采用导电指示性添加剂随钻检测井漏的系统的制作方法

本发明涉及石油天然气钻井的钻井液漏失检测技术领域，具体来讲，涉及一种采用导电指示性添加剂随钻检测井漏的系统。

背景技术：

一般来讲，钻井液在钻完井过程中通过裸露的地层或缺失破损的套管流失到地层或其他夹层中的现象统称为钻井液漏失，简称井漏。井漏诱发的井壁失稳、因漏致塌、致喷问题是长期以来制约油气勘探开发速度的主要技术瓶颈，井漏的发生不仅会给钻井工程带来损失，也为油气资源的勘探开发带来极大困难。如果井漏发现不及时或不清楚井漏深度，常会引发井涌或井喷，造成生命财产损失，同时也极大影响钻井工期，增大钻井成本。井漏对于钻井过程的质量和安全控制如此重要，如何快速、准确地发现井漏因此成为行业关注的焦点问题，但由于缺乏成熟可靠的判识技术，因此，一直以来，井漏的发现和检测被看作是钻井工程的世界性难题之一。

发明人表示解决井漏判别问题的关键在于两点：确定井漏的位置和计算井漏的强度。如果能基于上述关键点切入井漏判识研究，在及时发现井漏的基础上，确定井漏位置并计算井漏级别，则可有效地发现、评价井漏，为采取相应措施阻止或减缓井漏对钻井的影响，防范钻井事故，增加钻井安全、提效增速。

现今分析钻井液漏失位置通常采用综合分析法，不具备准确并及时定位井漏位置的能力，为堵漏增加了难度，如果需要确定井漏位置，多采用仪器测定法，即螺旋流量计法、井温测定法等等，这些方法普遍欠缺及时性，会极大延长工期，增加钻井成本。

公开号为“cn108729868a”、公开日为2018年11月02日的中国发明专利申请公开了一种深海钻井溢流和井漏监测方法。经分析，发明人表示：其存在的主要不足包括：1、为被动式发现和探测、发现时间较滞后；2、检测载体仅有原装或混入地层流体的钻井液一种，不能根据不同的地层性质进行调整和切换；3、通过加装质量流量计并进行钻井液体积计量，系单一的物理性质计量，由于整个计量系统和待检测流体-钻井液的循环管汇体系较为庞大，准确计量有一定难度；4、由于计量设备安装在地面，其受控的影响因素来自井下和地面等多个方面，系间接测量和检测方法，难以实现井漏位置的准确定位；5、由于计量设备安装在地面，用体积计量来判断井漏，由于仪器安装在井口，如果曾漏层发生复漏，无法确定是正钻层在漏还是曾漏层复漏。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明的目的之一在于提供一种能够随钻检测钻井液在钻完井过程中的井漏情况的系统。

为了实现上述目的，本发明提供了一种采用导电指示性添加剂随钻检测井漏的系统，所述系统包括实时检测单元、添加剂供给单元和井漏判定单元，其中，所述实时检测单元包括分别设置在钻具上并伴随钻头行进的第一、二、三和四导电性探头，其中，第一、二、三和四导电性探头能够分别相应地实时测量第一、二、三和四侧向位置，对应得到第一、二、三和四电阻数据，第一、二侧向位置与所述钻头之间的距离相等并且所述第一侧向位置与钻具的中心线的距离小于第二侧向位置与所述中心线的距离，第三、四侧向位置与所述钻头之间的距离相等并且所述第三侧向位置与钻具的中心线的距离小于第四侧向位置与所述中心线的距离，第一侧向位置与所述钻头之间的距离小于第三导电性探头与所述钻头之间的距离，第一、三侧向位置与所述中心线的距离相等，并且第二、四侧向位置与所述中心线的距离相等；所述添加剂供给单元能够将导电指示性添加剂加入钻井液中；所述井漏判定单元接收所述实时检测单元的第一、二、三和四导电性探头的第一、二、三和四电阻数据，并通过各个深度点的第一、二、三和四电阻数据，判断得出目标漏失层。

在本发明的一个示例性实施例中，在所述导电指示性添加剂为电阻大于地层平均电阻的低导电指示性添加剂的情况下，所述目标漏失层中的每个深度点的第一、二、三和四电阻数据均满足：第一电阻数据为异常高值同时第二电阻数据为正常值，并且第三电阻数据为异常高值，同时第四电阻数据为异常高值或正常值，所述异常高值高于所述正常值。此外，在所述导电指示性添加剂为电阻小于地层平均电阻的高导电指示性添加剂的情况下，所述目标漏失层中的每个深度点的第一、二、三和四电阻数据均满足：第一电阻数据为异常低值同时第二电阻数据为正常值，并且第三电阻数据为异常低值，同时第四电阻数据为异常低值或正常值，且异常低值小于所述正常值。

在本发明的一个示例性实施例中，所述井漏判定单元可通过式1计算目标漏失层的井漏级别参数，所述式1为：

其中，k(xd)为深度点d的井漏级别判断参数，x1d＝lnr1，x3d＝lnr3，r1和r3分别为深度点d的第一、三电阻值，td为第一、三导电性探头经过深度点d时间差的绝对值，α为体积转换系数。

在本发明的一个示例性实施例中，所述井漏判定单元可通过式2确定目标漏失层的井漏位置，所述式2为：

hk＝p-l

其中，目标漏失层的井漏位置为hk，p为当前钻进位置，l为第三导电性探头到钻头的距离。

在本发明的一个示例性实施例中，所述添加剂供给单元还可包括采样补充机构，所述采样补充机构根据预定情况下的钻井液的采样结果判断并及时通过添加剂供给单元向钻井液中补充导电指示性添加剂。此外，所述预定情况包括以下中的任意一项：每30个循环周完成时；钻井液处理前后；仪器读数与人工计数发生20％以上偏差；以及发生包括钻井液井漏在内的较大规模油气水漏显示的情形。

附图说明

图1示出了本发明的采用导电指示性添加剂随钻检测井漏的系统的一个示例性实施例的使用示意图；

图2示出了图1中采用低导电指示性添加剂的井漏判别模式图；

图3示出了图1中采用高导电指示性添加剂的井漏判别模式图。

具体实施方式

在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明的采用导电指示性添加剂随钻检测井漏的系统。本发明的系统可针对钻井过程中被钻头切削破碎后裸露于充满钻井液和地层流体混合液系统中，发生的钻井液通过切削面由于压力差脱离混合液体系进入地层并失去钻井液循环系统控制进入地层发生漏失的情况。

在本发明的一个示例性实施例中，采用导电指示性添加剂随钻检测井漏的系统可包括实时检测单元、添加剂供给单元和井漏判定单元。

具体来讲，实时检测单元包括分别设置在钻具上并伴随钻头行进的第一、二、三和四导电性探头。第一导电性探头能够实时测量第一侧向位置，得到第一电阻数据；第二导电性探头能够实时测量第二侧向位置，得到第二电阻数据；第三导电性探头能够实时测量第三侧向位置，得到第三电阻数据；并且第四导电性探头能够实时测量第四侧向位置，得到第四电阻数据。第一、二侧向位置与所述钻头之间的距离相等，并且所述第一侧向位置与钻具的中心线的距离小于第二侧向位置与所述中心线的距离；第三、四侧向位置与所述钻头之间的距离相等，并且所述第三侧向位置与钻具的中心线的距离小于第四侧向位置与所述中心线的距离；第一或第二侧向位置与所述钻头之间的距离小于第三或第四导电性探头与所述钻头之间的距离；并且第一、三侧向位置与所述中心线的距离相等，并且第二、四侧向位置与所述中心线的距离相等。这里，第一、二、三、四侧向位置相当于围绕钻柱中心线的第一、二、三、四径向探测范围。例如，第二、第四导电性探头的径向探测范围可以约为2～3米；第一、第三导电性探头的径向探测范围可以约为0.5～1米。第一和第二导电性探头可以一体化形成为近电极，以分别探测钻头近端的深侧向和浅侧向的数据；第三和第四导电性探头可以一体化形成为远电极，以分别探测钻头远端的深侧向和浅侧向的数据。所述“深侧向”相当于深径向范围，所述“浅侧向”相当于浅径向范围。

添加剂供给单元能够将导电指示性添加剂加入钻井液中，从而便于实时检测单元的第一、二、三和四导电性探头进行探测和收集数据。这里，导电指示性添加剂可以为电阻大于地层电阻(例如，目标地层的平均电阻)的低导电指示性添加剂；或者可以为电阻小于地层电阻(例如，目标地层的平均电阻)的高导电指示性添加剂。

井漏判定单元接收实时检测单元的第一、二、三和四导电性探头的第一、二、三和四电阻数据，通过各个深度点的第一、二、三和四电阻数据，判断得出目标漏失层。例如，井漏判定单元可以包括计算器、存储器和显示器等部件。例如，在所述导电指示性添加剂为电阻大于地层平均电阻的低导电指示性添加剂的情况下，所述目标漏失层中的每个深度点的第一、二、三和四电阻数据均满足：第一电阻数据为异常高值同时第二电阻数据为正常值，并且第三电阻数据为异常高值，同时第四电阻数据可以为异常高值或正常值，所述异常高值高于所述正常值。又如，在所述导电指示性添加剂为电阻小于地层平均电阻的高导电指示性添加剂的情况下，所述目标漏失层中的每个深度点的第一、二、三和四电阻数据均满足：第一电阻数据为异常低值同时第二电阻数据为正常值，并且第三电阻数据为异常低值，同时第四电阻数据可以为异常低值或正常值，且异常低值小于所述正常值。第四电阻数据具体是异常低值抑或正常值，可根据钻速、井漏速度和第四导电性探头与钻头之间的距离确定，但无论此时第四电阻数据是异常低值抑或正常值，都可确定该深度点处于发生井漏的目标漏失层中。

图1示出了本发明的采用导电指示性添加剂随钻检测井漏的系统的一个示例性实施例的使用示意图。

如图1所示，在本发明的一个示例性实施例中，采用导电指示性添加剂随钻检测井漏的系统的使用可包括如下步骤：

1)确定导电性指示性添加剂(也可称为导电指示剂或指示剂)的种类及加入剂量；

2)在靠近钻头的钻具部分成对加装导电性探测器(即，第一、二、三、四导电性探头)，用于检测探测范围内的随着钻具外侧与被钻头破碎后裸露的地层切削面之间的外环空，及导电性(例如，纵深1～3米)的地层范围内的指示性添加剂含量变化情况；

3)建立根据探测器导电性读数变化情况判断携带指示性添加剂的钻井液通过漏失现象进入地层情况的判别模式；

4)判定钻井液漏失位置和/或确定漏失强度。

这里，指示性添加剂加入井筒钻井液的剂量根据待测地层性质和添加剂与采用探测器探测导电性的物理性质差异确定。导电指示性添加剂为电阻大于地层平均电阻的低导电指示性添加剂，或者可以为电阻小于地层平均电阻的高导电指示性添加剂。

所述步骤1)中，首先通过模拟试验，在地表封闭的不受环境电磁影响的容器中饱和钻井液，测定能够检测到混入导电性指示性添加剂的最低剂量体积百分比浓度mgr，设井筒泵入循环钻井液包括井下循环和地面待泵部分体积总量为为u，则：

确保达到探测体积百分比浓度的导电性特征指示性添加剂质量mr为mr＝mgr·u。

此外，由于钻进过程中，钻井液可能面临的井漏损失、地面管汇沉淀、井下钻具附着和振动筛等钻井液流经的开放式通道跑失等影响，钻井液包括本发明采用的指示性添加剂均有可能出现损失，降低被探测器检测的效果并可能影响后续步骤的数据分析和应用。因此，可以在以下任一情况进行指示性添加剂的钻井液采样、体积百分比浓度检测和及时补充：a、每30个循环周完成时；b、钻井液处理前后；c、仪器读数与人工计数发生20％以上偏差，仪器读数指进入井筒之前的地表检测仪器检测钻井液的读数，人工计数指从井筒返出来的钻井液人工测量的数值；d、发生包括钻井液井漏在内的较大规模油气水漏显示的情形。

此外，在不具备试验和检测条件的情况下，进行指示性添加剂的定量投放，设通过试验测定每升钻井液加入剂量为g，导电性与待测地层相同参数差异性需要，对其加入剂量根据地层特征和添加剂差异情况则待测地层根据钻井过程中井筒容积情况，则加入100mg/l质量体积比的氢列元素，其井筒内常驻总质量mg＝100×u＝100umg。

所述步骤2)中，在靠近钻头的钻具部分成对加装导电性探测器，导电性探测器均具有成对探头，包括钻头远端探头组和钻头近端探头组，其中，导电性探测器的远、近端探头组均包括一个深探测范围探头和一个浅探测范围探头。例如，以侧向电阻为例，远端成对探头组由第三导电性探头和第四导电性探头构成，第三导电性探头的侧向(相当于径向)探测深度小于第四导电性探头的侧向(相当于径向)探测深度。近端成对探头组由第一导电性探头和第二导电性探头构成，第一导电性探头的侧向探测深度小于第二导电性探头的侧向探测深度。这里，第一、二、三、四侧向位置相当于围绕钻柱中心线的第一、二、三、四径向探测范围。例如，第二、第四导电性探头的探测范围可以约为2～3米；第一、第三导电性探头的探测范围可以约为0.5～1米。第一和第二导电性探头可以一体化形成为近电极，以分别探测钻头近端的深侧向和浅侧向的数据；第三和第四导电性探头可以一体化形成为远电极，以分别探测钻头远端的深侧向和浅侧向的数据。所述“深侧向”相当于深径向范围，所述“浅侧向”相当于浅径向范围。

基于导电性探测器的井漏判别模式可以如下：

以侧向电阻为例，设发生井漏时刻为t0，钻头钻揭当前深度为h0，导电性探测器近端探头组(即，第一导电性探头和第二导电性探头)接触时间为t1、接触深度(即，距离地面的深度)为h1，导电性探测器远端探头组(即，第三导电性探头和第四导电性探头)接触时间为t2、接触深度为h2，待检测某米疑似发生井漏的井深h处近端深侧向探头读数记录为xjd(即，第二电阻数据)、近端浅侧向探头读数记录为xjs(即，第一电阻数据)，远端深侧向探头读数记录为xyd(即，第四电阻数据)、远端浅侧向探头读数记录为xys(即，第三电阻数据)，远端和近端探头安装间距为m＝h2-h1。

(i)、正常钻进未发生井漏的情形

对于井深h处近端和远端探头读数基本存在以下关系：

xjd＝xyd且xjs＝xys

此时，以正常钻进未发生井漏情形的探头读数作为正常值(也可称为基准值)，例如，以该情形对应的第一、二、三或第四电阻数据作为正常值，或者以第一、二、三和第四电阻数据的平均值作为正常值。

(ii)钻进时首次在某深度点发生井漏的情形

当加入高电阻率导电性指示性添加剂(即，低导电性指示性添加剂)时，设井漏发生时间t0早于导电性探测器近端探头到达井漏发生井深的时间t1，则近端探测器将比实际井漏发生时间延迟t1-t0，远端探头延迟时间为t2-t1、延迟行程为m，此时，近端探头读数和远端探头读数存在一定差值的情况，且假设原状地层xjs＝xjd，则有：

xjs-xjd＞0，并且xyd和xys均为异常高值；或者xyd为异常高值，且xys为正常值。

也就是说，导电性探测器(例如，第一、二、三、四导电性探头)用于探测导电性指示性添加剂进入地层后电阻率参数的变化情况，由于向钻井液体系中投放的导电性指示性添加剂为高电阻物质，若地层发生井漏，随钻电阻率测井有明显电阻率增大趋势，以此作为井漏监测判定参数。此种情形下，在发生井漏的井深或层段将在导电性探测器中的近端探头组出现浅侧向(例如，第一侧向位置)异常高值及深侧向(例如，第二侧向位置)正常值同时出现的情况，而在导电性探测器的远端探头组出现浅侧向(例如，第三侧向位置)异常高值、以及深侧向(例如，第四侧向位置)为异常高值或正常值同时出现的情形。例如，基于低导电指示性添加剂及其探头的井漏判别模式的电阻曲线可如图2所示。

类似地，当加入低电阻率导电性指示性添加剂(即，高导电性指示性添加剂)时，近端探头读数和远端探头读数存在一定差值的情况，且假设原状地层xjs＝xjd，则有：

xjs-xjd＜0，并且xyd和xys均为异常低值；或者xyd为异常低值，且xys为正常值。

例如，基于高导电指示性添加剂及其探头的井漏判别模式的电阻曲线可如图3所示。

所述步骤4)中，基于导电性探测器及导电性指示性添加剂漏失位置的判定和漏失情况的分析如下：

设地层某一深度d的电阻率值为r，x为电阻值的对数表达式x＝lnr，因此第一、二、三和四电阻数据分别对应为x1、x2、x3和x4条曲线，

其中，导电性差异系数为de，即de>0.2判断为井漏，x1d为深度d点的第一电阻数据、x3d为深度d点第三电阻数据。如果de值大于0.2，那么即可判断为井漏，连续深度段的de值都大于0.2，即判断为一井漏段。

所述井漏位置可满足下式：

hk＝p-l

其中，目标漏失层的井漏位置为hk，p为当前钻进位置，l为远电极到钻头的距离。

而井漏级别可通过下式确定：

其中，k(xd)为深度d点的井漏级别判断参数，x1d＝lnr1，x3d＝lnr３，r1和r3分别为深度点d的第一、三电阻值，td为近电极深度d点到远电极经过深度d点所经过的时间，远近电极间的距离由钻具组合决定，α为体积转换系数，不同浓度和体积的指示剂转换系数有所不同，可通过实验确定。井漏段的井漏级别可通过平均求得。

由此，通过上述步骤完成钻井过程中钻井液基于导电性指示性添加剂漏失位置的判定和漏失情况的分析。

综上所述，本发明的优点包括以下内容中的一项或多项：

1、通过在钻井液中加入定量并保持体积百分比浓度的指示性添加剂，以随钻设置的探头检测添加剂在钻井液随钻循环体系中的保持和损失情况，能够有效地追溯井漏的位置和判断井漏的强度。

2、通过采用主动式随钻近钻头实时检测，发现时间不受钻井液上返时间和管汇延迟影响，在发现时间方面性能更优，发现和探测速度更快。

3、能够根据钻井液、地层和指示性添加剂三者在导电性方面的差异，进行物理、化学性质判识，且探测器距添加剂生效位置较近，探测计数时间与被探测井漏事件时间差段，计量更直接、准确。

4、通过将添加剂和探测器均设置在井下靠近最新钻揭井深的近钻头位置，受井筒系统和地面干扰较少，有利于进一步准确、直接地确定井漏位置。

5、能够确定是否曾发生井漏层复漏，例如，确定正钻层是否在发生井漏，如果发现正钻层未发生井漏，而钻井液又非正常减少，那么可判定为曾漏层复漏。

尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。