井筒溢流早期监测装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于石油钻探技术领域，具体地，涉及一种井筒溢流早期监测方法及装置， 用于监测井筒环空是否有地层流体（油、气）侵入，预防井喷事故的发生。
【背景技术】
[0002] 钻井过程中井喷是地层流体（油、气、水）无控制地涌入井筒并喷出地面的现象， 井喷有一个发展过程：井侵一溢流一井涌一井喷一井喷失控，每个环节若处理不好就会 向下一个环节发展。为此，陆地和海洋平台钻井作业现场需要对井涌是否发生进行实时监 测。
[0003] 目前应用在陆地钻井作业现场的井涌监测方法绝大部分依赖综合录井仪所提供 的测量数据，包括：出口流量、钻井液总池体积、泵压、泵冲程、大钩负荷、钻井液出口密度 等。这些参数的测量都是在井口之上完成的，因此若发生井涌，此时已经是井涌上返期，侵 入井筒的地层流体已快要到达井口，如果报警不及时，井喷事故必然发生，后果不堪设想。
[0004] 应用于海洋平台钻井作业现场的井涌早期监测方法有：基于科里奥式质量流量计 的出口流量的精确测量法和基于PWD的井涌早期监测法等。科里奥式质量流量计对出口流 量的监测同样是在井口之上完成，报警仍具有一定的延后性。而通过井下PWD实时测量环 空压力并结合水力学模型理论上可以监测环空水力情况，但由于环空压力是环空流动压耗 和钻井液静压力综合作用的结果，受工程复杂因素的干扰和排量、流变参数变化的影响较 大，给井涌的识别增加了难度，而且井底压力降低或增加不明显，将会提高误判溢流的可能 性。一旦发生溢流，没有被PWD监测，这也可能造成井喷的发生。
[0005] 综上所述，目前应用于陆地及海洋钻井作业现场的井涌早期监测方法和装置对井 涌的监测具有延后性及判别不准确的缺点。
【发明内容】
[0006] 为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种井筒溢流早期监测装置及方法，在溢流 阶段监测出是否有地层流体侵入井筒，为钻井安全提供保障。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用下述方案：
[0008] 井筒溢流早期监测装置，包括：井下监测装置、井上监测装置；其中，井下监测装 置对井筒环空流体的电容数据、温度数据和压力数据进行实时测量并模数转化，然后发送 至井上监测装置，由井上监测装置对监测数据进行分析处理，进行预警和报警。
[0009] 相对于现有技术，本发明的有益效果如下：
[0010] 1、实时监测井下环空是否有地层流体（油、气）侵入：利用井下测量短节内电容测 量模块进行监测。若地层流体侵入时，平行板电极片内的电容值变化明显，具有响应灵敏的 特点。
[0011] 2、发生井侵时实时计算地层流体的侵入量：通过实时上传至井上数据分析模块的 数据组（电容值、温度值、压力值），实时计算井下测量短节处环空的地层流体侵入量，进而 累积计算地层流体的侵入量。
[0012] 3、实现井筒环空发生井侵时，在溢流阶段就能准确判别是否有地层流体侵入，提 前预警，并通过计算得到的气侵量，为压井材料的准备提供数据支持。
【附图说明】
[0013] 图1为井筒溢流早期监测装置的示意图；
[0014] 图2为井下溢流监测装置的结构示意图；
[0015] 图3为井下测量短节剖面图；
[0016] 图4为井下测量短节俯视图；
[0017] 图中：1、钻头，2、井下测量短节，3、圆角矩形管，31、第一平行不锈钢电极片，32、第 二平行电极不锈钢片，33、电容测量模块，34、温度测量模块，35、压力测量模块，4、电源信号 电缆，51、供电锂电池，52、数据采集处理模块，53、数据上传模块，54、密封盒，6、泥浆脉冲发 生器，7、泥浆脉冲解码器，81、数据传输线，82、井上数据分析及报警系统。
【具体实施方式】
[0018] 如图1、图2、图3、图4所示，井筒溢流早期监测装置，包括：井下监测装置、井上监 测装置；井下监测装置对井筒环空流体的电容数据、温度数据和压力数据进行实时测量并 模数转化，然后发送至井上监测装置，由井上监测装置对监测数据进行分析处理，进行预警 和报警。
[0019] 井下监测装置，包括：井下测量短节2、圆角矩形管3、电容测量模块33、温度测量 模块34、压力测量模块35、供电锂电池51、数据采集处理模块52、数据上传模块53和和泥 浆脉冲发生器6 ;
[0020] 井下测量短节2为上部带内螺纹、下部带外缧纹的圆钢管，井下测量短节2的上下 两端分别与钻杆螺纹连接，井下测量短节2的管壁上设置两圆角矩形孔，圆角矩形孔为矩 形孔的上下两边用一与竖向两边相切的圆弧替代而成；两圆角矩形孔中心的连线通过井下 测量短节2的轴线并与水平面呈30度；
[0021] 圆角矩形管3斜贯穿两圆角矩形孔，且圆角矩形管3与井下测量短节2的圆角矩 形孔相匹配，圆角矩形管3与圆角矩形孔连接处焊接密封，圆角矩形管3形成井筒环空流体 的流通测量通道，钻井过程中在通道压差和钻杆旋转作用下，井筒环空内部分流体将从圆 角矩形管3内流过。
[0022] 圆角矩形管3的两竖向壁面分别贴有第一平行不锈钢电极片31和第二平行不锈 钢电极片32，第一平行不锈钢电极片31和第二平行不锈钢电极片32均进行绝缘处理，第一 平行不锈钢电极片31和第二平行不锈钢电极片32形成平行电极板；圆角矩形管3顶部设 有电容测量模块33、温度测量模块34、压力测量模块35,其中，电容测量模块33通过两条导 线分别连接第一平行不锈钢电极片31和第二平行不锈钢电极片32,对平行电极板之间的 电容进行实时测量。
[0023] 井下测量短节2的管壁内侧设有密封盒54,密封盒54内设有供电锂电池51、数据 采集处理模块52、数据上传模块53 ;
[0024] 电源信号电缆4包括三根电源电缆与三根信号电缆，电源电缆和信号电缆相互绝 缘，三根电源电缆与三根信号电缆置于圆形密封钢管内，圆形密封钢管焊接安装在井下测 量短节2内侧，三根电源电缆分别连接供电锂电池51和电容测量模块33、供电锂电池51和 温度测量模块34、供电锂电池51和压力测量模块35,三根信号电缆分别连接数据采集处理 模块52和电容测量模块33、数据采集处理模块52和温度测量模块34、数据采集处理模块 52和压力测量模块35 ;
[0025] 供电锂电池 51对电容测量模块33进行供电，电容测量模块33将第一平行不锈钢 电极片31和第二平行不锈钢电极片32之间流体的测量电容信号模数转化成数字信号，该 数字信号由信号电缆传送至数据采集处理模块52 ;
[0026] 供电锂电池51对温度测量模块34进行供电，温度测量模块34实时测量流通通道 内的流体温度，并将温度信号模数转化成数字信号，该数字信号由信号电缆传送至数据采 集处理模块52 ;
[0027] 供电锂电池 51对压力测量模块35进行供电，压力测量模块35实时测量流通通道 内的流体压力，并将压力信号模数转化成数字信号，该数字信号通过信号电缆传送至数据 采集处理模块52。
[0028] 数据采集处理模块52由供电锂电池 51供电，数据采集处理模块52将接收的电容 数字信号、温度数字信号和压力数字信号处理后，得到监测数据组，监测数据组即：电容值、 温度值、压力值，并将监测数据组发送给数据上传模块53。
[0029] 电容测量模块33、温度测量模块34和压力测量模块35对圆角矩形管3内流体的 电容值、温度值、压力值采样频率为10HZ，数据采集处理模块52分别将IOHZ的电容、温度和 压力数据通过滤波算法处理成IHZ的监测数据组，监测数据组即电容值、温度值、压力值。
[0030] 泥浆脉冲发生器6置于井下测量短节2上部钻杆的内部。
[0031] 井上监测装置：泥浆脉冲解码器7、井上数据分析及报警系统82。
[0032] 数据上传模块53将监测数据组发送至泥浆脉冲发生器6,泥浆脉冲发生器6将监 测数据组进行编码，并将编码后监测数据组通过泥浆向地面发送泥浆脉冲信号，地面的泥 浆脉冲解码器7接收由泥浆脉冲发生器6编码发送的泥浆脉冲信号，泥浆脉冲解码器7将 接收的泥浆脉冲信号解码后得到监测数据组，泥浆脉冲解码器7将监测数据组通过数据传 输线81传送至井上数据分析及报警系统82,井上数据分析及报警系统82计算分析电容测 量值的变化：若发现电容测量值降低10%，则判别已有地层流体侵入井筒，井上数据分析 及报警系统82进行报警；或者发现电容测量值连续降低10秒以上，井上数据分析及报警系 统82进行报警。井上数据分析及报警系统82通过温度值、压力值计算判别气侵时的气体 物性状态，并根据井筒环空中流体电容值的持续变化幅度和时间，结合钻井液返速和流量， 计算地层流体的侵入量大小，为压井材料的准备提供数据支持。
[0033] 基于电容法井筒溢流早期监测的理论依据：纯油属于中极性结构介质，在第一平 行不锈钢电极片31和第二平行不锈钢电极片32之间电场的作用下，所发生的极化主要是 电子位移极化，在电磁波不同频率范围内，位移极化都有