油气井井下故障诊断系统及其诊断方法
【专利摘要】本发明涉及一种油气井井下故障诊断系统及其诊断方法，诊断系统具有钻井液入口流量传感器、钻井液出口流量传感器、压力传感器、多通道信号采集与发送装置、多通道信号接收装置和计算机系统，钻井液入口流量传感器固定在地面管汇或立管上，钻井液出口流量传感器固定在油气井井口处的钻井液回流管或泥浆槽上，压力传感器设置在立管上，多通道信号采集与发送装置设置在井架的钻台上。本发明可以实现井下故障的预测、定位与定量化诊断，极大地提高故障诊断的准确率与识别效果，及时准确地掌握钻井液流量与压力的变化，实现井漏、井涌和钻具刺漏的早期诊断，并且成本低，安装方便，安装位置合理，安全系数高。
【专利说明】油气井井下故障诊断系统及其诊断方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及石油钻井设备【技术领域】，特别涉及一种油气井井下故障诊断系统及其 诊断方法。
【背景技术】
[0002] 在钻井过程中，如果没有能够及时准确的预测井下发生的故障，就可能造成井下 复杂情况或事故，蒙受巨大的经济损失。井下故障主要包括井漏、井涌、钻具刺漏、井壁失稳 等。正因为井漏、井涌、钻具刺漏、井壁失稳等事故的多发性和严重性，国内外学者已经开展 了大量的理论和实验探索。
[0003] 综合录井技术是在地质录井基础上发展起来的一项集随钻地质观察分析、气体检 测、钻井液参数测量、地层压力预测和钻井工程参数测量为一体的综合性现场录井技术。综 合录井能为地质研究人员提供录井地质剖面、岩性数据、地层流体数据等，为钻井技术人员 提供了终端监视器，监测和分析钻井情况，是实时监测钻井事故的重要手段。国内外的石油 科技工作者已经利用综合录井设备，开展了建井过程钻井安全的跟踪、监测，以及钻井井下 故障（包括井涌、井漏、钻具刺漏、掉水嘴、堵水眼、溜钻、卡钻、钻井遇阻、油气水侵、掉钻具 等）的预测、预报研究实践，为保障安全钻井发挥了重要作用。在保证钻井安全的同时，录 井工程参数在提速提效、优化钻井方面，也起到了积极的作用。随着工程参数录井的发展， 逐渐形成了一系列技术。
[0004] 但长期以来，我国国内外重视综合录井的重点在在地质录井与发现油气信息等方 面的应用上，在工程方面没有引起足够重视，轻视综合录井在钻井工程方面的应用，综合录 井主要应用也作用集中在探井方面上，在开发井和其它类型井的钻井作业中很少采用。重 点也在于及时捕捉钻井过程中油气信息，对于钻井工程方面的应用仅仅只起到是它的功能 扩展辅助作用。同时，判断及预测钻井井下故障的方法主要是依靠单参数阈值报警和根据 现场经验进行主观判断，这不但需要现场人员具有高度的责任心，而且需要具有一定的知 识水平和实际经验，往往存在误判、漏判等情况。此外，就钻井工程应用而言，综合录井的采 样率往往过低，实时性差导致钻井故障的预测诊断工作潜在较大的风险与误差。由此可见， 想利用采用综合录井技术进行油气井井下故障诊断是比较困难的，存在很大的局限性。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是：针对现有的井下故障诊断系统存在的实时性差、应 用受限等不足，本发明提供一种实时性强、针对钻井工程的油气井井下故障多功能诊断系 统及其诊断方法。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：油气井设有井口、钻柱和钻井泵，所 述油气井设有钻柱和钻井泵，所述钻柱由钻台和井架支撑，所述钻台包括位于井架底部的 一层钻台、位于中部的二层台，所述钻井泵连接有钻井泵管路，所述钻井泵管路包括排出管 路和吸入管路，所述排出管路通过地面管汇，以及与地面管汇相连通的立管与水龙带连接， 所述吸入管路连接泥浆池，所述水龙带连接水龙头，所述井架上固定安装有立管，所述油气 井的井口与泥浆池之间设有钻井液回流管或泥浆槽，油气井井下故障诊断系统具有钻井液 入口流量传感器、钻井液出口流量传感器、压力传感器、多通道信号采集与发送装置、多通 道信号接收装置和计算机系统，所述钻井液入口流量传感器固定在地面管汇或立管上，所 述钻井液出口流量传感器固定在钻井液回流管或泥浆槽上，所述压力传感器设置在地面管 汇或立管上，所述多通道信号采集与发送装置设置一层钻台上，所述钻井液入口流量传感 器、钻井液出口流量传感器、压力传感器均与多通道信号采集与发送装置连接，所述多通道 信号采集与发送装置与多通道信号接收装置为有线或无线连接，多通道信号接收装置与计 算机系统为有线连接。
[0007] 多通道信号采集与发送装置设置在一层钻台上，这个位置可以使得各传感器与多 通道信号采集与发送装置之间的连接线缆得到最合理的分配。钻井液入口流量传感器用来 采集从地面注入到钻柱内部的钻井液流量信号；钻井液出口流量传感器用来采集井口回流 管路中钻井液的流量信号；压力传感器用来测量管路内部钻井液的压力；多通道信号采集 与发送装置对所述测点的流量与压力信号进行采集、放大、过滤等调理处理，并对所述的流 量与压力信号进行较远距离的传输和变送；多通道信号接收装置以无线或有线的方式接收 来自所述多通道信号采集与发送装置的流量与压力信号。本申请的发明人对所需传感器的 种类以及传感器放置的位置做出了合理的安排，采用设置在地面管汇或立管上的钻井液入 口流量传感器和压力传感器、井口钻井液回流管路的钻井液出口流量传感器，用来测量不 同时刻的流量和压力信号，结合无线或有线收发装置将数据参数传送到计算机系统，由计 算机系统进行信号的分析与处理。本发明的油气井井下故障诊断系统利用钻井液循环系统 的管路特性来判别井下工况。例如，对于入口、出口流量信号的对比，可以用来预测井漏、井 涌；而钻井液流量与立管压力信号可以实现钻柱刺漏、断钻具、钻头堵水眼、井眼清洗、环空 流动状况等工况的预报，动力钻具状态分析，以及钻头工作状态的检测；结合入口、出口流 量信号与立管压力信号可以实现井下钻柱刺漏、井涌、井漏等故障的准确定位。
[0008] 所述钻井液入口流量传感器固定在地面管汇或立管上的靠近井架的部位。
[0009] 钻井液出口流量传感器固定在所述钻井液回流管或泥浆槽上。
[0010] 所述压力传感器设置在地面管汇或立管上靠近一层钻台的部位。
[0011] 所述钻井液入口流量传感器、钻井液出口流量传感器、压力传感器均通过线缆与 多通道信号采集与发送装置连接。
[0012] 所述多通道信号采集与发送装置为信号采样率不低于3000Hz且能够采集全频段 通道信号的多通道信号采集与发送装置。
[0013] 一种所述的油气井井下故障诊断系统的诊断方法，包括以下步骤：
[0014] 步骤Sl :钻井液入口流量传感器、钻井液出口流量传感器和压力传感器采集得到 在不同时刻各测点的流量信号和压力信号，预处理得到一定时间间隔的压力值和流量值， 并且记为钻井液入口流量Qi、出口流量Q。和立管压力;数据的预处理包括删除异点、过 滤、求平均等，是信号处理领域的常规手段，这里不做赘述。
[0015] 步骤S2 :在保持出口流量和入口流量不变的情况下，立管压力与钻头所在深度 L之间采用线性关系进行回归处理，即
[0016] Pl = AXL+B (1)
[0017] 式中，Plj :立管压力，单位为MPa ;L :井深，单位为m ;A、B均为常系数，A、B实测立 管压力的预处理数据随井深L变化进行线性回归处理获得；
[0018] 步骤S3:获得式⑴的系数A和B后，再从联立方程⑵中，计算得到常数b与c :
[0019]
【权利要求】
1. 一种油气井井下故障诊断系统，所述油气井设有井口（15)、钻柱（3)和钻井泵（17)， 所述钻柱（3)由钻台和井架（5)支撑，所述钻台包括位于井架底部的一层钻台（4)、位于中 部的二层台（9)，所述钻井泵（17)连接有钻井泵管路，所述钻井泵管路包括排出管路（18) 和吸入管路（25)，所述排出管路（18)通过地面管汇（23)，以及与地面管汇（23)相连通的 立管（19)与水龙带（21)连接，所述吸入管路（25)连接泥浆池（14)，所述水龙带连接水龙 头（11)，所述井架（5)上固定安装有立管（19)，所述油气井的井口（15)与泥浆池（14)之 间设有钻井液回流管或泥浆槽（12)，其特征在于：具有钻井液入口流量传感器（20)、钻井 液出口流量传感器（16)、压力传感器（22)、多通道信号采集与发送装置（7)、多通道信号接 收装置（8)和计算机系统（10)，所述钻井液入口流量传感器（20)固定在地面管汇（23)或 立管（19)上，所述钻井液出口流量传感器（16)固定在钻井液回流管或泥浆槽（12)上，所 述压力传感器（22)设置在地面管汇（23)或立管（19)上，所述多通道信号采集与发送装置 (7)设置一层钻台（4)上，所述钻井液入口流量传感器（20)、钻井液出口流量传感器（16)、 压力传感器（22)均与多通道信号采集与发送装置（7)连接，所述多通道信号采集与发送装 置与多通道信号接收装置（8)为有线或无线连接，多通道信号接收装置（8)与计算机系统 (10)为有线连接。
2. 如权利要求1所述的油气井井下故障诊断系统，其特征在于：所述钻井液入口流量 传感器（20)固定在地面管汇（23)或立管（19)中上的靠近井架（5)的部位。
3. 如权利要求1所述的油气井井下故障诊断系统，其特征在于：钻井液出口流量传感 器（16)固定在所述钻井液回流管或泥浆槽（12)上。
4. 如权利要求1所述的油气井井下故障诊断系统，其特征在于：所述压力传感器（22) 设置在地面管汇（23)或立管（19)上靠近一层钻台（4)的部位。
5. 如权利要求1所述的油气井井下故障诊断系统，其特征在于：所述多通道信号采集 与发送装置（7)为信号采样率不低于3000Hz且能够采集全频段通道信号的多通道信号采 集与发送装置。
6. -种如权利要求1-5中任一项所述的油气井井下故障诊断系统的诊断方法，其特征 在于，包括以下步骤： 步骤Sl:钻井液入口流量传感器（20)、钻井液出口流量传感器（16)和压力传感器 (22)采集得到在不同时刻各测点的流量信号和压力信号，预处理得到一定时间间隔的压力 值和流量值，并且记为钻井液入口流量Qi、出口流量Q。和立管压力; 步骤S2 :在保持出口流量和入口流量不变的情况下，立管压力与钻头所在深度L之 间采用线性关系进行回归处理，即 Pl =AXL+B(1) 式中，Pi^:立管压力，单位为MPa;L:井深,单位为m;A、B均为常系数，A、B由实测立管 压力的预处理数据随井深L变化进行线性回归处理获得； 步骤S3:获得式（1)的系数A和B后，再从联立方程（2)中，计算得到常数b与c:
式中，LpL2、L3、L4、Ld。、Ldp分别为1?压管线、立管、水龙带、方钻杆、钻铤和钻杆长度，单 位为m;屯、d2、d3、d4、dd。、dd。分别为高压管线、立管、水龙带、方钻杆、钻铤和钻杆的内径,单 位为cm;Dh、DdJdp分别为井眼、钻铤和钻杆外径，单位为cmA:钻头当量喷嘴面积，单位为 cm2;Q:工况正常时的入口流量或出口流量，单位为L/s;BB:与内管路状态有关的系数；C: 喷嘴流量系数，与喷嘴的阻力系数有关，C的值总是小于I;b在1. 75?1. 8范围内取值； 对钻井液入口流量Qi和出口流量Q。进行比较，在其他条件不变的情况下，如果Qi?Q。 且立管压力服从式（1)的变化，则判别为正常钻井工况；否则，若Qi?Q。且立管压力突然上 升或发生憋泵，则判别为钻头堵水眼；若管路循环流量波动异常，且泵压不稳或憋泵，则判 别为环空异常或井壁坍塌；若Qi?Q。且立管压力出现明显的下降，假定由原来的正常压力 下降为Pu，则判别为管柱刺漏；转入小流量Qi2循环，测量此时对应的立管压力1\2，进而开 展管柱刺漏的识别与诊断； 在钻进过程中，若钻井液入口流量Qi大于出口流量Q。，且超阀值，则进行井漏的识别与 诊断；若钻井液出口流量Q。大于入口流量Qi,且超过阀值时，则判断为井涌。
7. 如权利要求6所述的诊断方法，其特征在于：利用式（4)进行管柱刺漏的识别与诊 断：
, 0.05xp, 式中，kb:钻头压降系数，& = ;Qi、Qi2 :不同时段的钻井液入口流量，单位为 (Λι L/s;μ:刺漏裂缝的流量系数，可近似取值为μ= 0. 62 ;Qi、Q2为对应不同钻井液入口流 量Qi、Qi2时的刺漏点以下管柱内外钻井液流量，单位为L/s;A是刺漏裂缝面积，单位为cm2 ; kfl :刺漏点钻杆内外和钻铤内外的管路压力损耗系数；kf2 :漏点以下钻杆内外和钻铤内外 的管路压力损耗系数，kfl和kf2根据漏点位置确定。
8. 如权利要求7所述的诊断方法，其特征在于：若漏点在钻杆内，则有kfl、kf2的计算公 式如下：
将kfl、kf2的计算公式代入式（4)中，其中，Ls为刺漏点井深，kfl、kf2以刺漏点为分界 线，未知量为LS、A或μΑ、(^、Q2，求解式（4)联立方程，可以得到刺漏点深度Ls及刺漏裂缝 面积Α。
9.如权利要求6所述的诊断方法，其特征在于：假定发生井漏时，钻井液入口流量为Qi ;根据井口有没有钻井液返出，分别进行相应的处理：若有钻井液返出，钻井液出口流量 是Q。；否则令Q。=O; 测定发现井漏后的立管压力PL，并进行如下的判断： (1) 按照下式计算P,/、Ρ,〃：
(2) 若<V，表明漏失点在钻头的下部； 若IV<匕<V，表明漏失点在钻铤段内，按式（6)确定井漏位置L1 ; 若>V，表明漏失点在钻杆段内，按式（7)确定井漏位置L1 ;
10.如权利要求6所述的诊断方法，其特征在于：取b=I. 8,式（2)简化为：
对于贯眼接头和环形空间，BB= 0. 575 ;对于内平式接头，BB= 0. 517 ;对于流线型喷 嘴，C= 0· 98。
【文档编号】E21B44/00GK104453842SQ201410626422
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月7日 优先权日:2014年11月7日
【发明者】吕苗荣, 金育琦, 杨超, 高胜南, 林卫旺 申请人:常州大学