头频率作为最佳探头频率，并建立该频率探头超声波接收信号与截 面含气率的定量关系;改变钻井液物性和排量进行实验，建立不同钻井液物性和排量条件 的超声波接收信号与截面含气率的关系式，便于实际工况下通过声波监测数据实时计算截 面含气率随时间的变化情况。
[0021 ]步骤三、在隔水管底部对位安装超声波探头并实施超声波监测
[0022] 气侵气体到达隔水管下部时，深水的高静压使气体总体尺度较小，多数情况下，此 时通过泥浆池液面很难及时发现并准确判断出气侵的发生，因此在隔水管底部安装气体探 测装置可提前发现气侵。
[0023] 如图1、图2所示，在隔水管1底部分别通过第一延迟块7和第二延迟块8对位安装超 声波发射探头5、超声波接收探头6,第一延迟块7、第二延迟块8的外径与钻杆9的外径相切， 保证声波传输路径更多的穿过隔水管环空，避免钻杆9对声波的反射，从而最大程度的全面 反映隔水管环空的截面含气率情况。
[0024]超声波发生器采用900V高电压发生装置，保证不同频率的超声波穿透隔水管壁和 气液两相流体，保证声波监测信号的质量。
[0025] 如图1所示，超声波由超声波发射探头5发射，穿透隔水管1和钻杆9形成的环形空 间到达超声波接收探头6,超声波声波监测信号经由海底电缆3实时传输至平台监视器4,平 台人员可通过平台监视器4实时了解声波监测数据。
[0026] 监测装置一旦发现气侵立即报警，同时计算截面含气率随时间的变化情况，便于 分析井筒整体的气侵程度。
[0027] 步骤四、根据声波监测数据实时描述井筒气侵程度
[0028] 隔水管处一旦检测到气侵，便需要根据气侵情况判断是否需要采取措施进行井 控，而判断的依据便是井底气侵时间和井筒气侵程度。
[0029] 利用步骤二中建立的实际工况下的声波接收信号-截面含气率经验公式，基于步 骤三中的隔水管处声波监测数据来计算截面含气率随时间的变化情况;