[0001]
本发明涉及石油钻井技术领域，尤其涉及一种岩屑床位置及堆积程度的判识方法。
背景技术：
[0002]
大斜度井、水平井钻井过程中，下井壁位置易形成岩屑床堆积，导致摩阻、扭矩大幅增加，进而容易出现卡钻、憋泵等复杂情况，严重影响钻具使用寿命和钻进安全，造成工程延迟成本增加。岩屑床产生位置的正确判断是清除岩屑床、清洁井眼、降低摩阻扭矩和较少井下事故复杂的关键。
[0003]
目前岩屑床主要通过两种方法判断：一是通过返出岩屑称重，通过机械钻速和返出岩屑重量比较，判断环空中是否有岩屑堆积，但该方法只能判断出岩屑堆积在环空中，不能判断岩屑堆积的具体位置和堆积程度。第二种是工程师根据地面钻压、扭矩和机械钻速关系，在井下摩阻扭矩增加时判断存在岩屑床。这需要工程师具有丰富的现场经验，但仍然不能有效判断出岩屑堆积的具体位置和堆积程度。
[0004]
另外，现有技术中也提出了通过模拟装置进行实验检测岩屑床厚度的方法，如公开号为cn109209337a的文献就公开了一种考虑岩屑床的水平井钻井润滑性实验装置及实验方法，该方法公开了采用超声波探头能够检测岩屑床厚度，但由于钻井液添加有各种化学物质，超声波探头工作环境恶劣，易受钻井液的影响，导致信号异常无法工作而失效。并且，受钻井液流动的影响，超声波探头测量精度和灵敏度会降低，相应地也会导致测量不准确。最后，超声波探头价格较高，还导致测量成本较高。
[0005]
因此，有必要研发能够有效判别岩屑床位置和堆积程度的新技术，以便于为水平井岩屑床研究提供指导。
技术实现要素：
[0006]
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述技术问题，提供了一种岩屑床位置及堆积程度的判识方法，本发明能够有效而准确地判识出井下岩屑床的位置和堆积程度，为水平井岩屑床研究提供了有效指导。
[0007]
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0008]
一种岩屑床位置及堆积程度的判识方法，其特征在于：包括如下步骤：
[0009]
步骤1：通过与钻柱或套管连接的短节在井下设置数据处理单元、数据编码单元和至少两个压力检测单元，并将压力检测单元在短节上的位置作为测量环空压力的测点；
[0010]
步骤2：控制各压力检测单元测量各测点处的平均压力值，并将平均压力值发送给数据处理单元；
[0011]
步骤3：数据处理单元先根据接收到的平均压力值计算相邻两个测点之间的压力差，根据压力差采用结构流沿程水头损失计算公式计算相邻两个测点之间的平均流速，根据平均流速采用流量计算公式计算相邻两个测点之间可供钻井液流动的平均横截面积，根
据平均横截面积计算相邻两个测点之间岩屑床的堆积程度系数；再将各测点的平均压力值和岩屑床的堆积程度系数发送给数据编码单元；
[0012]
步骤4：数据编码单元对接收到的数据进行编码，并采用泥浆脉冲或电磁波方式的将编码后的信号发送给地面系统；
[0013]
步骤5：地面系统对接收到的信号进行滤波解码，还原井下数据，根据还原的井下数据和钻井参数绘制井下环空压力和岩屑堆积程度曲线，根据环空压力和岩屑堆积程度曲线判识出岩屑床的位置及堆积程度。
[0014]
所述步骤3中岩屑床的堆积程度系数的计算方法为：先根据环空的横截面积和可供钻井液流动的平均横截面积计算出岩屑堆积的平均面积，再根据岩屑堆积的平均面积与环空的横截面积之比求出岩屑床的堆积程度系数。
[0015]
所述步骤4中的编码方法：对堆积程度系数对应的两个测点之间的井段进行位置编码，并将位置编码作为编码的第一部分；对各测点的平均压力值进行压力编码，并将压力编码作为编码的第二部分；对岩屑床的堆积程度系数进行编号，并将编号作为编码的第三部分；将编码的第一部分、第二部分和第三部分相关联，即得到编码后的信号。
[0016]
所述的数据处理单元、数据编码单元和各个压力检测单元分别设置在短节上，各短节依次连接，且压力检测单元、数据处理单元和数据编码单元依次位于钻柱或套管下方。
[0017]
所述压力检测单元包括调理电路及多个压力传感器，多个压力传感器呈圆形均匀布置在短节上，用于测量环空压力；调理电路通过盖板密封固定在短节上，用于根据多个压力传感器测量的环空压力计算平均压力值，并发送给数据处理单元。
[0018]
所述数据处理单元包括中控电路板、微处理器、存储模块和电源模块，中控电路板通过密封盖固定在短节上，微处理器、存储模块和电源模块均集成在中控电路板上，电源模块分别为微处理器和压力检测单元供电，微处理器分别与压力检测单元、数据编码单元和存储模块连接；其中，微处理器用于接收各测点的平均压力值，根据平均压力值依次计算相邻两个测点之间的压力差、平均流速、可供钻井液流动的平均横截面积和岩屑床的堆积程度系数，以及将各测点的平均压力值和相邻两个测点之间岩屑床的堆积程度系数发送给数据编码单元；存储模块用于存储平均压力值和岩屑床的堆积程度系数。
[0019]
所述数据编码单元包括均密封固定在短节上的编码模块和mwd信号发生模块，编码模块用于对经数据处理单元处理后的数据进行编码，mwd信号发生模块用于发送编码后的信号。
[0020]
所述地面系统包括解码处理器、信号接收器和显示器，信号接收器用于对编号后的信号进行滤波处理，解码处理器用于对滤波后的信号进行解码并绘制井下环空压力和岩屑堆积程度曲线，显示器用于显示岩屑堆积程度曲线。
[0021]
采用本发明的优点在于：
[0022]
1、本发明以各测点之间的平均压力值为基础，通过计算相邻两测点之间的压力差、平均流速、可供钻井液流动的平均横截面积和岩屑床的堆积程度系数来确定岩屑床的位置和堆积程度。既能够实时监测，提高了作业时效；又具有测量简单、准确度高等优点。为水平井岩屑床研究提供了有效指导。
[0023]
2、本发明采用三部分相关联的方式进行编码，有利于快速而准确地确定出岩屑床在井下的位置和堆积程度。
[0024]
3、本发明在每个测点上均匀设置多个呈圆形布置的压力传感器，通过多个压力传感器来确定各测点处的平均压力，能够消除误差，进一步提升判识的准确性。
[0025]
4、本发明采用泥浆脉冲或电磁波方式的将编码后的信号发送给地面系统，有利于保证数据的稳定传输。
[0026]
5、本发明通过设置多套压力检测单元就能够同时对井下多个区域进行岩屑床位置及堆积程度的判识，效率更高。
[0027]
6、本发明不受钻井液性能、钻具组合、钻井参数、井眼轨迹、地层岩屑等条件限制，开泵循环、钻进、划眼过程中均可实现岩屑床位置和平均厚度的测量，适应范围广。
[0028]
7、本发明结构简单，操作方便，制作成本低，能够通过泥浆脉冲或电磁波方式传输信号，实时获取井下工况，具有广阔的应用前景。
附图说明
[0029]
图1为本发明的流程框图；
[0030]
图2为本发明的结构示意图；
[0031]
图3为本发明的工作原理示意图；
[0032]
图4为本发明中各短节连接时的结构示意图；
[0033]
图5为本发明中各测点在井筒中的分布示意图；
[0034]
图6为本发明中岩屑床在井筒中的截面示意图；
[0035]
图7为图6的左视结构示意图；
[0036]
图中标记为：1、地面系统，2、数据编码单元，3、数据处理单元，4、压力检测单元，5、短节，6、信号接收器，7、显示器，8、解码处理器，9、编码模块，10、mwd信号发生模块，11、中控电路板，12、微处理器，13、存储模块，14、电源模块，15、压力传感器，16、调理电路，17、盖板，18、密封盖，19、穿线孔，20、加长节。
具体实施方式
[0037]
本发明公开了一种岩屑床位置及堆积程度的判识方法，如图1-4所示，其包括如下步骤：
[0038]
步骤1：通过与钻柱或套管连接的短节5在井下设置数据处理单元3、数据编码单元2和至少两个压力检测单元4，并将压力检测单元4在短节5上的位置作为测量环空压力的测点。其中，数据处理单元3、数据编码单元2和各个压力检测单元4分别对应设置在一根短节5上，各短节5依次连接，压力检测单元4、数据处理单元3和数据编码单元2依次位于钻柱或套管下方。
[0039]
步骤2：控制各压力检测单元4测量各测点处的平均压力值，并将平均压力值发送给数据处理单元3。
[0040]
步骤3：数据处理单元3先根据接收到的平均压力值计算相邻两个测点之间的压力差，根据压力差采用结构流沿程水头损失计算公式计算相邻两个测点之间的平均流速，根据平均流速采用流量计算公式计算相邻两个测点之间可供钻井液流动的平均横截面积，根据平均横截面积计算相邻两个测点之间岩屑床的堆积程度系数；再将各测点的平均压力值和岩屑床的堆积程度系数发送给数据编码单元2。
[0041]
本步骤中，当计算出两个测点之间的平均流速后，根据平均流速大小可定性判断岩屑床堆积程度，平均流速越大，则岩屑堆积越严重。
[0042]
本步骤中，岩屑床的堆积程度系数的计算方法为：先根据环空的横截面积和可供钻井液流动的平均横截面积计算出岩屑堆积的平均面积，再根据岩屑堆积的平均面积与环空的横截面积之比求出岩屑床的堆积程度系数。其中，岩屑堆积的平均面积由环空的横截面积减去可供钻井液流动的平均横截面积得出。堆积程度系数能够直接反映岩屑床的堆积程度。
[0043]
步骤4：数据编码单元2对接收到的数据进行编码，并采用泥浆脉冲或电磁波方式的将编码后的信号发送给地面系统1。
[0044]
本步骤中，所述的编码方法：对堆积程度系数对应的两个测点之间的井段进行位置编码，并将位置编码作为编码的第一部分；对各测点的平均压力值进行压力编码，并将压力编码作为编码的第二部分；对岩屑床的堆积程度系数进行编号，并将编号作为编码的第三部分；将编码的第一部分、第二部分和第三部分相关联，即得到编码后的信号。编码后的信号包括相互关联的三部分，该三部分信息相结合，就能够准确地体现出岩屑床在井下的位置和堆积程度。
[0045]
步骤5：地面系统1对接收到的信号进行滤波解码，还原井下数据，根据还原的井下数据和钻井参数绘制井下环空压力和岩屑堆积程度曲线，根据环空压力和岩屑堆积程度曲线判识出岩屑床的位置及堆积程度。
[0046]
本步骤中，钻井参数主要包括测点到钻头距离、井深、井眼直径、钻柱直径、测点间距、水力摩阻系数等参数，在绘制曲线前需要根据钻井实际情况预先设置这些参数，以得出准确的结果。
[0047]
本发明中，压力检测单元4、数据处理单元3、数据编码单元2和地面系统1的结构、位置及连接关系分别如下：
[0048]
所述压力检测单元4包括调理电路16及多个压力传感器15，多个压力传感器15呈圆形均匀布置在短节5上，用于测量环空压力；调理电路16通过盖板17密封固定在短节5的电路板槽内，用于根据多个压力传感器15测量的环空压力计算平均压力值，并发送给数据处理单元3。
[0049]
所述数据处理单元3包括中控电路板11、微处理器12、存储模块13和电源模块14，中控电路板11通过密封盖18固定在短节5的电路板槽内，微处理器12、存储模块13和电源模块14均集成在中控电路板11上，电源模块14分别为微处理器12和压力检测单元4供电，微处理器12分别与压力检测单元4、数据编码单元2和存储模块13连接；其中，微处理器12用于接收各测点的平均压力值，根据平均压力值依次计算相邻两个测点之间的压力差、平均流速、可供钻井液流动的平均横截面积和岩屑床的堆积程度系数，以及将各测点的平均压力值和相邻两个测点之间岩屑床的堆积程度系数发送给数据编码单元2；存储模块13用于存储平均压力值积和岩屑床的堆积程度系数。
[0050]
所述数据编码单元2包括均密封固定在短节5上的编码模块9和mwd信号发生模块10，编码模块9用于对经数据处理单元3处理后的数据进行编码，mwd信号发生模块10用于发送编码后的信号。
[0051]
所述地面系统1包括解码处理器8、信号接收器6和显示器7，信号接收器6为立管压
力传感器15或地面探针，用于对编号后的信号进行滤波处理，解码处理器8用于对滤波后的信号进行解码并绘制井下环空压力和岩屑堆积程度曲线，显示器7用于显示岩屑堆积程度曲线。
[0052]
本发明中，所述短节5上设置有穿线孔19，压力检测单元4与数据处理单元3之间和数据处理单元3与数据编码单元2之间均通过穿线孔19走线。
[0053]
进一步的，还可根据需要在短节5之间增加加长节20，以便于将各测点设置在井下需要测量的区域。
[0054]
下面以在钻柱下方设置a、b、c、d四个测点为例结合附图对判识方法进行详细说明。
[0055]
首先，如图5所示，d测点距离钻头最近，距离为l0，相邻两测点之间距离为l，相邻两测点的距离可根据经验或实际工作需要确定。每个测点处都布置有多个压力传感器15，且压力传感器15沿短节5周向均匀布置，每个测点测量的环空压力值为多个压力传感器15测量的平均值，分别为p1、p2、p3和p4。依次取相邻两个测点，分别计算出各测点之间的压力差δp1＝p2-p1、δp2＝p3-p2和δp3＝p4-p3。
[0056]
其次，先采用结构流沿程水头损失计算公式计算相邻两个测点之间的平均流速。具体的，已知测点压力差δp、钻井液密度ρ、测点间距离l、环空外径d外、环空内径d内和水力摩擦系数λ，根据结构流沿程水头损失计算公式可计算出两个测点之间环空内的流体平均流速v。a、b两测点之间流体平均流速为v1，b、c两测点之间流体平均流速为v2，c、d两测点之间流体平均流速为v3。
[0057]
再采用流量计算公式计算相邻两个测点之间可供钻井液流动的平均横截面积。由流量计算公式，已知井眼与钻具之间的环空中钻井液的流量q，可计算出两测点间环空中可供钻井液流动的横截面积a流＝q/v。井眼与钻具之间的环空的横截面积a环空等于可供钻井液流通的横截面积a流与环空中岩屑床占据横截面积a岩屑之和，引入岩屑床堆积程度系数k，k＝(a岩屑/a环空)
×
100，a、b两测点之间岩屑堆积系数为k1，b、c两测点之间岩屑堆积系数为k2，c、d两测点之间岩屑堆积系数为k3。k值越大，说明两个测点之间的环空中岩屑量越多，岩屑堆积越严重，如图6-7所示。
[0058]
再次，利用编码规则进行三部分编码。具体的，a测点与b测点之间的位置编码用二进制的00表示，b测点与c测点之间的位置编码用二进制01表示，c测点与d测点之间的位置编码用二进制11表示，作为编码的第一部分。将各测点的平均压力值p转化为8位二进制数进行压力编码，作为编码的第二部分。将岩屑床的堆积程度系数k分为4个等级，用2位二进制数进行编号，作为编码的第三部分。将三个部分连接起来即得到编码后的信号。当然，编码方法不限于此，也可以采用其他的编码方法。
[0059]
最后，由地面系统1对接收到的信号进行滤波解码，还原井下数据，根据还原的井下数据和钻井参数绘制井下环空压力和岩屑堆积程度曲线，根据环空压力和岩屑堆积程度曲线判识出岩屑床的位置及堆积程度。
[0060]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。