控压钻井过程中气体溢漏位置检测装置的制作方法

本实用新型涉及控压钻井过程中的安全检测装置技术领域，确切地说涉及一种在石油、天然气钻井过程中检测气侵位置的装置。

背景技术：

控压钻井过程中，下钻杆中会产生激动压力、钻井液密度过低、地层压力等异常情况，这些都会导致地层压力大于环空压力，造成地层气体侵入井底，发生气侵。发生气侵时，环空中的压力低于底层压力，如果没能及时检测出气侵并采取有效防护措施，随着气体向井口的不断转移，则会导致环空与地层间的负压差进一步增大，使气侵加剧，进一步恶化井下安全情况，容易诱发井喷等事故。通常情况下，气侵发生在井底或者套管鞋处，但钻遇异常复杂地层时，气侵可能发生在裸眼段任何位置。从控压钻井安全角度上讲，气侵发现越早越好，准确判断出气侵位置，更有利于采取有效措施抑止气侵，从根本上杜绝井喷事故，保证控压钻井安全正常进行。

目前，控压钻井现场已有多种气侵判断方法，如钻井液池液面检测法、dc指数法、页岩密度法、扭矩仪检测法、声波时差法、泵冲法等。最具典型的是声波时差法和泵冲法。其中，声波时差法的基本原理是，声波在含气钻井液中的传播速度与在不含气钻井液中的传播速度不同，未发生气侵时，声波在钻杆内钻井液中的传播速度与在环空内钻井液中的传播速度相等，发生气侵时，环空中的钻井液含有气体，井底发出的声波经环空中的含气钻井液传到地面所需的时间与经钻杆内的不含气钻井液传到地面所需的时间不同，根据此时间差大小可判断出井下是否发生了气侵。泵冲法的基本原理是，在控压钻井泥浆泵工作时，泵内活塞产生压力脉冲，这一压力脉冲进入循环系统，在钻柱、井下动力钻具、随钻测试系统、钻头喷嘴中传播，然后沿环空上返至地面，该方法是利用泥浆泵在工作时产生的压力脉冲，作为地面压力脉冲发生器。

如公开号为CN103032064A，公开日为2013年4月10日的中国专利文献公开了一种基于压力波时差确定钻井过程中气侵位置的方法及装置。该装置以液动节流阀动作产生的压力波为波源，通过检测立管压力传感器和套管压力传感器接收到压力波的时间差判断是否发生气侵；根据检测到的井口气液流量、套压、压力波在环空和钻杆内的传播时差，采用环空水力学模型对各参数进行龙格库塔迭代，得出环空中不同网格中空隙率的分布、波速响应时间、气侵位置与压力波响应时间之间存在的一一对应关系，确定发生气侵的准确位置。

然而，国内外控压钻井行业的气侵检测只局限于的气侵判断，尚无可快速、准确判断控压钻井过程中气侵位置的方法，无法满足微流量精确控压钻井的要求。精确判断气侵位置不仅有助于分析复杂地层结构，而且能针对气侵具体位置采取有效的防护措施，如增加钻井液密度、加大回压或下套管封隔等方法来抑止气侵。如何准确判定气侵位置，已成为目前钻井工程中亟待解决的难题。因此，非常有必要提供一种快速、准确检测气侵位置的装置。

技术实现要素：

本实用新型旨在针对上述现有技术所存在的缺陷和不足，提供一种控压钻井过程中气体溢漏位置检测装置，本实用新型具有检测准确、即时性强、设备成本低、操作简单和应用范围广的优点。

本实用新型是通过采用下述技术方案实现的：

一种控压钻井过程中气体溢漏位置检测装置，其特征在于：包括套管压力传感器、立管压力传感器、气液流量计、液动节流阀和工控机，所述的所述立管压力传感器安装在钻井液入口处的立管下方的水龙带与方钻杆的连接处，所述套管压力传感器安装在钻井液套管环空出口处，连接在套管压力传感器之后的管线上依次串联所述的气液流量计和液动节流阀，所述的工控机通过四根指令传输线分别与所述的套管压力传感器、立管压力传感器、气液流量计、液动节流阀连接。

所述的套管压力传感器和立管压力传感器用于将实时监测的套压和立压，拾取传感器接收到压力波的时间。

所述的套管压力传感器和立管压力传感器通过所述数据指令线将测得的套压、立压值及接收到压力波的时间传输至所述工控机。

所述的气液流量计实时测定环空出口处的钻井液液相流量、气相流量。

所述的气液流量计通过所述数据指令线将实时测得的液体流量和气体流量值传输至所述工控机。

所述的液动节流阀用于接收并执行工控机发出的节流阀开度调节指令。

所述的液动节流阀通过所述数据指令线与所述工控机实现交互，传输所述工控机的指令并将所述液动节流阀的动作时间传输至所述工控机。

与现有技术相比，本实用新型所达到的有益效果如下：

1、检测准确：常规的气侵检测装置虽能判断出是否发生气侵，但无法准确地检测出气侵位置，本实用新型基于压力波时差法，不仅实现了常规气侵检测的功能，而且能准确确定气侵位置，弥补了现有装置出现无法判断气侵位置的缺陷，可有效提高工作效率。

2、即时性强：本实用新型采用压力传感器和气液流量计实时检测进口出口位置压力和流量的变化，不仅提高了气侵检测精度，且实现了控压钻井过程的实时监控，有效提高了检测的灵敏度。

3、设备成本低：本实用新型不需要对井场进行大规模改进，以井口的液动节流阀作为波动源，采用压力传感器和气液流量计检测井口压力和流量，数据传输线将各检测数据传送到工控机，通过工控机对各参数进行环空水力学计算，即可实现气侵位置的检测。

4、操作简单：只需打开工控机，连接各数据传输线（是不是数据指令线），输入相关参数，观察工控机屏幕上的输出结果即可完成气侵检测及气侵位置确定。

5、应用范围广：本实用新型是可广泛应用于欠平衡钻井、控压钻井、微流量钻井等钻井过程中气侵位置的检测。

附图说明

下面将结合说明书附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明，其中：

图1为本实用新型气侵位置检测装置的结构示意图。

图2为本实用新型的工控机内置气侵位置检测软件计算框图。

图中标记：

1、套管压力传感器；2、立管压力传感器；3、气液流量计；4、液动节流阀；5、工控机；6、 指令传输线；7、 套管；8 、钻柱；9 、立管。

具体实施方式

实施例1

作为本实用新型一较佳实施方式，其公开了一种压力波气侵位置检测装置包括套管压力传感器1、立管压力传感器2、气液流量计3、液动节流阀4、工控机5和数据指令线6。所述的气侵位置检测装置中，所述立管压力传感器2安装在钻井液入口处的立管下方的水龙带与方钻杆的连接处，所述套管压力传感器1安装在钻井液环空出口处，所述套管压力传感器1后的管线上依次串联所述的气液流量计3和液动节流阀4。

上述的气侵位置检测装置中，所述套管压力传感器1和立管压力传感器2可实时监测套压和立压，拾取传感器接收到压力波的时间；所述套管压力传感器1和立管压力传感器2可通过所述数据指令线6将测得的套压、立压值及接收到压力波的时间传输至所述工控机5。

上述的气侵位置检测装置中，所述气液流量计3可实时测定环空出口处的钻井液液相流量、气相流量；所述气液流量计3可通过所述数据指令线6将实时测得的液体流量和气体流量值传输至所述工控机5。

上述的气侵位置检测装置中，所述液动节流阀4可接收并执行工控机5发出的节流阀开度调节指令；所述液动节流阀4通过所述数据指令线6与所述工控机5实现交互，传输所述工控机的指令并将所述液动节流阀4的动作时间传输至所述工控机5。

上述的气侵位置检测装置中，所述指令传输线6共有4条，分别与所述的套管压力传感器1、立管压力传感器2、气液流量计3、液动节流阀4连接，传输气液流量、套压，立压、液动节流阀动作时间、套管压力传感器接收到压力波的时间、立管压力传感器接收到压力波的时间至工控机5，实现所述气液流量计3、套压压力传感器2、立压压力传感器1及液动调节阀4与所述工控机之间的数据传递和指令发送。

上述的气侵位置检测装置中，所述工控机5具有人机交互界面，可在工控机5上输入所钻油井的基础参数及钻井液特性；所述工控机5上共设有4个数据传输通道，分别与四条指令传输线相连；所述工控机5可实时接收所述指令传输线6传递的液动节流阀4动作时间、套管压力传感器接收到压力波的时间、立管压力传感器接收到压力波的时间、立管压力、套管压力、气体流量、液体流量数据；所述工控机5中内置气侵位置检测软件，根据环空水力学模型对各参数进行计算，得出环空空隙率的分布和波速响应时间，根据气侵漏点位置与压力波响应时间之间存在的一一对应关系，确定发生气侵的准确位置，并在工控机5上显示；所述工控机5可根据计算结果发送下一步节流阀开度调节指令，通过所述指令传输线6传输至所述液动节流阀4。

上述的气侵位置检测装置为达到气侵检测的目的，采用以下技术方法：若所述气液流量计3未检测到气体，则检测井底是否发生气侵，实现常规的气侵检测功能。所述工控机5发出节流阀开度调节指令，通过所述数据指令线6传输给所述液动节流阀4，所述液动节流阀4处产生压力波，压力波沿环空向井底传播，到达井底后分两条路径，分别经钻杆内泥浆、环空内泥浆返回地面。所述液动节流阀4的动作时间即压力波发生时间、立管压力传感器2收到压力脉冲的时间、套管压力传感器1收到压力脉冲的时间、气液流量计3检测到的气体流量和液体流量，立管压力传感器2检测到的立管压力、套管压力传感器1检测到的套管压力等参数值通过所述指令传输线6传给所述工控机5。发生气侵时，环空内钻井液中存在气体，压力波在环空内含气钻井液中的传输速度远小于在钻杆内不含气钻井液中的传播速度。因此，若所述立管压力传感器2与所述套管压力传感器1同时接收到压力波，即压力波在立管中的传播时间与在套管中的传播时间相等，则表明未发生气侵，此时，所述工控机5显示“未发生气侵”。若所述立管压力传感器2先接收到压力波，所述套管压力传感器1后接收到压力波，即压力波在立管中的传播时间小于套管中的传播时间，则表明发生气侵，此时，所述工控机5显示“已发生气侵”并发出指令，减小所述液动节流阀4的开度，增加环空套压抑制气侵，直至压力波在立管中的传播时间与在套管中的传播时间相等，即套管压力传感器1和立管压力传感器2同时接收到压力波后，所述工控机5发出指令停止调节液动节流阀4。

上述的气侵位置检测装置为达到气侵位置检测的目的，采用以下技术方法：若所述气液流量计3检测到气体，则检测气侵位置。此时，所述工控机5向液动节流阀4发出减小开度的指令，所述节流阀4的开度迅速减小抑制气侵，液动节流阀4产生压力波，压力波沿环空向井底传播，到达井底后分别经钻杆内泥浆、环空内泥浆两条路径返回地面。通过所述指令传输线6将液动节流阀4的动作时间、立管压力传感器2收到压力脉冲的时间、套管压力传感器1收到压力脉冲的时间、气体流量、液体流量、套管压力和环空压力参数传送到工控机5中。根据两个压力传感器接收到压力波的时间，确定从井底返回的压力波在套管和立管中传播的时间差Tc。所述工控机5中内置的气侵位置检测软件自动计算气侵位置与压力波响应时间之间的一一对应关系，确定发生气侵的准确位置，所述工控机5上显示输出气侵位置。可根据气侵位置选择下一步节流阀开度调节计划、关井或下套管封隔等措施来抑制气侵。

上述的气侵位置检测装置中，所述工控机5的内置气侵位置检测软件的基本原理是：在控压钻井过程中，环空中发生气侵，压力波速会明显降低，由于气体密度低于钻井液密度，气体在环空中的运移规律为，气体从气侵位置沿环空向井口运移，气侵位置以上环空内流体为气液两相，以下为单相液体，将气侵位置以上部分井段长度记为H。气体运移到井口后，通过减小节流阀开度增大环空压力来抑制气侵，节流阀动作时不但产生环空回压，同时产生压力波，压力波沿环空向井底传播，到达井底后分两条路径返回，一条沿环空返回，一条沿钻柱返回，压力传感器检测到的压力波在两条路径中传播的时间差记为Tc。

所述工控机5的内置气侵位置检测软件在求解时把环空离散成n个网格，井口处为第一个网格（井深H0=0m，空隙率为φ0，套压为P0，波速为c0)，根据井口参数用龙格库塔法可迭代计算下一网格参数（φ1，P1，H1，c1、），依次求得第i个网格的参数（φi，Pi，Hi，ci），根据第i个网格的参数可计算出对应网格内压力波传播的时间。压力波在环空内前i（i≤n）个网格中的传播时间之和T1，如式（1）所示，钻杆内的压力波从环空内第i个网格对应的井深传播到井口所需的时间为T2，如式（2）所示，压力波时差为△T，如式（3）所示。

由所述工控机5内置的气侵位置检测软件计算出气侵位置与压力波时差△T之间的对应关系，按式（4）计算的两压力传感器检测到压力波在两条路径中传播的时间差Tc与迭代计算出的波速时差△T之间的差值，若满足式（4）中精度δ要求，则结束运算，此时式（5）求得的H即为环空气侵位置。反之，i＝i＋1，进入下一个网格，重复上述步骤至满足精度要求。

（1）

（2）

（3）

（4）

（5）

式中 T₁——沿环空返回的压力波传播的时间，s；

T₂——沿钻柱返回的压力波传播的时间，s；

H_i——第i个网格的高度，m；

c_i——压力波在第i个网格中的传播速度，m/s；

c——压力波在不含气的单相钻井液中的传播速度，m/s；

△T——计算出的压力波返回时差，s；

T_c——压力传感器检测到的压力波返回时差，s；

δ——气侵漏点计算精度，m；

H——气侵位置以上井段长度，m；

实施例2

作为本实用新型的最佳实施方式，下面结合附图对本实用新型作进一步说明，但本实用新型并不局限于以下实施例。

本实用新型气侵位置检测装置的结构示意图如图1所示，工控机5内置气侵位置检测软件计算框图如图2所示，其为现有技术。本实用新型装置可通过对控压钻井过程的水力测压系统进行改造，并结合环空水力学理论实现。

本实用新型的压力波气侵位置检测装置包括套管压力传感器1、立管压力传感器2，立管压力传感器2安装在钻井液入口处的立管下方的水龙带与方钻杆的连接处，套管压力传感器1安装在钻井液环空出口处，套管压力传感器1和立管压力传感器2可检测套管压力和立管压力，并拾取接受到压力波的时间；套管压力传感器1后的管线上依次串联气液流量计3和液动节流阀4；气液流量计3可检测井口环空出口处的气体流量和液体流量；液动节流阀4可接收并执行工控机5发出的节流阀开度调节指令；该装置还包括数据工控机5和指令传输线6；数据指令传输线共有四条，套管压力传感器1、立管压力传感器2、气液流量计3、液动节流阀4通过四条数据指令传输线与工控机5相连接，向工控机5传输气液流量、套压，立压、液动节流阀动作时间、套管压力传感器接收到压力波的时间、立管压力传感器接收到压力波的时间，实现的数据传递和指令发送；工控机5中的内置气侵位置检测软件，按图2所示的计算框图，采用龙格库塔迭代法，根据环空水力学模型对各参数进行计算，确定发生气侵的准确位置，在工控机5上显示，并根据计算结果通过数据指令传输线向液动节流阀4发出下一步节流阀调节指令。

本装置可实现气侵检测和气侵位置检测两种功能。若井口的气液流量计3未检测到气体时，则检测井底是否发生气侵，实现常规的气侵检测功能；若气液流量计3检测到气体，则检测气侵位置。

本实施例的具体实施包括以下步骤：

第一步，打开工控机，确保各数据指令传输线连接正确，在工控机5上输入所钻油井的基础参数及钻井液特性，如表1所示；

第二步，如表2所示实施例中工控机接收到的数据和检测结果，若各设备处在正常的工作状态，井口未检测到气体，则进入气侵检测功能，在工控机屏幕上显示“正常”或“已发生气侵”，若井口检测到气体，则进入气侵位置检测功能，在工控机屏幕上显示气侵位置，工控机并根据计算结果通过数据指令传输线向液动节流阀4发出下一步节流阀调节指令；

第三步，根据工控机上显示的气侵位置，采取减小节流阀开度、关井、下套管封隔或增加钻井液密度等措施来抑制气侵。

本实用新型的各设备，可以根据施工现场工况确定具体设备的型号和量程，气液流量计3的量程根据钻井液流量和气侵程度确定，液动节流阀4的量程可根据钻井过程中可控回压的大小确定。