一种基于井下近红外随钻光谱早期溢流监测的方法及系统与流程

本发明属于油气藏井勘探技术领域，尤其涉及一种基于井下近红外随钻光谱早期溢流监测的方法及系统。

背景技术：

目前，溢流监测主要通过检测钻井液池液位的变化来反推溢流是否发生，而钻井液池液位变化的监测主要由人工判断和钻井液液位检测仪来完成。人工判断检测虽然可以做到实时性，但是，可靠性极差；液位检测仪受钻井液结垢等因素影响错报误报率非常高。此外，通过钻井液池液位变化反推实际的地层流体进入井筒的情况之间存在较大滞后性，当钻井液池液面变化一定的高度时，实际溢流已经十分严重。在高压油气藏钻井中，出现液面变化到发生井喷时间极短，从发生溢流到井喷只有5～10min，高压油气藏时间更短，甚至溢流和井喷同时发生。特别是在高温、高压、高含硫的油气藏开发过程中，更加复杂的地质环境使得溢流更容易发生。其他溢流监测的方法：钻井液流量计监测法、基于综合录井技术的监测方法、井口导管液面监测法、分离器液面监测法、环空动液面监测技术、井下微流量监测法等。综合分析上述溢流监测方法，每种方法都具有各自的优点。但是，现有监测方法的本质都是通过间接测量反推实现溢流监测,因而具有时效性、准确性不高等缺陷，尤其是在高压、超高压油气藏或者深井、超深井开发过程中，基于间接测量实现的溢流监测的较低的时效性和准确性往往会错过最佳井控时机，并导致井喷等事故发生。

综上所述，目前的溢流监测方法存在时效性、准确性不高，往往会错过最佳井控时机，并导致井喷等事故发生。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于井下近红外随钻光谱早期溢流监测的方法及系统，旨在解决目前的溢流监测方法存在时效性不高，往往会错过最佳井控时机，并导致井喷等事故发生的问题。

本发明是这样实现的，一种基于井下近红外随钻光谱早期溢流监测系统，所述基于井下近红外随钻光谱早期溢流监测系统设置有：

光源模块；

电源模块置于随钻短接内为光源模块供电；

流体检测通道出入口布置在细长主体短节的同侧或异侧；

光纤束连接流体检测通道；

流体检测装置连接光纤束；

上位机通过信号传输装置与流体检测装置建立通讯，并完成实施监测。

进一步，所述流体检测装置设置有：

流体检测通道入口、流体检测通道出口分别布置在细长主体短节的同侧或异侧；

光源模块发出的近红外光信号通过入射光窗口，穿过流体检测室内的流体透过出射光窗口；

出射光携带所测信号通过连接出射光窗口的光纤束的传输路径进入流体检测装置。

进一步，所述流体检测装置设置有：

将不同波段内的光信号输入流体检测器装置。

进一步，可采用锗、铟镓砷、砷化铟、硫化铅或硒化铅探测器。探测器置于流体检测装置内，由光纤束连接。

本发明的另一目的在于提供一种所述基于井下近红外随钻光谱早期溢流监测系统的基于井下近红外随钻光谱早期溢流监测方法，所述基于井下近红外随钻光谱早期溢流监测方法包括：

步骤一，近钻头环空流体通过流体检测通道经检测模块后，由流体检测通道出口排到环空；

步骤二，入射近红外检测信号照射穿过流体检测通道的流体，出射近红外检测信号进入检测器并通过信号传输系统与上位机建立通讯并完成随钻监测；

步骤三，上位机结合适当的电子设备和处理系统控制随钻近红外测量工具同时分析、显示随钻监测数据判断溢流是否发生及发生的程度。

进一步，所述基于井下近红外随钻光谱早期溢流监测方法流体成分分析系统接收信号传输系统上传的信号数据进行解码得到测试信号，对比已知物质的指纹谱图确定侵入流体物质，利用所测物质的吸光度确定所含物质浓度；

首先，使用标准化学计量学方法测定所关注物质组分或性质的数据样品作为标准样品集，使用近红外光谱测得标准样品集近红外谱图；

然后，根据标准样品集和标准样品集的近红外图谱进行关联从而建立定量数学模型，可采用人工神经网路、多远线性回归、主成分回归、支持向量机等建立定量数学模型。本发明采用主成分回归建立数学模型X＝TP^T+E，使用矩阵X主成分分析得到前n个向量得到矩阵T＝[t_1,,t₂,t₃,…,t_n]，代替吸光度进行多远回归得到主成分回归模型y＝Tb+E；采用间隔偏最小二乘回归法建立所关注地层物质的校正模型，对定量模型进行校正。将目标光谱区间等分为多个等宽子区间，对每个等宽子区间进行最小二乘回归，找到交互验证均方根误差对应的区间，再以此区间为中心单向或双向消减波长变量得到最佳波长区间；

最后，利用已建立定量数学模型和被测流体的吸光度预测被测地层流体的成分及浓度；早期溢流判别系统根据实时侵入流体实时浓度结合环空体积直接给出溢流量，根据侵入物质及溢流量得到溢流的程度及可能发生事故的风险程度。

本发明提供的基于井下近红外随钻光谱早期溢流监测的方法及系统，本发明优选多个目标带宽的低功耗光源装置，光源信号穿透由环空内进入流体检测通道装置的流体，通过光纤束进入井下随钻光谱检测装置。采用多个带宽的光源装置，无需分光，检测信号直接进入检测器。出射光信号通过光电探测器完成光电转换，然后通过泥浆脉冲器传输到上位机完成解码分析，输出溢流情况。泵抽装置利用钻井液压力抽汲环空流体进入井下光谱短节，是流体无堆积、滞后保证流体分析的时效性。井下随钻光谱仪采用多组预设带宽近红外光源信号具有光通量大、谱图信噪比高、无运动部件等，满足井下随钻测量仪器抗震性、实时性、准确性的要求。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于井下近红外随钻光谱早期溢流监测的方法流程图。

图2是本发明实施例提供的井下近红外随钻近红外光谱短节的结构示意图。

图3是本发明实施例提供的井下近红外随钻光谱检测结构细节示意图。

图中：1、电源模块；2、光源模块；3、流体检测通道；31、流体检测通道入口；32、被测流体混合组件；33、流体检测室；34、入射光窗口；35、出射光窗口；36、泵抽组件；37、流体检测通道出口；4、光纤束；5、流体检测装置；6、信号传输装置；7、上位机。

图4是本发明实施例例中井下近红外随钻光谱对随钻地层流体监测中一峰组内甲烷的吸收谱线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于井下近红外随钻光谱早期溢流监测的方法包括以下步骤：

S101：流体通过流体检测通道经检测模块后，由流体检测通道出口排到环空；

S102：入射近红外检测信号照射穿过流体检测通道的流体，出射近红外检测光信号进入检测器并通过信号传输系统与上位机建立通讯并完成随钻测量分析；

S103：上位机结合适当的电子设备和处理系统控制随钻近红外测量工具同时分析、显示随钻监测数据判断溢流是否发生及发生的程度。

图2为本发明实施例的井下近红外随钻光谱短节的结构示意图；井下光谱短节以常规方式与位于钻井井眼中钻杆连接。钻井施工过程中，由泵抽组件36抽汲随钻短节下端环空流体进入流体检测通道的被测流体混合组件32，被测流体流经流体检测通道3由流体检测通道出口37排至随钻短节上端环空。

流体检测通道入口31、流体检测通道出口37分别布置在细长主体短节的同侧或异侧。装配的流体检测通道通过预设结构设置，利用钻井液的压力做为泵抽组件36的动力，从而建立随钻短节下端的流体检测通道入口31、流体检测室33、随钻短接上端流体检测通道出口37在环空地层流体中的连通。被测流体进入流体检测通道入口31后通过被测流体混合组件32实现充分混合，流经流体检测室33并从随钻短节上端的流体检测通道出口37排放到环空内。从而实现随钻测量过程中的被测流体无堆积、滞后流过检测系统。

电源模块1置于随钻短接内为光源模块2供电，光源模块2输出预定一个或者几个预定带宽的近红外光信号，光源发出的近红外光信号通过入射光窗口34，穿过流体检测室33内的流体透过出射光窗口35。出射光携带所测信号通过连接出射光窗口35的光纤束4的传输路径进入流体检测装置5，该检测器基于出射光生成电流，电流与入射光的量成比例。被测电流信号进入信号传输模块，提供测量信号的编码及上传，采用泥浆脉冲法上传编码信号至上位机7。上位机7接收到来自井底上传的信号数据进行解码得到测试信号，对比已知物质的指纹谱图确定流体成分；然后，对比根据已知浓度和吸光度建立的工作曲线，利用已知曲线和被测流体的吸光度计算得到被测流体中目标物质的浓度，输出检测结果。

上位机7接收到来自井底的信号，采用软件的方法进行信号处理。可采用滤波法、背景扣除及信号分离法、基线扣除及校正法、数据统计法等，进行信号预处理。由于分子的近红外光谱包含分子振动倍频与和平的谱区。该谱区信息信息量丰富，而且在复杂物质近红外光谱中每个波长点叠加了多种组分的信息，属于复杂光谱。利用高性能的光学系统获取校正集，通过校正中个样品光谱的全部或者部分特征波长点组成的光谱数据来获得各成分在光谱总体上的差异与特征。经过预处理后的光谱数据通过算法与待测量之间进行数学关联。算法应用光谱定量分析中的化学计量法主成分回归法、多元线性回归法、偏小二乘回归法、人工神经网络、支持向量机等。

上位机7根据地层流体的侵入物质及各物质的侵入判断时候有溢流发生和发生溢流后的溢流程度。

流体成分分析系统接收信号传输系统上传的信号数据进行解码得到测试信号，对比已知物质的指纹谱图确定侵入流体物质，利用所测物质的吸光度确定所含物质浓度。首先，使用标准方法测定所关注物质组分或性质的数据样品作为样品集，使用近红外光谱测得其近红外光谱图；然后，对比根据已知浓度和吸光度建立的工作曲线，对于多组分谱峰重叠可采用多元校正法，可采用主成分回归法但不限于主成分回归法、多元线性回归法、偏小二乘回归法、人工神经网络、支持向量机等，本发明采用偏最小二乘回归法建立多关注底层物质的校正模型。最后，利用已知曲线和被测流体的吸光度计算，得到被测流体的成分及浓度。早期溢流判别系统根据实时侵入流体实时浓度结合环空体积直接给出溢流量，根据侵入物质及溢流量得到溢流的程度及可能发生事故的风险程度。

图3为流体检测装置5示意图。穿过流体后的光信号通过光纤束进入不同的检测器，检测器将不同波段内的光强转化为电流信号输出。检测器采用红外光子检测器或者电感耦合探测器，本发明采用红外光子类铟镓砷探测器，但不限于铟镓砷可采用锗、铟镓砷、砷化铟、硫化铅、硒化铅等探测器。该光探测器基于入射光生成电流，电流与入射光的量成比例检测器得到的信号输入到井下信号传输模块将检测信息上传到地面数据处理系统。图4是本发明实施例提供的井下近红外随钻光谱对随钻地层流体中一峰组内标准样品集甲烷的吸收谱线图。实际设备检测甲烷的一组谱线。

本发明进行油气藏钻井过程中采用井下随钻光谱早期溢流监测的方法和设备。优选多组固定带宽的低功耗光源模块，出射近红外信号通过光纤束进入井下随钻近红外流体检测装置。采用多组固定带宽的光源模块，无需分光，检测信号直接进入检测器。出射光信号通过光电探测器完成光电转换，然后通过泥浆脉冲器传输到上位机完成解码分析，输出溢流情况。泵抽装置利用钻井液压力抽汲环空流体进入井下光谱短节，保证流体分析的时效性。井下随钻光谱仪具有光通量大、谱图信噪比高、无运动部件等，满足井下随钻测量仪器抗震性、准确性的要求，同时改变现有的溢流监测原理实现井下实时监测。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。